新型塔內(nèi)件格柵填料在脫硫塔和

1、新型塔內(nèi)件格柵填料在脫硫塔和煤氣洗滌塔節(jié)能減排技術(shù)總結(jié)杭州華納塔器分離工程有限公司 沈樹(shù)榮 1、概述填料塔作為一種傳統(tǒng)的氣、液傳質(zhì)設(shè)備，近年來(lái)有很大發(fā)展。由于填料結(jié)構(gòu)的不斷改進(jìn)，在很多生產(chǎn)過(guò)程中已代替了傳統(tǒng)的板式塔。填料主要有兩大類：散堆填料和規(guī)整填料。散堆填料有拉西環(huán)、鮑爾環(huán)、階梯環(huán)、矩鞍環(huán)、海爾環(huán)、泰勒花環(huán)等。散堆填料主要優(yōu)點(diǎn)在于安裝方便，具有通用性。但是通量較小，流體分布性能較差，易偏流，阻力較大，如果有沉淀物生成，易造成填料塔堵塞等缺點(diǎn)。隨著化學(xué)工業(yè)的發(fā)展，對(duì)塔沒(méi)備不斷提出新要求：有的要求分離熱敏性物系，有的要求通過(guò)技術(shù)改造提高生產(chǎn)能力和產(chǎn)品質(zhì)量，有的要求降低回流比，減少系統(tǒng)阻力以求節(jié)

2、能；有的因環(huán)保要求，在三廢處理時(shí)必須進(jìn)一步提高效率以達(dá)到國(guó)家有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)等等。隨著塔器的大型化，散堆填料難以滿足這種要求。因而結(jié)構(gòu)與排列整齊、有效傳質(zhì)面積大、阻力小的規(guī)整填料應(yīng)運(yùn)而生，很到廣泛應(yīng)用，格柵填料屬于新型規(guī)整填料的一項(xiàng)系列產(chǎn)品。從技術(shù)開(kāi)發(fā)至今已有八年歷程，目前已改造的塔和新設(shè)計(jì)的塔已到180臺(tái)，尤其是在節(jié)能減排中得到廣大廠家的肯定。我國(guó)大多數(shù)中小合成氨廠，在氣體凈化過(guò)程中，半水煤氣冷卻洗滌塔、常壓脫硫塔、變換氣加壓脫硫塔，有的采用板式塔(旋流板塔)，有的用散堆填料塔或空塔噴淋，大多數(shù)中型廠則采用木格子填料。無(wú)論用哪一種脫硫方法采用硫磺回收，在脫硫塔中有硫膏析出。因此采用旋流板塔，脫硫效率

3、低。如果煤質(zhì)較差，往往達(dá)不到凈化效果，煤氣冷卻除塵采用空塔噴淋，冷卻效果不好，出口氣體溫度高，使后工序凈化增加了難度。采用散堆填料(如用海爾環(huán)等)，阻力大、易堵塔使用周期短，往往生產(chǎn)一段時(shí)間后需停車清理，影響合成氨的正常生產(chǎn)。中型氮肥廠和焦化廠煤氣脫硫一直采用木格子填料。用東北紅松脫脂處理后使用。由于生產(chǎn)過(guò)程中氣液頻繁竄動(dòng)，使得塔內(nèi)填料容易破損，使用壽命短。木板較厚，比表面積小，空隙率小，傳質(zhì)效果不理想。加上木格子表面粗糙，硫膏容易沉積在填料表面造成堵塔，使得塔內(nèi)氣液分布不均，產(chǎn)生偏流，致使系統(tǒng)阻力不斷上升，出口H2S超標(biāo)，系統(tǒng)被迫停車檢修，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的正常穩(wěn)定生產(chǎn)。2001年浙江巨化股份有

4、限公司合成氨廠進(jìn)行23萬(wàn)噸/年合成氨凈化系統(tǒng)改造，由于國(guó)家對(duì)東北紅松的控制，采購(gòu)越來(lái)越困難。于是杭州華納塔器分離工程有限公司和浙江巨化股份有限公司合成氨廠共同研制和開(kāi)發(fā)PVC格柵填料。經(jīng)浙江巨化合成氨廠和寧夏豐友化工有限公司半水煤氣脫硫塔、變換氣脫硫塔使用，運(yùn)行至今效果很好。目前杭州華納塔器分離工程有限公司開(kāi)發(fā)了不同型號(hào)的金屬和塑料格柵填料來(lái)滿足不同的工藝要求，并能成功的應(yīng)用在脫除高硫(H2S含量>3g/m315g/m3)的半水煤氣，取得較好的效果，在煤氣除塵降溫過(guò)程開(kāi)發(fā)了能適應(yīng)100以上工況的金屬格柵填料。為了適應(yīng)小氮肥廠操作工藝需要，對(duì)塑料格柵填料進(jìn)行了結(jié)構(gòu)上較大改進(jìn)，原PVC(聚氯

5、乙烯)材料改為PP(聚丙烯)材料，使用溫度原來(lái)50-60，提高到80-100，抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，GS-2型可以到165噸/米2以上。金屬格柵填料使用溫度在150以上，煤氣中含有大量的粉塵和焦油。格柵填料產(chǎn)品在2002年12月和2004年12月已獲準(zhǔn)國(guó)家實(shí)用新型性專利，在2002年5月29日和2005年8月12日通過(guò)國(guó)家科委部一級(jí)的技術(shù)鑒定，并在全國(guó)進(jìn)行技術(shù)推廣,并榮獲國(guó)家料技進(jìn)步二等獎(jiǎng)。2、結(jié)構(gòu)與組裝方式2.1 結(jié)構(gòu)形式塑料格柵填料是由塑料板、棒、管，經(jīng)過(guò)一定的加工工藝，金屬格柵填料形狀有三角形、方型、六邊形等，我們認(rèn)為六邊形蜂窩狀形材最省，為推薦產(chǎn)品，材質(zhì)有碳鋼和不銹鋼二種。成型后填料寬度根據(jù)塔

6、徑、人孔的大小進(jìn)行組裝而成。每盤填料的高度由塔徑而定，一盤為80-100mm。由于格柵填料的柵板與塔截面是垂直的，因此基本消除了散堆填料和波紋填料共有的壁流現(xiàn)象。格柵填料有自分布能力，只要該塔液體初始分布均勻，一般不需要設(shè)液體再分布裝置。這使得格柵填料塔的設(shè)計(jì)、制造更簡(jiǎn)單，并提高了塔了利用空間。2.2 格柵填料的組裝大直徑的脫硫塔根據(jù)人孔的大小來(lái)確定格柵填料分裝塊的寬度，一般為<450mm，長(zhǎng)度由塔徑和塑料板的規(guī)格來(lái)確定，分塊由人孔裝入塔內(nèi)。填料支撐柵板與格柵填料的排列方向?yàn)?0°，上下兩層之間格柵填料排列方向旋轉(zhuǎn)45°。GS型格柵填料開(kāi)發(fā)有10個(gè)規(guī)格，GS-1型至G

7、S-10型；GSL型格柵填料(金屬)開(kāi)發(fā)有6個(gè)規(guī)格，GSL-1型至GSL-6型。以GS-2型塑料格柵填料為例，其板間距為42mm，堆積重度151Kg/m3，比有面積46.7m2/m3，空隙率92%，它是常壓脫硫裝置最常用的填料之一，是常壓脫硫裝置中較為理想的填料。當(dāng)噴淋密度為46.7 m3/h m2時(shí)，該填料壓降約70Pa/米。每米填料理論板數(shù)約為0.8塊，氣相傳質(zhì)單元高度約為1.25m，液相傳質(zhì)高度約為0.6m。經(jīng)破壞試驗(yàn)，開(kāi)始變形，承受壓力為165噸/米2。3、格柵填料氣液兩相傳質(zhì)機(jī)理分析塑料格柵填料，它是以塑料板片作為主要傳質(zhì)構(gòu)件，塑料板片垂直于塔截面，與氣流和液流方向平行，上下兩層呈4

8、5°旋轉(zhuǎn)，整體塔內(nèi)氣流和液流逆向旋轉(zhuǎn)，旋流流動(dòng)接觸。液體靠重力沿填料表面下降，與上升的氣體接觸，在塑料或金屬板片表面呈膜狀向下流動(dòng)，氣體作為連續(xù)相自下而上流動(dòng)，與液膜接觸傳質(zhì)，氣液之間形成滴狀或膜狀接觸。隨著氣速增加，液體自上而下液滴變細(xì)，當(dāng)氣速達(dá)到噴射時(shí)，則呈噴射狀態(tài)接觸。噴射點(diǎn)對(duì)應(yīng)氣體的動(dòng)能因子作為該填料操作負(fù)荷，此時(shí)已不是液氣控制而是霧夾帶控制。格柵填料板片之間距離較大(一般為1651mm)，空隙率高，氣體和液體有固定的走向，每層板的通道非常均勻，隨著氣量的增加或者液量加大，氣液兩相間的作用增強(qiáng)，但是持液量很小，塔的阻力很小，液泛速度很高，格柵填料塔內(nèi)不存在填料床內(nèi)滿液體，氣體

9、不會(huì)以氣泡的形式通過(guò)液體，所以格柵填料對(duì)舊塔改造可以選用較高的空塔速度，是一般填料的1.5倍，大大提高了生產(chǎn)能力，對(duì)新塔的設(shè)計(jì)可以降低塔的直徑和高度。由于格柵填料板片之間距離較大，板片表面非常光滑，氣體上升和液體下降阻力大大降低，氣體和液體有固定的通道，流體在板片之間不斷的沖刷接觸，使得含塵氣體和液體不會(huì)在填料表面停滯、沉積、淤積和堵塞。因此塑料格柵填料是一種高效，大通量、壓降低、不會(huì)堵塔的新型規(guī)整填料。在正常操作條件下，其壓降僅為階梯環(huán)填料和鮑爾環(huán)填料的20%30%，通量比板式塔高80%，比50鮑爾環(huán)高50%。4、格柵填料在脫硫塔和造氣洗滌塔節(jié)能減排的效果無(wú)論氮肥廠的半水煤氣，焦化廠的焦?fàn)t氣

10、和以煤為原料的城市煤氣和工業(yè)煤氣，均需要煤氣冷卻、除塵、脫除煤氣中的H2S。由于煤氣中含有粉塵和焦油，大部份廠采用空塔噴淋，中型氮肥廠一般采用木格子填料。氣體冷卻和除塵效果不好，一般煤氣進(jìn)氣柜的溫度65-70。降低了氣柜的利用率，增加了系統(tǒng)阻力。降低羅茨鼓風(fēng)機(jī)和壓縮機(jī)的打氣量，影響造氣爐的發(fā)氣量。金屬格柵填料，呈六邊蜂窩狀形，其結(jié)構(gòu)形式與塑料格柵料的結(jié)構(gòu)形式不同，但氣液兩相傳質(zhì)和傳熱的機(jī)理相同，填料的表面和氣體、液體方向平行，由于在氣流和液流的沖刷下，粉塵和焦油不會(huì)在填料表面沉積。冷卻和除塵效果好，一般出口氣體與冷卻水進(jìn)口溫度相差3-5。與傳統(tǒng)空塔噴淋相比，出口氣體溫度相差20-25，一般氮肥

11、廠生產(chǎn)，冬天的產(chǎn)量高也比較容易操作，夏天產(chǎn)量低，其主要原因就是夏天煤氣溫度高。系統(tǒng)阻力增加，減少了羅茨機(jī)和壓縮機(jī)的打氣量，另外原空塔噴淋是一臺(tái)煤氣爐一臺(tái)洗滌塔，一般150秒鐘一個(gè)循環(huán)，其中吹風(fēng)階段40-50秒沒(méi)有煤氣經(jīng)過(guò)，但冷卻水是不停的，多增加了30%冷卻水和造氣廢水的排放量。而選用了金屬格柵填料，一般4臺(tái)煤氣爐對(duì)一臺(tái)洗滌塔，有的氮肥有幾臺(tái)煤氣爐合用1臺(tái)洗滌塔，冷卻水量300米3/h，原空塔噴淋，冷卻水量至少400-500米3/h，金屬格柵填料氣液直接接觸換熱，傳熱系數(shù)高冷卻效果好，因此出口氣體溫度低。其優(yōu)越性增加了羅茨機(jī)和壓縮機(jī)打氣量和降低電耗，增加了氣柜的有效容積。進(jìn)洗滌塔取消水封，降低

12、了水封阻力150-200mmH2O，因此合計(jì)降低系統(tǒng)阻力400mmH2O。由于系統(tǒng)阻力降低，提高煤氣爐發(fā)氣量6%。因此提高全年的產(chǎn)量，根據(jù)浙江桐鄉(xiāng)化肥廠，實(shí)際測(cè)定只改造了造氣的冷卻塔，該月產(chǎn)量提高6%。以煤為原料的煤氣，均需要脫除煤氣中的H2S，所采用的脫硫方法無(wú)論是PDS、ADA、DDS、栲膠脫硫等等，煤氣中H2S與脫硫液接觸，化學(xué)反應(yīng)速度很快，其反應(yīng)影響不是主要矛盾。采用散堆填料，由于散堆填料阻力不均勻，易產(chǎn)生偏流，氣流分布不均勻，當(dāng)硫膏沉積在填料的表面后，阻力會(huì)越來(lái)越大，堵塔會(huì)更加嚴(yán)重，造成惡性循環(huán)，最后造成停車清理。不僅清洗工作量大，甚至不能維持正常生產(chǎn)。尤其是當(dāng)前煤炭供應(yīng)價(jià)格上漲，為

13、了降低生產(chǎn)成本，部份工廠采用含硫量較高的煤種，堵塔現(xiàn)象更為嚴(yán)重。某些氮肥廠平均三個(gè)月堵塔停車清理，而且生產(chǎn)規(guī)模比較大(20萬(wàn)噸/年，30萬(wàn)噸/年規(guī)模)，每停一次車損失在500萬(wàn)元以上，因此選用了聚丙烯格柵填料，根本上解決了堵塔問(wèn)題，8年來(lái)我公司改造了145臺(tái)脫硫塔，到目前為止，只有3臺(tái)塔不是格柵填料本身的問(wèn)題而造成了填料倒蹋，其他均運(yùn)行正常，沒(méi)有發(fā)生堵塔。最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間杭州龍山化工廠，脫硫塔運(yùn)行了二十年沒(méi)有堵塔，每次大修溶液沖洗幾個(gè)循環(huán)，一直正常運(yùn)行至今。格柵填料有固定的氣、液通道，沒(méi)有持液量，所以塔阻力很低，一般填料高18米，塔阻力1KPa，一般散堆填料塔阻力5KPa，降低了阻力，提高了一段壓

14、縮機(jī)的打氣量和降低電耗。經(jīng)計(jì)算和實(shí)際測(cè)定，每噸氨可節(jié)能13度/噸氨，以30萬(wàn)噸/年規(guī)模合成氨廠一年可節(jié)電390萬(wàn)度電。我公司近年來(lái)改造部分氮肥廠，其工藝參數(shù)列表如下：冷卻除塵塔：工廠名稱設(shè)備規(guī)格(mm)進(jìn)口溫度()出口溫度()單塔阻力(KPa)冷卻水溫度()型號(hào)山西壽陽(yáng)化燃有限公司2800造氣洗滌冷卻塔180-170夏天35-37冬天19-200.5夏天32冬天18金屬GS-2型云南解化集團(tuán)公司1800焦油洗滌冷卻10036-380.333金屬GS-2型湖北三寧化工有限公司4600冷卻塔160300.328GSL-1GSL-2山東瑞星化工有限公司3200洗滌塔2800洗滌塔150-180夏天3

15、00.2夏天32金屬GSL-2型石家莊金石化肥有限公司3000冷卻塔3200洗滌塔170夏天32冬天180.2夏天34冬天20GSL-1GSL-2寧夏豐友化工有限工司3000造氣洗滌塔150夏天35冬天230.5夏天33冬天20金屬GS-1型美國(guó)能源(棗莊)有限公司2800洗滌塔200夏天33冬天180.1夏天30冬天20GSL-1GSL-2晉封化工有限公司3400冷卻塔18022-320.220-30金屬GSL-1GSL-2巨化合成氨廠3200冷卻塔17023-350.221-32GSL-1GSL-2當(dāng)陽(yáng)華強(qiáng)化工有限公司3400集中洗滌塔17022-320.221-30金屬GSL-1GSL-

16、2脫硫塔：工廠名稱設(shè)備規(guī)格(mm)進(jìn)口中H2S(mg/m3)出口H2S(mg/m3)單塔阻力(KPa)型號(hào)及板間距(mm)浙江巨化股份有限公司合成氨廠3500半水煤氣脫硫塔842230.7GS-2型GS-5型組合浙江巨化股份有限公司合成氨廠4400變換氣脫硫塔981.41.7GS-4型寧夏豐友化工有限公司4200半水煤氣脫硫塔1400201.0GS-2型GS-5型貴州開(kāi)磷集團(tuán)都勻氮肥廠3500半水煤氣脫硫塔6000601.0GS-2型GS-5型組合山東瑞星化工有限公司6600、5000半水煤氣脫硫塔2000201.0GS-2型GS-5型組合浙江開(kāi)化化肥廠2600半水煤氣脫硫塔1500600.8

17、GS-2型GS-5型江蘇華昌化工有限公司5200、46005000701.0GS-2型GS-5型GS-6型SM170Y湖北當(dāng)陽(yáng)華強(qiáng)化工有限公司半水煤氣脫硫塔6400、5000、4600變脫6GS-2型GS-5型GS-6型SM170Y湖北三寧化工有限公司6000脫硫塔4000變脫塔半水煤氣3500變換氣350半水煤氣30-50變換氣10脫硫塔1.0變脫塔1.5GS-3型GS-4型GS-5型GS-6型河南三門峽化肥廠半水煤氣脫硫塔28001500500.5GS-2型GS-5型美國(guó)能源(棗莊)有限公司三級(jí)脫硫塔28001500050各臺(tái)塔單塔阻力1KPaGS-2型GS-3型

18、GS-5型GS-6型石家莊金石化肥有限公司灰融聚二級(jí)脫硫900050各臺(tái)塔單塔阻力1KPaGS-2型GS-3型GS-5型GS-6型浙江新安化工有限公司半水煤氣脫硫塔28001000500.7GS-2型GS-5型SM125下面將浙江巨化股份有限公司合成氨廠和寧夏豐友化工有限公司脫硫塔和山西壽陽(yáng)化燃有限公司造氣洗滌塔改造后取得的良好效果作一介紹。4.1 浙江巨化股份有限公司合成氨廠半水煤氣脫硫塔合成氨生產(chǎn)能力12.5萬(wàn)噸/年，半水煤氣采用栲膠脫硫，脫硫塔直徑為3500mm，過(guò)去一直采用木格子填料，由于木格子表面粗糙，硫膏容易沉積在填料的表面，造成堵塔，使得塔內(nèi)氣液分布不均勻，容易產(chǎn)生偏流，阻力大，

19、嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)。2001年9月大修期間將木格填料改為塑料格柵填料，填料板型號(hào)為GS-2型，分為6層，共190層，每層高100mm。改造能力從12.5萬(wàn)噸提高到17萬(wàn)噸合成氨，系統(tǒng)阻力大大降低，脫硫效率由94%提高到97%，測(cè)定數(shù)據(jù)見(jiàn)下表：項(xiàng) 目單位改造前改造后煤氣量Nm3/h4460055800系統(tǒng)壓力KPa3917.1單塔阻力KPa5.80.7進(jìn)口H2Smg/m3842.2681.3出口H2Smg/m349.721.8脫硫效率%94.096.8溶液循環(huán)量m3/h525410液氣比L/m311.87.34.2 巨化合成氨廠變脫塔新建凈化系統(tǒng)變脫裝置采用濕法栲膠脫硫和噴射再生技術(shù)，后串JTL-

20、1型干法精脫工藝，即預(yù)脫塔、水解塔、精脫塔。變脫塔直徑4400mm，塔高H=35000mm，內(nèi)裝塑料格柵填料210層(121m3)，分兩段，每段高8000mm。變脫裝置于2001年8月28日開(kāi)車投入運(yùn)行，運(yùn)行穩(wěn)定，操作彈性大，數(shù)據(jù)見(jiàn)下表2：項(xiàng) 目2002年2月4日10:00系統(tǒng)壓力MPa1.75進(jìn)口H2Smg/m398.2出口H2Smg/m31.4溶液循環(huán)量m3/h382液氣比L/m34.2變換氣量Nm3/h90000脫硫效率%98.6變脫塔阻力KPa20由表2可知，由于采用高效低阻的塑料格柵填料，變脫塔滿負(fù)荷運(yùn)行2年半，液氣比低而脫硫效率高，出口H2S含量?jī)H1.4 mg/m3，遠(yuǎn)低于100

21、mg/m3的工藝指標(biāo)，大大減輕了干法精脫硫的負(fù)荷，確保了凈化系統(tǒng)的長(zhǎng)周期運(yùn)行。4.3寧夏豐友化工有限公司合成氨生產(chǎn)能力10萬(wàn)噸/年，尿素16萬(wàn)噸/年，其半水煤氣脫硫塔直徑4200mm。過(guò)去采用木格填料，50*50鮑爾環(huán)散堆填料及空塔噴淋裝置，脫硫方法采用PDS。由于木格子填料和散堆填料經(jīng)常堵塔，系統(tǒng)阻力達(dá)7KPa,尤其是用高硫煤后，不能維持正常生產(chǎn)。2001年8月大修期間將該脫硫塔進(jìn)行改造。采用PVC格柵填料，全塔分為5段，填料高度為20米，選用GS-2型，每層高度為100mm，除霧選用GS-5型， 7層高0.7米。改造后系統(tǒng)阻力大大降低，至今未發(fā)現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，測(cè)定數(shù)據(jù)見(jiàn)下表。項(xiàng) 目單位改造前改

22、造后煤氣量Nm3/h4300045000系統(tǒng)壓力KPa6.02.5單塔阻力KPa4.01.0進(jìn)口中H2Smg/m3500-7001400出口H2Smg/m37060脫硫效率%90%95.7%溶液循環(huán)量m3/h7006004.4 山西壽陽(yáng)燃料化工有限責(zé)任公司合成氨生產(chǎn)能力100噸/天，主要產(chǎn)品是碳酸氨銨，造氣工段3臺(tái)2600煤氣爐，開(kāi)2臺(tái)，原采用空塔噴淋，半水煤氣出洗氣塔溫度夏天大于70,冬天大于50。2002年8月份對(duì)造氣洗滌塔進(jìn)行了改造，采用了集中氣體冷卻洗滌，設(shè)置了一臺(tái)2800二段金屬格柵填料。每段5米，9月份日平均集中洗滌塔進(jìn)口溫度170-190，冷卻水水溫度19-20，氣體出口溫度19-21，洗滌塔氣體出口溫度與進(jìn)口冷卻水溫度幾乎平衡。采用金屬格柵填料，既能降溫，又洗滌除塵，並能夠洗除部分焦油，提高壓縮機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)率和減輕靜電除焦油的負(fù)荷。由于該公司燒的是陽(yáng)泉劣質(zhì)煤，熱隱定性差。每天除塵器中清理的粉塵17噸(煤氣中含塵量15%)集中洗滌