探讨和分析湿法脱硫中副盐的形成以及影响
时间:2023-03-17 08:32
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科学的讲,在湿式氧化法脱硫中,副盐的生成是无法回避的,它是化学反应的副产物,是客观存在的。但是,我们通过多年实际生产状况总结发现,同等规模条件下,不同的工况条件、不同的工艺技术、不同的设备配置以及使用不同的催化剂,副盐生成量的多少却大不一样,而且差别很大。这一现象引起我们高度的重视,也再次促使我们进一步探讨研究和分析脱硫中副盐形成的机理,因为只有清楚的了解副盐产生的机理,我们才能有效的找到解决和处理它的措施。虽然我们不能避免它的形成,但我们可以采取一系列有效措施来减少或抑制它的生成,从而减少脱硫液中由于副盐的存在而影响企业的正常生产。特别在大规模的生产中(气量大、H2S含量高),这种现象尤为突出,副盐的生成不仅严重影响了脱硫效率、增加了辅料消耗而且也影响了环保。虽然好多企业也相应采取种种措施,但收效甚微(主要是副盐提取和外排两种方法,其实这两种方法都不是我们想要的,也是很被动的,只是到目前为止,还没有更好的办法来代替它)。因此,在这里我们着重加以深层次的探讨在湿式氧化法脱硫中,副盐生成机理。
1 脱硫反应机理
为了探讨和分析副盐形成的机理,我们必须从脱硫的化学反应来加以分析,下面以888脱硫催化剂、Na2CO3为碱源,以此为例加以说明。
脱除H2S的主要化学反应:
1)、碱性水溶液吸收H2S
Na2CO3+H2S==NaHS+NaHCO3 (1)
NaHCO3+H2S==NaHS+H2CO3 (2)
2)、液相HS-被氧化生成元素硫
2NaHS+O2(888) == 2S+2NaOH (3)
3)、催化剂的再生
[888]R+O2=[888]OX+ R (4)
4)、主要副反应是:
NaHS+2O2== Na2S2O3+H2O (5)
2S+CO32- +O2==S2O32-+CO2 (6)
2S+2CO32- +3O2==SO42-+CO2 (7)
2HCN+Na2CO3==NaCN+CO2+H2O (8)
HCN+Na2CO3==NaCN+NaHCO3 (9)
NaNC+Na2Sx==NaCNS+Na2S(x-1) (10)
NaNC+Na2S2O3==NaCNS+Na2SO3 (11)
从以上化学反应式中可以看出,脱硫液中副反应所产生的副盐主要有三种:Na2S2O3、Na2SO4、NaCNS。
2 副盐的形成
2.1 副盐NaCNS的生成
要想了解NaCNS的生成,我们就必须了解煤气中HCN是如何产生的。我们知道在煤气中含有少量的NH3和HCN,那它们是怎么形成的呢?它们含量多少与什么因素有关呢?我们知道,在高温燃煤过程中,原料煤中有一部分有机物,在高温下它的氨基很容易裂解成氮化物,进而生成氨。煤气中氨与炽热的碳发生反应就生成HCN:
NH3 + C === HCN + H2
煤气中HCN的含量大约在0.01-0.1 g/Nm3。 焦炉煤气中HCN的来源也是如此,但相应的说它的含量较高,一般在0.5-1.5 g/Nm3。不同的煤质,不同的气化工艺,煤气中HCN的含量都不一样的,而且差别也很大,总体上看越是高硫煤的煤质,燃烧后煤气中HCN含量就偏高(主要是有机物含量高造成的)。而HCN是酸性气体,碱溶液在吸收硫化氢的同时,必然要吸收HCN,这是不可以避免的 ,从而要消耗一些碱。
2HCN+NaHCO3==NaCN+ CO2+H2O (7)
HCN+Na2CO3==NaCN+NaHCO3 (8)
NaNC+Na2Sx==NaCNS+Na2S(x-1) (9)
Na2CO3+CO2+H2O==2NaHCO3 (10)
NaNC+Na2S2O3 ==NaCNS+Na2SO3 (11)
NaCNS这种物质的溶解度很大,很难结晶析出,脱硫液中由于NaCNS的存在,严重影响了脱硫液的质量,使脱硫效率下降,碱耗增加(从理论上讲,脱硫液中NaCNS的含量每升高1Kg,就要消耗Na2CO3的量为0.65 Kg),而且这种现象近年来在实际生产中表现越来越明显。在焦化行业,大家都比较关注这种物质的存在,这也许因为在焦炉气脱硫中HCN这种物质含量较高的缘故吧。而在化肥行业,很少有企业关注这种物质的存在,在分析中也很少有这方面的分析数据。而恰恰因为这种忽视,使好多企业在脱硫出现碱耗增加时,无法找出事故的原因。
2.2 Na2S2O3副盐的产生
从表面上看副盐Na2S2O3的产生,主要是由于溶液中HS-离子与氧接触而发生的氧化还原反应形成的产物.这是多年以来行业普遍认可的机理,从化学反应方程式上看也是如此。然而我们对此更深层次的探讨发现,这仅仅是表面现象,Na2S2O3副盐产生的机理远远不是我们想象的那样简单,大量的理论研究和生产实践证明了原有理论的偏离性,没有彻底找出该副反应产生的主要原因(虽然温度、碱度、PH值等指标对副盐的形成有一定的影响,但在实际生产中,这些指标都能有效的控制)。因为我们利用原有理论去解决问题时,却发现原有理论指导意义不大,没有我们想象那么有力度,有效果。因此今天我们回过头来,重新探讨、深层次的研究该副反应形成机理。如果说NaCNS这种盐类物质我们在生产中无法控制(必须从煤源以及气化工艺着手解决),那么Na2S2O3这种副盐我们完全可以采取一系列措施来控制它的生成。从化学反应上看,我们不否认HS-在富氧的情况下会转化成硫代硫酸盐,这也是客观存在的。
2NaHS+2O2== Na2S2O3+H2O (5)
然而我们通过实验室分析和工业化生产的实际情况看,这种转化率相当低,也就是说硫代硫酸盐的来源不完全是这里,它连10%都不到。我们做了大量的对比研究发现,假如Na2S2O3主要是从NaHS与O2直接氧化而来的,我们对国内目前比较流行的两种催化剂进行研究,我们在生产实践中通过测定脱硫塔出口富液中HS-含量,我们发现用酞菁钴类催化剂的富液中其HS-含量要远远低于栲胶类,而且有时相差很大。但从副盐生成几率上看,酞菁钴类要高于栲胶类。(这也是我们在长期技术服务中发现的现象。)这种副盐主要来源于那里呢,我们通过学术交流、资料查询以及大量的实验室跟踪分析,再次对栲胶、酞菁钴两类催化剂通过电极电位的测定来进一步研究。我们发现这两者催化剂的氧化电极电位不一样。栲胶类催化剂电极电位较低,酞菁钴类催化剂的电极电位较高,两种催化剂混合使用时,它的电极电位则介于两者之间。
1 脱硫反应机理
为了探讨和分析副盐形成的机理,我们必须从脱硫的化学反应来加以分析,下面以888脱硫催化剂、Na2CO3为碱源,以此为例加以说明。
脱除H2S的主要化学反应:
1)、碱性水溶液吸收H2S
Na2CO3+H2S==NaHS+NaHCO3 (1)
NaHCO3+H2S==NaHS+H2CO3 (2)
2)、液相HS-被氧化生成元素硫
2NaHS+O2(888) == 2S+2NaOH (3)
3)、催化剂的再生
[888]R+O2=[888]OX+ R (4)
4)、主要副反应是:
NaHS+2O2== Na2S2O3+H2O (5)
2S+CO32- +O2==S2O32-+CO2 (6)
2S+2CO32- +3O2==SO42-+CO2 (7)
2HCN+Na2CO3==NaCN+CO2+H2O (8)
HCN+Na2CO3==NaCN+NaHCO3 (9)
NaNC+Na2Sx==NaCNS+Na2S(x-1) (10)
NaNC+Na2S2O3==NaCNS+Na2SO3 (11)
从以上化学反应式中可以看出,脱硫液中副反应所产生的副盐主要有三种:Na2S2O3、Na2SO4、NaCNS。
2 副盐的形成
2.1 副盐NaCNS的生成
要想了解NaCNS的生成,我们就必须了解煤气中HCN是如何产生的。我们知道在煤气中含有少量的NH3和HCN,那它们是怎么形成的呢?它们含量多少与什么因素有关呢?我们知道,在高温燃煤过程中,原料煤中有一部分有机物,在高温下它的氨基很容易裂解成氮化物,进而生成氨。煤气中氨与炽热的碳发生反应就生成HCN:
NH3 + C === HCN + H2
煤气中HCN的含量大约在0.01-0.1 g/Nm3。 焦炉煤气中HCN的来源也是如此,但相应的说它的含量较高,一般在0.5-1.5 g/Nm3。不同的煤质,不同的气化工艺,煤气中HCN的含量都不一样的,而且差别也很大,总体上看越是高硫煤的煤质,燃烧后煤气中HCN含量就偏高(主要是有机物含量高造成的)。而HCN是酸性气体,碱溶液在吸收硫化氢的同时,必然要吸收HCN,这是不可以避免的 ,从而要消耗一些碱。
2HCN+NaHCO3==NaCN+ CO2+H2O (7)
HCN+Na2CO3==NaCN+NaHCO3 (8)
NaNC+Na2Sx==NaCNS+Na2S(x-1) (9)
Na2CO3+CO2+H2O==2NaHCO3 (10)
NaNC+Na2S2O3 ==NaCNS+Na2SO3 (11)
NaCNS这种物质的溶解度很大,很难结晶析出,脱硫液中由于NaCNS的存在,严重影响了脱硫液的质量,使脱硫效率下降,碱耗增加(从理论上讲,脱硫液中NaCNS的含量每升高1Kg,就要消耗Na2CO3的量为0.65 Kg),而且这种现象近年来在实际生产中表现越来越明显。在焦化行业,大家都比较关注这种物质的存在,这也许因为在焦炉气脱硫中HCN这种物质含量较高的缘故吧。而在化肥行业,很少有企业关注这种物质的存在,在分析中也很少有这方面的分析数据。而恰恰因为这种忽视,使好多企业在脱硫出现碱耗增加时,无法找出事故的原因。
2.2 Na2S2O3副盐的产生
从表面上看副盐Na2S2O3的产生,主要是由于溶液中HS-离子与氧接触而发生的氧化还原反应形成的产物.这是多年以来行业普遍认可的机理,从化学反应方程式上看也是如此。然而我们对此更深层次的探讨发现,这仅仅是表面现象,Na2S2O3副盐产生的机理远远不是我们想象的那样简单,大量的理论研究和生产实践证明了原有理论的偏离性,没有彻底找出该副反应产生的主要原因(虽然温度、碱度、PH值等指标对副盐的形成有一定的影响,但在实际生产中,这些指标都能有效的控制)。因为我们利用原有理论去解决问题时,却发现原有理论指导意义不大,没有我们想象那么有力度,有效果。因此今天我们回过头来,重新探讨、深层次的研究该副反应形成机理。如果说NaCNS这种盐类物质我们在生产中无法控制(必须从煤源以及气化工艺着手解决),那么Na2S2O3这种副盐我们完全可以采取一系列措施来控制它的生成。从化学反应上看,我们不否认HS-在富氧的情况下会转化成硫代硫酸盐,这也是客观存在的。
2NaHS+2O2== Na2S2O3+H2O (5)
然而我们通过实验室分析和工业化生产的实际情况看,这种转化率相当低,也就是说硫代硫酸盐的来源不完全是这里,它连10%都不到。我们做了大量的对比研究发现,假如Na2S2O3主要是从NaHS与O2直接氧化而来的,我们对国内目前比较流行的两种催化剂进行研究,我们在生产实践中通过测定脱硫塔出口富液中HS-含量,我们发现用酞菁钴类催化剂的富液中其HS-含量要远远低于栲胶类,而且有时相差很大。但从副盐生成几率上看,酞菁钴类要高于栲胶类。(这也是我们在长期技术服务中发现的现象。)这种副盐主要来源于那里呢,我们通过学术交流、资料查询以及大量的实验室跟踪分析,再次对栲胶、酞菁钴两类催化剂通过电极电位的测定来进一步研究。我们发现这两者催化剂的氧化电极电位不一样。栲胶类催化剂电极电位较低,酞菁钴类催化剂的电极电位较高,两种催化剂混合使用时,它的电极电位则介于两者之间。