何文成，張代飛

（1.國家稀土功能材料創(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企業(yè)?？紤]到銅原料來源復雜、物料含硫不穩(wěn)定，稀貴公司二期工程項目的尾氣吸收處理采用了具有高脫硫效率，且能適應二氧化硫濃度大范圍波動的鈉堿法工藝。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)，技術成熟，脫硫效率高，但隨著系統(tǒng)運行時間的延長，存在生產(chǎn)線上正壓部分阻力加大、管道系統(tǒng)結晶、工藝控制參數(shù)波動等問題，影響了生產(chǎn)裝置的正常穩(wěn)定運行[1-2]。

1 鈉堿法脫硫工藝

1.1 主要反應機理

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，將SO2轉(zhuǎn)化為亞硫酸鹽，少部分亞硫酸鈉被氧化成硫酸鈉。其化學反應方程式如下：

在脫硫過程中，起到吸收SO2作用的物質(zhì)主要為Na2SO3。然而隨著脫硫反應的進行，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)工藝流程見圖1。

圖1 脫硫系統(tǒng)工藝流程

首先，通過液堿輸送泵將質(zhì)量分數(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。脫離設備采用動力波洗滌器，兩級洗滌脫硫，故分別在動力波豎管及氣液分離器上設置噴淋裝置。來自收塵的煙氣首先從上方進入脫硫塔豎管，脫硫塔豎管內(nèi)3個動力波噴嘴向上噴射NaOH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吸收液進行氣液接觸，碰撞形成穩(wěn)定的泡沫反應區(qū)，煙氣中的SO2與NaOH溶液反應生成亞硫酸鹽，同時少部分亞硫酸鈉被氧化成硫酸鈉，煙氣溫度降至85℃以下。為了保護玻璃鋼材質(zhì)的脫硫塔豎管不受高溫燒損，豎管上部設置了溢流堰，使豎管表面形成一層保護液膜。飽和冷卻的濕煙氣在氣液分離器中通過頂部的噴淋洗滌裝置進一步脫硫凈化。此時煙氣中約有93%以上的SO2和96%以上的HCl及98%以上的HBr被吸收，凈化達標后的煙氣經(jīng)捕沫器去除液沫后匯入煙囪排放。

2 主要設備及運行指標

2.1 主要設備參數(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、地坑泵等設備。設備規(guī)格型號及參數(shù)詳見表1。

表1 脫硫系統(tǒng)主要設備的規(guī)格參數(shù)

2.2 生產(chǎn)運行情況及相關控制參數(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3個多月的連續(xù)生產(chǎn)，裝置運行平穩(wěn)，工藝及技術成熟可靠，各項工藝指標達到設計要求。該系統(tǒng)生產(chǎn)運行相關控制參數(shù)如下。

1）該系統(tǒng)設計煙氣處理量為28 407 m3/h。且該系統(tǒng)煙氣處理量達到設計負荷的120%時，亦能滿足生產(chǎn)需求。

2）該系統(tǒng)設計處理煙氣SO2質(zhì)量濃度為2 000 mg/m3。實際運行時，該系統(tǒng)最高能處理尾氣中SO2質(zhì)量濃度達6 000 mg/m3的煙氣，且能滿足生產(chǎn)需要及當前的環(huán)保要求。但考慮到入口煙氣的SO2濃度遠超設計值，生產(chǎn)時需大量補充液堿維持循環(huán)液pH值。另外，吸收煙氣中的SO2后，循環(huán)液溫度會升高。高溫不僅會影響脫硫塔本體的使用壽命，而且會影響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對脫硫后液進行降溫。但此手段對于高濃度SO2煙氣而言，不僅浪費液堿，而且會增大三效蒸發(fā)工序的負擔。

3）脫硫塔循環(huán)吸收液pH設計值為5.5～7.0，但在實際生產(chǎn)中原料硫質(zhì)量分數(shù)為3%～7%，遠高于初設的0.5%～1.0%。在生產(chǎn)實踐中，通過適當?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，遠小于環(huán)保標準規(guī)定的200 mg/m3。

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

5）系統(tǒng)采用溶質(zhì)質(zhì)量分數(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℃，脫硫風機正常運行時頻率為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，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)液密度兩個方面對脫硫效率進行研究。

3.1 脫硫循環(huán)液pH值對脫硫效率的影響

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應的pH值和DCS畫面上對應的脫硫塔進出口SO2濃度，以此計算脫硫效率。選取多組生產(chǎn)數(shù)據(jù)整理后得到脫硫效率與pH值的關系見圖2。

圖2 脫硫循環(huán)液pH值與脫硫效率的關系

由于現(xiàn)場試驗手段有限，實測數(shù)據(jù)的時效性及準確性會有一定誤差，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pH值為7.2時，脫硫效率已達到99%，再繼續(xù)補充液堿對脫硫效果已無太大實際意義；3）在實際生產(chǎn)中，通過將pH值控制在6.8～7.2之間，使脫硫效果滿足設計要求。

3.2 脫硫循環(huán)液密度對脫硫效率的影響

根據(jù)上述研究，控制液堿補充量，將pH值維持在7.1，記錄此時DCS上脫硫塔進出口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系，見圖3。

圖3 脫硫循環(huán)液密度與脫硫效率的關系

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 存在的問題及處理建設

4.1 脫硫塔進出口壓差大

脫硫塔豎管首先利用3個動力波噴嘴向上噴射溶質(zhì)質(zhì)量分數(shù)為30%的NaOH漿液，使?jié){液與相反方向來的煙氣充分接觸，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燒損，將脫硫循環(huán)泵出口閥門全開，保持溢流堰壓力高于70 kPa（測壓力點在靠近溢流堰上升管道附近），此時動力波噴嘴壓力為150 kPa。由于煙氣阻力加大，為保證NRTC爐加料口維持微負壓狀態(tài)，需將脫硫風機的頻率增加至32 Hz以上。煙氣量及豎管噴淋量的加大導致原設計參數(shù)條件下的泡沫層遭到破壞，氣液碰撞動量平衡破壞后需重新建立。此過程引起脫硫塔的進出口壓差在1.5～2.0 kPa之間，導致爐頂負壓跟隨波動，嚴重影響正常生產(chǎn)。生產(chǎn)中后期，為改善脫硫塔運行情況，該廠通過不斷摸索，總結出動力波噴嘴壓力、脫硫塔壓差、風機頻率與爐頂負壓的關系見表2。

表2 動力波噴嘴壓力、脫硫塔壓差、風機頻率與爐頂負壓的關系

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

4.2 液位顯示波動大

本脫硫塔系統(tǒng)共有現(xiàn)場磁力翻板液位計、壓差式液位計兩個液位計，其數(shù)據(jù)傳輸至DCS便于遠程液位監(jiān)控。在實際的生產(chǎn)過程中，常常出現(xiàn)其中一個液位計在不補水的情況下液位驟降或驟升現(xiàn)象。通過后續(xù)觀察，發(fā)現(xiàn)該現(xiàn)象通常出現(xiàn)在補充液堿的前后時間段，且出現(xiàn)該現(xiàn)象時，循環(huán)泵排氣管排出的脫硫后液會帶出大量氣泡。分析認為，這是由于補液堿時NaOH溶液急劇吸收煙氣中的SO2導致反應劇烈，塔內(nèi)產(chǎn)生大量氣泡，使液位計產(chǎn)生虛假信號。

針對液位波動大的情況，可采取以下處理措施：1）控制pH值。通過少量多次補充液堿，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，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泡沫的產(chǎn)生，為此需適當補充新水，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)，從而減少反應氣泡的產(chǎn)生。

4.3 脫硫循環(huán)泵進、出口膨脹節(jié)振動大

生產(chǎn)時發(fā)現(xiàn)當脫硫塔入口煙氣中SO2質(zhì)量濃度達到4 000 mg/m3時，脫硫循環(huán)泵入口膨脹節(jié)開始輕微振動；當達到6 000 mg/m3時，振動劇烈。

初步分析認為，煙氣中高濃度的SO2與NaOH溶液發(fā)生劇烈反應，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。

為減小脫硫循環(huán)泵進出口膨脹節(jié)振動狀況，可采取以下措施：1）控制入口SO2濃度?？刂芅RTC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。

5 結語

經(jīng)過三個月的生產(chǎn)實踐中，該廠有效解決了脫硫塔進出口壓差大、液位顯示波動大、脫硫循環(huán)泵進出口膨脹節(jié)振動大等在生產(chǎn)中遇到的問題。目前，該廠生產(chǎn)裝置運行平穩(wěn)。生產(chǎn)運行實踐表明，該鈉堿法脫硫系統(tǒng)成熟可靠，操作彈性大，可適應廢雜銅冶煉煙氣SO2質(zhì)量濃度較大范圍內(nèi)的波動，處理后的SO2含量可穩(wěn)定地達到國家尾氣限值標準。