CN111249907B - 一种络合铁脱硫剂的再生装置、再生系统及再生方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种络合铁脱硫剂的再生装置，包括底部呈倒锥形的筒状反应器，其内部设置有同轴的导流筒，导流筒将反应器的内部空间分为：导流筒内的脱气沉降区、导流筒下方的硫颗粒富集区以及氧化反应区。本发明还提供了络合铁脱硫剂的再生系统和再生方法。本发明可显著改善氧化气体的气液传质效率，增加液相体系中的溶氧，络合铁脱硫剂的再生反应速率更快、反应更加完全，再生效率明显得到了提高，成本和能耗也大幅下降；而且设备结构简单、构件少，能够避免硫颗粒的堵塞问题，可长时间稳定运行。

Description

一种络合铁脱硫剂的再生装置、再生系统及再生方法

技术领域

本发明涉及工业气体净化领域，具体涉及一种用以脱除硫化氢的络合铁脱硫剂的再生装置、再生系统及再生方法。

背景技术

在天然气净化、石油加工、煤气化等工业生产过程中，常副产大量含有硫化氢(H₂S)的混合气。H₂S具有毒性、腐蚀性、恶臭等特征，危害人体健康、设备安全，并造成环境污染；此外，H₂S还会对混合气的储存、运输、加工造成不利影响。因此，高效、绿色、节能的H₂S脱除技术对能源生产和环境保护具有重大意义。近二十年来，由于环保标准日趋严格，各国都非常重视开发和应用以H₂S脱除为基础的硫回收利用技术。基于H₂S气体的弱酸性、强还原性、较高溶解性等理化性质，多种硫回收技术已获得应用，其原理、特点、硫回收效率、适用对象各不相同。

络合铁脱硫工艺是一种以络合铁的弱碱性水溶液为脱硫剂的H₂S脱除技术，由于H₂S气体的弱酸性和较高溶解性，H₂S可快速被弱碱性水溶液吸收生成HS^-，再利用其强还原性，液相中的HS^-被三价络合铁离子氧化为单质硫，同时三价络合铁离子被还原为二价络合铁离子，二价络合铁离子再被溶入液相中的O₂氧化再生为三价络合铁离子，从而实现络合铁的循环使用。此工艺过程由于单质硫的沉淀而打破了反应平衡，使吸收氧化和再生的总反应成为不可逆过程，从而得到更高的脱硫效率和硫回收率。

在整个络合铁脱硫工艺中，脱硫富液的再生一直是关键步骤之一。脱硫富液的传统再生过程主要是在再生塔或者再生槽中直接鼓入空气以氧化二价络合铁离子。再生过程涉及气(空气)—液(络合铁弱碱性水溶液)—固(硫颗粒)三相，传质特性和流动行为复杂。络合铁催化剂的再生过程属于快速的O₂氧化过程，由于空气中的O₂在络合铁弱碱性水溶液中的溶解度较小，故络合铁催化剂再生反应的控制步骤为气膜扩散过程(O₂从气相进入液相)。

目前常见的再生方式以鼓泡塔式再生和槽式喷射再生为主，例如中国专利CN102553413B、CN 103468337B、CN 202390417U所述的再生方式，这些再生方式存在传质效果差、气液接触时间长等缺点，导致在工业化应用中存在再生效率低、空气耗量大、再生设备体积庞大、液体循环量大、能耗高、络合剂降解等问题。以电化学再生为代表的新型再生方式效率较高，但存在设备结构复杂、制造及维修费用高等问题，例如中国专利CN103920538A所述的再生方式。由此可见，急需开发一种再生效率高、操作条件温和、设备简单并可长时间稳定运行的络合铁脱硫剂的再生工艺以及设备。

发明内容

为克服现有的络合铁脱硫剂再生过程存在的种种缺陷，本发明的目的之一是提供一种络合铁脱硫剂的再生装置。

本发明的另一目的是提供一种络合铁脱硫剂的再生系统。

本发明的还一目的是提供一种络合铁脱硫剂的再生方法。

本发明提供的络合铁脱硫剂的再生装置包括底部呈倒锥形的筒状反应器，其内部设置有同轴的导流筒，所述导流筒将所述筒状反应器的内部空间分为：位于所述导流筒内的脱气沉降区、位于所述导流筒下方的硫颗粒富集区以及其余部分的氧化反应区；其中，所述筒状反应器的上部设置有再生前络合铁脱硫剂的富液进口，下部设置有再生后络合铁脱硫剂的贫液出口，所述氧化反应区的下部设置有氧化气体的气体分布器，所述硫颗粒富集区的底部设置有硫浆出口。

本发明提供的络合铁脱硫剂的再生装置中，所述气体分布器为管环式气体分布器，其包括围绕所述导流筒水平设置的若干组环管以及分布于所述环管上的若干气体喷嘴。

本发明提供的络合铁脱硫剂的再生装置中，所述环管设置有3～10组。

本发明提供的络合铁脱硫剂的再生装置中，所述气体喷嘴等间距分布于所述环管上，每组环管上的气体喷嘴数量为8～40个。

本发明提供的络合铁脱硫剂的再生装置中，所述气体喷嘴的喷射方向为水平方向以下。

本发明提供的络合铁脱硫剂的再生装置中，所述氧化反应区内还设置有一个或多个气体再分布器，其为围绕所述导流筒水平设置的环状孔板，所述孔板上均匀分布有若干筛孔。

本发明提供的络合铁脱硫剂的再生装置中，所述筒状反应器的顶部设置有排气口。

本发明提供的络合铁脱硫剂的再生系统包括有再生单元，其包括以上技术方案任一项所述的络合铁脱硫剂的再生装置。

本发明提供的络合铁脱硫剂的再生系统中，还包括以下处理单元中的一个或多个：

富液供应单元，其与所述富液进口相连；

贫液回用单元，其与所述贫液出口相连；

氧化气体供应单元，其与所述气体分布器相连；以及

硫磺回收单元，其与所述硫浆出口相连。

本发明提供的络合铁脱硫剂的再生系统中，所述再生系统包括硫磺回收单元，所述硫磺回收单元包括与所述硫浆出口相连的硫浆过滤装置，所述硫浆过滤装置还分别连接有硫磺收集装置以及滤液存储装置，其中的滤液存储装置还与所述氧化反应区相连。

本发明提供的络合铁脱硫剂的再生方法为：使用以上技术方案任一项所述的再生装置或以上技术方案任一项所述的再生系统进行络合铁脱硫剂的再生。

本发明提供的络合铁脱硫剂再生装置、再生系统及再生方法可显著改善氧化气体的气液传质效率，增加液相体系中的溶氧，因此，络合铁脱硫剂的再生反应速率更快、反应更加完全，再生效率明显得到了提高，成本和能耗也大幅下降，而且，本发明的再生装置及再生系统中，设备结构简单、构件较少，能够避免硫颗粒的堵塞问题，可长时间稳定运行。

附图说明

图1为本发明的络合铁脱硫剂再生系统的结构示意图。

图2为用于本发明的络合铁脱硫剂再生装置的管环式气体分布器结构示意图。

图3为用于本发明的络合铁脱硫剂再生装置的气体再分布器结构示意图。

其中，附图标记说明如下：

1、筒状反应器；101、导流筒；102、脱气沉降区；103、硫颗粒富集区；104、氧化反应区；105、富液进口；106、贫液出口；107、气体分布器；108、硫浆出口；109、环管；110、气体喷嘴；111、气体再分布器；112、孔板；113、筛孔；114、排气口；115、输气管；201、硫浆过滤装置；202、硫磺收集装置；203、滤液存储装置；301、过滤器；302、溶液泵；401、鼓风机；

A、再生前络合铁脱硫剂(富液)；B、再生后络合铁脱硫剂(贫液)；C、氧化气体；D、硫颗粒；E、排放气；F、硫饼；G、滤液。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的实施方式；相反，提供这些实施方式使得本发明将全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。图中相同的附图标记表示相同或类似的结构，因而将省略它们的详细描述。

虽然本说明书中使用相对性的用语，例如“上”“下”来描述图标的一个组件对于另一组件的相对关系，但是这些术语用于本说明书中仅出于方便，例如根据附图中所述的示例的方向。能理解的是，如果将图标的装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“上”的组件将会成为在“下”的组件。当某结构在其它结构“上”时，有可能是指某结构一体形成于其它结构上，或指某结构“直接”设置在其它结构上，或指某结构通过另一结构“间接”设置在其它结构上。

用语“一个”、“一”、“该”、“所述”、“至少一个”、“若干”等用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“包括”和“具有”用以表示开放式的包括在内的意思并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“第一”、“第二”和“第三”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。

本发明的第一个方面提供了一种络合铁脱硫剂的再生装置，如图1所示，主要包括一底部呈倒锥形的筒状反应器1，该筒状反应器1的内部设置有同轴的导流筒101，导流筒101将筒状反应器1的内部空间分为：位于导流筒101内的脱气沉降区102、位于导流筒101下方的硫颗粒富集区103以及其余部分的氧化反应区104。其中，筒状反应器1的上部设置有再生前络合铁脱硫剂A的富液进口105，下部设置有再生后络合铁脱硫剂B的贫液出口106，氧化反应区104的下部设置有氧化气体C的气体分布器107，硫颗粒富集区103的底部设置有硫浆出口108。

上述再生装置运行时，富液A由筒状反应器1上部的富液进口105送入反应器内的氧化反应区104，同时，氧化气体C(例如，氧气或空气)由气体分布器107喷出，气泡在浮力作用下逐渐上浮，气液两相接触传质，气泡中的部分O₂溶解进入液相并将二价络合铁离子氧化为三价络合铁离子，气泡上浮至氧化反应区104的顶部，气泡大量聚集并从液面逸出，液相夹带少量气泡越过导流筒101进入脱气沉降区102，液相中夹带的气泡继续在浮力的作用下逐渐上浮逸出，与此同时，液相中夹带的硫颗粒D在重力的作用下逐渐沉降，由于少有气流扰动，硫颗粒D沉降较快，下沉并聚集在硫颗粒富集区103，以硫浆的形式通过硫浆出口108排出反应器，再生后的贫液B通过贫液出口106排出可继续用于脱硫工艺。

在根据本发明的再生装置的一个实施方式中，气体分布器107为管环式气体分布器，可以为常见的管环式气体分布器，也可以如图2所示，包括若干组环管109和分布于环管上的若干气体喷嘴110，各组环管109围绕导流筒101水平设置，分布在导流筒101和筒状反应器1的筒壁之间的环形空间内，通过输气管115向环管109输送氧化气体C。各组环管可等间距设置，也可以任意间距设置，优选为等间距设置。环管上的各气体喷嘴可等间距设置(即相邻气体喷嘴间的环管弧长相同)，也可以任意间距设置，优选为等间距设置。本发明的管环式气体分布器可使氧化气体C的气泡在径向(水平向)上均匀分布于导流筒101和反应器1的筒壁之间的环形空间内，充分与液相接触，从而提高气体在气-液界面的扩散速率。

在一个优选的实施方式中，环管109的组数可以为3～10组，例如，可以为3、4、5、6、7、8、9或10组，可根据富液的总铁离子(Fe²⁺/Fe³⁺)浓度与处理量、再生装置体积等来确定。

在另一个优选的实施方式中，每组环管上的气体喷嘴110的数量可以为8～40个，由于各组环管具有不同的直径，故每组环管上的气体喷嘴数量可以不相同，通常随着环管直径的增加，气体喷嘴的数量亦随之增加。更优选地，环管上的气体喷嘴数量可以为8、12、16、20、24、28、32、36或40个。

在另一个优选的实施方式中，输气管115可通过两两成对的进气支路连接到各环管的径向相对侧，此时，进气支路数量是环管组数的2倍。

在一个更优选的实施方式中，气体喷嘴110的喷射方向为水平方向以下，例如可以为竖直向下，也可以为任意角度(0°～90°)倾斜向下。络合铁脱硫剂富液的再生过程中，由于硫颗粒D于液相中悬浮或流动，易造成反应器内的气体喷嘴堵塞，对传质和物料流动造成负面影响，不利于整个再生装置的长期平稳运行。本发明的管环式气体分布器的气体喷嘴设置为竖直向下或倾斜向下，可以有效避免硫颗粒堵塞喷嘴，提高再生装置的运行稳定性和运行时间。进一步地，气体喷嘴110的喷射方向相对于水平方向的倾斜角可以为大于45°，例如，可以为60°、70°、80°或90°。

在根据本发明的再生装置的一个实施方式中，氧化反应区104中还可以设置有一个或多个具有相同结构的气体再分布器111，位于气体分布器107的上部，气体再分布器的个数可根据脱硫剂富液的总铁离子(Fe²⁺/Fe³⁺)浓度与处理量、再生装置体积等来确定。气体再分布器111设置在气体分布器107的上部，氧化气体C的气泡在氧化反应区104内上浮的过程中，可经气体再分布器111实现重新分布，增加气泡的再分散和破碎，以提高气泡在氧化反应区轴向(竖直向)和径向上的均匀分布程度，从而进一步增加溶氧、提高反应速率。在一个优选的实施方式中，气体再分布器111的数量为一个，可设置在氧化反应区104的中部，有利于使气体在轴向和径向上分布更均匀并节约设备成本。

在一个优选的实施方式中，气体再分布器111可以为孔板式气体再分布器，可以为常见的孔板式气体再分布器，也可以如图3所示，为环状的孔板112，围绕导流筒101水平设置，分布在导流筒101和筒状反应器1的筒壁之间的环形空间内，孔板112上均匀分布有若干筛孔113，氧化气体C通过筛孔113后实现气泡的再分散和破碎。

在一个优选的实施方式中，如图3所示，筛孔113在孔板112上的布置状态为围绕导流筒101呈圆环状发散，即孔板112上布置有若干圈沿圆周均匀分布的筛孔113，相邻筛孔之间的弧长相同。

在另一个优选的实施方式中，筛孔113的孔径可以为0.3～3mm，筛孔113围绕导流筒101的圈数和总数量可根据孔板式气体再分布器的开孔率确定。在一个更优选的实施方式中，孔板式气体再分布器的开孔率可以为40％～80％，可根据脱硫剂富液的总铁离子(Fe²⁺/Fe³⁺)浓度与处理量、再生装置体积等来确定。

在根据本发明的再生装置的一个实施方式中，氧化反应区104内同时设置有管环式气体分布器和孔板式气体再分布器，管环式气体分布器可位于氧化反应区104的底部位置，而孔板式气体再分布器则可位于氧化反应区104的中间位置。络合铁脱硫剂富液与氧化气体反应的再生过程中，形成气-液-固三相反应体系，氧化气体通过气-液界面溶解于液相后再进行氧化反应，故氧化气体通过气-液界面的扩散速率或溶解速率是反应控制因素，因此氧化气体的气泡比表面积和液相传质系数的大小是评价反应器特性的重要指标，通过气体分布器和气体再分布器的设置，本发明的再生装置可从径向和轴向上同时提高气泡的均匀分散性，进而提高气泡的比表面积，同时可强化气液扰动，提高液相传质系数，故可显著增加氧化气体在气-液界面的扩散速率，从而提高了再生反应速度和效率。

在根据本发明的再生装置的一个实施方式中，筒状反应器1的顶部还可设置有排气口114。络合铁脱硫剂富液的再生过程中，气泡在氧化反应区104内上浮至顶部，大量聚集并从液面逸出，液相在脱气沉降区102流动时，夹带的气泡也会在浮力的作用下逐渐上浮逸出，这些排放气E可经排气口114排出。

本发明的第二个方面提供了一种络合铁脱硫剂的再生系统，其包括再生单元，该处理单元使用本发明第一个方面所述的络合铁脱硫剂的再生装置进行络合铁脱硫剂的再生处理。

在根据本发明的再生系统的一个实施方式中，该再生系统可仅包含再生单元，整合于现有的脱硫系统之中运行，该再生系统也可以为独立的处理系统，并在再生单元的基础上包括必要的其他处理单元，以保证再生系统的运行。在一个优选的实施方式中，本发明的再生系统还可以包括以下处理单元中的一个或多个：

富液供应单元，其与富液进口105相连，用于提供再生前络合铁脱硫剂A，可以包括完整的供应单元，也可仅包括部分装置使富液进口105与可提供富液的其他系统相连接；

贫液回用单元，其与贫液出口106相连，用于回收再生后络合铁脱硫剂B，可以包括完整的回用单元，也可仅包括如过滤器301、溶液泵302等部分装置使贫液出口106与脱硫系统相连接，如图1所示；

氧化气体供应单元，其与气体分布器107相连，用于提供氧化气体C，可以包括完整的供应单元，也可仅包括如鼓风机401等装置通入空气作为氧化气体，如图1所示；以及

硫磺回收单元，其与硫浆出口108相连，用于回收沉积的硫颗粒D，可以包括完整的回收单元，也可仅包括部分装置使硫浆出口108与可回收硫磺的其他系统相连接。

在根据本发明的再生系统的一个实施方式中，再生系统至少包括再生单元以及硫磺回收单元。在一个优选的实施方式中，硫磺回收单元包括完整的回收单元，如图1所示，包括与硫浆出口108相连的硫浆过滤装置201(例如，可以为转鼓真空过滤机)，硫浆过滤装置201还分别连接有硫磺收集装置202以及滤液存储装置203，其中的滤液存储装置203还与氧化反应区104相连。该硫磺回收单元运行时，夹带硫颗粒D的硫浆由硫浆出口108排入硫浆过滤装置201中，经真空过滤得到可回收的硫饼F由硫磺收集装置202收集，滤液G由滤液存储装置203储存，可返回至氧化反应区104之中。

本发明的第三个方面提供了一种络合铁脱硫剂的再生方法，该再生方法可使用本发明第一个方面提供的再生装置或本发明第二个方面提供的再生系统。

参照图1，在氧化反应区104、脱气沉降区102、硫颗粒富集区103分别完成络合铁脱硫剂的氧化再生、络合铁脱硫剂与氧化气体的分离、硫颗粒与络合铁脱硫剂的分离。由于本发明的再生装置或再生系统的结构设置，再生过程中可显著改善氧化气体的气液传质效率，再生反应速率更快，反应更完全，再生效率更高。

工业实用性

采用本发明提供的再生装置，对于总铁离子(Fe²⁺/Fe³⁺)1500μg/g的络合铁脱硫剂富液，富液与空气的体积比为60，再生贫液的氧化还原电位(ORP，表征再生效果)可稳定在-180左右，连续运行期间气体分布器喷嘴无堵塞。

虽然为了说明本发明，已经公开了本发明的优选实施方案，但是本领域的技术人员应当理解，在不脱离权利要求书所限定的本发明构思和范围的情况下，可以对本发明做出各种修改、添加和替换。

Claims (11)

1.一种络合铁脱硫剂的再生装置，其特征在于，包括底部呈倒锥形的筒状反应器，其内部设置有同轴的导流筒，所述导流筒将所述筒状反应器的内部空间分为：位于所述导流筒内的脱气沉降区、位于所述导流筒下方的硫颗粒富集区以及其余部分的氧化反应区；其中，所述筒状反应器的上部设置有再生前络合铁脱硫剂的富液进口，下部设置有再生后络合铁脱硫剂的贫液出口，所述氧化反应区的下部设置有氧化气体的气体分布器，所述硫颗粒富集区的底部设置有硫浆出口，所述贫液出口与所述氧化反应区连通，且位于所述气体分布器的下方。

2.根据权利要求1所述的再生装置，其特征在于，所述气体分布器为管环式气体分布器，其包括围绕所述导流筒水平设置的若干组环管以及分布于所述环管上的若干气体喷嘴。

3.根据权利要求2所述的再生装置，其特征在于，所述环管设置有3～10组。

4.根据权利要求2所述的再生装置，其特征在于，所述气体喷嘴等间距分布于所述环管上，每组环管上的气体喷嘴数量为8～40个。

5.根据权利要求4所述的再生装置，其特征在于，所述气体喷嘴的喷射方向为水平方向以下。

6.根据权利要求1-5任一项所述的再生装置，其特征在于，所述氧化反应区内还设置有一个或多个气体再分布器，其为围绕所述导流筒水平设置的环状孔板，所述孔板上均匀分布有若干筛孔。

7.根据权利要求1-5任一项所述的再生装置，其特征在于，所述筒状反应器的顶部设置有排气口。

8.一种络合铁脱硫剂的再生系统，其特征在于，包括再生单元，其包括权利要求1-7任一项所述的络合铁脱硫剂的再生装置。

9.根据权利要求8所述的再生系统，其特征在于，所述再生系统还包括以下处理单元中的一个或多个：

富液供应单元，其与所述富液进口相连；

贫液回用单元，其与所述贫液出口相连；

氧化气体供应单元，其与所述气体分布器相连；以及

硫磺回收单元，其与所述硫浆出口相连。

10.根据权利要求9所述的再生系统，其特征在于，所述再生系统包括硫磺回收单元，所述硫磺回收单元包括与所述硫浆出口相连的硫浆过滤装置，所述硫浆过滤装置还分别连接有硫磺收集装置以及滤液存储装置，其中的滤液存储装置还与所述氧化反应区相连。

11.一种络合铁脱硫剂的再生方法，其特征在于，所述再生方法使用权利要求1-7任一项所述的再生装置或权利要求8-10任一项所述的再生系统进行络合铁脱硫剂的再生。

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