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國產(chǎn)深度凈化脫硫劑在大型化甲醇合成裝置上的工業(yè)應(yīng)用

2024-05-12 13:17:30惠武衛(wèi)張新波
關(guān)鍵詞:硫容脫硫劑合成氣

雷 聰,梁 立,倪 昂,惠武衛(wèi),蘇 敏,張 俊,張新波

(1.國能榆林化工有限公司,陜西 榆林 719300;2.西南化工研究設(shè)計院有限公司 工業(yè)排放氣綜合利用國家重點(diǎn)實(shí)驗室,國家碳一化學(xué)工程技術(shù)研究中心,四川 成都 610225)

甲醇是一種重要的化工原料,廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。甲醇可以用于制乙二醇、二甲醚和甲醛等。甲醇代替燃料的趨勢凸現(xiàn),方式包括甲醇制造汽油、甲醇制燃料電池,以及甲醇和汽油制混合汽油等,可見甲醇對于化工和能源行業(yè)具有重要意義。而甲醇合成催化劑是合成甲醇工藝的核心技術(shù),甲醇合成催化劑為銅基催化劑,對毒物敏感,微量的硫、氯和羰基金屬化合物都會造成產(chǎn)物選擇性下降或催化劑失活。其中,原料氣中的硫易與Cu 反應(yīng),生成Cu2S 覆蓋活性位點(diǎn)、堵塞孔道,造成催化劑不可逆失活[1]。硫中毒會嚴(yán)重縮短催化劑壽命,降低裝置運(yùn)行負(fù)荷及經(jīng)濟(jì)性,是制約大型化甲醇合成技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵問題之一。因此,在大型化甲醇合成裝置前端設(shè)置粗脫-深度凈化脫硫工段,對合成氣進(jìn)行深度凈化,將原料氣中總硫(幾百毫克每標(biāo)方)降至0.04 mg/m3以下,甚至更低,以保證后續(xù)甲醇合成催化劑的高負(fù)荷、長周期穩(wěn)定運(yùn)行[2-5]。

目前,國內(nèi)合成氣精脫硫主要采用干法脫硫技術(shù)。干法脫硫根據(jù)運(yùn)行溫度分為高溫脫硫、中溫脫硫、低溫脫硫和常溫脫硫。高溫脫硫和中溫脫硫硫容高、脫硫效果好,尤其對有機(jī)硫脫除效果好,但需要增加較多的熱源,運(yùn)行成本高。常溫脫硫運(yùn)行成本低,但硫容很低,有機(jī)硫的脫除效果差[5-8]。低溫脫硫適用溫度相對較低,一般為80~150 ℃,需要的熱量較少,且硫容較高,能滿足甲醇催化劑保護(hù)要求,因此被廣泛采用。深度凈化脫硫劑是低溫高效脫硫的關(guān)鍵,目前的低溫脫硫劑存在脫硫精度低、硫容低等問題[9-11]。2022 年10 月,國能榆林化工有限公司(以下簡稱“國能榆林”)甲醇裝置中,低溫甲醇洗變換氣/凈化變換氣換熱器出現(xiàn)內(nèi)漏,導(dǎo)致低溫甲醇洗出口合成氣總硫長時間超標(biāo),最高甚至超過60 mg/m3,遠(yuǎn)超設(shè)計指標(biāo)的0.15 mg/m3。在產(chǎn)生如此高質(zhì)量濃度的硫化物后,如果強(qiáng)行運(yùn)行會導(dǎo)致甲醇合成催化劑迅速失活。但此時裝置中甲醇合成催化劑活性較好,且距離大修還有較長時間,如果貿(mào)然停車檢修,將導(dǎo)致較大損失。經(jīng)過多方案對比,決定采用適用的深度凈化脫硫劑,以保障甲醇合成催化劑穩(wěn)定運(yùn)行至大修。

近年來,西南化工研究設(shè)計院有限公司(簡稱“西南院”)在凈化劑領(lǐng)域廣泛布局,針對合成氣、焦?fàn)t氣、黃磷尾氣和電石爐氣等工業(yè)排放氣的凈化與利用,結(jié)合自研的甲醇合成催化劑的使用條件和性能,開發(fā)了深度凈化脫硫劑CNTS-11。該脫硫劑通過添加特殊助劑及特殊的生產(chǎn)工藝,可將合成氣中的總硫脫至0.02 mg/m3以下,從而有效保障甲醇合成催化劑的使用壽命。本文將從甲醇合成工藝、脫硫劑特點(diǎn)、脫硫機(jī)理和工業(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù)分析等方面介紹該脫硫劑在國能榆林180×104t/a 甲醇合成裝置中的應(yīng)用情況。

1 180×104 t/a甲醇合成裝置的工藝流程

國能榆林煤制甲醇裝置以煤為原料,采用水煤漿氣化技術(shù)生產(chǎn)粗煤氣,粗煤氣經(jīng)耐硫變換調(diào)整氫碳比,低溫甲醇洗脫除雜質(zhì)和酸性氣體,精脫硫單元深度脫硫,最后進(jìn)入甲醇合成系統(tǒng)生產(chǎn)粗甲醇產(chǎn)品。該裝置的工藝流程見圖1。初步凈化后的合成氣的深度凈化流程如下:來自低溫甲醇洗的30 ℃、5.1 MPa的合成氣,經(jīng)壓縮機(jī)加壓至7.7 MPa、升溫至82 ℃,再經(jīng)過蒸汽預(yù)熱器繼續(xù)加熱至142 ℃,向合成氣中注入少量水,然后進(jìn)入裝填了CNTS-11脫硫劑的合成氣精脫硫槽,將其中的含硫成分深度脫至0.04 mg/m3以下。深度凈化后的合成氣進(jìn)入甲醇合成系統(tǒng),在甲醇合成催化劑的作用下反應(yīng)生產(chǎn)粗甲醇[3]。

圖1 180×104 t/a甲醇合成裝置的工藝流程Fig.1 Process flow of 180×104 t/a methanol synthesis unit

2 CNTS-11 脫硫劑物性分析、脫硫機(jī)理和裝填情況

2.1 物性分析

CNTS-11 脫硫劑外觀為淺灰色條狀,直徑為3.5~4.5 mm,長度為5~20 mm,主要成分為氧化鋅、氧化銅和特殊助劑。該脫硫劑采用特殊造孔劑制造,具有豐富的孔道結(jié)構(gòu),有助于硫化物的脫除。另外,脫硫劑中也引入了一定的助劑,促進(jìn)了活性組分的分散,同時也加入了部分阻隔劑,有效避免了活性組分在惡劣工況中結(jié)聚長大,提高了脫硫劑的穩(wěn)定性。對該脫硫劑進(jìn)行了X 射線衍射(XRD)表征分析,結(jié)果見圖2。由圖2 可知,檢測到氧化鋅和氧化鋁的特征衍射峰,未檢測到氧化銅的特征衍射峰。說明氧化銅高度分散,增加了活性位,有利于硫化物尤其是有機(jī)硫的脫除。

圖2 CNTS-11脫硫劑的XRD譜圖Fig.2 XRD pattern of CNTS-11 desulfurizer

2.2 脫硫機(jī)理

在一定溫度和壓力條件下,原料氣中H2S、CS2和COS 等含硫物經(jīng)過脫硫劑得以脫除。脫硫劑的脫硫機(jī)理見式(1)~式(7)。脫硫劑與H2S 接觸時,表面分散的活性金屬Cu與S2-結(jié)合,生成中間體Cu2S,并進(jìn)一步生成CuS,ZnO 與S2-結(jié)合生成ZnS。脫硫劑與有機(jī)硫(羰基硫、二硫化碳、硫醇和噻吩等)、氫氣接觸時,在分散的活性金屬Cu 表面發(fā)生催化反應(yīng),引起有機(jī)硫的氫解反應(yīng)[12],將有機(jī)硫轉(zhuǎn)化為H2S。脫硫劑與部分羰基硫、水汽接觸時,發(fā)生水解反應(yīng),將其轉(zhuǎn)化為H2S。生成的H2S 再與活性金屬Cu 結(jié)合,生成中間體Cu2S,并進(jìn)一步生成CuS 等產(chǎn)物,ZnO與S2-結(jié)合生成ZnS。

2.3 裝填情況

CNTS-11 脫硫劑裝填于絕熱式反應(yīng)器內(nèi)。脫硫劑上、下部都使用直徑大于脫硫劑的氧化鋁球填充,氧化鋁球之間用雙層不銹鋼絲網(wǎng)隔開,裝填示意圖見圖3。CNTS-11脫硫劑在投用過程中需要保持空速在1000 h-1以上,較大空速下投料有助于活化脫硫劑,提高其在運(yùn)行過程中的活性。

3 CNTS-11脫硫劑工業(yè)應(yīng)用效果分析

3.1 脫硫劑活化過程

2023年3月20日,本項目開始用工藝氣體對脫硫劑進(jìn)行升溫,升溫過程保持空速大于1000 h-1。3 h后床層溫度升至110 ℃,5 h 左右床層溫度到達(dá)139 ℃。升溫完成后開始滿負(fù)荷運(yùn)行,床層溫度整體穩(wěn)定在139~142 ℃。投用階段脫硫劑升溫活化數(shù)據(jù)見表1。銅系脫硫劑一般還原后才有活性,且還原時間較長,升溫加還原過程長達(dá)80 h左右[2],還原過程還需要控制還原氣體體積分?jǐn)?shù),關(guān)注床層溫升,制定單獨(dú)的還原工藝路線,使用過程復(fù)雜,投用準(zhǔn)備時間較長,使用成本較高[13-15]。由表1 可知,本項目精脫硫單元投料活化過程簡單,占用時間短,可操作性強(qiáng)。合成氣脫硫槽出口微量硫檢測采用在線和取樣兩種方式,采用氣相色譜(安捷倫7890),配備硫化學(xué)發(fā)光檢測儀(SCD),檢測下限為10×10-9(體積分?jǐn)?shù))。在CNTS-11 脫硫劑運(yùn)行期間,合成氣脫硫槽進(jìn)口總硫為20×10-6左右,出口在線檢測值為0,氣相色譜分析為未檢出,說明活化過程中該脫硫劑表現(xiàn)出良好的脫硫活性。

表1 CNTS-11脫硫劑升溫活化數(shù)據(jù)Table 1 Heating activation data of CNTS-11 desulfurizer

3.2 合成氣脫硫槽進(jìn)出口數(shù)據(jù)分析

通過對合成氣脫硫槽進(jìn)出口原料氣組分及出口冷凝器中副產(chǎn)物的分析,判斷副產(chǎn)物的生成情況,分析設(shè)備采用氣相色譜(安捷倫7820A)。所選擇的色譜工作條件應(yīng)保證試樣中各組分被有效分離,試樣中各組分的色譜峰與相鄰組分色譜峰的分離度應(yīng)滿足定量要求。氣相色譜工作條件見表2,合成氣脫硫槽進(jìn)出口數(shù)據(jù)見表3。由表3可知,進(jìn)出口原料氣組分沒有明顯差異,脫硫劑床層幾乎沒有溫升,出口冷凝氣中也無副產(chǎn)物檢出。由此可以看出,該脫硫劑上無副產(chǎn)物生成,對原料氣組成無影響,不會影響后續(xù)甲醇合成催化劑運(yùn)行。收集了整個運(yùn)行周期內(nèi)合成氣脫硫槽出口總硫數(shù)據(jù),見圖4。由圖4 可知,整個運(yùn)行周期內(nèi)合成氣脫硫槽出口總硫始終保持在較低水平,說明脫硫劑穩(wěn)定性好、脫硫精度高。

表2 氣相色譜工作條件Table 2 Working conditions of gas chromatography

表3 合成氣脫硫槽進(jìn)出口數(shù)據(jù)Table 3 Inlet and outlet data of synthesis gas desulfurization tank

圖4 運(yùn)行周期內(nèi)合成氣脫硫槽出口總硫Fig.4 Total sulfur at outlet of synthesis gas desulfurization tank during operation cycle

3.3 使用后的脫硫劑物性分析

由于合成氣脫硫槽入口硫質(zhì)量濃度較高,平均為23 mg/m3,最高超過60 mg/m3,脫硫劑的運(yùn)行時間有限。經(jīng)過45 d的穩(wěn)定運(yùn)行,卸出脫硫劑進(jìn)行固體硫分析,結(jié)果見表4。由表4 可知,固體中硫平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)為13.00%,與理論計算值相近,CNTS-11脫硫劑硫容優(yōu)于國內(nèi)外同類產(chǎn)品。為進(jìn)一步考察脫硫劑的強(qiáng)度指標(biāo),分別取合成氣脫硫槽上部、中部和下部樣品進(jìn)行強(qiáng)度分析,結(jié)果見表5。由表5可知,使用后的脫硫劑強(qiáng)度較好,使用前后強(qiáng)度變化較小,滿足工業(yè)應(yīng)用要求。

表4 使用后樣品的固體硫容分析結(jié)果Table 4 Analysis results of solid sulfur capacity of samples after use

表5 使用后樣品的強(qiáng)度分析結(jié)果Table 5 Analysis results of strength of samples after use

采用掃描電子顯微鏡-能譜(SEM-EDS),對脫硫劑徑向截面進(jìn)行了元素分布分析,進(jìn)一步觀察了使用后脫硫劑表面硫元素的分布情況,結(jié)果見圖5。由圖5(a)、圖5(d)可知,使用后脫硫劑上硫化物分布均勻,說明該脫硫劑上脫硫活性組分分散均勻,能夠減輕硫物種在脫硫劑上的內(nèi)擴(kuò)散效應(yīng),內(nèi)外活性組分均可發(fā)揮脫硫作用,這也是CNTS-11脫硫劑硫容較高的原因之一。由圖5(b)、圖5(c)可知,該脫硫劑上元素分布均勻,說明其生產(chǎn)過程工藝水平較高。

圖5 使用后脫硫劑的SEM-EDS照片F(xiàn)ig.5 SEM-EDS images of desulfurizer after use

4 結(jié)論

本文介紹了深度凈化脫硫劑CNTS-11 在國能榆林大型甲醇合成裝置上的應(yīng)用情況。該脫硫劑在苛刻工況下展現(xiàn)出良好的脫硫性能。

(1)CNTS-11 脫硫劑成功應(yīng)用于大型甲醇合成裝置的精脫硫單元,工業(yè)運(yùn)行數(shù)據(jù)表明,在合成氣脫硫槽入口硫化物質(zhì)量濃度高達(dá)60 mg/m3的工況下,CNTS-11脫硫劑展現(xiàn)出較高的脫硫精度,出口總硫低于0.02 mg/m3,甚至更低。脫硫劑硫容高達(dá)13.00%,確保了出口總硫低于0.04 mg/m3,且無副反應(yīng),其性能優(yōu)于國內(nèi)外同類產(chǎn)品。CNTS-11脫硫劑升溫過程簡單,無需還原,卸出過程無需鈍化操作,使用簡單。

(2)采用XRD 和SEM-EDS 對CNTS-11 脫硫劑進(jìn)行了表征分析,發(fā)現(xiàn)該脫硫劑活性組分分散度較高,從硫元素的分布可以看出內(nèi)外活性組分均可發(fā)揮脫硫作用,從而證實(shí)了該脫硫劑的良好性能。

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