雙氧水脫硫工藝設計和應用中存在的問題和建議

李 俊，高振龍

（1.中國瑞林工程技術股份有限公司，江西南昌 330031；2.吉林吉恩鎳業股份有限公司冶煉廠，吉林磐石 132300）

雙氧水脫硫工藝具有脫硫效率高、工藝流程簡單、系統運行可靠、維護容易等優點，且產出的稀硫酸有回收利用價值，目前在有色冶煉和制酸行業的應用越來越廣泛[1]。特別是制酸系統的尾氣采用雙氧水脫硫后，產出的稀硫酸可直接返回干吸工序調節酸濃度，既回收了硫資源又沒有額外的污染物產出，屬于比較理想的可資源化脫硫方法之一[2]。筆者對雙氧水脫硫工藝在設計和實際應用中存在的問題進行探討，以期對該工藝的推廣和優化完善起到積極作用。

1 煙氣預處理

在進入雙氧水脫硫塔之前，除了少數比較干凈且溫度不高的煙氣（比如制酸系統的尾氣）不需要進行預處理外，其他來自各種工業爐窯、環境集煙的含SO2煙氣均不同程度地存在溫度偏高、含塵較大且成分復雜等特點，必須對煙氣進行預處理（即對煙氣進行降溫和除塵），以保障雙氧水脫硫系統的脫硫效率和副產品質量。

1.1 煙氣降溫

進入脫硫塔的煙氣溫度不能太高，否則不但影響脫硫效率，而且對脫硫塔材質選擇造成困難。對于含水量較小的煙氣，采用噴淋塔通過水噴淋一般就能達到降溫的效果。但對于含水量較高或者含水幾近飽和的煙氣，則需要對循環液進行冷卻以達到移除熱量的目的。降溫過程通常要和除塵結合在一起整體考慮。

1.2 煙氣除塵

進入脫硫塔的煙氣中塵含量和雜質含量會直接影響產出稀硫酸的品質和利用價值。若稀硫酸要送往干吸工序調節酸濃度，則煙氣進入脫硫塔前必須經過嚴格的煙氣凈化處理。若煙氣塵含量不高，如陽極爐煙氣和環集煙氣等塵質量濃度小于50 mg/m3的煙氣，通過采用噴淋塔除塵降溫可達到預期效果。若是其他塵含量較高的爐窯煙氣，則要設置高效的濕式除塵設備（如文丘里洗滌器、動力波洗滌器等），甚至還要設置濕式電除霧器，這樣一來預處理的投資將大為增加。當然，若對副產稀硫酸的品質要求不高（如送往選冶浸出工序），預處理措施則不需要如此嚴格。因此，針對預處理的投資和產品的去向需要做權衡，采用比較合理的方案。特別是當預處理的投資大而稀硫酸沒有合適的去處時，也可考慮采用其他更為經濟合理的脫硫工藝。

2 雙氧水儲存

雙氧水性質不太穩定，在溫度高于35 ℃后就容易分解為水和氧氣。因此雙氧水儲罐需要設置遮陽棚避免太陽直射。按GB 51284—2018《煙氣脫硫工藝設計標準》要求，雙氧水儲罐必須設置溫度監測、報警和聯鎖裝置。當儲罐內溫度達到35 ℃時，應啟動報警，同時應自動啟動噴淋水降溫裝置。因為平時有遮陽棚防曬，此噴淋降溫裝置僅為應急之用，不會設置噴淋水回收裝置。然而當南方炎熱的夏季到來時，室外溫度往往高達40 ℃以上，即使設置了遮陽棚，儲罐內溫度也難以維持在35 ℃以下，此時應急噴淋水裝置便成了常開裝置。而噴淋水一般是采用溫度較低的新水，若讓這些新水源源不斷地噴下落地成為廢水，顯然是一種浪費。因此在氣溫較高的南方地區，建議在設置噴淋降溫裝置時要考慮同時設置噴淋水回收循環利用的裝置，以降低水耗。

脫硫采用的雙氧水w(H2O2)一般為27.5%，其凝固點約在-25 ℃，因此儲罐一般設置在室外。但在一些極度寒冷地區，冬季室外溫度低于-30 ℃，此時就需要選擇濃度高一些的雙氧水[如w(H2O2)35%或w(H2O2)50%]作為脫硫劑，或者將儲罐設置在室內。當儲罐設置在室內時，因儲罐頂部設有氣體排空口和安全閥，為安全起見，室內應設置氧濃度報警儀，并聯鎖強制通風設施。

無論雙氧水儲罐設置在室外或室內，都應設置圍堰以防止雙氧水罐爆罐或大量泄漏。根據《危險化學品目錄（2015版）實施指南》（安監總廳管三〔2015〕80號文）規定，雙氧水溶液為20%≤w(H2O2)＜60%時，其危險性為氧化性液體，類別2。結合GB 50016—2014《建筑設計防火規范》，w(H2O2)為20%~60%的雙氧水溶液其火災危險性分類為乙類。因此雙氧水儲罐和圍堰的設計應按照GB 50016—2014《建筑設計防火規范》中乙類液體儲罐（區）的防火間距執行。當儲罐和圍堰設置在室內時，還應滿足乙類倉庫的防火間距要求。

3 雙氧水添加

雙氧水的添加主要涉及到添加泵、管道設置和流量控制。

3.1 添加泵選擇和流量控制

最常用的添加泵是離心泵和計量泵。離心泵因其管道設計簡單、操作簡便和價格較低，通常成為首選泵。然而脫硫消耗的雙氧水量往往很小，折合成體積流量有的甚至不到1 m3/h，一般離心泵的規格沒有這么小的，因此需要設置回流管道。常規做法是在泵出口設置自動調節閥（組），與需要控制的參數信號形成調節回路來自動控制流量，多余的雙氧水通過回流管返回。然而在實際操作中由于儀表信號反饋到調節閥動作會有滯后，且流量太小的情況下自動閥精度也不夠，因此自動閥往往無法實現連續穩定的調節，而是變成了時而全開、時而全關的間歇動作。而回流管道上的手動閥門又無法及時調整，結果造成雙氧水添加量不足或者出現憋泵現象，前者影響尾氣達標排放，后者影響泵的使用壽命。鑒于這種情況，建議在回流管道上增設自動閥，遠程手動調節或者與泵出口主管上的自動閥聯鎖，而且可以由連續調節改為間歇操作。當然也可以采用變頻調速的方式來實現流量的調節，但當離心泵流量實在太小時，變頻調速的調節精度同樣不高且會影響泵的揚程，因此不建議采用。

當雙氧水添加量較小時，為實現比較精確的連續添加，建議采用隔膜式計量泵。計量泵屬于容積泵，可將需要控制的參數信號與泵的行程長度形成調節回路來自動調節流量，這樣計量精度高，而且即使在小流量下，仍可以滿足線性調節。若與往復頻率的調節結合在一起，調節精度會更高。這比在泵出口設置調節閥（組）和回流管的調節方式更可靠且節約能耗，也不會出現憋泵的問題。當然，計量泵價格相對要貴一些，而且需要在管道上設置緩沖罐和安全泄放閥（若是液壓隔膜式計量泵會自帶）等附件，管路設置相對復雜一些。

3.2 加入位置選取

雙氧水的添加量會直接影響到尾排SO2濃度。雖然雙氧水通過管道直接加入脫硫塔中是最直接和簡單的方法，但當塔底部存液量較大，少量加入的雙氧水在液相擴散混合，再被循環泵吸入送至塔上部的噴淋裝置，會有滯后的時間，再加上儀表反饋本身也會有滯后，為防止尾排SO2濃度超標，其設定值就需要調得更低，這樣會無形中增加了雙氧水的消耗量。因此，會有設計者考慮將雙氧水直接加入泵的循環管道中以縮短滯后時間。若從泵吸入口加入混合效果會比較好，但鑒于雙氧水溫度稍高就容易分解出氧氣的特性，由泵入口加入會有不安全因素。因此在脫硫塔噴淋裝置的入口管道處加入雙氧水成為比較常見的選擇，但此方式也存在一些問題：①雙氧水添加泵的揚程要增加到略大于循環泵的揚程，才能保證雙氧水能添加進去，這樣泵的電耗會增加；②雙氧水與脫硫循環液的混合可能不夠均勻，從而影響脫硫效率；③雙氧水的添加泵、管道和閥門若采用的是不銹鋼材質，一旦添加泵停運或壓頭下降，循環的脫硫液（主要是稀硫酸）就會倒流入管道，造成管道、閥門甚至是設備的腐蝕。這些問題可以通過設置止回閥或者將管道和閥門的材質都改成鋼襯塑、高密度聚乙烯等非金屬材料予以解決。

實際上，雙氧水的不同加入位置可以說是各有利弊，有待在進一步的實踐中得到完善。

4 主要設備材質選擇

雙氧水脫硫主要設備包括脫硫塔、雙氧水儲槽、稀酸儲槽等。

鑒于介質環境，雙氧水脫硫塔一般采用玻璃鋼材質制作。建議玻璃鋼的耐腐蝕層采用酚醛環氧乙烯基酯類樹脂，由于酚醛環氧乙烯基酯類樹脂是采用高環氧值、多功能的酚醛環氧樹脂與甲基丙烯酸反應而生成，主要用于存在溶劑、氧化性介質和高溫等腐蝕性環境，可耐溫度65 ℃以下、w(H2O2)小于30%雙氧水的腐蝕，同時可耐溫度50 ℃以下、w(H2SO4)小于70%硫酸的腐蝕。因此，對于既要耐雙氧水又要耐硫酸腐蝕的脫硫塔，酚醛環氧乙烯基酯類樹脂玻璃鋼是比較理想的材料[3]。

雙氧水脫硫塔一般采用的是填料塔，填料采用增強聚丙烯材質，上部設置增強聚丙烯材質的折流板除霧器，以除去大顆粒霧滴。

需要引起重視的是，脫硫塔入口氣體管道通常采用的是普通碳鋼，脫硫塔入口煙氣帶有SO3或硫酸霧，如果前端設備吸收效率下降或操作不當，造成脫硫塔入口煙氣中硫酸霧量增大，非常容易造成氣體管道入口處的腐蝕。在這種情況下，建議在雙氧水脫硫塔氣體入口處增設聚四氟乙烯的套管，同時將氣體入口改成帶一定角度的插入管，以防止SO3或硫酸霧對入口管道的腐蝕。

雙氧水儲槽可采用立式儲槽或臥式儲槽，材質可選用纏繞聚丙烯或316L等。根據安全要求，雙氧水儲槽需設置現場及遠程液位計、安全閥、氣體排空管、溫度檢測報警器及噴淋水降溫裝置，因此，在實際應用中選用316L材質更便于這些附著物的安裝和支撐。

5 尾排硫酸霧控制

雙氧水脫硫的產物是稀硫酸，脫硫后的煙氣中不可避免地攜帶有硫酸霧，僅靠在脫硫塔上部設置普通折流板式除霧器是無法滿足硫酸霧濃度控制要求的，需要在脫硫塔后設置除霧裝置。濕式電除霧器是比較理想的除霧設備，可以完全滿足尾排硫酸霧指標的要求。但當脫硫裝置規模較大時，濕式電除霧器的費用也會很高。若要降低投資，也可考慮在脫硫塔上部設置2~3段屋脊式除霧器，并配合水噴淋系統，以期尾排硫酸霧達到指標要求。當尾排硫酸霧指標要求特別嚴格時（比如硫酸霧質量濃度小于或等于10 mg/m3）建議采用濕式電除霧器。

6 應用實例

2019年9月中國瑞林工程技術股份有限公司簽訂的吉林吉恩鎳業股份有限公司冶煉廠硫酸尾氣脫硫EPC總承包項目，處理煙氣量為7×104m3/h，煙 氣ρ(SO2)為1 g/m3、ρ(SO3)為200 mg/m3，合 同要求最終尾排指標為：ρ(SO2)≤100 g/m3，硫酸霧(ρ)≤20 g/m3，顆粒物(ρ)≤10 g/m3。

該項目于2019年10月開始土建施工，2020年4月開始設備及工藝管道、電儀等安裝，2020年7月硫酸尾氣脫硫接入系統投入使用，實際工況是進入脫硫系統的煙氣ρ(SO2)在300~1 500 mg/m3，根據在線監測及實測，脫硫塔出口煙氣ρ(SO2)在0~50 mg/m3（根據添加的雙氧水量多少而定），硫酸霧(ρ)在10 mg/m3以下。產生的稀酸全部進入原硫酸系統干吸工序作為補充水，實現了整個系統的閉路循環。

7 結語

雙氧水法脫硫既回收了硫資源又沒有額外的污染物產出，是比較理想的脫硫方法之一。筆者結合雙氧水脫硫工藝設計及生產操作中的經驗總結提出的優化改進建議，值得在硫酸行業推廣應用。