CN114367169A - 烟气可再生脱硫装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种烟气可再生脱硫装置及方法。其中装置包括:吸收塔、可选的第一过滤器及解吸塔,吸收塔包括位于塔顶的硫吸收剂入口以及位于塔底的烟气入口,烟气入口包括可选的硫化氢入口和二氧化硫入口,吸收塔用于利用硫吸收剂使烟气中的可选的硫化氢和二氧化硫反应生成固体硫磺;第一过滤器位于吸收塔的下游,用于对吸收塔排出产物中的固体硫磺与富含二氧化硫的硫吸收剂进行固液分离;解吸塔位于第一过滤器的下游,用于对富含二氧化硫的硫吸收剂进行解吸,并将解吸后的硫吸收剂通过再生管线返回吸收塔。该装置对二氧化硫和硫化氢选择性高,解吸能耗低、脱硫效率高,既满足含硫尾气达标排放,又实现硫的有价值的资源化利用。

Description

烟气可再生脱硫装置及方法
技术领域
本发明涉及烟气脱硫技术领域,具体而言,涉及一种烟气可再生脱硫装置及方法。
背景技术
随着我国成为世界上最大的能源生产国和消费国,环境问题亦变得尤为突出,污染物减排已经成为国家政策制定者重点关注的问题之一。其中,硫化氢是剧毒物,排放浓度有严格限制;而二氧化硫和氮氧化物排入大气环境中,会造成大气质量下降,形成酸雨,我国对二氧化硫和氮氧化物的排放控制极其重视,近年来,环保排放标准不断地提高,已经高于大多数发达国家的环保排放要求。
硫在自然界中分布较广,它以不同形态存在于原油、煤炭以及各种矿石原料当中。所以,人类的生产生活以及各个工业行业领域都伴随着硫化氢和二氧化硫的产生和排放。世界各国对从烟气(尾气)中脱除硫化氢、二氧化硫等污染物的技术开发研究和应用也已日趋成熟,并形成了不同的技术流派。
其中,对脱除硫化氢最为广泛的技术是克劳斯法,通过燃烧一定比例的硫化氢得到单质硫,克劳斯炉的后续再加装额外的工艺系统来进一步的除去硫化氢和二氧化硫,从而达到排放要求。但在这个过程中由于氧化燃烧的存在,需要补充天然气来支持燃烧,同时还会由于高温额外生成氮氧化物。而脱除二氧化硫应用最为广泛的是以石灰石—石膏法为代表的不可再生技术,但是该类技术需要不间断地向脱硫装置添加脱硫吸收剂,并会不间断地产生副产品石膏和二氧化碳,且绝大多数副产品因品质无法保证,而失去再利用价值,不得不作为固体废弃物来抛弃,因此需要额外的人力物力来进行处置。同时,这类不可再生技术还会增加二氧化碳排放、产生大量的需要处理的废水。故而,在一些特定的烟气条件(如:高硫煤发电、高含二氧化硫烟气(尾气))和一些行业领域(冶炼、石油炼制等),不可再生技术从技术和经济的角度并不完全适用。
随着对能源能耗整合、废物再利用、循环经济等认知的不断提升,回收烟气(尾气)中的硫化氢和二氧化硫,结合其生产装置和市场需求,将其转化成有经济价值的硫磺的工艺路线进入了人们的视线。因此,急需提供一种能够在脱硫处理过程中同时实现硫的回收和资源化利用,从而实现对环境的保护及资源的可持续性利用。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种烟气可再生脱硫装置及方法,以对烟气中的硫实现可再生地回收。
为了实现上述目的,根据本发明的一个方面,提供了一种烟气可再生脱硫装置,该装置包括:吸收塔、第一过滤器及解吸塔,其中,吸收塔包括位于塔顶的硫吸收剂入口以及位于塔底的烟气入口,烟气入口包括可选的硫化氢入口和二氧化硫入口,吸收塔用于利用从硫吸收剂入口通入的硫吸收剂吸收烟气中的二氧化硫形成富含二氧化硫的硫吸收剂,或者使烟气中的硫化氢和二氧化硫反应生成固体硫磺和富含二氧化硫的硫吸收剂;可选的第一过滤器位于吸收塔的下游,用于对吸收塔排出产物中的固体硫磺与富含二氧化硫的硫吸收剂进行固液分离;解吸塔位于第一过滤器的下游,用于对富含二氧化硫的硫吸收剂进行解吸,并将解吸后的硫吸收剂通过再生管线返回吸收塔;其中,硫吸收剂包括活性成分,活性成分包括以下通式I所示化合物中的一种或多种:
Rn(NH)m 通式I
通式I中,R基表示亚烷基,n为1~20的整数,可选地,各R基和各-NH-中的氢原子相互独立地被羟基烷基、羟基烷氧基、羟基苯基或苯基取代,且n个R基和m个-NH-中的至少一个氢原子被羟基烷基、羟基烷氧基、羟基苯基取代;m为1~6的整数。
进一步地,通式I中,m为1~4的整数,n为4~12的整数。
进一步地,通式I中,两个相邻的-NH-之间间隔有至少两个R基。
进一步地,各R基和各-NH-中的氢原子相互独立地被取代时,羟基烷基的个数为0~4个,羟基烷氧基的个数为0或1个,羟基苯基的个数为0或1个,苯基的个数为0或1个,且羟基烷基、羟基烷氧基、羟基苯基的总数不等于0。
进一步地,羟基烷基为C1~C6的羟基烷基,羟基烷氧基为C1~C6的羟基烷氧基。
进一步地,羟基烷基为羟甲基、羟乙基、羟丙基中的一种或多种,羟基烷氧基为羟基甲氧基、羟基乙氧基、羟基丙氧基中的一种或多种。
进一步地,活性成分包括N-羟乙基哌嗪、N,N-二羟乙基哌嗪、N,N-二羟丙基哌嗪、N-羟基丙基哌嗪、2-对羟基苯基哌嗪、1-羟丙基-4-苯基哌嗪、1-对羟基苯基哌嗪中的一种或多种;优选地,活性成分还包括哌嗪。
进一步地,硫吸收剂还包括腐蚀抑制剂。
进一步地,腐蚀抑制剂为脂肪族醇胺化合物,优选为2-羟基乙胺、甲基乙醇胺、二甲基乙醇胺、二乙基乙醇胺中的一种或多种。
进一步地,活性成分与腐蚀抑制剂的重量比为:(97~99):(1~3)。
进一步地,该装置还包括:硫吸收剂净化设备,位于解吸塔与吸收塔之间的再生管线上,用于对解吸塔解吸释放二氧化硫后的硫吸收剂进行净化再生,并将净化再生后的硫吸收剂送回吸收塔。
进一步地,硫吸收剂净化设备包括:硫吸收剂过滤单元,硫吸收剂过滤单元包括第二过滤器,用于对解吸释放二氧化硫后的硫吸收剂中的粒径为10μm~100μm的固体颗粒进行过滤后经再生管线和硫吸收剂入口返回吸收塔。
进一步地,硫吸收剂净化设备进一步包括:硫吸收剂净化单元,位于硫吸收剂过滤单元与吸收塔之间的再生管线上,硫吸收剂净化单元包括净化器,用于对粒径为1μm~10μm的悬浮颗粒和/或热稳定性盐进行过滤和清除;更进一步优选地,净化器选自电渗析设备、离子交换设备或含强碱的设备。
进一步地,硫吸收剂净化单元还包括流量调节阀,流量调节阀设置在再生管线上,且位于硫吸收剂过滤单元的下游;更优选地,再生管线在靠近硫吸收剂入口的一端上进一步设置有取样口,用于监测再生的硫吸收剂的性能参数;更优选地,性能参数包括pH值、硫酸根浓度、亚硫酸根浓度、硫代硫酸根浓度、氯离子浓度、氟离子浓度、钠离子浓度、钾离子浓度、钙离子浓度、镁离子浓度及铁离子浓度中的任意一种或多种。
进一步地,吸收塔上部采用规整填料,吸收塔的下部采用塔板;优选地,吸收塔上部设置有2~5层规整填料和2~5层塔板。
进一步地,该装置进一步包括脱水设备,脱水设备位于第一过滤器的下游,用于对固液分离后的固体硫磺进一步脱水;更优选地,脱水设备为离心机。
进一步地,解吸塔采用填料塔或板式塔形式;优选地,装置还包括再沸器,再沸器用于对进入解吸塔中的富含二氧化硫的硫吸收剂进行加热汽提以实现二氧化硫的解吸;更优选地,再沸器将富含二氧化硫的硫吸收剂加热至120~140℃。
进一步地,该装置还包括冷却及气液分离设备,冷却及气液分离设备位于解吸塔与吸收塔之间的二氧化硫回收管线上,用于对解吸出来的水饱和的二氧化硫返回吸收塔;或者,冷却及气液分离设备与下游设备连通,下游设备为硫酸生产单元或液态二氧化硫生产单元,用作硫酸或液态二氧化硫的制备原料。
进一步地,装置进一步包括换热器,换热器位于第一过滤器与解吸塔之间的管线上,用于对富含二氧化硫的硫吸收剂加热;优选地,加热至85~95℃;优选地,换热器进一步同时还位于硫吸收剂过滤单元与解吸塔之间的再生管线上,用于对解吸释放二氧化硫后的硫吸收剂进行降温;更优选地,降温至50~60℃。
根据本发明的第二个方面,提供了一种烟气可再生脱硫方法,该方法包括:使烟气中的硫化氢和二氧化硫与硫吸收剂逆向接触进行氧化反应,生成固体硫磺和富含二氧化硫的硫吸收剂;对固体硫磺和富含二氧化硫的硫吸收剂进行固液分离,得到固体硫磺和富含二氧化硫的硫吸收剂;对富含二氧化硫的硫吸收剂进行解吸,释放二氧化硫,得到再生的硫吸收剂用于对烟气进行循环吸收;其中,硫吸收剂包括活性成分,活性成分包括以下通式I所示化合物中的一种或多种:
Rn(NH)m 通式I
通式I中,R基表示亚烷基,n为1~20的整数,可选地,各R基和各-NH-中的氢原子相互独立地被羟基烷基、羟基烷氧基、羟基苯基或苯基取代,且n个R基和m个-NH-中的至少一个氢原子被羟基烷基、羟基烷氧基、羟基苯基取代;m为1~6的整数。
进一步地,上述通式I中,m为1~4的整数,n为4~12的整数;优选地,通式I中,两个相邻的-NH-之间间隔有至少两个R基;优选地,各R基和各-NH-中的氢原子相互独立地被取代时,羟基烷基的个数为0~4个,羟基烷氧基的个数为0或1个,羟基苯基的个数为0或1个,苯基的个数为0或1个,且羟基烷基、羟基烷氧基、羟基苯基的总数不等于0;更优选地,羟基烷基为C1~C6的羟基烷基,羟基烷氧基为C1~C6的羟基烷氧基;进一步优选地,羟基烷基为羟甲基、羟乙基、羟丙基中的一种或多种,羟基烷氧基为羟基甲氧基、羟基乙氧基、羟基丙氧基中的一种或多种。
进一步地,硫吸收剂的活性成分包括N-羟乙基哌嗪、N,N-二羟乙基哌嗪、N,N-二羟丙基哌嗪、N-羟基丙基哌嗪、2-对羟基苯基哌嗪、1-羟丙基-4-苯基哌嗪、1-对羟基苯基哌嗪中的一种或多种;优选地,活性成分还包括哌嗪。
进一步地,硫吸收剂还包括腐蚀抑制剂;优选地,腐蚀抑制剂为脂肪族醇胺化合物,优选为2-羟基乙胺、甲基乙醇胺、二甲基乙醇胺、二乙基乙醇胺中的一种或多种;更优选地,活性成分与腐蚀抑制剂的重量比为(97~99):(1~3)。
进一步地,该方法在解吸释放二氧化硫之后,以及得到再生的硫吸收剂之前,还包括:对解吸释放二氧化硫后的硫吸收剂进行净化;优选地,对解吸释放二氧化硫后的硫吸收剂进行净化的步骤包括:将解吸释放二氧化硫后的硫吸收剂进行过滤除去粒径为10μm~100μm的固体颗粒;进一步优选地,在去除固体颗粒之后,净化的步骤还包括:对去除固体颗粒之后的硫吸收剂进行悬浮颗粒和/或热稳定性盐过滤和清除,其中,悬浮颗粒的粒径为1μm~10μm;更进一步优选地,采用电渗析、离子交换或强碱的方式对热稳定性盐进行清除。
进一步地,净化的步骤进一步包括:控制去除固体颗粒之后的硫吸收剂在净化体系中的体积含量为3%~5%,以使净化再生后的硫吸收剂中的热稳定性盐的含量在5%~10%范围内。
进一步地,在将再生的硫吸收剂循环用于吸收烟气中的硫之前,该方法还包括对再生的硫吸收剂的性能参数进行取样监测的步骤;更优选地,性能参数包括pH值、硫酸根浓度、亚硫酸根浓度、硫代硫酸根浓度、氯离子浓度、氟离子浓度、钠离子浓度、钾离子浓度、钙离子浓度、镁离子浓度及铁离子浓度中的任意一种或多种。
进一步地,该方法在得到固体硫磺后,进一步包括对固体硫磺进行脱水的步骤,优选地,对固体硫磺采用离心的方式进行脱水。
进一步地,该方法在解吸释放出二氧化硫之后,还包括:对释放出的二氧化硫进行冷却和气液分离,得到水饱和的二氧化硫;优选地,将水饱和的二氧化硫返回氧化反应的步骤;或者,将水饱和的二氧化硫用作制备硫酸、液态二氧化硫或气态纯二氧化硫的原料。
进一步地,在固液分离之后,以及在对富含二氧化硫的硫吸收剂进行解吸之前,该方法还包括,对富含二氧化硫的硫吸收剂进行加热;优选地,加热至120~140℃;更优选地,所述加热包括先用换热器预热至85~95℃,进一步经再沸器加热至120~140℃;优选地,解吸是以蒸汽加热的方式对富含二氧化硫的硫吸收剂进行汽提,释放二氧化硫,得到再生的硫吸收剂,更优选在120~140℃进行汽提。
进一步地,在解吸后,以及对释放二氧化硫后的硫吸收剂进行净化之前,该方法还包括:对释放二氧化硫后的硫吸收剂进行降温;优选地,降温至35~45℃,更优选地,降温包括先通过换热器预降温至50~60℃,再进一步自然冷却至35~45℃。
本发明提供的是一种改进的硫吸收剂及利用该硫吸收剂的烟气可再生硫回收装置和方法,该装置通过采用本发明改进的具有良好稳定性,且对二氧化硫和硫化氢具有高选择性的液体硫吸收剂进行烟气中的硫回收,并将烟气的入口与硫吸收剂的入口分别设置在吸收塔的顶部和底部,使得烟气中的可选的硫化氢和二氧化硫与硫吸收剂逆流而充分接触进行硫吸收,产生固体硫磺(烟气中含有硫化氢时)悬浮在硫吸收剂溶液中,同时,液体硫吸收剂作为缓冲液吸收过量的二氧化硫,然后通过可选的可选地第一过滤器将固体硫磺从富含二氧化硫的硫吸收剂中分离出来,进一步通过解吸塔对富含二氧化硫的硫吸收剂中的二氧化硫汽提出来,从而使得硫吸收剂再生出来进行烟气中硫的循环吸收。本发明提供的该装置对二氧化硫和硫化氢具有高选择性、解吸能耗低、脱硫效率高,可以在满足含硫尾气达标排放的同时还实现硫的有价值的资源化利用。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解,本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明,并不构成对本发明的不当限定。在附图中:
图1示出了本发明的一种优选实施例中所提供的硫可再生回收装置的结构示意图。
其中,上述附图包括以下附图标记:
10、吸收塔;20、第一过滤器;30、解吸塔;40、硫吸收剂净化设备;50、冷却及气液分离设备;60、换热器;70、再沸器;
11、硫吸收剂入口;12、硫化氢入口;13、二氧化硫入口;
41、硫吸收剂过滤单元;42、硫吸收剂净化单元;43、流量调节阀;44、取样口;
101、再生管线;102、二氧化硫回收管线。
具体实施方式
需要说明的是,在不冲突的情况下,本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本发明。
术语解释:
本申请中,贫液、贫液硫吸收剂或者硫吸收剂贫液均是指未吸收二氧化硫或经解吸释放出二氧化硫后的具有硫吸收性能的液体硫吸收剂。而富液、富液硫吸收剂或液体硫吸收剂富液均是指吸收二氧化硫和硫化氢后且富含二氧化硫的液体硫吸收剂。
需要说明的是,本申请的方案中,所提及的烟气包括含二氧化硫而不含硫化氢,和含二氧化硫的同时也含硫化氢两种情况。当不含硫化氢时,本申请的硫吸收剂烟气中二氧化硫的吸收剂,以及通过解吸出纯净的二氧化硫气体用作液态二氧化硫或硫酸等的原料。通过吸收和解吸两个过程,完成了烟气的合格排放的同时,获得了制备硫酸等的原料。而当同时含有硫化氢时,硫化氢与二氧化硫与硫吸收剂反应生成固体硫磺的同时,还得到了富含二氧化硫的硫吸收剂。在将固体硫磺分离出去后,同样,将富含二氧化硫的硫吸收剂进行解吸即可使硫吸收剂再生出来,并且获得纯净的二氧化硫气体,用作制备液态二氧化硫或硫酸的原料。
正如背景技术部分所描述的,现有的硫回收方法无法在脱除烟气中二氧化硫或二氧化硫与硫化氢的同时,可再生地实现硫的回收。
为了解决上述问题,本发明提供的一种硫吸收剂,其包括活性成分,活性成分包括以下通式I所示化合物中的一种或多种:
Rn(NH)m 通式I
通式I中,R基表示亚烷基,n为1~20的整数,可选地,各R基和各-NH-中的氢原子相互独立地被羟基烷基、羟基烷氧基、羟基苯基或苯基取代,且n个R基和m个-NH-中的至少一个氢原子被所述羟基烷基、羟基烷氧基、羟基苯基取代;m为1~6的整数。
上述硫吸收剂,能够将烟气中的二氧化硫和硫化氢高选择性的脱除下来,产生单质硫(硫磺)悬浮在该硫吸收剂溶液中,可通过外置的分离机等将硫磺从硫吸收剂中分离出来;同时硫吸收剂作为缓冲液所吸收的二氧化硫则可通过低压蒸汽等进行解吸,得到纯净的二氧化硫,且经过蒸汽解吸之后的硫吸收剂可以再被送回吸收端循环利用。本发明提供的该硫吸收剂具有良好的稳定性、对二氧化硫和硫化氢具有高选择性、解吸能耗低、脱硫效率高等优势,因而在满足含硫尾气达标排放的同时,还实现了硫的有价值的资源化利用。
除了以上优势以外,本发明的硫吸收剂以Rn(NH)m为活性成分,其不易挥发、循环利用性高、成本相对较低。
在实际使用过程中,优选硫吸收剂还包括水,更优选地其有效成分(包括活性成分及下述腐蚀抑制剂)占总的质量浓度为5-50%,优选10-40%;更优选为15-30%。
使用上述硫吸收剂,可使烟气中的二氧化硫发生水和和电离反应,可用下式表示:
Figure BDA0002726945750000071
Figure BDA0002726945750000072
硫吸收剂中的碱性羟根(这里的碱性羟根是指羟基哌嗪中的羟基)会与氢离子结合,从而加速上述反应向右侧进行。
Rn(NH)m+H+→Rn(NH)mH+ (3)
当硫化氢气体进入硫吸收剂中,硫化氢会与硫吸收剂中溶解的亚硫酸根,亚硫酸氢根及氢离子发生归中反应,生成固体硫磺。
H2S+SO3 2-+2HSO3 -+7H+→4S+9H2O (4)
当然,随着上述反应(3)的进行,硫吸收剂的pH值会逐步降低,从而使二氧化硫的溶解越来越困难。为了使二氧化硫的溶解速度保持在较高范围内,在实际应用时可以通过蒸汽汽提硫吸收剂,使上述式(3)(2)(1)的反应向逆向进行,从而释放二氧化硫。汽提之后的硫吸收剂会继续循环吸收二氧化硫。解吸温度一般在100~130℃之间。
为了进一步提高烟气中二氧化硫和硫化氢的吸收效果,在一种优选的实施方式中,通式I中,m为1~4的整数,n为4~12的整数。优选地,通式I中,两个相邻的-NH-之间间隔有至少两个R基。更优选地,各R基和各-NH-中的氢原子相互独立地被取代时,羟基烷基的个数为0~4个,羟基烷氧基的个数为0或1个,羟基苯基的个数为0或1个,苯基的个数为0或1个,且羟基烷基、羟基烷氧基、羟基苯基的总数不等于0。
在一种优选的实施方式中,羟基烷基为C1~C6的羟基烷基,羟基烷氧基为C1~C6的羟基烷氧基。优选地,羟基烷基为羟甲基、羟乙基、羟丙基中的一种或多种,羟基烷氧基为羟基甲氧基、羟基乙氧基、羟基丙氧基中的一种或多种。采用上述活性成分,一方面硫吸收效率更高,另一方面解吸能力更强,再生后的硫吸收剂的循环使用性能更佳。
更优选地,活性成分包括N-羟乙基哌嗪、N,N-二羟乙基哌嗪、N,N-二羟丙基哌嗪、N-羟基丙基哌嗪、2-对羟基苯基哌嗪、1-羟丙基-4-苯基哌嗪、1-对羟基苯基哌嗪中的一种或多种。以上这几种液体有机物作为活性成分,具有更好的脱硫、再生效果,且不易挥发,损耗小,可长期应用。此外,为了进一步促进活性成分对二氧化硫的吸收,优选地,上述活性成分还包括哌嗪。
以上活性成分、腐蚀抑制剂都是现有技术中的已知化合物,也可以根据现有技术中的已知方法进行制备,在此不再赘述。
在一种优选的实施方式中,硫吸收剂还包括腐蚀抑制剂。硫吸收剂本身是碱性,在实际运行的过程中是酸性的,pH在4~6之间,腐蚀抑制剂能够起到对设备材料的保护作用,尤其能够减轻对金属材料的腐蚀。更优选地,腐蚀抑制剂为脂肪族醇胺化合物,优选为2-羟基乙胺、甲基乙醇胺、二甲基乙醇胺、二乙基乙醇胺中的一种或多种。
为了更充分地发挥活性成分和腐蚀抑制剂的作用,以更有效地吸收烟气中的硫并利于后续对其中富集的二氧化硫进行解吸,在一种优选的实施方式中,活性成分与腐蚀抑制剂的重量比为(97~99):(1~3)。
根据本发明的另一方面,还提供了一种烟气可再生脱硫装置,如图1所示,该装置包括:吸收塔10、第一过滤器20及解吸塔30,其中,吸收塔10,吸收塔10包括位于塔顶的硫吸收剂入口11以及位于塔底的烟气入口,烟气入口包括可选的硫化氢入口12和二氧化硫入口13,吸收塔10用于利用从硫吸收剂入口11通入的硫吸收剂吸收烟气中的二氧化硫形成富含二氧化硫的硫吸收剂,或者使烟气中的硫化氢和二氧化硫反应生成固体硫磺和富含二氧化硫的硫吸收剂;其中,硫吸收剂包括活性成分,活性成分包括以下通式I所示化合物中的一种或多种:
Rn(NH)m 通式I
通式I中,R基表示亚烷基,n为1~20的整数,可选地,各R基和各-NH-中的氢原子相互独立地被羟基烷基、羟基烷氧基、羟基苯基或苯基取代,且n个R基和m个-NH-中的至少一个氢原子被羟基烷基、羟基烷氧基、羟基苯基取代;m为1~6的整数;
可选的第一过滤器20,位于吸收塔10的下游,用于对吸收塔10排出产物中的固体硫磺与富含二氧化硫的硫吸收剂进行固液分离;以及解吸塔30,位于第一过滤器20的下游,用于对富含二氧化硫的硫吸收剂进行解吸,并将解吸后的硫吸收剂通过再生管线101返回吸收塔10。
上述烟气可再生硫回收装置,通过采用本发明改进的具有良好稳定性,且对二氧化硫和硫化氢具有高选择性的液体硫吸收剂进行烟气中的硫回收,并将烟气的入口与硫吸收剂的入口分别设置在吸收塔的顶部和底部,使得烟气中的可选的硫化氢和二氧化硫与硫吸收剂逆流而充分接触进行硫吸收,产生固体硫磺(当烟气中同时含有硫化氢时)悬浮在硫吸收剂溶液中,同时,液体硫吸收剂作为缓冲液吸收过量的二氧化硫,然后(当烟气中同时含有硫化氢时)通过第一过滤器将固体硫磺从富含二氧化硫的硫吸收剂中分离出来,进一步通过解吸塔30对富含二氧化硫的硫吸收剂中的二氧化硫汽提出来,从而使得硫吸收剂再生出来进行烟气中硫的循环吸收。
本发明的上述烟气可再生硫回收装置,由于硫吸收剂通过解吸释放二氧化硫后可再生循环利用,因而该装置可使得硫吸收剂在H2S和SO2的吸收与SO2的解吸之间循环,从而提供净化的烟道气并产生硫磺产物。
此外,本发明中的SO2解吸过程是SO2吸收过程的逆过程,是把硫吸收剂中的二氧化硫组分向与之接触的汽相转移的传质分离的过程,得以恢复液体硫吸收剂吸附二氧化硫的能力。以低温热源间接加热解吸塔30底的液体硫吸收剂,蒸发一部分水分,在解吸塔30内形成向上的气相通道,对吸附了二氧化硫的硫吸收剂剂进行加热,使被吸附的二氧化硫获得的能量足够打开二氧化硫和硫吸收剂之间形成的结合键,使二氧化硫释放出来,从而完成解吸二氧化硫的过程。
解吸过程需要消耗能量,本发明所采用的硫吸收剂,具有从烟气中高效吸收二氧化硫的能力,与常规吸收剂相比,可降低进塔吸收剂流量约20wt%,解吸塔30能耗同比会相应降低。同时,考虑到采用机械再压缩(MVR)来对塔顶气进行增压、增温,可利用该气流对解吸塔30提供约50%的热源后,再对其进行冷凝和气液分离。本发明中通过优化硫吸收剂和装置的系统配置,与同类技术相比,本发明的工艺可节省能耗约60%~70%。
上述装置中硫吸收剂的具体组成、种类及其相应的硫吸收效果与前述相同,此处不再赘述。优选地,通式I中,m为1~4的整数,n为4~12的整数;优选地,通式I中,两个相邻的-NH-之间间隔有至少两个R基;优选地,各R基和各-NH-中的氢原子相互独立地被取代时,羟基烷基的个数为0~4个,羟基烷氧基的个数为0或1个,羟基苯基的个数为0或1个,苯基的个数为0或1个,且羟基烷基、羟基烷氧基、羟基苯基的总数不等于0;更优选地,羟基烷基为C1~C6的羟基烷基,羟基烷氧基为C1~C6的羟基烷氧基;进一步优选地,羟基烷基为羟甲基、羟乙基、羟丙基中的一种或多种,羟基烷氧基为羟基甲氧基、羟基乙氧基、羟基丙氧基中的一种或多种。
在一些优选的实施例中,上述装置中硫吸收剂的活性成分包括N-羟乙基哌嗪、N,N-二羟乙基哌嗪、N,N-二羟丙基哌嗪、N-羟基丙基哌嗪、2-对羟基苯基哌嗪、1-羟丙基-4-苯基哌嗪、1-对羟基苯基哌嗪中的一种或多种;优选地,活性成分还包括哌嗪。
在一些优选的实施例中,上述装置中硫吸收剂还包括腐蚀抑制剂;优选地,腐蚀抑制剂为脂肪族醇胺化合物,优选为2-羟基乙胺、甲基乙醇胺、二甲基乙醇胺、二乙基乙醇胺中的一种或多种;更优选地,活性成分与腐蚀抑制剂的重量比为(97~99):(1~3)。
为了进一步提高上述装置中再生的硫吸收剂对硫的吸收性能及循环利用效率,在本发明一种优选的实施例中,上述装置还包括:硫吸收剂净化设备40,位于解吸塔30与吸收塔10之间的再生管线101上,用于对解吸塔30解吸释放二氧化硫后的硫吸收剂进行净化再生,并将净化再生后的硫吸收剂送回吸收塔10。在解吸塔30与吸收塔10之间的再生管线101上进一步设置硫吸收剂净化设备40,能够对解吸而释放出二氧化硫后的硫吸收剂中的其他残留杂物进行去除,从而尽可能恢复硫吸收剂的最大硫吸收性能。
在本发明一种优选的实施例中,上述硫吸收剂净化设备40包括:硫吸收剂过滤单元41,硫吸收剂过滤单元41包括第二过滤器,用于对解吸释放二氧化硫后的硫吸收剂中的粒径为1~10μm的颗粒进行过滤后经再生管线101和硫吸收剂入口11返回吸收塔10。更优选地,硫吸收剂过滤单元41还包括第三过滤器,该第三过滤器位于上述第二过滤器的上游,以便在第二过滤器进行过滤前初步过滤去除粒径为10~100μm的颗粒。具体地,可以采用烛式过滤器等过滤设备来去除此类粒径为10~100μm的(固体)颗粒。
为了进一步净化再生的硫吸收剂,提高其循环吸收硫的性能,在本发明一种优选的实施例中,上述硫吸收剂净化设备40进一步包括:硫吸收剂净化单元42,位于硫吸收剂过滤单元41与吸收塔10之间的再生管线101上,硫吸收剂净化单元42包括净化器,用于对热稳定性盐进行过滤和清除;更进一步优选地,净化器选自电渗析设备、离子交换设备或含强碱的(此处的强碱可以是NaOH、KOH等)设备。
热稳定性盐通过SO2的氧化反应生成,或者通过随进料气带入了强酸生成,这些盐在循环系统中聚集。其具体的去除手段,可以采用本领域中任何能够去除的手段进行去除。比如上述提及的电渗析、离子交换或添加强碱的方式来去除热稳定性盐。也可以通过进入硫吸收剂净化单元42的待净化的硫吸收剂的量并调节硫吸收剂净化单元42的运行频率,来控制系统中的热稳定性盐,从而使系统达到最佳的热稳定性盐含量。在本发明的一些优选实施例中,硫吸收剂净化单元42还包括流量调节阀43,流量调节阀43设置在再生管线101上,且位于硫吸收剂过滤单元41的下游;通过流量调节阀43控制进入硫吸收剂净化单元42的待进一步净化的硫吸收剂的量,从而控制系统中的热稳定性盐的含量控制在最佳范围。
上述硫吸收剂净化单元42来除去热稳定盐,适用于系统中热稳定性盐过高时的情形。如果系统中热稳定盐过低,则可以通过添加强酸来提高热稳定性盐含量。
此外,依据烟气(尾气)饱和温度,为确保二氧化硫达标排放,需要控制pH值在5–6或更高范围内,因而需要合理控制进塔的液体硫吸收剂的pH值。因此再生后循环利用的硫吸收剂的pH值要根据所期望的贫液(此处的贫液是指液体硫吸收剂未吸收二氧化硫,或解吸二氧化硫后的液体)中总溶解的SO2量来选择,期望的总溶解的SO2量越高,则pH值越低;反之,pH值越高。一般情况下pH维持在4.5-5.8之间,以平衡对H2S和SO2的吸收和较低的SO2排放值。
因此,在一些优选的实施例中,再生管线101在靠近硫吸收剂入口11的一端上进一步设置有取样口44,用于监测再生的硫吸收剂的性能参数;更优选地,性能参数包括pH值、硫酸根浓度、亚硫酸根浓度、硫代硫酸根浓度、氯离子浓度、氟离子浓度、钠离子浓度、钾离子浓度、钙离子浓度、镁离子浓度及铁离子浓度中的任意一种或多种。
吸收塔10是用以进行吸收操作的塔器,是液体硫吸收剂脱除硫化氢和二氧化硫的关键设备,除了吸收剂的优异性能能够实现超低排放外,为了进一步提高硫吸收效果,实现超低排放,还可以通过优化设计通过高效气液接触(气液具有足够的接触面积和接触时间)来提高烟气脱硫效率。
因此,在本发明一种优选的实施例中,吸收塔10上部采用规整填料(优选填料高度为3米–7米),吸收塔10的下部采用塔板。为进一步保证更好的气液混合,控制吸收塔10的阻力,依据具体烟气条件、排放要求和投资运行成本,优选地,吸收塔10上部设置有2~5层规整填料和2~5层塔板。比如可以考虑设置两层规整填料和两层塔板。
塔内气液两相的流动方式为逆流操作,液体硫吸收剂从吸收塔10的上部淋下,向下逐步吸入烟气中大量硫化氢和二氧化硫。而饱和烟气(尾气)自塔底进入,脱除硫化氢和二氧化硫后,自塔顶排出。在液体硫吸收剂中,二氧化硫(SO2)溶解其中,发生上述如下可逆反应:
Figure BDA0002726945750000111
Figure BDA0002726945750000112
氢离子与液体硫吸收剂的碱性电极相互吸引,从而促进了(1)(2)式向右侧进行。而在解吸塔30中,汽提过程中,发生可逆反应。通常pH值在5.0-6.0范围内时,亚硫酸盐的占比少于10%,亚硫酸氢盐占比大于90%。在pH值小于4.9时,亚硫酸盐占比小于1%。亚硫酸氢盐在汽提过程中向方程式左边移动。
硫化氢(H2S)进入吸收塔10后,与吸收了二氧化硫的液体硫吸收剂相遇,发生式(4)所示的归中反应。
H2S+SO3 2-+2HSO3 -+7H+→4S+9H2O (4)
上述式(1)和式(2)向右侧进行,促进了二氧化硫的吸收,但随之而来的pH值会降低,进而抑制二氧化硫的吸收。因此需要不断的将吸收了氢离子液体硫吸收剂富液送入解吸塔30进行解吸,用蒸汽将液体硫吸收剂富液中的二氧化硫汽提出来,并恢复液体硫吸收剂的碱性,也就是使上述式(1)和式(2)发生逆反应。
在常温气态情况下硫化氢与二氧化硫的反应需要充分混合,无法在短暂的流程中完成完全反应。但在吸收塔10中,液体硫吸收剂能够促成上述归中反应的瞬间完成。在有液体硫吸收剂存在的情况下,液体硫吸收剂会起到缓冲作用,把液相pH值提升,促进上述反应向右侧进行,继而会增加H2S和SO2的继续溶解。
因此,优选进入吸收塔10的硫化氢的量与进入吸收塔10的二氧化硫的量的比例(此处指摩尔比)接近2:1,但略小于2:1(比如硫化氢和二氧化硫的摩尔比为2:1.1、2:1.2或2:1.3等),通过解吸出来的二氧化硫的量来校准,保证二氧化硫量是过剩的,从而保证进入吸收塔10的硫化氢都能够被完全脱除。液体硫吸收剂对硫化氢和二氧化硫吸收选择性极高,而对氧气、氮气、二氧化碳等不吸收(实验室条件下测试结果不吸收),从而使硫吸收剂的循环量控制在一个较低的水平,进而也会相应地降低解吸塔30的能耗。
上述固体硫磺生成之后会悬浮在液体硫吸收剂中,排出吸收塔10进入第一过滤器20中。过滤器可以把硫磺和硫吸收剂溶液进行固液分离,分离出的固体硫磺可以经过间歇式的离心过滤机进一步脱除水分。因此,在本发明一些优选的实施例中,该装置进一步包括脱水设备,脱水设备位于第一过滤器20的下游,用于对固液分离后的固体硫磺进一步脱水;更优选地,脱水设备为离心机。
去除固体硫磺后的硫吸收剂液体被送入解吸塔30进行解吸。由于系统中二氧化硫存在过量,含有过量二氧化硫的硫吸收剂的富液会在解吸塔30中通过蒸汽进行解吸。优选地,解吸塔30采用填料塔或板式塔形式,以蒸汽加热的方式,对含有过量二氧化硫的硫吸收剂的富液进行汽提。
在一些优选的实施例中,该装置还包括再沸器70,再沸器70用于对进入解吸塔中的富含二氧化硫的硫吸收剂进行加热汽提以实现二氧化硫的解吸;更优选地,再沸器70将富含二氧化硫的硫吸收剂加热至120~140℃进行汽提。
在另一些优选的实施例中,该装置还包括冷却及气液分离设备50,冷却及气液分离设备50位于解吸塔30与吸收塔10之间的二氧化硫回收管线102上,用于对解吸出来的水饱和的二氧化硫返回吸收塔10;或者,冷却及气液分离设备50与下游设备连通,下游设备为硫酸生产单元或液态二氧化硫生产单元,用作硫酸或液态二氧化硫的制备原料。
为了进一步提高解吸效果,在一些优选的实施例中,上述装置进一步包括换热器60,换热器60位于第一过滤器20与解吸塔30之间的管线上,用于对富含二氧化硫的硫吸收剂加热;优选地,加热至85~95℃。同时,为了进一步提高再生后硫吸收剂的净化效果,在另一些优选的实施例中,换热器60进一步同时还位于硫吸收剂过滤单元41与解吸塔30之间的再生管线101上,用于对解吸释放二氧化硫后的硫吸收剂进行降温;更优选地,降温至50~60℃。
通过在解吸前先加热,充分利用贫液硫吸收剂的热量使富含二氧化硫的硫吸收剂(本申请中也称作富液硫吸收剂)温度提高,降低了解吸过程中进一步加热所需的蒸汽消耗量,并提高了解吸塔内温度场分布水平,具有节省蒸汽消耗和优化解吸效果的作用。
在净化之前由温度较低的富液硫吸收剂与温度较高的贫液硫吸收剂进行换热,使得贫液硫吸收剂温度降低。根据硫吸收剂的特性,温度越低,硫吸收剂对硫的吸收能力越强,对于排放要求严格的情况,贫液硫吸收剂的温度甚至可以低至30℃,通过换热降温增强了贫液硫吸收剂吸收硫的能力和效果,并降低了由于必须将贫液硫吸收剂冷却到特定温度所需要的外部冷却水的消耗量,起到了节能的作用。
在第三种典型的实施方式中,提供了一种烟气可再生脱硫方法,该方法包括:
使烟气中的硫化氢和二氧化硫与硫吸收剂逆向接触进行硫吸收,生成固体硫磺和富含二氧化硫的硫吸收剂;
对固体硫磺和富含二氧化硫的硫吸收剂进行固液分离,得到固体硫磺和富含二氧化硫的硫吸收剂;
对富含二氧化硫的硫吸收剂进行解吸,释放二氧化硫,得到再生的硫吸收剂用于对烟气进行循环吸收;或者
使烟气中的二氧化硫与硫吸收剂逆向接触进行硫吸收,得到富含二氧化硫的硫吸收剂;
对富含二氧化硫的硫吸收剂进行解吸,释放二氧化硫,得到再生的硫吸收剂用于对烟气进行循环吸收;
其中,硫吸收剂包括活性成分,活性成分包括以下通式I所示化合物中的一种或多种:
Rn(NH)m 通式I
通式I中,R基表示亚烷基,n为1~20的整数,可选地,各R基和各-NH-中的氢原子相互独立地被羟基烷基、羟基烷氧基、羟基苯基或苯基取代,且n个R基和m个-NH-中的至少一个氢原子被羟基烷基、羟基烷氧基、羟基苯基取代;m为1~6的整数。
上述烟气可再生硫回收方法,通过采用本发明改进的具有良好稳定性,且对二氧化硫和硫化氢具有高选择性的液体硫吸收剂进行烟气中的硫回收,并使得烟气中的硫化氢(存在的情况下)和二氧化硫与硫吸收剂逆流而充分接触进行硫吸收,产生固体硫磺(当烟气中同时含有硫化氢时)悬浮在硫吸收剂溶液中,同时,液体硫吸收剂作为缓冲液吸收过量的二氧化硫,然后经固液分离将固体硫磺从富含二氧化硫的硫吸收剂中分离出来,进一步通过解吸使富含二氧化硫的硫吸收剂中的二氧化硫汽提而释放出来,从而使得硫吸收剂再生出来进行烟气中硫的循环吸收。
本发明的上述烟气可再生硫回收方法中,由于硫吸收剂通过解吸释放二氧化硫后可再生循环利用,因而该方法使得硫吸收剂在H2S和SO2的吸收与SO2的解吸之间循环,从而提供净化的烟道气并产生硫磺产物。
此外,本发明中的SO2解吸过程是SO2吸收过程的逆过程,是把硫吸收剂中的二氧化硫组分向与之接触的汽相转移的传质分离的过程,得以恢复液体硫吸收剂吸附二氧化硫的能力。优选以低温热源间接加热液体硫吸收剂,对吸附了二氧化硫的硫吸收剂剂进行加热,使被吸附的二氧化硫获得的能量足够打开二氧化硫和硫吸收剂之间形成的结合键,使二氧化硫释放出来,从而完成解吸二氧化硫的过程。
解吸过程需要消耗能量,本发明所采用的硫吸收剂,具有从烟气中高效吸收二氧化硫的能力,与常规吸收剂相比,可降低进塔吸收剂流量约20%(重量),解吸塔30能耗同比会相应降低。同时,考虑到采用机械再压缩(MVR)来对塔顶气进行增压、增温,可利用该气流对解吸塔30提供约50%的热源后,再对其进行冷凝和气液分离。本发明中通过优化硫吸收剂和装置的系统配置,与同类技术相比,本发明的工艺可节省能耗约60%~70%。
本发明的上述方法中,硫吸收剂为前述硫吸收剂,其在烟气硫吸收中的作用和效果与前述相同,此处不再赘述。在一种优选的实施例中,上述通式I中,m为1~4的整数,n为4~12的整数;优选地,通式I中,两个相邻的-NH-之间间隔有至少两个R基;优选地,各R基和各-NH-中的氢原子相互独立地被取代时,羟基烷基的个数为0~4个,羟基烷氧基的个数为0或1个,羟基苯基的个数为0或1个,苯基的个数为0或1个,且羟基烷基、羟基烷氧基、羟基苯基的总数不等于0;更优选地,羟基烷基为C1~C6的羟基烷基,羟基烷氧基为C1~C6的羟基烷氧基;进一步优选地,羟基烷基为羟甲基、羟乙基、羟丙基中的一种或多种,羟基烷氧基为羟基甲氧基、羟基乙氧基、羟基丙氧基中的一种或多种。
在一种优选的实施例中,上述方法中,硫吸收剂的活性成分包括N-羟乙基哌嗪、N,N-二羟乙基哌嗪、N,N-二羟丙基哌嗪、N-羟基丙基哌嗪、2-对羟基苯基哌嗪、1-羟丙基-4-苯基哌嗪、1-对羟基苯基哌嗪中的一种或多种;优选地,活性成分还包括哌嗪。
在一种优选的实施例中,上述方法中,硫吸收剂还包括腐蚀抑制剂;优选地,腐蚀抑制剂为脂肪族醇胺化合物,优选为2-羟基乙胺、甲基乙醇胺、二甲基乙醇胺、二乙基乙醇胺中的一种或多种;更优选地,活性成分与腐蚀抑制剂的重量比为(97~99):(1~3)。
为进一步提高再生的硫吸收剂对硫的吸收性能,在一种优选的实施例中,该方法在解吸释放二氧化硫之后,以及得到再生的硫吸收剂之前,还包括:对解吸释放二氧化硫后的硫吸收剂进行净化。更优选地,对解吸释放二氧化硫后的硫吸收剂进行净化的步骤包括:将解吸释放二氧化硫后的硫吸收剂进行过滤除去粒径为1~10μm的颗粒。
在另一种优选地的实施例中,当烟气还含有硫化氢时,对释放二氧化硫后的硫吸收剂进行净化的步骤包括:将释放二氧化硫后的硫吸收剂进行初次过滤除去粒径为10~100μm的(固体)颗粒;然后再进行二次过滤除去粒径为1~10μm的(悬浮)颗粒以提高再生硫吸收剂的吸收性能。
在去除上颗粒后,进一步优选地,净化的步骤还包括:对去除颗粒之后的硫吸收剂进行热稳定性盐过滤和清除,更进一步优选地,采用电渗析、离子交换或强碱的方式对热稳定性盐进行清除。
热稳定性盐通过SO2的氧化反应生成,或者通过随进料气带入了强酸生成,这些盐在循环系统中聚集。其具体的去除手段,可以采用本领域中任何能够去除的手段进行去除。比如上述提及的电渗析、离子交换或添加强碱的方式来去除热稳定性盐。也可以通过控制待净化的硫吸收剂的量并调节硫吸收剂净化单元的运行频率,来控制系统中的热稳定性盐,从而使系统达到最佳的热稳定性盐含量。
在一种优选的实施例中,净化的步骤进一步包括:控制去除固体颗粒之后的硫吸收剂的体积含量在净化体系(比如强碱溶液)体积的3%~5%范围内以使净化再生后的硫吸收剂中的热稳定性盐的含量在5%~10%范围内(本申请中的热稳定盐主要是硫酸盐)。
上述硫吸收剂净化单元来除去热稳定盐,适用于系统中热稳定性盐过高时的情形。如果系统中热稳定盐过低,则可以通过添加强酸来提高热稳定性盐含量。
此外,依据烟气(尾气)饱和温度,为确保二氧化硫达标排放,需要控制pH值在5–6或更高范围内,因而需要合理控制进塔的液体硫吸收剂的pH值。因此再生后循环利用的硫吸收剂的pH值要根据所期望的贫液(此处的贫液是指液体硫吸收剂未吸收或解吸出二氧化硫时的液体)中总溶解的SO2量来选择,期望的总溶解的SO2量越高,则pH值越低;反之,pH值越高。一般情况下pH维持在4.5-5.8之间,以平衡对H2S和SO2的吸收和较低的SO2排放值。
因此,在一些优选的实施例中,在将再生的硫吸收剂循环用于吸收烟气中的硫之前,该方法还包括对再生的硫吸收剂的性能参数进行取样监测的步骤;更优选地,性能参数包括pH值、硫酸根浓度、亚硫酸根浓度、硫代硫酸根浓度、氯离子浓度、氟离子浓度、钠离子浓度、钾离子浓度、钙离子浓度、镁离子浓度及铁离子浓度中的任意一种或多种。
上述固体硫磺生成之后会悬浮在液体硫吸收剂中,固液分离后,分离出的固体硫磺可以经过间歇式的离心过滤机等进一步脱除水分。在一种优选的实施例中,该方法在得到固体硫磺后,进一步包括对固体硫磺进行脱水的步骤,优选地,对固体硫磺采用离心的方式进行脱水。
在一种优选的实施例中,该方法在解吸释放出二氧化硫之后,还包括:对释放出的二氧化硫进行冷却和气液分离,得到水饱和的二氧化硫;优选地,将水饱和的二氧化硫返回氧化反应的步骤;或者,将水饱和的二氧化硫用作制备硫酸、液态二氧化硫或气态纯二氧化硫的原料。
为了进一步提高解吸效果,在一种优选的实施例中,在固液分离之后,以及在对富含二氧化硫的硫吸收剂进行解吸之前,该方法还包括,对富含二氧化硫的硫吸收剂进行加热;优选地,加热至120~140℃(把经过贫、富液硫吸收剂经热交换器后的85~95℃的硫吸收剂通过再沸器加热至120-140℃),解吸是以蒸汽加热的方式对富含二氧化硫的硫吸收剂进行汽提,释放二氧化硫,得到再生的硫吸收剂。
为了进一步提高再生后硫吸收剂的净化效果,在一种优选的实施例中,在解吸后,以及对释放二氧化硫后的硫吸收剂进行净化之前,该方法还包括:对释放二氧化硫后的硫吸收剂进行降温;优选地,降温至35~45℃(把贫、富液硫吸收剂经热交换器后的50~60℃的硫吸收剂通过进一步冷却至35~45℃)。
需要说明的是,本发明使用高效液体硫吸收剂(其中包括15%-30%的液体吸收剂成分和70%-85%的水)来回收烟气(尾气)中的硫化氢和二氧化硫组分,生成固态硫磺,可以实现二氧化硫小于35mg/Nm3超低排放,且吸收剂本身解吸能耗低,同时,通过在解吸单元配置机械再压缩(MVR)来进一步降低能耗。液体硫吸收剂在开/停车时一次性注入系统,之后在系统中反复重复使用,一段时间后,根据运行情况加以补充。
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细描述,这些实施例不能理解为限制本发明所要求保护的范围。以下实施例采用图1所示的烟气可再生脱硫装置进行硫的可再生回收。如图1所示,含有H2S和SO2的烟气通过管线及烟气入口分别进入吸收塔10,与通过管线101进入吸收塔10的液体硫吸收剂(贫液)逆向接触,H2S和SO2被贫液吸收,并发生总的化学反应:
2H2S+SO2=3S+2H2O (反应式1)
进入吸收塔10的H2S和SO2的摩尔比例小于但接近2:1,目的是使SO2存在少量的过量。目的是使进入反应塔的H2S都能够与SO2发生反应。脱除了H2S和SO2的气流经过管线离开系统。在H2S和SO2做上述反应(反应式1)的同时,过量的SO2会被液体硫吸收剂(贫液)的一个官能团吸收形成混有硫磺的液体硫吸收剂(富液)。富液经管道进入第一过滤器20,硫磺经过滤与富液分离经后通过管道排出,可选地,进入离心分离机中进一步脱除水分;富液经管道进入换热器60进行加热后进入解吸塔30。
解吸塔30通常采用填料塔或板式塔形式,通过外置的再沸器70加热,以蒸汽加热的方式,对富液硫吸收剂进行汽提,解吸出来的SO2经过解吸塔30塔顶外的冷却及气液分离装置之后,水饱和的SO2经管道被送回到管道,重新进入吸收塔10与硫化氢进行反应。当然,水饱和的二氧化硫也可在经过冷却及气液分离装置之后直接送至下游的装置中,作为硫酸生产的原料或者液态SO2的制备原料。
经过蒸汽解吸之后的贫液从解吸塔30出来进入管道,先经过换热器60降温之后进入到硫吸收剂过滤单元41,把硫吸收剂中的细小固体颗粒通过过滤器进一步过滤出来。过滤后的溶剂大部分经过管道进入吸收塔10,小部分进入硫吸收剂净化单元42。通过硫吸收剂净化单元42,对贫剂中极细悬浮颗粒、热稳定性盐等等进行过滤和清除,干净新鲜的贫液再次进入吸收塔10参与脱除H2S和SO2的反应。
实施例1
该实施例中使用硫吸收剂对烟气进行脱硫处理,硫吸收剂包括活性成分、腐蚀抑制剂和水,其中活性成分包括哌嗪、N-羟乙基哌嗪、二羟乙基哌嗪和1-羟丙基-4-苯基哌嗪,其重量比为1:2:3:1,腐蚀抑制剂为二甲基乙醇胺。其中,活性成分和腐蚀抑制剂的重量比为97:3,且活性成分和腐蚀抑制剂的总的质量浓度为30%。
将烟气(含二氧化硫,不含硫化氢)通入装有上述硫吸收剂的吸附塔中进行脱硫,以使吸收塔出口SO2含量满足100mg/Nm3的环保排放要求。烟气首先经过初始洗涤之后烟温降至为38℃,从吸收塔10下部烟气入口进入吸收塔与自上而下喷淋的硫吸收剂贫液进行逆向接触,烟气流速保持在2.5-2.7m/s,烟气与硫吸收剂发生传质反应,为达到更理想的反应效果,硫吸收剂贫液的pH值控制在5.4-5.9之间,烟气中的二氧化硫被硫吸收剂所捕捉,并达到如下脱硫效果:
Figure BDA0002726945750000161
吸收二氧化硫之后的硫吸收剂(富液)经管道送至解吸塔30进行解吸,具体如下:把在吸收塔10内吸收了二氧化硫的硫吸收剂(富液)通过富液排出泵送到换热器预热95℃后送入解吸塔30,为了提高解吸塔30的解吸效果,解吸塔30的压力维持在50kpa到70kpa之间,解吸塔30内的富液通过再沸器70被加热(120℃)的情况下,二氧化硫从富液中解吸出来,在解吸塔30出口设置冷却器和气液分离器,将水饱和的塔顶气中的二氧化硫和水分开。经过解吸后的硫吸收剂富液变成了贫液。
将贫液先经过滤器将大于1μm的颗粒过滤后,进一步送入离子交换器中去除热稳定性盐,得到净化后的贫液返回吸收塔再与二氧化硫烟气反应,循环使用。上述解吸过程,二氧化硫的解吸率高达99.9%。
实施例2
工艺和试剂与实施例1相同,不同之处在于烟气含硫情况、温度控制及净化条件。烟气中除了含有下表表格中所列出的二氧化硫气体成份之外,还含有1200-1500mg/Nm3的硫化氢气体。运行中液体硫吸收剂能够很好的脱除二氧化硫和硫化氢,同时满足200mg/Nm的环保排放要求。烟气在进入吸收塔10之前首先要经过预洗涤塔进行预洗涤,去除烟气中的粉尘颗粒物,烟气同时急冷到40℃。经过预洗涤处理后的烟气进入吸收塔10,烟气流速控制在2.5-2.7m/s,与硫吸收剂贫液逆向接触,硫吸收剂贫液ph值维持在5.7左右,烟气中的二氧化硫和硫化氢被硫吸收剂脱除,净烟气排出塔外。脱硫结果如下:
Figure BDA0002726945750000171
吸收塔10底部的硫吸收剂富液经富液排出泵排出吸收塔10。同时在吸收塔10排除泵出口设置了过滤器,将生成的硫磺从硫吸收剂富液中分离出来,经过洗涤和甩干后进行进一步精制。液体硫吸收剂富液经换热器预热至85℃后送入进入解吸塔30进行解吸。解吸塔30压力维持在50kpa到70kpa之间,解吸塔30内的富液通过再沸器70被加热(140℃)的情况下,二氧化硫从富液中解吸出来,在解吸塔30出口设置冷却器和气液分离器,把水饱和的塔顶气中的二氧化硫和水分开。经过解吸后的硫吸收剂富液变成了贫液。
将贫液先经过滤器将大于10μm的固体颗粒过滤后,进一步通过烛式过滤器去除粒径为1-10μm的悬浮颗粒,并通过离子交换的方式去除热稳定性盐,得到净化后的贫液返回吸收塔10再与含二氧化硫和硫化氢的烟气反应。上述解吸过程,二氧化硫的解吸率高达99.9%。
实施例3
工艺和试剂与实施例1相同,不同之处在于烟气含硫情况,结果如下:
Figure BDA0002726945750000172
实施例4
该实施例中使用硫吸收剂对烟气进行脱硫处理,硫吸收剂包括活性成分、腐蚀抑制剂和水,其中活性成分包括哌嗪、N-羟乙基哌嗪、二羟乙基哌嗪和1-对羟基苯基哌嗪,其重量比为1:2:1:1,腐蚀抑制剂为二甲基乙醇胺。其中,活性成分和腐蚀抑制剂的重量比为99:1,且活性成分和腐蚀抑制剂的总的质量浓度为15%。
将烟气(含二氧化硫,不含硫化氢)通入装有上述硫吸收剂的吸附塔中进行脱硫,脱硫操作同实施例1,以使吸收塔10出口满足100mg/Nm3的环保排放要求。具体脱硫效果如下:
Figure BDA0002726945750000181
对吸收后的硫吸收剂进行解吸,具体如下:把在吸收塔10内吸收了二氧化硫的硫吸收剂(富液)经换热器预热至90℃后送入通过管道送到解吸塔30,解吸内的富液在蒸汽加热(130℃)的情况下,二氧化硫从富液中解吸出来,在解吸塔30出口设置冷却器,气液分离器,把水饱和的塔顶气中的二氧化硫和水分开。经过解吸后的富液变成了贫液,将贫液先经过滤器将大于1μm的固体颗粒过滤后,进一步通过电渗析的方式去除热稳定性盐,得到净化后的贫液,返回吸收塔10再与二氧化硫反应。上述解吸过程,二氧化硫的解吸率高达99.9%。
实施例5
该实施例中使用硫吸收剂对烟气进行脱硫处理,硫吸收剂包括活性成分、腐蚀抑制剂和水,其中活性成分包括N-羟乙基哌嗪、二羟乙基哌嗪和1-对羟基苯基哌嗪,其重量比为2:1:1,腐蚀抑制剂为二甲基乙醇胺。其中,活性成分和腐蚀抑制剂的重量比为97:3,且活性成分和腐蚀抑制剂的总的质量浓度为30%。
将烟气(含二氧化硫,不含硫化氢)通入装有上述硫吸收剂的吸附塔中进行脱硫,以使吸收塔10出口100mg/Nm3的环保排放要求。烟气在进入吸收塔10之前首先要经过预洗涤塔进行预洗涤,去除烟气中的粉尘颗粒物,烟气同时急冷到40℃。经过预洗涤处理后的烟气进入吸收塔10,烟气流速控制在2.5-2.7m/s,与硫吸收剂贫液逆向接触,硫吸收剂贫液pH值维持在5.7左右,烟气中的二氧化硫被硫吸收剂脱除,净烟气排出塔外。具体脱硫效果如下:
Figure BDA0002726945750000182
吸收塔10底部的液体硫吸收剂富液经富液排出泵排出吸收塔10进入解吸塔30进行解吸。解吸塔30压力维持在50kpa到70kpa之间,解吸塔30内的富液通过再沸器70被加热至130℃的情况下,二氧化硫从富液中解吸出来,在解吸塔30出口设置冷却器和气液分离器,把水饱和的塔顶气中的二氧化硫和水分开。经过解吸后的硫吸收剂富液变成了贫液,返回吸收塔10再与含二氧化硫烟气反应。上述解吸过程,二氧化硫的解吸率高达99.9%。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已,并不用于限制本发明,对于本领域的技术人员来说,本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (20)

1.一种烟气可再生脱硫装置,其特征在于,所述装置包括:
吸收塔(10),所述吸收塔(10)包括位于塔顶的硫吸收剂入口(11)以及位于塔底的烟气入口,所述烟气入口包括可选的硫化氢入口(12)和二氧化硫入口(13),所述吸收塔(10)用于利用从所述硫吸收剂入口(11)通入的硫吸收剂吸收所述烟气中的二氧化硫形成富含二氧化硫的所述硫吸收剂,或者在所述烟气同时还包含硫化氢气体时,利用所述硫吸收剂在吸收二氧化硫的同时使所述烟气中的硫化氢和二氧化硫反应生成固体硫磺和富含二氧化硫的所述硫吸收剂;
其中,所述硫吸收剂包括活性成分,所述活性成分包括以下通式I所示化合物中的一种或多种:
Rn(NH)m 通式I
所述通式I中,R基表示亚烷基,n为1~20的整数,可选地,各R基和各-NH-中的氢原子相互独立地被羟基烷基、羟基烷氧基、羟基苯基或苯基取代,且n个R基和m个-NH-中的至少一个氢原子被所述羟基烷基、所述羟基烷氧基、所述羟基苯基取代;m为1~6的整数;
可选的第一过滤器(20),位于所述吸收塔(10)的下游,用于对所述吸收塔(10)排出产物中的固体硫磺与富含二氧化硫的所述硫吸收剂进行固液分离;
解吸塔(30),位于可选的所述第一过滤器(20)的下游,用于对富含二氧化硫的所述硫吸收剂进行解吸,并将解吸后的所述硫吸收剂通过再生管线(101)返回所述吸收塔(10)。
2.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述通式I中,m为1~4的整数,n为4~12的整数;
优选地,所述通式I中,两个相邻的-NH-之间间隔有至少两个R基;
优选地,各R基和各-NH-中的氢原子相互独立地被取代时,所述羟基烷基的个数为0~4个,所述羟基烷氧基的个数为0或1个,所述羟基苯基的个数为0或1个,所述苯基的个数为0或1个,且所述羟基烷基、所述羟基烷氧基、所述羟基苯基的总数不等于0;
更优选地,所述羟基烷基为C1~C6的羟基烷基,所述羟基烷氧基为C1~C6的羟基烷氧基;
进一步优选地,所述羟基烷基为羟甲基、羟乙基、羟丙基中的一种或多种,所述羟基烷氧基为羟基甲氧基、羟基乙氧基、羟基丙氧基中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述活性成分包括N-羟乙基哌嗪、N,N-二羟乙基哌嗪、N,N-二羟丙基哌嗪、N-羟基丙基哌嗪、2-对羟基苯基哌嗪、1-羟丙基-4-苯基哌嗪、1-对羟基苯基哌嗪中的一种或多种;
优选地,所述活性成分还包括哌嗪。
4.根据权利要求1所述的装置,其特征在于,所述硫吸收剂还包括腐蚀抑制剂;
优选地,所述腐蚀抑制剂为脂肪族醇胺化合物,优选为2-羟基乙胺、甲基乙醇胺、二甲基乙醇胺、二乙基乙醇胺中的一种或多种;
更优选地,所述活性成分与所述腐蚀抑制剂的重量比为(97~99):(1~3)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置,其特征在于,所述装置还包括:
硫吸收剂净化设备(40),位于所述解吸塔(30)与所述吸收塔(10)之间的再生管线(101)上,用于对所述解吸塔(30)解吸释放二氧化硫后的所述硫吸收剂进行净化再生,并将净化再生后的所述硫吸收剂送回所述吸收塔(10);
优选地,所述硫吸收剂净化设备(40)包括:硫吸收剂过滤单元(41),所述硫吸收剂过滤单元(41)包括第二过滤器,用于对解吸释放二氧化硫后的所述硫吸收剂中的粒径为1~10μm的颗粒进行过滤后经所述再生管线(101)和所述硫吸收剂入口(11)返回所述吸收塔(10);
更优选地,所述硫吸收剂过滤单元(41)还包括第三过滤器,所述第三过滤器位于所述第二过滤器的上游,以便在所述第二过滤器进行过滤前,初步过滤去除粒径为10~100μm的颗粒;
进一步优选地,所述硫吸收剂净化设备(40)进一步包括:硫吸收剂净化单元(42),位于所述硫吸收剂过滤单元(41)与所述吸收塔(10)之间的所述再生管线(101)上,所述硫吸收剂净化单元(42)包括净化器,用于对热稳定性盐进行过滤和清除;
更进一步优选地,所述净化器选自电渗析设备、离子交换设备或含强碱的设备。
6.根据权利要求5所述的装置,其特征在于,所述硫吸收剂净化单元(42)还包括流量调节阀(43),所述流量调节阀(43)设置在所述再生管线(101)上,且位于所述硫吸收剂过滤单元(41)的下游;
优选地,所述再生管线(101)在靠近所述硫吸收剂入口(11)的一端上进一步设置有取样口(44),用于监测再生的所述硫吸收剂的性能参数;
更优选地,所述性能参数包括pH值、硫酸根浓度、亚硫酸根浓度、硫代硫酸根浓度、氯离子浓度、氟离子浓度、钠离子浓度、钾离子浓度、钙离子浓度、镁离子浓度及铁离子浓度中的任意一种或多种。
7.根据权利要求5所述的装置,其特征在于,所述吸收塔(10)上部采用规整填料,所述吸收塔(10)的下部采用塔板;
优选地,所述吸收塔(10)上部设置有2~5层所述规整填料和2~5层所述塔板。
8.根据权利要求5所述的装置,其特征在于,所述装置进一步包括脱水设备,所述脱水设备位于所述第一过滤器(20)的下游,用于对固液分离后的所述固体硫磺进一步脱水;
优选地,所述脱水设备为离心机。
9.根据权利要求5所述的装置,其特征在于,所述解吸塔(30)采用填料塔或板式塔形式;
优选地,所述装置还包括再沸器(70),所述再沸器(70)用于对进入所述解吸塔(30)中的富含二氧化硫的所述硫吸收剂进行加热汽提以实现二氧化硫的解吸;更优选地,所述再沸器(70)将富含二氧化硫的所述硫吸收剂加热至120~140℃;
优选地,所述装置还包括冷却及气液分离设备(50),所述冷却及气液分离设备(50)位于所述解吸塔(30)与所述吸收塔(10)之间的二氧化硫回收管线(102)上,用于对解吸出来的水饱和的二氧化硫返回所述吸收塔(10);或者,所述冷却及气液分离设备(50)与下游设备连通,所述下游设备为硫酸生产单元或液态二氧化硫生产单元,用作硫酸或液态二氧化硫的制备原料。
10.根据权利要求5所述的装置,其特征在于,所述装置进一步包括换热器(60),所述换热器(60)位于所述第一过滤器(20)与所述解吸塔(30)之间的管线上,用于对所述富含二氧化硫的所述硫吸收剂加热;优选地,加热至85~95℃;
优选地,所述换热器(60)进一步同时还位于所述硫吸收剂过滤单元(41)与所述解吸塔(30)之间的所述再生管线(101)上,用于对解吸释放二氧化硫后的所述硫吸收剂进行降温;
更优选地,降温至50~60℃。
11.一种烟气可再生脱硫方法,其特征在于,所述方法包括:
使烟气中的二氧化硫与硫吸收剂逆向接触进行硫吸收,得到富含二氧化硫的所述硫吸收剂;
对富含二氧化硫的所述硫吸收剂进行解吸,释放二氧化硫,得到再生的硫吸收剂用于对所述烟气进行循环吸收;或者
使烟气中的硫化氢和二氧化硫与硫吸收剂逆向接触进行硫吸收,得到固体硫磺和富含二氧化硫的所述硫吸收剂;
对固体硫磺和富含二氧化硫的所述硫吸收剂进行固液分离,得到固体硫磺和富含二氧化硫的所述硫吸收剂;
对富含二氧化硫的所述硫吸收剂进行解吸,释放二氧化硫,得到再生的硫吸收剂用于对所述烟气进行循环吸收;
其中,所述硫吸收剂包括活性成分,所述活性成分包括以下通式I所示化合物中的一种或多种:
Rn(NH)m 通式I
所述通式I中,R基表示亚烷基,n为1~20的整数,可选地,各R基和各-NH-中的氢原子相互独立地被羟基烷基、羟基烷氧基、羟基苯基或苯基取代,且n个R基和m个-NH-中的至少一个氢原子被所述羟基烷基、所述羟基烷氧基、所述羟基苯基取代;m为1~6的整数。
12.根据权利要求11所述的方法,其特征在于,所述通式I中,m为1~4的整数,n为4~12的整数;
优选地,所述通式I中,两个相邻的-NH-之间间隔有至少两个R基;
优选地,各R基和各-NH-中的氢原子相互独立地被取代时,所述羟基烷基的个数为0~4个,所述羟基烷氧基的个数为0或1个,所述羟基苯基的个数为0或1个,所述苯基的个数为0或1个,且所述羟基烷基、所述羟基烷氧基、所述羟基苯基的总数不等于0;
更优选地,所述羟基烷基为C1~C6的羟基烷基,所述羟基烷氧基为C1~C6的羟基烷氧基;
进一步优选地,所述羟基烷基为羟甲基、羟乙基、羟丙基中的一种或多种,所述羟基烷氧基为羟基甲氧基、羟基乙氧基、羟基丙氧基中的一种或多种。
13.根据权利要求11所述的方法,其特征在于,所述活性成分包括N-羟乙基哌嗪、N,N-二羟乙基哌嗪、N,N-二羟丙基哌嗪、N-羟基丙基哌嗪、2-对羟基苯基哌嗪、1-羟丙基-4-苯基哌嗪、1-对羟基苯基哌嗪中的一种或多种;
优选地,所述活性成分还包括哌嗪。
14.根据权利要求11所述的方法,其特征在于,所述硫吸收剂还包括腐蚀抑制剂;
优选地,所述腐蚀抑制剂为脂肪族醇胺化合物,优选为2-羟基乙胺、甲基乙醇胺、二甲基乙醇胺、二乙基乙醇胺中的一种或多种;
更优选地,所述活性成分与所述腐蚀抑制剂的重量比为(97~99):(1~3)。
15.根据权利要求11至14中任一项所述的方法,其特征在于,所述方法在解吸释放二氧化硫之后,以及得到再生的硫吸收剂之前,还包括:对释放二氧化硫后的硫吸收剂进行净化;
优选地,对释放二氧化硫后的硫吸收剂进行净化的步骤包括:将释放二氧化硫后的硫吸收剂进行过滤除去粒径为1~10μm的颗粒;
更优选地,当所述烟气还含有所述硫化氢时,对释放二氧化硫后的硫吸收剂进行净化的步骤包括:将释放二氧化硫后的硫吸收剂进行初次过滤除去粒径为10~100μm的固体颗粒;然后再进行二次过滤除去粒径为1~10μm的悬浮颗粒;
进一步优选地,在去除所述颗粒之后,所述净化的步骤还包括:对去除所述颗粒之后的硫吸收剂中的热稳定性盐进行清除;
更进一步优选地,采用电渗析、离子交换或强碱的方式对所述热稳定性盐进行清除。
16.根据权利要求15所述的方法,其特征在于,所述净化的步骤进一步包括:控制去除所述颗粒之后的所述硫吸收剂在净化体系中的体积含量为3%~5%,以使净化再生后的所述硫吸收剂中的热稳定性盐的体积含量在5%~10%范围内;
进一步地,在将再生的所述硫吸收剂循环用于吸收烟气中的硫之前,所述方法还包括对再生的所述硫吸收剂的性能参数进行取样监测的步骤;
更优选地,所述性能参数包括pH值、硫酸根浓度、亚硫酸根浓度、硫代硫酸根浓度、氯离子浓度、氟离子浓度、钠离子浓度、钾离子浓度、钙离子浓度、镁离子浓度及铁离子浓度中的任意一种或多种。
17.根据权利要求15所述的方法,其特征在于,所述方法在得到固体硫磺后,进一步包括对所述固体硫磺进行脱水的步骤,
优选地,对所述固体硫磺采用离心的方式进行脱水。
18.根据权利要求15所述的方法,其特征在于,所述方法在解吸释放出二氧化硫之后,还包括:对释放出的二氧化硫进行冷却和气液分离,得到水饱和的二氧化硫;
优选地,将所述水饱和的二氧化硫返回所述氧化反应的步骤;或者,将所述水饱和的二氧化硫用作制备硫酸、液态二氧化硫或气态纯二氧化硫的原料。
19.根据权利要求15所述的方法,其特征在于,在所述固液分离之后,以及在对富含二氧化硫的所述硫吸收剂进行解吸之前,所述方法还包括,对富含二氧化硫的所述硫吸收剂进行加热;
优选地,加热至120~140℃;更优选地,所述加热包括先用换热器预热至85~95℃,进一步经再沸器加热至120~140℃;
优选地,所述解吸是以蒸汽加热的方式对富含二氧化硫的所述硫吸收剂进行汽提,释放二氧化硫,得到再生的所述硫吸收剂,更优选在120~140℃进行所述汽提。
20.根据权利要求15所述的方法,其特征在于,在所述解吸后,以及对释放二氧化硫后的所述硫吸收剂进行净化之前,所述方法还包括:对释放二氧化硫后的所述硫吸收剂进行降温;
优选地,降温至35~45℃;
所述降温包括先通过换热器预降温至50~60℃,再进一步自然冷却至35~45℃。
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