一种合成气酸气分离和硫回收一体化装置的制作方法

本实用新型属于合成气净化技术领域，特别涉及一种对合成气中H₂S脱除和进行硫回收的一体化装置。

背景技术：

煤炭在我国的能源和化工领域长期占据重要地位，煤炭的清洁和资源化利用是解决我国长期以来直接燃烧煤炭伴随的低效和污染问题的重要途径。其中通过气化炉将煤气化以后生成合成气是煤的清洁和资源化利用的重要途径之一。无论是在整体煤气化联合循环发电(IGCC)还是煤化工领域，对煤炭的利用都要首先通过气化炉将煤转化成合成气。

由于气化原料即煤炭中含有一定的硫分，所以气化产物即合成气中通常含硫。目前国内外应用最广泛的是气流床气化炉技术，气化反应温度普遍在约1300～1700℃之间，煤中所含的硫分大部分都以H₂S的形式进入反应产物即合成气中。对于气化炉产生的合成气，无论在IGCC发电厂中送去燃气轮机发电，还是在化工厂中送去后续的化学合成工艺，都需要先进行脱硫。

合成气的脱硫方式，主要分为高温干法脱硫和低温湿法脱硫两种工艺路线。其中湿法脱硫是技术成熟应用广泛的技术路线，目前绝大多数合成气脱硫都采用湿法脱硫技术。通用的合成气湿法脱硫技术路线一般分为酸气分离和硫回收两步，其中酸气分离过程是将H₂S气体从合成气中分离出来，比较常用的工艺方法包括化学性和物理性吸收方法，如MDEA法、低温甲醇洗、NHD法、Selexol法等，吸收剂溶液首先在一个吸收塔内对合成气进行洗涤，吸收合成气中的H₂S成分，然后在另一个塔中通过升温或降压进行再生，再生出的吸收剂溶液进行循环利用，再生出的H₂S气体送去专门的硫回收流程。常用的硫回收方式有多种，比如高温干法的克劳斯法硫回收流程和湿法LO_CAT硫回收流程以及在这两种方法基础上改进的流程等。其中克劳斯法硫回收流程存在工艺复杂，需要氧量的精确控制，操作弹性小，回收率偏低，需要尾气处理等问题，而湿法硫回收流程对所处理的气体浓度不敏感，操作弹性大，硫回收率高。

目前普遍采用的合成气酸气(H₂S)分离和硫回收分开进行的工艺伴随着诸多问题，如工艺流程长、设备多样，系统复杂性高，采用两种以上溶液介质，硫分离采用的有机吸收剂介质容易降解老化等。

技术实现要素：

为克服合成气脱硫工艺中酸气分离和硫回收要分成两个单独流程，工艺复杂的缺点，本实用新型提出了一种合成气酸气分离和硫回收一体化装置。

为了达到上述目的，本实用新型的技术方案为：

一种合成气酸气分离和硫回收一体化装置，包括吸收塔2，吸收塔2底部接合成气1，吸收塔2顶部出口接循环水冷却器3，循环水冷却器3出口接分液器4，分液器4顶部出口接净化合成气5，分液器4底部出口与吸收塔2顶部相连；吸收塔2底部富液出口连接减压阀8，减压阀8后连接减压塔9，减压塔9顶部出口连接增压机6，增压机6出口连接至吸收塔2下部入口；减压塔9底部出口连接至低压溶液泵14入口，低压溶液泵14出口连接至再生塔16，再生塔16底部出口连接至分离器17，分离器17底部出口连接至溶液储槽18，溶液储槽18底部出口连接至再生溶液泵15，再生溶液泵15出口连接至回热器10冷端入口，回热器10冷端出口连接至除氧器11，除氧器11底部出口连接至回热器10热端入口，回热器10热端出口连接至高压溶液泵13，高压溶液泵13出口连接至吸收塔2顶部入口；空气过滤器22出口连接至鼓风机21，鼓风机21出口连接至再生塔16，再生塔16顶部出口接放空气23；除氧器11顶部入口接低压加热蒸汽12；溶液储槽18接补充溶液19。

所述再生塔16为常压设备。

所述鼓风机21入口安装有空气过滤器。

上述所述合成气酸气分离和硫回收一体化装置进行酸气分离和硫回收的一体化方法，含硫合成气1从吸收塔2底部进入，与此同时，再生溶液从吸收塔2顶部进入，再生液与合成气逆流，在吸收塔2内完成对合成气的洗涤过程，合成气中的H₂S被再生溶液吸收，洁净的合成气从吸收塔2顶部出来，经过循环水冷却器3冷却后，进入分液器4，分离出合成气携带的溶液；洁净的合成气从分液器4顶部送出，分离出的溶液从分液器4底部流出，然后从吸收塔2顶部送入；再生液在吸收塔2内吸收H₂S以后变成富液汇集在吸收塔2底部并流出，经过减压阀8降低压力以后进入减压塔9；在减压塔9内，通过压力的降低使富液携带的H₂和CO可燃气体释放出来并从减压塔9顶部引出，经过增压机6加压后送回吸收塔2；减压塔9底部汇聚的溶液由低压溶液泵14抽出后送入再生塔16，与此同时，鼓风机21将大量空气鼓入再生塔16，在催化剂的作用下，再生塔16内发生催化氧化，溶解在溶液中的H₂S被氧化成固体硫磺，溶液得到再生；再生塔16中多余的空气从塔顶排出，再生液携带泡沫状硫磺从再生塔16塔底流出送往分离器17；经过分离器17过滤分离，再生液从分离器17底部流出送入溶液储槽18，硫磺滤渣从分离器17上部送出；再生溶液泵15从溶液储槽18中抽出再生液送往除氧器11进行加热除氧。再生溶液进出除氧器11前后要通过回热器10进行换热，以回收部分热能，以减少低压加热蒸汽12的流量，节约能耗；从回热器10热端出口出来的再生液经过高压溶液泵13加压后送往吸收塔2，从吸收塔2顶部进入塔内，对合成气进行洗涤。

采用合成气脱硫和硫回收一体化的流程，合成气脱硫和硫回收只用一种溶液作为工质，在吸收塔2内完成溶液对合成气中H₂S的吸收，主要在再生塔16内完成溶液的再生和硫磺的回收。

为防止溶液带氧造成对合成气中CO的氧化，再生溶液送去吸收塔2洗涤合成气之前要经过除氧器11进行除氧，溶液进入除氧器11前后要经过回热器10进行换热。

为减少合成气损失，吸收塔2底出来的富液送去再生塔16之前，要先经过减压阀8减压，并在减压塔9内释放出溶液携带的可燃气体CO和H₂，减压塔9出来的气体经过增压机6再压缩后送回吸收塔2。

在吸收塔和再生塔之间循环的工作介质为吸收剂溶液，所述吸收剂溶液采用Na₂CO₃溶液，采用络合铁为催化剂，利用Lo-cat湿法氧化原理进行硫回收。吸收剂溶液在装置中进行循环利用，在吸收塔2吸收了H₂S以后的吸收剂溶液称为富液，在再生塔16进行再生以后的吸收剂溶液称为再生液。

本实用新型的工作原理为：

所述吸收剂溶液采用Na₂CO₃溶液，使用铁离子络合物液体催化剂，即络合铁Na₂CO₃-NaHCO₃体系。在吸收塔内，H₂S溶于水后，电离成HS^-和H⁺，溶液中Na₂CO₃的加入，使新溶液呈碱性，增加了溶液对H₂S的吸收能力。溶液中的催化剂Fe³⁺与HS^-发生氧化还原反应，将HS^-氧化为单质硫，同时铁离子催化剂Fe³⁺被还原亚铁离子Fe²⁺。在再生塔内，由于空气的持续通入，铁离子催化剂不断被空气氧化，将Fe²⁺氧化为Fe³⁺，Fe³⁺持续将溶液中的HS^-氧化成硫磺单质，硫磺单质是一种固体颗粒，通过分离器过滤从溶液中分离。

工艺过程中的所有反应都可在室温下发生而且满足化学平衡条件，主要化学反应如下：

吸收(氧化)反应：

H₂S吸收：H₂S(g)+H₂O(l)→H₂S(l)

H₂S电离：H₂S(l)→HS^-+H⁺

HS-氧化：HS^-+2Fe³⁺→S(s)+2Fe²⁺+H⁺

再生(还原)反应：

O₂吸收：1/2O₂(g)+H₂O(l)→1/2O₂(l)

Fe²⁺氧化再生：1/2O₂(l)+2Fe²⁺+H₂O→2Fe³⁺+2OH^-

总反应：

H₂S(g)+1/2O₂(g)→H₂O(l)+S(s)

工作过程为：在合成气压力条件下，吸收剂溶液在吸收塔内洗涤合成气并将合成气中的H₂S吸收，合成气得到净化。从吸收塔出来的富液送往减压塔，通过减压释放出溶液中溶解的CO和H₂，释放出的CO和H₂再经过加压送回吸收塔，而减压塔出来的富液送往再生塔进行再生。再生塔内通入空气，在铁离子的催化下，HS^-被氧化成固体硫磺。携带硫磺的再生液经过分离器过滤，固体硫磺被分离处理，溶液送溶液储槽。由于在生过程中通入了过量的氧气，所以溶液中含氧量过高，为了防止在吸收塔内洗涤合成气过程中合成气中的CO成分被氧化，增加了除氧步骤。除氧器的工作原理是，利用低压蒸汽加热溶液，使溶液温度达到常压状态的饱和温度，溶液中溶解的氧气被解吸出来并排出。另外，设置一个回热器，使除氧前后的溶液做一次热交换，以减少低压加热蒸汽耗量，达到节能的目的。

本实用新型有益的效果为：

1、本实用新型将合成气常规湿法脱硫过程中的酸气分离和硫回收两个循环过程合二为一，使系统设备大幅减少，降低了设备投资费用，同时，系统复杂度的降低也使得运行操作得到大大简化。由于不需要使用诸如MDEA、NHD或Selexol等有机溶剂，因此循环工质降解问题得到大大改善，节省了工质的补充和更新费用。

2、采用碱性溶液Na₂CO₃洗涤合成气，循环溶液的pH值维持在8～9之间，可以对合成气中的H₂S进行更有效的吸收和脱除，可以承受合成气中H₂S含量的宽范围波动。脱硫效率可达99.9％。

3、溶液及催化剂无毒无害，反应速度快，硫回收效率可达99.97％～99.99％，排放尾气中的H₂S残留量低于10^-6，符合国家排放标准。

3、溶液为无机盐溶液，不易挥发，不对合成气造成次生污染，高温不降解，操作温度不敏感，运行控制平稳。工艺流程简单，控制参数较少，整个系统操作弹性大，设备运行安全可靠。

4、设置了溶液减压环塔回收高压溶液中携带的可燃气，使合成气H₂和CO损失降到最低。

5、设置了除氧环节，减少溶液的含氧量，避免了由于溶液带氧造成在吸收塔内有CO被氧化。

附图说明

图1是本实用新型合成气酸气分离和硫回收一体化装置及流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施实例对本实用新型的具体实施方式进行说明。

如图1所示，本实施方式以本实用新型装置及方法应用于IGCC电厂对合成气进行脱硫及硫回收来说明。在IGCC电厂，煤首先在气化炉中完成气化过程，并生成含有H₂S污染物的粗合成气，在把合成气送入燃气轮机发电之前，要先对合成气进行净化脱硫。

从气化炉来的合成气首先经过除灰和水洗净化以后，合成气中只剩H₂S污染物成分，合成气压力3.0MPag，温度40℃，其中H₂S组分含量，根据所用煤种确定，约为占总体积的0.147％。如附图所示，含硫合成气1从吸收塔2底部进入，与此同时，再生溶液从吸收塔顶部进入，再生液与合成气逆流，在吸收塔内完成对合成气的洗涤过程完，合成气中的H₂S被溶液吸收，洁净的合成气从吸收塔顶部出来，经过循环水冷却器3冷却后，进入分液器4，分离出合成气携带的溶液。洁净的合成气从分液器4顶部送出，分离出的溶液从分液器底部流出，然后从吸收塔2顶部送入。再生液在吸收塔内吸收H₂S以后变成富液汇集在吸收塔2底部并流出，从吸收塔底部出来的富液由于压力较高，除了吸收了H₂S气体以外，还溶解了部分CO和H₂，为了减少合成气热值损失，需要回收这部分CO和H₂，从吸收塔底部出来的带压富液经过减压阀8降低压力以后进入减压塔9。在减压塔9内，通过压力的降低使富液携带的H₂和CO等可燃气体释放出来并从减压塔9顶部引出，经过增压机6加压后送回吸收塔2。从减压塔底部出来的富液已经降至约常压状态，减压塔9底部汇聚的溶液由低压溶液泵14抽出后送入再生塔16，再生塔是一个常压的设备，利用鼓风机向再生塔内持续输入空气，鼓风机入口安装有空气过滤器，避免杂质随空气进入再生塔污染溶液。鼓风机21将大量空气鼓入再生塔16，在催化剂的作用下，再生塔16内发生催化氧化，溶解在溶液中的H₂S被氧化成固体硫磺，溶液得到再生。再生塔16中多余的空气从塔顶排出，再生液携带泡沫状硫磺从再生塔16塔底流出送往分离器17。经过分离器17过滤分离，再生液从分离器17底部流出送入溶液储槽18，硫磺滤渣20从分离器17上部送出。根据溶液消耗情况，从溶液储槽加入补充溶液；由于从再生塔16中有空气通入，再生溶液中溶解了部分的氧气，溶液再次与合成气接触时会造成合成气中CO的氧化，造成合成气热值的损失。因此，再生溶液泵15从溶液储槽18中抽出再生液送往除氧器11进行加热除氧。再生溶液进出除氧器11前后要通过回热器10进行换热，以回收部分热能，以减少低压加热蒸汽12的流量，节约能耗。从回热器10热端出口出来的再生液经过高压溶液泵13加压后送往吸收塔2，从吸收塔2顶部进入塔内，重新开始对合成气进行脱硫洗涤过程。

在该实施实例中，该酸气分离和硫回收一体化装置运行的具体参数由表1给出。