SO2 資源化制焦鈉技術在鋼鐵行業的應用

劉大華，徐延忠，李明波

（1.江蘇德義通環保科技有限公司，南京 211800；2.南京市硫資源化工程技術研究中心，南京 211800；3.南京杰科豐環保技術裝備研究院有限公司，南京 211106）

本文基于山東臨沂臨港某鋼鐵企業新建的二氧化硫（SO2）資源化制焦亞硫酸鈉（NaS2O5）裝置，采用NaS2O5高效低阻反應系統技術，根據富氣條件和產品品質要求，通過系統的工藝計算及優化，完成了該項目的設計與建設。實際運行結果表明，該工程設計合理、設備選型得當、廢氣排放達標，產品品質優于設計要求，可為鋼鐵行業類似的SO2資源化制NaS2O5裝置的設計和應用提供經驗借鑒。

1 設計條件

山東臨沂臨港某鋼鐵企業新建年產600 萬t 優特鋼項目，配套一臺500m2燒結和一套120 萬t/a 球團裝置，總煙氣量約為2 200 000Nm3/h，煙氣中SO2含量為1400—1600mg/Nm3，經過活性焦脫硫脫硝一體化技術的吸附和解吸，得到的含硫富氣成分參數見表1。

本項目每年按8000h 運行設計，煙氣中SO2約為2.7 萬t/a，可以生產Na2S2O5約40 000t/a，要求Na2S2O5產品達到《工業焦亞硫酸鈉》（HG/T 2826—2008）一等品質量（純度不小于95%）。

表1 某鋼鐵企業解吸富氣參數表

2 產品性質及生產原理

Na2S2O5為白色或微黃色結晶粉末，相對密度為1.4，溶于水及甘油，微溶于乙醇。受潮易分解，露置空氣中易氧化成硫酸鈉，加熱到150℃時分解。作為原料或抗氧化劑，該產品廣泛應用于醫藥、造紙、食品、印染和橡膠等工業[1]，同時還被用作貴重金屬的采礦藥劑，市場前景非常廣闊。

生產Na2S2O5的基本原料為SO2氣體及純堿，本項目中SO2氣體為含有雜質的解吸富氣，需經過洗滌凈化后使用。在Na2S2O5的離心母液中加入純堿，反應生產亞硫酸鈉溶液，亞硫酸鈉溶液吸收SO2氣體生產亞硫酸氫鈉溶液，亞硫酸氫鈉溶液飽和后，條件合適時析出Na2S2O5晶體[1,2]。其化學反應原理及過程如下：

（1）純堿漿液通入SO2氣體生成亞硫酸氫鈉：

（2）亞硫酸氫鈉漿液中加入純堿生成亞硫酸鈉：

（3）亞硫酸鈉與SO2氣體反應生成亞硫酸氫鈉：

（4）當溶液中亞硫酸鈉含量達到飽和濃度時，反應條件合適時就析出Na2S2O5結晶：

通過對含有Na2S2O5晶體的漿液進行離心分離、干燥和包裝，得到Na2S2O5固體。

3 工藝流程

本項目工藝流程見下圖，整個工藝流程包括5 個部分：含硫富氣洗滌凈化系統、Na2S2O5反應系統、離心分離干燥包裝系統、配堿系統和尾氣達標處理系統。

3.1 含硫富氣洗滌凈化系統

從表1 可知，解吸富氣來氣溫度為350 ℃—440℃，主要有用成分為SO2氣體，但其含有大量雜質，包括炭粉、HCl、HF 和NH3等，所以解吸富氣需要進行凈化，除去雜質。本項目采用“高效文丘里塔+增強填料塔”兩級凈化方式，將解吸富氣中的雜質去除，得到較為純凈的SO2氣體（N2為惰性氣體）用于后續反應系統。

項目工藝流程圖

3.2 Na2S2O5 反應系統

本項目采用“高效低阻四級反應系統”（反應器被命名為A、B、C 和D），并一直可以保持其中1 個反應器處于熱備狀態以應對運行事故和檢修，SO2氣體與加堿后的漿液多次逆流接觸，SO2氣體的路線為：A →B →C →D，加堿后漿液的路線為：D →C→B →A。該反應器的特點是：吸收效率高達99.5%以上，氣體阻力低至單臺反應器3kPa（傳統的反應釜式阻力單臺為15—20kPa），高效低阻的反應器保證了整個系統的高效平穩運行。通過反應系統合成的Na2S2O5晶體漿液進入離心分離干燥包裝系統。

3.3 離心分離干燥包裝系統

來自Na2S2O5反應系統的含固漿液先進入濃縮結晶器，經過充分的提濃和養晶再進入離心機。離心后的母液進入配堿系統，即再次進入Na2S2O5的生產系統中，離心后的固體Na2S2O5（含水率為6%—8%）進入氣流脈沖干燥機，將Na2S2O5固體干燥至含水率小于1%，通過包裝機包裝成Na2S2O5商品后，入庫存放。

3.4 配堿系統

配堿系統為反應系統提供充足的純堿，以保證SO2的吸收反應充分，經過離心機離心后的母液進入配堿系統，通過再次加堿變成漿液，作為反應系統的補液原料。同時，配堿系統也為尾氣達標系統提供充足的堿液，以保證反應尾氣和干燥尾氣經過尾氣處理系統后能夠達標排放。

3.5 尾氣達標處理系統

反應系統的尾氣和干燥Na2S2O5的尾氣必須經過處理才能滿足達標排放要求，本項目采用“高效文丘里塔+增強填料塔”兩級處理裝置，將尾氣中的SO2充分吸收，經過尾氣處理系統后，尾氣中的SO2濃度小于35mg/Nm3、粉塵濃度小于10mg/Nm3，滿足超低排放要求。

4 工藝設備選型

4.1 工藝設計參數

根據解吸富氣的基本條件，結合產品品質要求及尾氣處理要求，本項目確定的主要工藝設計參數見表2。

表2 主要工藝設計參數

4.2 設備選型

根據工藝參數要求，本項目Na2S2O5裝置的主要設備選型規格見表3。

5 工程應用情況

該項目于2021 年9 月投運以來一直運行穩定，根據煙氣的負荷變化情況，Na2S2O5實際產量為50—90t/d；產品Na2S2O5純度穩定在96%—97.4%；尾氣SO2排放濃度為25.3—30.5mg/Nm3、粉塵排放濃度為6.5—8.5mg/Nm3，該項目運行指標達到并優于設計值。當前Na2S2O5產品的市場價格為2200—3000 元/t，可為用戶帶來可觀的經濟價值。

6 結語

基于山東臨沂臨港某鋼鐵企業新建的SO2資源化制Na2S2O5工程，根據解吸富氣條件和工藝設計參數，完成了優化的工藝流程和主要的設備選型，裝置投運后，產品品質和排放參數等各項指標均達到或優于設計要求，具有突出的環境價值和可觀的經濟價值，該項目的成功應用給鋼鐵企業的SO2資源化利用提供了方向，值得推廣。

表3 主要設備選型規格表