噴淋塔除酸效果的影響因素分析及優化措施

肖 宇，蘇 威，徐小龍，李四清，伍京川，謝 建

(1.中冶賽迪工程技術股份有限公司，重慶 401120； 2.寶鋼湛江鋼鐵有限公司，廣東 湛江 524003；3.中冶賽迪技術研究中心有限公司，重慶 401120)

近20年來，全干法布袋除塵技術憑借其節能、節水、污染少、除塵效率高、綜合社會效益高等諸多優點，成為國內高爐煤氣凈化工藝的首選[1]。

但是干法除塵系統很難處理高爐煤氣中的酸性氣體(HCl、SO2、SO3、H2S等)[2-4]，從而導致高爐煤氣中酸性氣體含量升高，給高爐煤氣管道系統、TRT和熱風爐的正常運行帶來危害。隨著此類問題日趨嚴重，部分鋼鐵企業采取建設煤氣噴淋塔的方式用于除酸，但現有的噴淋塔除酸工藝未能使酸性煤氣得到有效中和，行業內煤氣管道及附屬設備快速腐蝕失效問題日益突出[5]。

某公司2座高爐的煤氣除塵工藝也采用干法除塵配套噴淋塔，1號高爐2015年投運和2號高爐2016年投運以來，也先后出現高爐煤氣冷凝水呈強酸性(煤氣管網中所測pH值低至1.7)的問題，導致高爐煤氣管道的運行存在非常大的安全隱患。為此，通過對噴淋塔進行現場調研，分析影響除酸的各個因素，提出對應的解決措施，最終提高噴淋塔除酸效率，使煤氣管網冷凝水pH值長時間保持在5.0以上。

1 噴淋除酸過程分析

高爐煤氣中的H2S、HCl、SO2等酸性氣體，特別是HCl對于煤氣管道腐蝕有著積極促進作用[6-10]。噴淋塔目前大多采用堿液噴淋，使煤氣中的酸性介質溶于水中，隨洗滌水排出。20世紀20年代惠特曼和劉易斯提出的雙膜理論，可較好地解釋液體吸收劑對氣體吸收質的吸收過程，如圖1所示[11]。

圖1 雙膜理論示意圖

該理論將氣體吸收過程分為3個過程：①溶質A由氣相主體擴散至兩相界面氣相側(氣相內傳質)；②溶質A在界面上溶解(通過界面的傳質)；③溶質A由相界面液相側擴散至液相主體(液相內傳質)。

在噴淋除酸過程中，具體對應為氣態酸與堿液接觸、氣態酸向堿液的擴散傳質和酸堿中和反應三個過程。

目前噴淋塔普遍采用NaOH強堿溶液，因此堿液與各種酸的中和反應都可認為瞬間完成。所以噴淋除酸效率的控制步驟是氣態酸與堿液接觸以及氣態酸向堿液的擴散傳質兩過程。由此可知影響噴淋除酸效率的因素主要有：

1)氣液接觸面積

氣液接觸面積越大，傳質效果越好。工程上一般采用堿液霧化的方式，增大液體與煤氣的接觸面積，達到增強傳質的效果，促使煤氣中更多酸性氣體被堿液帶走。噴嘴的霧化效果越好，噴淋除酸效率越高。

2)煤氣停留時間

煤氣在噴淋塔停留越久，越有利于煤氣中酸性氣體與堿液接觸反應，但在實際工程中，需要綜合考慮阻損和占地需求。

3)堿液濃度

堿液濃度越高，越有利于酸性氣體克服雙膜阻力從氣相進入液相主體,完成氣態酸向堿液的擴散傳質過程，從而與堿液反應。但由于工業上用水含有大量Ca2+、Mg2+等離子，若加入的堿液濃度過高則在運行過程中經常出現管路、噴嘴堵塞現象，造成噴淋塔無法正常運行，影響除酸效率，故在實際工程項目中，為保證供水管道不堵塞，堿液濃度一般不高于0.05%。

2 優化措施

根據上述主要影響因素，對2#高爐噴淋塔提出相應優化方案，以期提升噴淋塔除酸效率。

2.1 新增噴淋層

2#高爐噴淋塔原有3層噴淋層，在第一層噴淋下方新增一層噴淋，同時關閉第三層噴淋，如圖2所示，這樣能夠使煤氣提前與噴淋堿液接觸，延長氣液反應時間，使煤氣中更多的酸性氣體溶于堿液，從而被吸收。

2.2 更換噴槍

第二層噴淋層原有18支單介質噴槍，現將其中12支噴槍更換為6支雙介質長槍和6支雙介質短槍，并加入水蒸氣介質，充分增強堿液的霧化效果，增大氣液接觸面積，同時水蒸氣的加入，能夠增強酸性氣體分子的布朗運動，使更多分子越過雙膜進入到堿液中，同時水蒸氣也會進入煤氣中，在冷凝過程中帶出部分酸性氣體。

圖2 2#高爐噴淋塔新增層噴淋示意圖

2.3 堿液管道防堵

圖3 過濾網攔截的不溶物

表1 不溶物成分分析結果

3 試 驗

為了驗證各優化措施對噴淋除酸效果的影響，特設計以下試驗方案，如表2所示，以期得到各優化措施對于噴淋塔實際運行時的除酸效果。

整個試驗時間從2021年1月22日起至2021年3月1日結束，合計試驗39天。期間高爐煤氣處理量約700 000 m3/h(標準)，通過檢測煤氣管網冷凝水的pH值作為評價指標，如圖4所示，同時整理了2020年1月1日至2020年11月26日以來2#煤氣冷凝水pH值變化情況作為參照，如圖5所示。

從試驗結果可知，新增噴淋層的加入，使煤氣與堿液的接觸時間延長，同時關閉第二層噴淋層，避免其噴出的液滴影響第一層噴淋層的霧化效果，從而使更多酸性氣體溶于堿液中，如圖4中“一”所示。但只投用新增層噴淋，由于噴淋水量降低41%，導致氣液傳質效率降低，造成pH值低于5.5，如圖4中“二”所示。同時雙介質噴槍相比較單介質噴槍的霧化效果更好，但在實際運行過程中容易被堵塞，導致煤氣冷凝水pH值先升高后降低，如圖4中“三”所示。蒸汽的加入也會提高氣液傳質效率，但是在試驗開始階段出現泄漏臨時停止，后續得到恢復，導致pH值先降低后升高，如圖4中“四”所示。

表2 試驗方案

圖4 2#高爐煤氣冷凝水pH值從2020年11月26日至2021年3月1日以來的變化示意圖

與此同時，試驗過程中保證斜板正常運行，即斜板沉降池中pH值保持在8.5左右，避免供水管道結垢，同時也定期檢查噴嘴和供水管道是否堵塞。

圖5 2#高爐煤氣冷凝水pH值從2020年1月1日至2020年11月26日以來的變化示意圖

總的說來，在2#噴淋塔上新增噴淋層以及更換噴槍、加入蒸汽，有效地提高了噴淋除酸效率，煤氣管網冷凝水pH平均值也從3.7上升至5.5，管網腐蝕也得到有效緩解。

4 總 結

本文通過分析噴淋塔除酸效果影響因素，得到氣液接觸面積、煤氣停留時間和堿液濃度3個主要影響因素，通過對現有2#高爐噴淋塔進行優化，通過新增噴淋層、雙介質噴槍和過濾網，達到增加氣液接觸面積、延長接觸時間、抑制噴嘴堵塞的效果，得以提高除酸效率，煤氣管網冷凝水pH平均值也從3.7上升至5.5，有效地解決高爐煤氣凈化采用干式布袋除塵技術所帶來的管道及設備腐蝕問題，有望推廣應用在其他飽受煤氣腐蝕的鋼鐵企業。