QYD传质内件的完善与提高兼谈变脱塔塔型的选取
0 前言
在湿式氧化法脱硫中，无论是加压还是常压，目前绝大多数都是使用填料塔做为吸收塔。填料塔是一种应用广泛的气液两相接触并进行传质的塔设备,有着结构简单，操作弹性大，运行稳定，便于制造等优点。但是，填料塔应用于湿式氧化法脱硫，却存在着致命的弱点，其中最主要的是容易造成堵塔，致使系统阻力大、动力消耗高、运行费用大。特别是近年来，由于装置的规模大型化，使应用于湿法脱硫的填料塔径越来越大，堵塔的弊病更为突出。当然，也有少数厂子运行的较好，延缓了堵塔的时间。但这个经验却是别的厂家无法学来的。因为每个厂的设备配置不同、工艺条件有异、操作管理也有高有低，所以大多厂子的生产管理人员仍在为堵塔的问题所困扰。因此，如何解决堵塔问题，成为行业内公认的当务之急。
1 背景
我公司做为国内脱硫领域的知名企业，始终站在湿法脱硫技术开发和研究的最前沿；始终以解决客户难题，服务好客户为己任。因此，在几年前的脱硫技术经验交流会上，就提出了湿法脱硫的发展方向就是“无填料化”。几年来，我公司气体净化研究中心和工程技术人员，为了这个目标，做出了许多工作。通过大量的调查研究和多次实验室实验，最终确定了在常压脱硫中用空塔技术来取代单纯的填料塔型，在加压脱硫中，推广QYD高效复合传质内件的研究思路。做为公司一员，近年来，笔者一直在从事着QYD内件的研究、安装、开车、调试、改造等工作。本文，就QYD内件的应用和发展谈几点个人体会。
2 QYD内件的发展历程
任何一台新设备、一项新技术、一种新工艺都有一个不断完善的过程，都是由理论到实践，再用实践来指导和验证理论，从而不断提高的过程。QYD内件也不例外。从2007年第一台QYD内件在山东宁阳飞达科技化工应用取得成功以来，QYD内件在国内几十套加压变换装置中的应用实践同样也是一个不断发展不断进步的过程。这期间，大致可分为以下几个阶段。
2．1 推广普及阶段（2007年10月到2009年10月）
QYD内件自从在宁阳飞达科技化工应用以来，特别是经过2008年徐州、2009年长春这两次东狮脱硫技术协作网第五、第六次技术交流会以后，便以其理想的脱硫效率、显著的节能效果、简便的操作维护、最佳的投入产出迅速在湿法脱硫加压变脱中推广普及。先是在0．8MPa，后在2．1 MPa中都有很好的应用。较有代表性的是河北河间瀛州化工的0．8MPa变脱塔及河南晋开化工的2．1 MPa变脱塔。当然，个别厂家也出现了一些问题。其中比较明显的是两个：一是脱硫效率，二是带液。对此问题，也都分别做了一定的改造。比如，根据吸收塔进口气体中硫化氢含量的高低对塔板的层数进行了增加，由最初的三层最高增加到五层；降液管由最初的一根φ325逐渐增加到后来的两根φ426；降液管末端的改动；液体入塔形式；气体入塔形式等等。经过改造后，确实解决了一些问题。但是，应该看到的是，这些都是被动的，都是为了解决问题的无奈之举。那么，能不能从根本上有所突破呢？在综合分析所有应用厂家的详细使用条件、技术参数、应用效果、问题处理的基础上，我公司于2009年底又推出了改进后的新型QYD变脱塔内件。
2．2 革新改造阶段（2009年11月到2010年8月）
改进后的新型QYD变脱塔内件和原有的内件有着本质的区别。新型内件彻底解决了原有内件的诸多弊病，极大的提高了该内件的运行稳定性。从2010年起，先后在广西河池化工、湖南株洲智成化工等单位使用了改进后的新型QYD内件，都表现了优异的使用效果。在脱硫效率、塔阻力、液位控制等方面都相当稳定和可靠。而且，安装也更为简便和迅速。
2．3 完善提高阶段（2010年9月到2011年3月）
改进后的新型QYD内件虽然取得了理想的效果，单板脱硫效率比原来有很大提高，但是，对于一些进口硫过高的厂家来说，仍然存在着脱硫效率与塔阻力相矛盾的问题。因为，单层塔板的吸收能力毕竟有限，若是变脱进口硫在300mg/m3以下，三层塔板完全可以保证其出口硫在10 mg/m3以下（如湖南株洲智成化工）。但有些厂情况比较特殊，变脱进口硫正常是在500 mg/m3左右（如山东齐鲁一化、湖北仙桃化肥厂等），要脱这么高的硫，三层塔板显然是有困难的。如果要保证出口硫达标，单纯用塔板的话，应该在四至五层。这样一来，塔阻力就会比较高，对整个生产的影响是不利的。虽然这种情况的厂家比较少，不影响新型QYD内件的推广，但是本着对客户负责的态度，我们公司仍然要想办法着手解决这个问题。经过不断分析研究，同时也由于我公司推出的空塔技术在常压脱硫中连续成功，我们就决定把空塔技术借鉴过来，形成空塔喷淋段与QYD内件的复合工艺。即对于正常工况，变脱进口硫在300 mg/m3以下的厂家，仍然只采用改进后的新型QYD内件三层。而对于进口硫超过300 mg/m3的厂家，则形成一段空塔喷淋串三层新型QYD塔板的复合工艺。严格说来，喷淋段的增加与新型QYD内件没有直接关系，但是，复合型工艺的产生，不仅保证了脱硫效率，也保证了系统阻力，应该算是新型QYD内件的补充和完善。湖北仙桃化肥厂的变脱塔设计，正是在此思路下的产物。也可以说，QYD内件发展到现在，才算是真正成熟和可靠。
3 新型QYD内件的特点
那么，新型内件与原有的内件到底有何区别？其先进性、合理性又表现在何处？笔者试从下面几个方面去分析和总结。
3．1 改变气体通道形式，以降低气体流动阻力
气体通道起着均匀分散气体和使气体通过的作用，以保证气液逆流接触。气体通道的形式很多，对塔板的性能影响很大。一般孔径越大，其操作弹性越小，对操作要求越高。原来QYD内件的气体通道是由两个或三个φ426管组成，生产负荷过低时，气速较小，液体从升气通道漏下。漏液严重时，塔板上不能积液，影响塔的正常操作。负荷过大时又会形成阻力。而改进后，气体通道由若干直径φ133的支管组成，由于气体是均匀分布，使每个升气管都有气体通过，而且在进入环形分布管前，又增加了一个U形弯头，有效的避免了漏液。从而对生产负荷的依赖有所降低，使装置更为稳定。
3．2 改变塔盘上气体分布形式，使塔板上溶液流动更为合理
板式塔的设计意图，就是在塔内形成一个对传质过程最有利的理想流动条件，即总体上气液两相为逆流流动，每一块塔板上两相为均匀的错流流动。原来的QYD内件由于每层塔板上气体是树枝分布，那么，在不足一米的反应段中，横放着一根φ426的气体中心管，溶液从中心管的一侧要经过中心管流到另一侧后进入溢流管到下一层。显然，φ426的气体中心管对塔板上溶液的流动是有不利影响的。而新型QYD内件气体是由若干个直径φ133的支管，在整个塔板中呈均匀分布，直接进入环形分布管。由于没有了中心管，塔板上的溶液从一侧流向另一侧时，就更为合理。从而使塔板上的气液两相密切而充分接触，为传质过程提供了足够大而且不断更新的接触表面，降低了传质阻力。
3．3 增加降液通道，解决带液或液泛问题
提供足够大的气、液两相通道，以保证大通量、低压降、合适的弹性，是板式塔设计的三个重要理念之一。做为液体在塔内的唯一通道，降液管应有足够的横截面积，保证液体在降液管内有足够的沉降时间分离其中夹带的气泡。QYD内件的降液管，除了考虑塔径、溶液循环量、板压降、液末夹带、气泡夹带等因素外，还有一个重要的但又常被忽视的影响因素，就是脱硫溶液的起泡因素。而恰恰是这个原因，使降液管通径不够，这是造成原来QYD内件带液或液泛的主要因素之一。所以，在使用原来QYD内件的厂家中，有两个厂工艺参数相差不多，QYD内件的设计也几乎相同，但开起来后，却是一个运行很好，另一个老是出现带液或液泛现象。溶液起泡是由工艺条件或工艺控制引起的，与内件无关。但是，既然存在着这个因素，为防患于未燃，新型QYD内件就尽可能的增加了降液管通道，从湖南株洲智成、广西河池河化、湖北三宁公司的应用实践来看，增加降液管的横截面积对于防止带液及稳定操作起到了相当大的作用。
3．4 改变溶液下液形式，确保降液畅通
溶液在塔板上方的降液形式，一般来说，有弓形与圆形两种。其中弓形降液的通液能力最强，也是普遍采用的降液形式。原先的QYD内件，是把降液管直接伸出塔板，为园形结构。改进后新型内件塔板上方的降液管，改为用一块长条板与部分塔体组成的弓形，溶液经过弓形围堰的缓冲后，减少了气泡夹带及硫泡沫对正常降液的影响，确保了降液的畅通。
3．5 增加小挡板，防止气体进入降液管
降液管下边缘不允许气体通过，否则会因为气体串入降液管而造成降液不畅，致使降液管排液能力不足。此时由于液体仍不断加入，降液管内液位便会上升至上层塔板溢流堰顶，塔板失去了自衡液面的能力，最终使全塔充满液体，引起溢流液泛。原来的QYD内件也注意到了这个问题，所以在靠近降液管的末端采取了一定措施，但不够彻底。新型的QYD内件，类似于降液的溢流挡板，在降液管的末端，用一块长条板与部分塔体也围成一个弓形，不仅彻底避免了气体串入降液管，同时还在降液管的末端形成了一个“安定区”， 起到一个良好的液封作用。
3．6 结构更为简单实用，安装快捷迅速
原来的QYD内件安装比较复杂，不仅塔板要在塔内焊接，而且每层塔板上的气体中心管与支管也是要在塔内焊接。同时，在确定降液管的开口位置时，要考虑塔板支撑梁的位置、人孔的位置、中心管升气管入口的位置等诸多因素，费时费工费力。而新型QYD内件，由于气体的分布管是固定于每块塔板上，只要在塔内焊接塔盘及小升气管即可。同时，因为各段人孔位置大都在同一方位，只要支撑梁垂直于人孔，每块塔板平行于人孔，所有问题都迎刃而解，大大降低了安装难度。
另外，还有一些别的小的改进。比如气、液体入塔方式，反应段高度等等。总之，改进后的新型QYD内件设计更为科学合理，效果更好，也在实践中得到了验证，为今后该内件的推广打下了良好的基础。
4新型QYD内件的应用情况
4．1 湖南智成化工1.8MPa变脱中的应用
(1)设计工艺参数
变换气量： 100000Nm3/h
操作压力： 1.8～2.0MPa
进口气体温度： ≤40℃
脱硫塔进口变换气中H2S含量：150～300mg/m3
要求脱硫塔出口变换气气中H2S含量：≤20mg/m3
变脱塔：Φ3400mm×32000，原为垂直筛板结构。
变脱塔设计压差： ≤30KPa
变脱泵：Q=290m3/h 1台 Q=480m3/h 2台
再生槽：Φ4000／5000×7000×8 两台 每台各有喷射器12支
贫液槽： Φ6000×6000×8 V=150m3
（2）改造情况
在满足工艺条件的基础上，兼顾系统阻力与脱硫效率，采用了三层新型QYD内件与由三层空塔喷淋组成的喷淋段的复合塔型技术。
（3）运行效果
变换气： 70000～90000Nm3/h
操作压力： 1.8～2.0MPa
进口气体温度： ≤40℃
脱硫塔进口变换气中H2S含量：150～300mg/m3
脱硫塔出口变换气气中H2S含量（平均）：10mg/m3
变脱塔压差： 20～30KPa
溶液循环量： 350～370m3/h
4．2 广西河池化工2.1变脱中的应用
（1）设计工艺参数
变换气流量：
1#系统 70000m3/h
2#系统 85000m3/h脱硫塔进口变换气中H2S含量：≤500mg/Nm3
要求脱硫塔出口变换气中H2S含量：≤20mg/Nm3
进塔变换气温度： 35～45℃
脱硫贫液温度： 42～45℃
变脱塔： 1#系统 Φ3000
2#系统 Φ3400
原来均为填料塔型
变脱泵： Q=280 m3/h 3台
（2）改造情况
由于进口硫太高，为保证脱硫效率，同时兼顾系统阻力，采用了四层新型QYD内件与由18支高效雾化喷头组成的雾化喷淋段的复合塔型技术。
（3）运行效果
变换气流量： 1#系统 38000～40000m3/h
2#系统 45000～51000m3/h
（目前生产的最大气量）
脱硫塔进口变换气中H2S含量：380～450mg/Nm3
脱硫塔出口变换气中H2S含量（平均）：≤10mg/Nm3
进塔变换气温度： 35～45℃
溶液循环量： 1#系统 200～250m3/h
2#系统 220～300m3/h
4．3 湖北仙桃恒祥化工0.8MPa变脱中的应用
(1)设计工艺参数
变换气量： 24000Nm3/h
操作压力： 0.8MPa
进口气体温度： ≤40℃
脱硫塔进口变换气中H2S含量： 500mg/m3
要求脱硫塔出口变换气气中H2S含量：≤100mg/m3
变脱塔：Φ2400mm×20700 新设计塔
变脱塔设计压差： ≤30KPa
变脱泵： Q=155m3/h 2台
（2）改造情况
变脱进口硫较高，而因工艺原因，对塔出口硫要求较为宽松，因此，采用一段雾化反应器串三层新型QYD内件，既满足了脱硫效率与系统阻力，又能小液量操作，更有利于节能降耗。
（3）运行效果
变换气： 20000～24000Nm3/h
操作压力： ≤0.8MPa
进口气体温度： ≤40℃
脱硫塔进口变换气中H2S含量：300～510mg/m3
脱硫塔出口变换气气中H2S含量：68mg/m3
变脱塔压差： 20～30KPa
溶液循环量： 155m3/h
4．4 结论
上述几个应用厂家有个共同之处，就是进口硫普遍较高。而由雾化反应段与新型的QYD内件组成的复合工艺，不仅保证了变脱塔在高硫下的脱硫效率，而且保证了整个系统阻力在可控范围内。同时，由于雾化反应段与QYD内件均可单独使用，相应增大了系统的操作弹性。
5 变脱塔塔型的选取
做为化工、石油等工业中广泛使用的重要生产设备，塔设备的基本功能在于提供气、液两相以充分接触的机会，使质、热两种传递过程能够迅速有效地进行；还要能使接触之后的气、液两相及时分开，互不夹带。根据塔内气液接触部件的结构型式，塔设备可分为板式塔与填料塔两大类。
板式塔内沿塔高装有若干层塔板(或称塔盘)，液体靠重力作用由顶部逐板流向塔底，并在各块板面上形成流动的液层；气体则靠压强差推动，由塔底向上依次穿过各塔板上的液层而流向塔顶。气、液两相在塔内进行逐级接触，两相的组成沿塔高呈阶梯式变化。
填料塔内装有各种形式的固体填充物，即填料。液相由塔顶喷淋装置分布于填料层上，靠重力作用沿填料表面流下；气相则在压强差推动下穿过填料的间隙，由塔的一端流向另一端。气、液在填料的润湿表面上进行接触，其组成沿塔高连续地变化。
上世纪70年代以前，在大型塔器中，板式塔占有绝对优势，出现过许多新型塔板。70年代初能源危机的出现，突出了节能问题。随着石油化工的发展，填料塔日益受到人们的重视，此后的20多年间，填料塔技术有了长足的进步，涌现出不少高效填料与新型塔内件，特别是新型高效规整填料的不断开发与应用，大有取代板式塔的趋势。合成氨生产中的变换气脱硫，是上世纪八十年代末九十年代初的产物，正是填料塔风行一时的时期，因此，大多数的变脱塔最初都是选择使用了填料型塔做为吸收塔。这样一来，不仅填料塔本身的缺陷，如填料造价高，一次性投资大；当液体负荷较小时不能有效地润湿填料表面，使传质效率降低等无法避免，而且，由于湿法脱硫的特殊介质使堵塔问题越来越突出，以致于企业越来越无法忍受。于是，一些企业开始改用板式塔。国内也有好多科研单位着手研究板式塔在变换气脱硫中的应用。但是，应用成功者却并不是太多。也正是由于在加压脱硫中采用板式塔风险太大，一些搞板式塔的单位或转而搞填料塔，或避而不谈。我公司在QYD内件的研发过程中，也遇到一些困扰和难题，好在有广大客户的鼓励和支持，我们坚持了下来，而且，最终取得了成功。也正是因为有了这么多厂家的成功应用，才更坚定了我们在湿法脱硫中“无填料化”的决心和信心。如今，我们终于可以很负责任的说，在加压脱硫中，用改进后的新型QYD内件替代填料塔，是经济节能、成熟可靠的。
6 结语
QYD经过几年来的不断改进和发展，目前已经趋于成熟和稳定，将会以其特有的优势成为新增上变脱设施的首选，也会在旧塔改造中越来越多的取代填料塔。把传统的依靠填料作为传质介质的气液反应向无填料的气液直接接触的转化，从而彻底解决填料脱硫塔带来的许多弊端。
但我们也清醒的看到，科技发展和技术进步是永无止境的。虽然目前看在加压湿法脱硫中，以QYD内件为代表的板式塔远比填料塔优越，但是，随着科学技术的快速发展，也许在不久的将来会有更好的技术来替代它，这些都需要同行业共同的努力，从而推动脱硫技术向前发展。