半干法脫硫堿液噴淋預處理工程設計與分析

石培良 SHI Pei-liang

（礦冶科技集團有限公司，北京 100160）

0 引言

有色冶煉行業中，由于其原料中含有硫元素，在生產過程中含硫原料與氧氣接觸在高溫條件下生成SO2，隨著排煙系統排放到大氣當中。煙氣中的SO2如果不經過處理直接排放到大氣當中，會導致酸雨、光化學煙霧等問題，對生態環境帶來嚴重損害，威脅人類健康生活。煙氣脫硫技術[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占地面積少、無廢水產生、自動化程度高、副產物可綜合再利用，因此受到了廣泛關注。

本文以國內某半干法脫硫項目為例，闡述了銅冶煉行業半干法煙氣脫硫技術噴淋預處理工藝流程及相關輔助設施，該項目工藝路線為堿液儲存系統—液體輸送系統—暫存系統—清洗系統—智能流量控制裝置—霧化噴淋裝置，同時配套輔助設施包括加熱盤管、監控儀表、自動化控制系統及相關防護措施。目前本項目已經設計完成，系統正在正常調試階段，根據設計階段的相關任務，對本項目的設計經驗進行了總結，以便于為其他同類型的項目提供參考，交流設計經驗。

1 預處理系統工藝設計

本項目煙氣中的SO2濃度具有高波動的特點，煙氣的處理量為工況條件下20萬m3/h，溫度范圍130℃～170℃，粉塵含量不高于50mg/m3，預處理工藝只在煙氣中高硫來臨且超過半干法系統處理上限時開始運行，煙氣中需預處理的SO2濃度最大限值為8000mg/Nm3，預計處理效果達到95%。預處理工藝系統主要由堿液儲存系統、堿液輸送系統、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。

圖1 半干法脫硫堿液噴淋預處理項目工藝流程圖

煙氣中SO2經預處理系統處理后，無液態水的產生，將SO2濃度降低到半干法系統可處理范圍內，煙氣最終通過煙囪排入大氣中，并滿足《再生銅、鋁、鉛、鋅工業污染物排放標準》（GB 31574-2015）要求。

1.1 堿液儲存系統

堿性溶液溶質的選擇需從溶解度、熔點、價格、處理每噸SO2消耗量等方面進行選擇，圖2中列出了四種常見堿性化合物的溶解度。

圖2 四種常見堿性溶質的溶解度

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為NaOH＞NaHCO3＞Na2CO3＞Ca（OH）2。從溶解度方面考慮，適合選用NaOH作為溶質。

表1中列出NaOH、Ca（OH）2、Na2CO3、NaHCO3四種堿性溶質的脫硫成本，根據表格信息可知，處理每噸SO2所用溶質成本由高到低依次為NaHCO3＞Na2CO3＞NaOH＞Ca（OH）2。

表1 四種常見堿性溶質的脫硫成本

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，有利于后續脫硫系統正常運行。從價格方面和溶解度方面綜合考慮，選用NaOH作為溶質。

選定NaOH作為溶質后，需要考慮堿液濃度的選擇，主要從堿液含水量、煙氣溫降等方面進行考慮，保證煙氣溫降在可控范圍內，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的質量及含水量。

表2 不同濃度NaOH溶液的含水量

從表格中數據可得：隨著NaOH溶液濃度的增大，其含水量越少，水量越少對后續煙氣溫度的降低也越少。接下來要根據煙氣溫降來考慮，NaOH溶液濃度越低，脫硫成本會相對降低。圖3為不同濃度NaOH溶液處理煙氣中SO2后，理論計算的煙氣溫降結果。

圖3 不同濃度NaOH溶液脫硫后煙氣溫降

根據圖3可知，隨著NaOH溶液質量分數的增大，煙氣溫降越低，質量分數為30%和35%的NaOH溶液脫硫后，煙氣溫度降低到100℃以下，不符合設計要求，因此選用質量分數為40%NaOH溶液作為本項目的脫硫劑。

本項目所用堿液為40%NaOH溶液，采購化工廠家直接配比好的溶液，在儲存罐中儲存，設計儲存容量為7天用量72m3，NaOH溶液屬于危險化學品行列，在設計時要嚴格按照SH3046-92《石油化工立式圓筒形鋼制焊接儲罐設計規范》、GB50160-2018《石油化工企業設計防火標準》、GB50016-2014《建筑設計防火規范》等相關標準進行設計，充分考慮儲罐本身的結構和化工行業儲罐圍堰的要求，做好基礎設施的安全防護。

本項目所用儲罐數量為2個，總容積為72m3，單個儲罐的直徑為3.6m，高度為4.9m，錐形頂結構，罐體內部設置有加熱盤管，加熱方式為蒸汽加熱，在錐形頂上設置有進液口和泄壓口，進液口管道上設置有閥門，當堿液運輸車進廠補充堿液時，運輸車上閥門與進液口閥門連接，通過現場配置的輸送泵提供動力進行堿液補充。兩個堿液儲罐分別設有信號傳輸和現場顯示功能的液位計和溫度計。兩個堿液儲存罐之間采用串聯連接，連接管道中間設有閥門，以便于后續檢修工作的開展。

1.2 液體輸送系統

液體輸送系統主要由輸送管道、閥門、壓力儀表、流量儀表，立式多級離心泵、止回閥、管道支撐等部分組成。輸送系統的主要作用是將堿液輸送到現場五樓的暫存罐，保證后續噴淋系統的穩定運行。

本項目的堿液輸送系統輸送量為10m3/h，介質為40%NaOH溶液，介質密度按照1500kg/m3考慮，管道流速按照《給排水設計手冊》和《化工工藝設計手冊》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留連接口保持一致。連接管路如圖4所示。

圖4 堿液輸送系統工藝路線

輸送管道設有一用一備兩個管路，采用并聯連接方式，另在并聯管路處設置清洗管道旁路與企業工業用水管道連接。輸送系統中的動力由立式離心泵提供，離心泵共兩臺，一用一備。每次輸送堿液后需用自來水對管道進行清洗，防止堿液在管道停留時間過長腐蝕管道和水泵葉輪。整套系統在運行過程中需要定期觀察管道有無滴漏現象。

1.3 暫存系統

儲液罐中的堿液經輸送系統傳輸到與噴淋塔同高的堿液暫存罐中，暫存罐的結構與儲存罐類似，其主要作用是將從地面輸送過來的堿液儲存，給工藝流程中的智能流量控制裝置控制系統提供穩定的堿液來源，避免與堿液輸送系統發生沖突。系統中的堿液暫存罐放在圍堰當中，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：動力系統、控制系統、輸送管道、現場顯示儀表。從暫存罐出來的堿液進入該系統，該系統動力由三臺立式多級不銹鋼離心泵提供，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管道連接，清洗管道采用并聯方式與水泵進口三個管道連接。水泵的控制方式采用現場控制和遠程控制相結合的方式，通過調節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，具有就地顯示和遠程傳送功能。通過現場儀表的反饋數據來判斷水泵的運行情況是否合適。

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反應充分反應，堿液中多余的水分隨著反應的進行被煙氣加熱，在脫硫塔內霧化蒸發[4]，以水蒸氣的形式進入系統當中。

2 設計注意事項

2.1 項目前期注意事項

①注重行業調研。首先要充分了解并認識到有色冶煉行業的生產工藝，結合目前現有的煙氣脫硫技術，掌握NaOH物料的相關性質，包括溶解度、腐蝕性、不同濃度的堿溶液的結晶溫度等，這對于項目后續的設計和設備選型具有十分重要的意義。

②設備選型要留有設計余量。在前期的項目設計和設計任務書編寫階段，適當增大輸送水泵的功率，因水泵的輸送曲線是根據介質水來制定的[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 設計階段注意事項

①管道及止回閥的選擇。管道選擇要考慮防腐，轉彎半徑不超過90°，管道與管道之間的連接方式采用法蘭連接。止回閥的壓力強度選擇需要根據堿液的密度和輸送高度選擇，考慮堿液瞬時沖擊強度，目的防止水錘現象出現[6]，保護水泵葉輪。

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構中，根據工程實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系[7]，霧化液滴越小，堿液與煙氣中SO2反應越充分，噴嘴孔徑過小容易產生噴嘴堵塞問題。噴頭的布置方式由噴淋的角度及覆蓋高度決定[8]，噴頭在塔內的噴淋覆蓋率可控制在200%～300%，噴頭位置確定后，可根據計算流體力學（CFD）知識，根據現場實際情況，在Fluent軟件上進行噴淋的流場模擬，進一步優化噴頭布置方案。

3 效果檢驗

現場設備安裝完成后，在煙氣高硫階段調試及運行，煙氣中的SO2濃度分別達到了6000mg/m3和8000mg/m3，高硫期持續時間為4小時，根據煙氣濃度大小，調節水泵流量大小，煙氣出口SO2濃度始終控制在200mg/m3以下，達到了預期的處理效果，且噴淋塔底部基本無液態水的出現，說明堿液中的水分完全被蒸發，以水蒸氣的形式進入到后續半干法脫硫系統。

4 總結

本項目中噴淋預處理裝置驗收運行后，能夠應對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脫硫系統能夠處理的范圍內，保證脫硫系統穩定運行，節省企業脫硫運行成本，改善企業周邊環境。本文結合現有項目設計經驗，給出優化的方案及建議，為后期同類型的項目提供參考。