何文成，張代飛

（1.國(guó)家稀土功能材料創(chuàng)新中心，江西贛州341100;2.江西華贛瑞林稀貴金屬科技有限公司，江西豐城 331100）

江西華贛瑞林稀貴金屬科技有限公司（以下簡(jiǎn)稱“稀貴公司”）是一家以電鍍污泥、電子廢料、工業(yè)廢渣、低品位雜銅等為主要原料，生產(chǎn)富含稀貴金屬的粗銅的再生資源綜合利用高新技術(shù)企業(yè)?？紤]到銅原料來(lái)源復(fù)雜、物料含硫不穩(wěn)定，稀貴公司二期工程項(xiàng)目的尾氣吸收處理采用了具有高脫硫效率，且能適應(yīng)二氧化硫濃度大范圍波動(dòng)的鈉堿法工藝。目前，該系統(tǒng)已于在2020年5月完成安裝調(diào)試并投入使用。鈉堿法用液堿作為吸收介質(zhì)，技術(shù)成熟，脫硫效率高，但隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，存在生產(chǎn)線上正壓部分阻力加大、管道系統(tǒng)結(jié)晶、工藝控制參數(shù)波動(dòng)等問(wèn)題，影響了生產(chǎn)裝置的正常穩(wěn)定運(yùn)行[1-2]。

1 鈉堿法脫硫工藝

1.1 主要反應(yīng)機(jī)理

用鈉堿法脫除工業(yè)尾氣中SO2的基本原理為[3]：將NaOH溶液加入脫硫塔中，使其與含SO2的尾氣接觸，利用酸堿中和反應(yīng)，將SO2轉(zhuǎn)化為亞硫酸鹽，少部分亞硫酸鈉被氧化成硫酸鈉。其化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

在脫硫過(guò)程中，起到吸收SO2作用的物質(zhì)主要為Na2SO3。然而隨著脫硫反應(yīng)的進(jìn)行，脫硫循環(huán)液中NaHSO3的濃度增加，脫硫循環(huán)液吸收SO2的能力減弱，需向脫硫塔內(nèi)補(bǔ)充液堿NaOH使NaHSO3再生得到Na2SO3[4]。

1.2 尾氣條件及脫硫系統(tǒng)工藝流程

該廠工業(yè)尾氣參數(shù)如表1所示。

表1 尾氣參數(shù)

脫硫系統(tǒng)工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 脫硫系統(tǒng)工藝流程

首先，通過(guò)液堿輸送泵將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的NaOH吸收液打至脫硫塔，根據(jù)脫硫循環(huán)液的pH值控制液堿量。脫離設(shè)備采用動(dòng)力波洗滌器，兩級(jí)洗滌脫硫，故分別在動(dòng)力波豎管及氣液分離器上設(shè)置噴淋裝置。來(lái)自收塵的煙氣首先從上方進(jìn)入脫硫塔豎管，脫硫塔豎管內(nèi)3個(gè)動(dòng)力波噴嘴向上噴射N(xiāo)aOH漿液。煙氣在脫硫塔豎管中從頂部自上而下地與自下而上的NaOH吸收液進(jìn)行氣液接觸，碰撞形成穩(wěn)定的泡沫反應(yīng)區(qū)，煙氣中的SO2與NaOH溶液反應(yīng)生成亞硫酸鹽，同時(shí)少部分亞硫酸鈉被氧化成硫酸鈉，煙氣溫度降至85℃以下。為了保護(hù)玻璃鋼材質(zhì)的脫硫塔豎管不受高溫?zé)龘p，豎管上部設(shè)置了溢流堰，使豎管表面形成一層保護(hù)液膜。飽和冷卻的濕煙氣在氣液分離器中通過(guò)頂部的噴淋洗滌裝置進(jìn)一步脫硫凈化。此時(shí)煙氣中約有93%以上的SO2和96%以上的HCl及98%以上的HBr被吸收，凈化達(dá)標(biāo)后的煙氣經(jīng)捕沫器去除液沫后匯入煙囪排放。

2 主要設(shè)備及運(yùn)行指標(biāo)

2.1 主要設(shè)備參數(shù)

本套脫硫系統(tǒng)包括玻璃鋼質(zhì)脫硫塔本體、脫硫循環(huán)泵、噴淋泵、脫硫后液排出泵、地坑泵等設(shè)備。設(shè)備規(guī)格型號(hào)及參數(shù)詳見(jiàn)表1。

表1 脫硫系統(tǒng)主要設(shè)備的規(guī)格參數(shù)

2.2 生產(chǎn)運(yùn)行情況及相關(guān)控制參數(shù)

自2021年5月NRTC爐3次試生產(chǎn)調(diào)試整改后，該脫硫系統(tǒng)已具備處理多種含銅廢料尾氣的能力。經(jīng)過(guò)3個(gè)多月的連續(xù)生產(chǎn)，裝置運(yùn)行平穩(wěn)，工藝及技術(shù)成熟可靠，各項(xiàng)工藝指標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。該系統(tǒng)生產(chǎn)運(yùn)行相關(guān)控制參數(shù)如下。

1）該系統(tǒng)設(shè)計(jì)煙氣處理量為28 407 m3/h。且該系統(tǒng)煙氣處理量達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)荷的120%時(shí)，亦能滿足生產(chǎn)需求。

2）該系統(tǒng)設(shè)計(jì)處理煙氣SO2質(zhì)量濃度為2 000 mg/m3。實(shí)際運(yùn)行時(shí)，該系統(tǒng)最高能處理尾氣中SO2質(zhì)量濃度達(dá)6 000 mg/m3的煙氣，且能滿足生產(chǎn)需要及當(dāng)前的環(huán)保要求。但考慮到入口煙氣的SO2濃度遠(yuǎn)超設(shè)計(jì)值，生產(chǎn)時(shí)需大量補(bǔ)充液堿維持循環(huán)液pH值。另外，吸收煙氣中的SO2后，循環(huán)液溫度會(huì)升高。高溫不僅會(huì)影響脫硫塔本體的使用壽命，而且會(huì)影響SO2的脫除效率。目前，生產(chǎn)廠家通常采用加大脫硫后液置換頻率的方式來(lái)對(duì)脫硫后液進(jìn)行降溫。但此手段對(duì)于高濃度SO2煙氣而言，不僅浪費(fèi)液堿，而且會(huì)增大三效蒸發(fā)工序的負(fù)擔(dān)。

3）脫硫塔循環(huán)吸收液pH設(shè)計(jì)值為5.5～7.0，但在實(shí)際生產(chǎn)中原料硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%～7%，遠(yuǎn)高于初設(shè)的0.5%～1.0%。在生產(chǎn)實(shí)踐中，通過(guò)適當(dāng)?shù)貙H值提高在6.8～7.2之間，可將SO2質(zhì)量濃度降低至60 mg/m3，遠(yuǎn)小于環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的200 mg/m3。

4）系統(tǒng)在滿足正常生產(chǎn)條件下最低進(jìn)出口壓差僅0.5 kPa，大大降低了排煙風(fēng)機(jī)頻率。相比第一、第二階段試生產(chǎn)情況，本次試生產(chǎn)2臺(tái)脫硫風(fēng)機(jī)的頻率由32 Hz降低至24 Hz，既滿足了生產(chǎn)需要，也達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

5）系統(tǒng)采用溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的NaOH溶液作為SO2吸收劑，每日消耗液堿約11 t。

6）其他控制參數(shù)包括，動(dòng)力波噴嘴壓力為115～125 kPa，溢流堰壓力為43～55 kPa，塔內(nèi)液位為3.5～3.8 m，噴淋洗滌噴嘴入口壓力為110～120 kPa，循環(huán)液密度為150～200 kg/m3，煙氣出口溫度為70～75℃，脫硫風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)頻率為24～26 Hz。

3 鈉堿法脫硫效率的影響因素

第3次試生產(chǎn)以來(lái)，由于入爐原料含硫量相差較大，為了合理利用液堿，在最大程度上提高液堿的利用率，確保脫硫效率，以下分別從脫硫循環(huán)液pH值和脫硫循環(huán)液密度兩個(gè)方面對(duì)脫硫效率進(jìn)行研究。

3.1 脫硫循環(huán)液pH值對(duì)脫硫效率的影響

生產(chǎn)中選取的脫硫循環(huán)液密度為180 kg/m3。通過(guò)控制液堿的加入量，改變脫硫循環(huán)液的pH值[5]，并記錄不同液堿加入量對(duì)應(yīng)的pH值和DCS畫(huà)面上對(duì)應(yīng)的脫硫塔進(jìn)出口SO2濃度，以此計(jì)算脫硫效率。選取多組生產(chǎn)數(shù)據(jù)整理后得到脫硫效率與pH值的關(guān)系見(jiàn)圖2。

圖2 脫硫循環(huán)液pH值與脫硫效率的關(guān)系

由于現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)手段有限，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)效性及準(zhǔn)確性會(huì)有一定誤差，但圖2仍可作為該系統(tǒng)pH值控制的大致趨勢(shì)和操作指南。由圖2可以看出：1）隨著pH值的升高，脫硫效率增大，脫硫效果得到提升；2）當(dāng)pH值為7.2時(shí)，脫硫效率已達(dá)到99%，再繼續(xù)補(bǔ)充液堿對(duì)脫硫效果已無(wú)太大實(shí)際意義；3）在實(shí)際生產(chǎn)中，通過(guò)將pH值控制在6.8～7.2之間，使脫硫效果滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 脫硫循環(huán)液密度對(duì)脫硫效率的影響

根據(jù)上述研究，控制液堿補(bǔ)充量，將pH值維持在7.1，記錄此時(shí)DCS上脫硫塔進(jìn)出口SO2濃度以及循環(huán)液密度，取多組數(shù)據(jù)得到脫硫循環(huán)液密度與脫硫效率的關(guān)系，見(jiàn)圖3。

圖3 脫硫循環(huán)液密度與脫硫效率的關(guān)系

由圖3可知，脫硫效率隨著脫硫循環(huán)液密度的增大而減小。生產(chǎn)中為了保持較高的脫硫效率和減少液堿用量，通常將脫硫液密度控制在150～200 kg/m3之間。

4 存在的問(wèn)題及處理建設(shè)

4.1 脫硫塔進(jìn)出口壓差大

脫硫塔豎管首先利用3個(gè)動(dòng)力波噴嘴向上噴射溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%的NaOH漿液，使?jié){液與相反方向來(lái)的煙氣充分接觸，吸收其中的SO2。在試生產(chǎn)前期，為保證脫硫塔本體不受高溫?zé)龘p，將脫硫循環(huán)泵出口閥門(mén)全開(kāi)，保持溢流堰壓力高于70 kPa（測(cè)壓力點(diǎn)在靠近溢流堰上升管道附近），此時(shí)動(dòng)力波噴嘴壓力為150 kPa。由于煙氣阻力加大，為保證NRTC爐加料口維持微負(fù)壓狀態(tài)，需將脫硫風(fēng)機(jī)的頻率增加至32 Hz以上。煙氣量及豎管?chē)娏芰康募哟髮?dǎo)致原設(shè)計(jì)參數(shù)條件下的泡沫層遭到破壞，氣液碰撞動(dòng)量平衡破壞后需重新建立。此過(guò)程引起脫硫塔的進(jìn)出口壓差在1.5～2.0 kPa之間，導(dǎo)致?tīng)t頂負(fù)壓跟隨波動(dòng)，嚴(yán)重影響正常生產(chǎn)。生產(chǎn)中后期，為改善脫硫塔運(yùn)行情況，該廠通過(guò)不斷摸索，總結(jié)出動(dòng)力波噴嘴壓力、脫硫塔壓差、風(fēng)機(jī)頻率與爐頂負(fù)壓的關(guān)系見(jiàn)表2。

表2 動(dòng)力波噴嘴壓力、脫硫塔壓差、風(fēng)機(jī)頻率與爐頂負(fù)壓的關(guān)系

分析表2可知，在保證脫硫塔溫度的前提下，控制動(dòng)力波噴嘴壓力為115～125 kPa，脫硫風(fēng)機(jī)頻率最低降至24 Hz，即可維持生產(chǎn)需要的-10～0 Pa的爐頂微負(fù)壓。此時(shí)，脫硫塔進(jìn)出口壓差可降低至0.5 kPa，即能維持NRTC爐煙氣系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2 液位顯示波動(dòng)大

本脫硫塔系統(tǒng)共有現(xiàn)場(chǎng)磁力翻板液位計(jì)、壓差式液位計(jì)兩個(gè)液位計(jì)，其數(shù)據(jù)傳輸至DCS便于遠(yuǎn)程液位監(jiān)控。在實(shí)際的生產(chǎn)過(guò)程中，常常出現(xiàn)其中一個(gè)液位計(jì)在不補(bǔ)水的情況下液位驟降或驟升現(xiàn)象。通過(guò)后續(xù)觀察，發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象通常出現(xiàn)在補(bǔ)充液堿的前后時(shí)間段，且出現(xiàn)該現(xiàn)象時(shí)，循環(huán)泵排氣管排出的脫硫后液會(huì)帶出大量氣泡。分析認(rèn)為，這是由于補(bǔ)液堿時(shí)NaOH溶液急劇吸收煙氣中的SO2導(dǎo)致反應(yīng)劇烈，塔內(nèi)產(chǎn)生大量氣泡，使液位計(jì)產(chǎn)生虛假信號(hào)。

針對(duì)液位波動(dòng)大的情況，可采取以下處理措施：1）控制pH值。通過(guò)少量多次補(bǔ)充液堿，將pH值控制在6.8～7.2之間，避免塔內(nèi)發(fā)生劇烈的酸堿中和反應(yīng)，產(chǎn)生大量氣泡。2）控制溫度。較高的溫度有利于鈉堿法脫硫反應(yīng)泡沫的產(chǎn)生，為此需適當(dāng)補(bǔ)充新水，控制脫硫循環(huán)液密度在150～200 kg/m3之間，使脫硫塔出口溫度在66～73℃范圍內(nèi)，從而減少反應(yīng)氣泡的產(chǎn)生。

4.3 脫硫循環(huán)泵進(jìn)、出口膨脹節(jié)振動(dòng)大

生產(chǎn)時(shí)發(fā)現(xiàn)當(dāng)脫硫塔入口煙氣中SO2質(zhì)量濃度達(dá)到4 000 mg/m3時(shí)，脫硫循環(huán)泵入口膨脹節(jié)開(kāi)始輕微振動(dòng)；當(dāng)達(dá)到6 000 mg/m3時(shí)，振動(dòng)劇烈。

初步分析認(rèn)為，煙氣中高濃度的SO2與NaOH溶液發(fā)生劇烈反應(yīng)，產(chǎn)生大量氣泡，在入口膨脹節(jié)處產(chǎn)生汽蝕，從而引起剛度較弱的膨脹節(jié)振動(dòng)。

為減小脫硫循環(huán)泵進(jìn)出口膨脹節(jié)振動(dòng)狀況，可采取以下措施：1）控制入口SO2濃度。控制NRTC爐入爐原料含硫量，減小脫硫塔入口煙氣的SO2濃度。2）控制液位。將槽內(nèi)液位控制在3.6～4.0 m，以減輕泵入口汽蝕。3）控制溫度。通過(guò)控制新水加入量和pH值，降低脫硫液溫度，防止膨脹節(jié)振動(dòng)加劇。4）增加排氣管道。在循環(huán)泵入口膨脹節(jié)前增加排氣管道，能減弱汽蝕現(xiàn)象，從而有效地防止振動(dòng)。

5 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)三個(gè)月的生產(chǎn)實(shí)踐中，該廠有效解決了脫硫塔進(jìn)出口壓差大、液位顯示波動(dòng)大、脫硫循環(huán)泵進(jìn)出口膨脹節(jié)振動(dòng)大等在生產(chǎn)中遇到的問(wèn)題。目前，該廠生產(chǎn)裝置運(yùn)行平穩(wěn)。生產(chǎn)運(yùn)行實(shí)踐表明，該鈉堿法脫硫系統(tǒng)成熟可靠，操作彈性大，可適應(yīng)廢雜銅冶煉煙氣SO2質(zhì)量濃度較大范圍內(nèi)的波動(dòng)，處理后的SO2含量可穩(wěn)定地達(dá)到國(guó)家尾氣限值標(biāo)準(zhǔn)。