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摘要：以國(guó)內(nèi)某煙氣脫硫工程為例，闡述了半干法脫硫堿液噴淋預(yù)處理系統(tǒng)的工藝路線，分析了設(shè)計(jì)過(guò)程中存在的難點(diǎn)。結(jié)果表明本項(xiàng)目在順利運(yùn)行后，達(dá)到了預(yù)期的脫硫效果，系統(tǒng)中無(wú)液態(tài)水的產(chǎn)生，保證后續(xù)半干法脫硫系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。

關(guān)鍵詞：煙氣脫硫；半干法；堿液噴淋；預(yù)處理

0引言

有色冶煉行業(yè)中，由于其原料中含有硫元素，在生產(chǎn)過(guò)程中含硫原料與氧氣接觸在高溫條件下生成SO2，隨著排煙系統(tǒng)排放到大氣當(dāng)中。煙氣中的SO2如果不經(jīng)過(guò)處理直接排放到大氣當(dāng)中，會(huì)導(dǎo)致酸雨、光化學(xué)煙霧等問(wèn)題，對(duì)生態(tài)環(huán)境帶來(lái)嚴(yán)重?fù)p害，威脅人類健康生活。煙氣脫硫技術(shù)[1]主要分為濕法脫硫、半干法脫硫、干法脫硫三種，其中半干法脫硫技術(shù)占地面積少、無(wú)廢水產(chǎn)生、自動(dòng)化程度高、副產(chǎn)物可綜合再利用，因此受到了廣泛關(guān)注。本文以國(guó)內(nèi)某半干法脫硫項(xiàng)目為例，闡述了銅冶煉行業(yè)半干法煙氣脫硫技術(shù)噴淋預(yù)處理工藝流程及相關(guān)輔助設(shè)施，該項(xiàng)目工藝路線為堿液儲(chǔ)存系統(tǒng)—液體輸送系統(tǒng)—暫存系統(tǒng)—清洗系統(tǒng)—智能流量控制裝置—霧化噴淋裝置，同時(shí)配套輔助設(shè)施包括加熱盤管、監(jiān)控儀表、自動(dòng)化控制系統(tǒng)及相關(guān)防護(hù)措施。目前本項(xiàng)目已經(jīng)設(shè)計(jì)完成，系統(tǒng)正在正常調(diào)試階段，根據(jù)設(shè)計(jì)階段的相關(guān)任務(wù)，對(duì)本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié)，以便于為其他同類型的項(xiàng)目提供參考，交流設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

1預(yù)處理系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目煙氣中的SO2濃度具有高波動(dòng)的特點(diǎn)，煙氣的處理量為工況條件下20萬(wàn)m3/h，溫度范圍130℃~170℃，粉塵含量不高于50mg/m3，預(yù)處理工藝只在煙氣中高硫來(lái)臨且超過(guò)半干法系統(tǒng)處理上限時(shí)開始運(yùn)行，煙氣中需預(yù)處理的SO2濃度最大限值為8000mg/Nm3，預(yù)計(jì)處理效果達(dá)到95%。預(yù)處理工藝系統(tǒng)主要由堿液儲(chǔ)存系統(tǒng)、堿液輸送系統(tǒng)、智能流量控制裝置、霧化噴淋裝置組成。工藝流程圖如圖1所示。煙氣中SO2經(jīng)預(yù)處理系統(tǒng)處理后，無(wú)液態(tài)水的產(chǎn)生，將SO2濃度降低到半干法系統(tǒng)可處理范圍內(nèi)，煙氣最終通過(guò)煙囪排入大氣中，并滿足《再生銅、鋁、鉛、鋅工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB31574-2015）要求。

1.1堿液儲(chǔ)存系統(tǒng)

堿性溶液溶質(zhì)的選擇需從溶解度、熔點(diǎn)、價(jià)格、處理每噸SO2消耗量等方面進(jìn)行選擇，圖2中列出了四種常見堿性化合物的溶解度。從圖中看出在20℃情況下，NaOH的在水中的溶解度最大，溶解度按照從大到小排序?yàn)镹aOH＞NaHCO3＞Na2CO3＞Ca（OH）2。從溶解度方面考慮，適合選用NaOH作為溶質(zhì)。表1中列出NaOH、Ca（OH）2、Na2CO3、NaHCO3四種堿性溶質(zhì)的脫硫成本，根據(jù)表格信息可知，處理每噸SO2所用溶質(zhì)成本由高到低依次為NaHCO3＞Na2CO3＞NaOH＞Ca（OH）2。綜上所述，得出NaOH在四種堿性化合物中溶解度最大，在處理SO2量相同的情況下，溶解度越大，用水量就越少，煙氣溫度降低越少，有利于后續(xù)脫硫系統(tǒng)正常運(yùn)行。從價(jià)格方面和溶解度方面綜合考慮，選用NaOH作為溶質(zhì)。選定NaOH作為溶質(zhì)后，需要考慮堿液濃度的選擇，主要從堿液含水量、煙氣溫降等方面進(jìn)行考慮，保證煙氣溫降在可控范圍內(nèi)，煙氣溫度控制在100℃以上，堿液中的水最終以水蒸氣的形式混合在煙氣當(dāng)中。表2是在煙氣量工況250000m3/h，處理8000mg/m3所用不同濃度NaOH的質(zhì)量及含水量。從表格中數(shù)據(jù)可得：隨著NaOH溶液濃度的增大，其含水量越少，水量越少對(duì)后續(xù)煙氣溫度的降低也越少。接下來(lái)要根據(jù)煙氣溫降來(lái)考慮，NaOH溶液濃度越低，脫硫成本會(huì)相對(duì)降低。圖3為不同濃度NaOH溶液處理煙氣中SO2后，理論計(jì)算的煙氣溫降結(jié)果。根據(jù)圖3可知，隨著NaOH溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，煙氣溫降越低，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%和35%的NaOH溶液脫硫后，煙氣溫度降低到100℃以下，不符合設(shè)計(jì)要求，因此選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%NaOH溶液作為本項(xiàng)目的脫硫劑。本項(xiàng)目所用堿液為40%NaOH溶液，采購(gòu)化工廠家直接配比好的溶液，在儲(chǔ)存罐中儲(chǔ)存，設(shè)計(jì)儲(chǔ)存容量為7天用量72m3，NaOH溶液屬于危險(xiǎn)化學(xué)品行列，在設(shè)計(jì)時(shí)要嚴(yán)格按照SH3046-92《石油化工立式圓筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB50160-2018《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》、GB50016-2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，充分考慮儲(chǔ)罐本身的結(jié)構(gòu)和化工行業(yè)儲(chǔ)罐圍堰的要求，做好基礎(chǔ)設(shè)施的安全防護(hù)。本項(xiàng)目所用儲(chǔ)罐數(shù)量為2個(gè)，總?cè)莘e為72m3，單個(gè)儲(chǔ)罐的直徑為3.6m，高度為4.9m，錐形頂結(jié)構(gòu)，罐體內(nèi)部設(shè)置有加熱盤管，加熱方式為蒸汽加熱，在錐形頂上設(shè)置有進(jìn)液口和泄壓口，進(jìn)液口管道上設(shè)置有閥門，當(dāng)堿液運(yùn)輸車進(jìn)廠補(bǔ)充堿液時(shí)，運(yùn)輸車上閥門與進(jìn)液口閥門連接，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)配置的輸送泵提供動(dòng)力進(jìn)行堿液補(bǔ)充。兩個(gè)堿液儲(chǔ)罐分別設(shè)有信號(hào)傳輸和現(xiàn)場(chǎng)顯示功能的液位計(jì)和溫度計(jì)。兩個(gè)堿液儲(chǔ)存罐之間采用串聯(lián)連接，連接管道中間設(shè)有閥門，以便于后續(xù)檢修工作的開展。

1.2液體輸送系統(tǒng)

液體輸送系統(tǒng)主要由輸送管道、閥門、壓力儀表、流量?jī)x表，立式多級(jí)離心泵、止回閥、管道支撐等部分組成。輸送系統(tǒng)的主要作用是將堿液輸送到現(xiàn)場(chǎng)五樓的暫存罐，保證后續(xù)噴淋系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。本項(xiàng)目的堿液輸送系統(tǒng)輸送量為10m3/h，介質(zhì)為40%NaOH溶液，介質(zhì)密度按照1500kg/m3考慮，管道流速按照《給排水設(shè)計(jì)手冊(cè)》和《化工工藝設(shè)計(jì)手冊(cè)》選取1.5m/s[2]，輸送管道出口壓力選取0.1MPa，與泵體連接管道與罐體預(yù)留連接口保持一致。連接管路如圖4所示。輸送管道設(shè)有一用一備兩個(gè)管路，采用并聯(lián)連接方式，另在并聯(lián)管路處設(shè)置清洗管道旁路與企業(yè)工業(yè)用水管道連接。輸送系統(tǒng)中的動(dòng)力由立式離心泵提供，離心泵共兩臺(tái)，一用一備。每次輸送堿液后需用自來(lái)水對(duì)管道進(jìn)行清洗，防止堿液在管道停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)腐蝕管道和水泵葉輪。整套系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中需要定期觀察管道有無(wú)滴漏現(xiàn)象。

1.3暫存系統(tǒng)

儲(chǔ)液罐中的堿液經(jīng)輸送系統(tǒng)傳輸?shù)脚c噴淋塔同高的堿液暫存罐中，暫存罐的結(jié)構(gòu)與儲(chǔ)存罐類似，其主要作用是將從地面輸送過(guò)來(lái)的堿液儲(chǔ)存，給工藝流程中的智能流量控制裝置控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定的堿液來(lái)源，避免與堿液輸送系統(tǒng)發(fā)生沖突。系統(tǒng)中的堿液暫存罐放在圍堰當(dāng)中，圍堰做防腐防滲處理[3]。

1.4智能流量控制裝置

智能流量控制裝置包含：動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、輸送管道、現(xiàn)場(chǎng)顯示儀表。從暫存罐出來(lái)的堿液進(jìn)入該系統(tǒng)，該系統(tǒng)動(dòng)力由三臺(tái)立式多級(jí)不銹鋼離心泵提供，兩大一小，大功率的離心泵為3kW、流量4m3/h，小功率的離心泵為2.2kW、流量為2.2m3/h，水泵出口分別與暫存罐外接的三個(gè)管道連接，清洗管道采用并聯(lián)方式與水泵進(jìn)口三個(gè)管道連接。水泵的控制方式采用現(xiàn)場(chǎng)控制和遠(yuǎn)程控制相結(jié)合的方式，通過(guò)調(diào)節(jié)變頻器的方式控制水泵的流量大小。儀表分為管道壓力表和流量表，具有就地顯示和遠(yuǎn)程傳送功能。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)儀表的反饋數(shù)據(jù)來(lái)判斷水泵的運(yùn)行情況是否合適。

1.5霧化噴淋裝置

霧化噴淋裝置主要由噴射管道、閥門、蛇皮軟管、霧化噴頭等組成。其主要作用是將堿液霧化，堿液以小液滴的形式與煙氣中的SO2接觸，增大了接觸面積，NaOH與煙氣中的SO2反應(yīng)充分反應(yīng)，堿液中多余的水分隨著反應(yīng)的進(jìn)行被煙氣加熱，在脫硫塔內(nèi)霧化蒸發(fā)[4]，以水蒸氣的形式進(jìn)入系統(tǒng)當(dāng)中。

2設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

2.1項(xiàng)目前期注意事項(xiàng)

①注重行業(yè)調(diào)研。首先要充分了解并認(rèn)識(shí)到有色冶煉行業(yè)的生產(chǎn)工藝，結(jié)合目前現(xiàn)有的煙氣脫硫技術(shù)，掌握NaOH物料的相關(guān)性質(zhì)，包括溶解度、腐蝕性、不同濃度的堿溶液的結(jié)晶溫度等，這對(duì)于項(xiàng)目后續(xù)的設(shè)計(jì)和設(shè)備選型具有十分重要的意義。②設(shè)備選型要留有設(shè)計(jì)余量。在前期的項(xiàng)目設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)任務(wù)書編寫階段，適當(dāng)增大輸送水泵的功率，因水泵的輸送曲線是根據(jù)介質(zhì)水來(lái)制定的[5]，本次水泵輸送的堿液密度大，所以要將輸送水泵的功率增大，防止水泵輸送能力不足，造成堿液噴淋霧化效果變差。

2.2設(shè)計(jì)階段注意事項(xiàng)

①管道及止回閥的選擇。管道選擇要考慮防腐，轉(zhuǎn)彎半徑不超過(guò)90°，管道與管道之間的連接方式采用法蘭連接。止回閥的壓力強(qiáng)度選擇需要根據(jù)堿液的密度和輸送高度選擇，考慮堿液瞬時(shí)沖擊強(qiáng)度，目的防止水錘現(xiàn)象出現(xiàn)[6]，保護(hù)水泵葉輪。②霧化噴頭的選擇與布置方式。霧化噴頭一般布置在塔形結(jié)構(gòu)中，根據(jù)工程實(shí)際情況確定噴嘴材料與類型，霧化噴頭的選擇與霧化液滴大小有密切的關(guān)系[7]，霧化液滴越小，堿液與煙氣中SO2反應(yīng)越充分，噴嘴孔徑過(guò)小容易產(chǎn)生噴嘴堵塞問(wèn)題。噴頭的布置方式由噴淋的角度及覆蓋高度決定[8]，噴頭在塔內(nèi)的噴淋覆蓋率可控制在200%~300%，噴頭位置確定后，可根據(jù)計(jì)算流體力學(xué)（CFD）知識(shí)，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，在Fluent軟件上進(jìn)行噴淋的流場(chǎng)模擬，進(jìn)一步優(yōu)化噴頭布置方案。

3效果檢驗(yàn)

現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備安裝完成后，在煙氣高硫階段調(diào)試及運(yùn)行，煙氣中的SO2濃度分別達(dá)到了6000mg/m3和8000mg/m3，高硫期持續(xù)時(shí)間為4小時(shí)，根據(jù)煙氣濃度大小，調(diào)節(jié)水泵流量大小，煙氣出口SO2濃度始終控制在200mg/m3以下，達(dá)到了預(yù)期的處理效果，且噴淋塔底部基本無(wú)液態(tài)水的出現(xiàn)，說(shuō)明堿液中的水分完全被蒸發(fā)，以水蒸氣的形式進(jìn)入到后續(xù)半干法脫硫系統(tǒng)。

4總結(jié)

本項(xiàng)目中噴淋預(yù)處理裝置驗(yàn)收運(yùn)行后，能夠應(yīng)對(duì)銅冶煉煙氣中極端高硫的情況，將煙氣后的二氧化硫峰值降低到后續(xù)脫硫系統(tǒng)能夠處理的范圍內(nèi)，保證脫硫系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，節(jié)省企業(yè)脫硫運(yùn)行成本，改善企業(yè)周邊環(huán)境。本文結(jié)合現(xiàn)有項(xiàng)目設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，給出優(yōu)化的方案及建議，為后期同類型的項(xiàng)目提供參考。

作者：石培良 單位：礦冶科技集團(tuán)有限公司