濕式氧化還原法高效吸收反應塔吸收效率測試研究

朱紅彬（中石化石油工程設計有限公司,山東　東營　257026）

濕式氧化還原法高效吸收反應塔吸收效率測試研究

朱紅彬
（中石化石油工程設計有限公司,山東東營257026）

為了提高濕式氧化還原法脫硫吸收反應器的效率和防硫堵性能，實現單塔凈化吸收的目標，在理論分析的基礎上，提出了新型高效吸收反應器結構，并基于絡合鐵脫硫工藝開展了現場試驗測試，其吸收效率高到99.9%以上，防硫堵性能顯著。

高效；吸收反應器；天然氣脫硫；防堵

濕式氧化還原法脫硫又稱直接轉化法，是指使用含有氧載體的溶液將天然氣中的H2S氧化為元素硫，被還原的氧化劑經空氣再生又恢復了氧化能力的一類氣體脫硫方法[1]。按照反應原理分為H2S吸收過程和溶液再生過程。其吸收過程的關鍵設備為吸收塔，吸收塔的核心作用是完成H2S的氣液傳質過程。這一過程受多方面因素的影響，但大致可分為物理因素和化學因素。其中化學因素的影響主要因脫硫藥劑的PH值、離子濃度等參數的不同而存在差異，物理因素受反應器結構、氣液分布等因素的影響。因此針對某種脫硫劑來講，吸收塔的結構設計對于其傳質效率、防硫沉積起到至關重要的作用。本文重點對絡合鐵脫硫技術的吸收反應器進行了吸收效率和和防硫堵效果進行了測試研究。

1　絡合鐵法脫硫技術及吸收傳質過程

絡合鐵法是濕式氧化還原法工藝中鐵法工藝的代表工藝之一，該技術以鐵離子作為催化劑，在堿性溶液中通過添加絡合劑使鐵離子在溶液中形成均相體系，防止沉淀的產生。其反應技術原理如下：其主要反應如下[2]：

（1）堿性水溶液吸收H2S、析硫過程

（2）再生反應

通過以上反應原理可見，其吸收過程（1）中首先H2S進入液相，實現從氣相到液相轉移，在這個過程中氣體首先要突破氣液相界面進入到液相。H2S吸收氣液傳質是基于氣液雙膜控制理論。在氣液雙膜控制理論中，H2S氣液傳質是假定在氣液界面處，溶入液體中H2S濃度與氣相中H2S分壓力處于平衡狀態，此關系符合亨利定律。H2S通過氣膜和液膜傳質時，其總的傳質速率分別與其傳質驅動力成正比。

據此，可推得下式(6)～(7)：

式中：N——H2S總傳質速率，mol/cm2?L；

PH2S——氣相本體H2S分壓力，kPa；

CH 2S——液相本體的H2S濃度，mol/L；

H——亨利常數，kPa/mol?L；

kg，kl——分別為氣膜和液膜傳質系數；

φ——液相增強因子；

kG——總氣相傳質系數。

對于式(1)，在石灰石脫硫系統中，液相中H2S分壓力H?CH 2S與氣相中H2S分壓力PH 2S相比，通?？梢院雎圆挥?。當比值φkl/ Hkg遠遠小于1時，傳質受液膜阻力的控制;當其遠大于1時，傳質受氣膜阻力的控制。通常濕式氧化還原法脫硫吸收過程受液膜阻力控制，氣液接觸面積是液膜阻力影響的重要因素，因此在吸收塔內氣相中的H2S與液相脫硫液如何充分接觸，是提高吸收效率的關鍵。

2　高效吸收反應器

傳統的濕式氧化還原法脫硫多采用板式塔、填料塔等塔器，對于H2S含量較高的氣體，往往需要通過多個塔器串聯吸收的方式才能確保脫硫后氣體中的H2S小于20m g/Nm3。另一方面，濕式氧化還原法由于溶液中含有固相硫磺，容易出現硫堵、發泡等問題。為了解決以上問題，本文提出一種新型吸收反應器結構型式。

本吸收反應器工作流程為：含硫原料氣首先與貧液1在線管中進行混合，進入塔器底部的分布裝置，氣體向上流動，與向下流動的液體形成逆流接觸，氣體上浮到液面之上繼續與從貧液2進入的液體形成逆接觸，凈化后的氣體從凈化氣管線進入后續流程，富液進入塔底部的富液管線。

3　吸收效率實驗測試

以絡合鐵脫硫劑作為吸收藥劑，通過開展現場實驗測試，確定反應器整體效率及在塔內不同位置的硫化器脫除率。原料氣采用井口含硫天然氣，H2S含量平均為10.02g/Nm3，氣量為400Nm3/h左右，脫硫液量為2m3/h，吸收壓力在2.2-2.3Mpa。該測試共分為兩組，試驗一：維持氣量、貧液II液量為0、壓力等條件不變，調整液位高度，測試貧液I的吸收效率；試驗二：維持氣量、貧液I液量為0、壓力等條件不變，測試不同液位貧液II的吸收效率；

通過以上測試可見，該反應器整體脫除效率高，能夠將凈化氣中H2S控制在20mg/Nm3以內。單獨通過貧液I吸收，吸收效率最高達100%，當液位低至0時，仍有90%的吸收效率；單獨采用貧液II吸收，吸收效率在93%以上，霧化效果明顯，吸收效果顯著。另外通過觀察，該反應器內部沒有出現由于硫磺導致的沉積和堵塞等現象。

吸收反應器效率測試

4　結論

通過理論和經驗分析得出了提高吸收反應器效率和防硫堵的方法，并開展了現場實驗測試，得到如下結論：

（1）改濕式氧化還原法吸收反應塔吸收效率高，可實現單塔100%吸收，大幅度提高了吸收效果和抗波動能力，另外防硫堵效果顯著，有效解決了傳統填料容易出現的硫沉積的問題。

（2）貧液I的預混合吸收效率可達90%，貧液II的吸收效率93%以上，針對更高濃度的H 2S吸收，可同時采用兩種吸收方式，并根據實際情況進行液量的調整和分配。

（3）貧液II除了具有較高的吸收率外，還具有有效防止硫磺聚集的作用，在塔器設計時應當予以充分考慮。

[1]王開岳等．天然氣凈化工藝[M].石油工業出版社,2005:193-194．

[2]肖九高,楊建平,郝愛香.國外絡合鐵法脫硫技術研究進展[J].化學工業與工程技術,2003,24(05):41-43.

朱紅彬（1984—），男，中國石油大學（華東）油氣儲運工程專業，工程師，主要從事于天然氣脫硫技術研究。