冷軋酸再生裝置低溫酸液吸收的工藝優(yōu)化

陳剛

（新疆八一鋼鐵股份有限公司軋鋼廠）

1 前言

新疆八鋼冷軋酸再生裝置運行至今已經(jīng)10年,當(dāng)初設(shè)計時焙燒爐尾氣采用的是GB16297-1996《大氣污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》，顆粒物排放標(biāo)準(zhǔn)為120mg/m3，HCl為100mg/m3。隨著國家環(huán)保要求的日趨嚴(yán)格，八鋼冷軋焙燒爐尾氣中HCl排放指標(biāo)達不到最新國家標(biāo)準(zhǔn)GB28665-2012《軋鋼工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中＜30 mg/m3的要求。為此，對八鋼冷軋酸再生裝置進行了優(yōu)化改造。

2 酸再生煙氣排放指標(biāo)超標(biāo)原因分析

酸再生濃縮廢酸噴入焙燒爐內(nèi)進行反應(yīng)，焙燒爐尾氣從焙燒爐頂部排出后進入雙旋風(fēng)除塵器除塵、預(yù)濃縮器降溫、吸收塔吸收其中的HCl，再經(jīng)洗滌塔洗滌，最終的尾氣排入大氣中。焙燒爐尾氣成分為燃燒形成的燃燒廢氣、過剩空氣和水蒸氣組成，其中水蒸氣占50%～60%，排放溫度約為80℃。由于攜帶了大量熱量和水蒸氣，出煙囪后，速度減慢，壓力減小，又將所含的熱量釋放出來，水蒸氣遇冷液化凝結(jié)成含有小液滴的狀態(tài)，形成可見的大量的白霧。八鋼冷軋酸再生工藝流程見圖1。

圖1 八鋼冷軋酸再生工藝流程

改造前八鋼酸再生焙燒爐尾氣排放溫度實際檢測值78.5～80.3℃。計算焙燒爐尾氣中HCl和水蒸氣含量同溫度的變換[1]，計算不同溫度下對應(yīng)的的HCl

含量。

式中：P——鹽酸溶液上的HCl分壓，mmHg；

A，B——常數(shù)；

T——氣體溫度，K。

計算各濃度在不同溫度下對應(yīng)的的HCl氣體分壓為對應(yīng)蒸汽壓 /760mmHg×1000÷22.4×36.5×1000。

當(dāng)溶液中含HCl為2%時（現(xiàn)場執(zhí)行濃度），計算出各溫度下排放指標(biāo)見表1和圖2。

表1 焙燒爐尾氣中HCl和水蒸氣含量同溫度的關(guān)系

圖2 焙燒爐尾氣中HCl濃度同溫度的關(guān)系

如果溶液中HCl含量超過2%，常數(shù)A,B值將發(fā)生改變，那么計算出來的HCl含量將明顯加大。

從表1和圖2可以看出，當(dāng)酸再生排煙溫度超過70℃的時候，HCl含量已經(jīng)超過20mg/m3，國家標(biāo)準(zhǔn)GB28665-2012規(guī)定HCl排放限制小于30mg/m3，按合同要求排放指標(biāo)低于20mg/m3。如果焙燒爐尾氣排放溫度超過70℃，那么尾氣中HCl含量將超標(biāo)。在原設(shè)計在焙燒爐尾氣排放進入大氣前增加一段脫鹽水洗滌，脫鹽水的生產(chǎn)成本較高，而且運行不正常。

為了使現(xiàn)場煙氣排放達標(biāo)，改造中通過降低酸再生排煙溫度來實現(xiàn)。

3 改造方案的優(yōu)化

根據(jù)對焙燒爐尾氣排出的水蒸氣、HCl含量與溫度的關(guān)系分析，通過降低焙燒爐尾氣的溫度來實現(xiàn)。將吸收和一級洗滌工藝中采用的填料塔改為冷卻換熱器，以降低焙燒爐尾氣的溫度。依據(jù)表1，煙氣溫度越低煙氣中的HCl含量將越低，相關(guān)試驗表明煙氣溫度由約80℃降低到40℃以下能源消耗增加，增加了運行成本。從運行經(jīng)濟性考慮將尾氣溫度降低的目標(biāo)值設(shè)定為40℃。

煙氣冷凝產(chǎn)生的冷暖水，作為吸收塔的吸收水使用。減少水蒸氣的排放，減少系統(tǒng)脫鹽水的消耗，同時降低焙燒爐尾氣中HCl的含量。焙燒爐運行參數(shù)見表2。

表2 焙燒爐參數(shù)

3.1 換熱器材料的選擇

鹽酸是還原性強酸，是腐蝕性最強的物質(zhì)之一。大多數(shù)金屬的標(biāo)準(zhǔn)電極電位都在氫標(biāo)準(zhǔn)電極電位以下，所以當(dāng)和含有大量氫離子的鹽酸溶液接觸時，金屬離子迅速進入溶液，氫離子成為氣體放出，構(gòu)成強烈放氫型腐蝕。只有一些貴金屬如鉭、鉑、金、銀等和少數(shù)合金如鎳鉬鐵合金和含鉬高硅鐵對鹽酸有良好耐腐蝕性。這些金屬價格昂貴且稀少，但非金屬材料對鹽酸都有良好腐蝕性能。石墨就是其中之一，石墨具有高熱導(dǎo)率，又耐熱濃鹽酸，所以廣泛用作鹽酸換熱器，其價格比鉭便宜得多。

石墨及不透性品種對一切濃度和溫度的鹽酸都有優(yōu)良的耐腐蝕性。對于高溫氯化氫氣體，不論含有水分與否，有氧存在時，石墨的最高應(yīng)用溫度為400℃；氧不存在時，石墨的最高應(yīng)用溫度為650℃，不透性品種隨浸漬劑的耐溫性能而不同約為170～180℃。酸洗生產(chǎn)加熱18%鹽酸時也采用此類換熱器，因此將換熱器的材料選定為石墨。

因為焙燒爐尾氣中含有HCl氣體，因此換熱器材料選擇用石墨材料。石墨有圓塊孔和列管式可供選擇，圓塊孔石墨換熱器和列管式石墨換熱器區(qū)別見表3。

表3 圓塊孔和列管式石墨換熱器比較

從表3可以看出，圓塊孔石墨換熱器同列管式石墨換熱器相比，具有結(jié)構(gòu)堅固、結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、適應(yīng)性強、零件互換性好、不需要粘接劑鏈接、傳熱系數(shù)高等優(yōu)點。

圓塊式石墨換熱器中常規(guī)的圓柱形石墨塊上鉆有互相垂直的兩組圓孔：軸向排列的縱向孔流通腐蝕性物料（焙燒爐煙氣）；與其垂直排列的由圓塊外圓橫向鉆進的橫向孔流通工藝介質(zhì)（冷卻水），通過二組孔間殘留石墨進行傳熱。

另外，氣液傳熱時，焙燒爐尾氣向石墨的傳熱系數(shù)要小，而冷卻水向石墨的傳熱系數(shù)要大。而圓塊孔石墨換熱器的孔是鉆制的，可以進行設(shè)計，將焙燒爐尾氣側(cè)的開孔面積增大，而冷卻水側(cè)的面積減少，以增大傳熱效果。兩種換熱器開孔對比見圖3。

圖3 換熱器介質(zhì)開孔比較

因焙燒爐尾氣中還帶有氧化鐵粉粉塵，因此在考慮焙燒爐尾氣側(cè)開孔直徑時選擇了較大直徑的開孔，以避免堵塞。在酸再生裝置停車期間采用再生酸進行循環(huán)清洗焙燒爐尾氣側(cè)的石墨孔，以減少焙燒爐尾氣側(cè)氧化鐵粉的附著。

為了減少換熱器的阻力降，降低焙燒爐尾氣的流速，以增大焙燒爐氣體通過換熱器的時間，加強換熱，焙燒爐尾氣側(cè)的開孔總面積為管道面積的兩倍。

為了加大焙燒爐尾氣側(cè)的換熱效果，換熱器頂部設(shè)計一個霧化噴頭，噴霧一定量的液體，以加大焙燒爐尾氣同石墨材料之間的換熱效果。

3.2 換熱器參數(shù)的確定

改進后的換熱器如圖4所示。

圖4 酸再生優(yōu)化設(shè)計后的換熱器

（1）有效平均溫度差△tm

式中：△tm——有效平均溫度差，K；

△t1——焙燒爐氣體側(cè)溫度差，K；

△t2——冷卻水側(cè)平均溫度差，K。

焙燒爐尾氣設(shè)計計算溫度由80℃降低到37℃，冷卻水由32℃升高到37℃，根據(jù)公式計算出有效平均溫度差為17.66℃。

在穩(wěn)定狀態(tài)下，當(dāng)傳熱系數(shù)隨溫度變化不大時，傳熱速率式為[1]：

式中：Q——單位時間內(nèi)的傳熱量，W；

K——總傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；

A——熱面積，m2；

△tm——有效平均溫度差，K。

焙燒爐尾氣換熱器采用氣-液的換熱形式，兩種流體的流向為錯流和簡單折流。即焙燒爐氣體從縱向由上向下的一個方向流動，而冷卻水由橫向先沿與縱向呈垂直的方向流動，然后折回向相反方向流動如此反復(fù)地做折流運動。其中，總傳熱系數(shù)的計算公式為[3]：

式中：a1——為物料（焙燒爐尾氣）側(cè)給熱系數(shù)，——為服務(wù)（冷卻水）側(cè)給熱系數(shù)，W/(m·2K)；——為物料側(cè)污垢熱阻，m·2K/W；——為服務(wù)側(cè)污垢熱阻，m·2K/W；

其中，δ為厚度，λ為導(dǎo)熱系數(shù)。（2）焙燒爐尾氣換熱器平均傳熱面積：

式中：Am——換熱器的平均傳熱面積，m2；A1——焙燒爐尾氣側(cè)的傳熱面積，m2；A2——冷卻水側(cè)的傳熱面積，m2。

計算得出換熱面積大約為980m2，最終確定選用1000m2的換熱器?？紤]到設(shè)備制造等因素，確定選用兩臺500m2的石墨換熱器替代原裝置的吸收塔和一級洗滌塔，計算認為可滿足工藝降溫的要求。

4 改造后的運行效果

酸再生機組改造于2018年3月開始施工，7月15日點火烘爐，正常運行后對煙氣進行了檢測，酸再生排煙溫度穩(wěn)定在38～40℃，8月第三方檢測表明煙氣中HCl含量小于15mg/m3，達到了最新環(huán)保排放要求，改進實施后煙氣排放的水蒸氣含量大幅度下降，視覺效果也大幅改善。周邊環(huán)境得到改善。

5 結(jié)束語

通過降低酸再生的煙氣排放溫度可以有效降低HCl排放濃度，從而滿足更加嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)要求，此項技術(shù)不僅可用于酸再生機組，還可以廣泛應(yīng)用于酸洗線酸霧排放和鍍鋅的堿霧排放系統(tǒng)等。