一、案例背景
某公司新上一套日處理10km3沼氣凈化裝置，該裝置分脫硫和脫碳兩部分，其中，脫硫裝置又分濕法脫硫和干法脫硫兩部分，濕法脫硫裝置參照國內(nèi)化肥行業(yè)半水煤氣脫硫裝置的工藝設(shè)計(jì)，兩個干法脫硫罐串聯(lián)于脫硫塔后。并采用紅外氣體分析儀Gasboard-3500（防爆型）進(jìn)行氣體監(jiān)測。
紅外氣體分析儀Gasboard-3500（防爆型）
但在生產(chǎn)過程中，脫硫系統(tǒng)多次出現(xiàn)了脫硫塔效果差、脫硫罐阻力大等問題，以至于兩周之內(nèi)兩次停產(chǎn)重新裝填脫硫劑，既增大勞動強(qiáng)度又影響正常生產(chǎn)。經(jīng)多方面分析原因并反復(fù)試驗(yàn)，根據(jù)紅外氣體分析儀Gasboard-3500（防爆型）的檢測數(shù)據(jù)。確定新的工藝指標(biāo)和操作方法。
二、脫硫系統(tǒng)工藝簡介
沼氣在脫硫塔內(nèi)與脫硫液逆向接觸，脫除硫化氫，經(jīng)氣液分離器去干法脫硫罐二次脫硫，進(jìn)入壓縮機(jī)，送脫碳工序。
沼氣流程：沼氣氣柜一脫硫塔一氣液分離器一干法脫硫罐一壓縮機(jī)一脫碳工序。
脫硫液流程：脫硫塔一富液槽一富液泵一再生槽一貧液槽一貧液泵一脫硫塔。
主反應(yīng)：
H2S+Na2CO3=NaHS+NaHCO3
2NaHS+O2 (TTS)=2S↓+2NaOH
NaOH+NaHCO3=Na2CO3+H2O
副反應(yīng)：
Na2CO3+H2O+CO2=2NaHCO3
2NaHS+2O2=2Na2S2O3+H2O
干法脫硫：
Fe2O3·H2O+3H2S=Fe2S3·H2O+3H2O
再生：
2Fe2S3·H2O+3O2= 2Fe2O3·H2O+6S
主要工藝指標(biāo)：
脫硫塔后：H2S≤100ppm
脫硫罐后：H2S~<20ppm
總堿度：0.4～0.6mol/L
Na2CO3：4.0～7.0g/L
NaHCO3：25.0～30.0g/L
脫硫液溫度：30～40℃
脫硫液流量：30～40m/h
三、問題分析
1.存在的問題
在脫硫液溫度、流量正常的情況下，脫硫塔后、脫硫罐后硫化氫嚴(yán)重超標(biāo)，脫硫液脫硫效率低，造成大量硫化氫被吸附于脫硫罐中，造成脫硫罐嚴(yán)重堵塞，不得不停產(chǎn)重裝處理。
脫硫效率按下式計(jì)算：
脫硫效率=(原料氣硫化氫含量-脫硫塔后硫化氫含量)/原料氣硫化氫含量x100％
H2S超標(biāo)情況見表1。
2.分析原因
當(dāng)加入純堿后，脫硫液的脫硫效果有所好轉(zhuǎn)，脫硫罐后硫化氫含量亦有所降低，說明脫硫塔的脫硫效果在脫硫系統(tǒng)中起主要作用。由于脫硫塔后硫化氫含量太高，造成脫硫罐負(fù)荷高，以至脫硫罐嚴(yán)重堵塞，系統(tǒng)不得不停產(chǎn)重裝兩個串聯(lián)的脫硫罐，但由于脫硫塔的脫硫效果沒有好轉(zhuǎn)，僅兩周后又得重裝脫硫罐，影響正常生產(chǎn)。
從脫硫液方面看，在裝置原始開產(chǎn)時(shí)，用軟水配了共25m3脫硫液，碳酸鈉起始濃度高達(dá)48.0g/L，但是僅僅運(yùn)行了五天，碳酸鈉含量急劇下降，雖然每天往脫硫液中加入的純堿相當(dāng)于5.0g/L，但并沒有阻止碳酸鈉含量的下降，而且很快降至指標(biāo)下限(4.0g/L)以下，具體數(shù)據(jù)見表2。
從表2數(shù)據(jù)可以看出，盡管每天加入的純堿相當(dāng)于5.0g/L，但并沒有控制住碳酸鈉含量，而碳酸氫鈉含量卻一直上升:開產(chǎn)第四天已達(dá)到了指標(biāo)上限的兩倍左右，雖然總堿度也一直上升，但總堿度的升高并沒有提高脫硫效率。
反復(fù)分析問題產(chǎn)生的原因，認(rèn)為沼氣與半水煤氣成分有較大差異，尤其是二氧化碳含量的差距更為突出：沼氣中CO2在30％ ～40％ ，而半水煤氣CO2僅在8％～10％ ，可能是副反應(yīng)消耗了大量的純堿，造成了碳酸氫鈉含量的居高不下，因?yàn)閺拿摿蚍磻?yīng)來看，脫除沼氣中硫化氫并不消耗純堿。為驗(yàn)證這一想法，分析脫硫塔后CO2含量，原料氣中CO2為37.4％～42.3％ ，脫硫塔后CO2為14.6％ 一17.2％ 。
從開產(chǎn)之前的數(shù)據(jù)來看，原料氣CO2zui高為42.6％ ，zui低為34.7％。經(jīng)過脫硫塔后被吸收了氣體總體積的15％左右，造成脫硫液中碳酸鈉含量的急劇下降和碳酸氫鈉含量的迅速升高，使得脫硫效率大為降低。
四、解決方案
要解決脫硫塔脫硫效率低的問題，應(yīng)控制住脫硫液中碳酸鈉和碳酸氫鈉的含量。在脫硫液中，碳酸鈉為有效成分、碳酸氫鈉為無效成分，只加人純堿不一定能夠控制住碳酸鈉含量，而且還會進(jìn)一步增高碳酸氫鈉含量。需要采取既能保持碳酸鈉含量，提高脫硫效率，還能降低碳酸氫鈉的含量方法。從主反應(yīng)來看，可以加入燒堿。
為避免加燒堿會對生產(chǎn)造成大的影響，采取燒堿和純堿一起加的方式：先往配堿槽中加人脫硫液2～3m (含碳酸氫鈉約100～150kg)，然后加入50kg燒堿，待燒堿全部反應(yīng)后，再加入40kg純堿和適量脫硫劑，將該脫硫液送人系統(tǒng)脫硫液，脫硫效果見表3。
由表3可以看出，在脫硫液中加入一定量燒堿后，碳酸鈉含量得到控制，碳酸氫鈉含量也有大幅下降，脫硫效率明顯提高。從以上分析數(shù)據(jù)來看，因碳酸氫鈉的含量較高，總堿度不能控制在0.4～0.6mol/L，而應(yīng)控制在0.7mol/L以上。
五、結(jié)語
(1)使用沼氣分析儀監(jiān)測甲烷含量，掌握甲烷回收率、脫硫效率等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，并據(jù)此進(jìn)行厭氧發(fā)酵、提純過程的工藝優(yōu)化，可以顯著提高沼氣和生物天然氣工程的經(jīng)濟(jì)效益。
(2)沼氣脫硫不同于半水煤氣脫硫，其二氧化碳高的性質(zhì)決定了其脫硫不能照搬半水煤氣脫硫工藝，需要加以改進(jìn)。
(3)因沼氣的二氧化碳量較高，造成脫硫液碳酸氫鈉含量高，因此總堿度指標(biāo)應(yīng)控制在0.7mol/L以上。
(4)在沼氣二氧化碳含量高的情況下，可以往脫硫液中加入一定量的燒堿，但要注意加入量必須參照系統(tǒng)脫硫液中碳酸氫鈉含量，必須在配堿槽中加入，不能讓燒堿直接進(jìn)入脫硫液中，特別是在脫硫效率低、碳酸氫鈉高的情況下更應(yīng)如此。
(5)改進(jìn)后成本沒增加多少，但脫硫效率卻大大提高，而且還避免了碳酸氫鈉含量繼續(xù)升高。
(6)如果原料氣量有變化，脫硫液中碳酸氫鈉含量會隨生產(chǎn)情況變化，每天加入的燒堿也要隨之調(diào)整。若碳酸氫鈉含量在50～60L或更高時(shí)，可只加燒堿。
(7)燒堿溶于脫硫液時(shí)會放出大量熱，且具有強(qiáng)腐蝕性，操作務(wù)必注意安全。
（來源：公眾號@沼氣工程及其測控技術(shù)）
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