冶煉煙氣制酸石灰石膏法脫硫系統(tǒng)運(yùn)行實(shí)踐與改造

劉永龍， 鄭小娜

(白銀有色集團(tuán)股份有限公司 銅業(yè)公司， 甘肅 白銀 730900)

目前，煙氣脫硫工藝主要有鈉堿法脫硫、活性焦脫硫、石灰石膏法脫硫、雙氧水脫硫、有機(jī)胺脫硫及離子液脫硫等。隨著國家對環(huán)保的愈發(fā)重視，“寧要青山綠水，不要金山銀山”的環(huán)保理念深入人心，企業(yè)面臨的環(huán)保壓力愈發(fā)嚴(yán)峻，環(huán)保投入越來越多，面臨著環(huán)保效益與經(jīng)濟(jì)效益的雙重選擇。

銅業(yè)公司冶煉煙氣制酸系統(tǒng)原設(shè)計(jì)產(chǎn)能為31.2萬t/a，2011年進(jìn)行擴(kuò)能改造，硫酸產(chǎn)能提升至54.6萬t/a。但隨著環(huán)保政策的愈發(fā)嚴(yán)格，現(xiàn)有制酸系統(tǒng)尾氣排放指標(biāo)已無法滿足需求。公司結(jié)合酸性廢水處理所采用的石灰中和處理工藝，并綜合考量場地、投資及運(yùn)行成本等因素，投資建設(shè)了石灰石膏濕法脫硫系統(tǒng)，于2013年9月建成投產(chǎn)運(yùn)行。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)處理煙氣量180 000 Nm3/h，設(shè)計(jì)進(jìn)口煙氣SO2濃度2 500 mg/Nm3，設(shè)計(jì)排放SO2濃度不超過400 mg/Nm3。

此工藝具有所配備的設(shè)備設(shè)施簡單、操作便捷、脫硫效率較高、石灰價(jià)格便宜的優(yōu)點(diǎn)，故系統(tǒng)運(yùn)行成本低廉。但也存在石灰輸送管道、捕沫器等設(shè)備設(shè)施容易堵塞的問題，導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行阻力很快上升，因此系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行周期短。為解決上述問題，對該尾氣脫硫系統(tǒng)進(jìn)行了改造與優(yōu)化，取得了良好的效果[1]。

1 石灰石膏法脫硫工藝

1.1 基本原理

石灰石膏法脫硫工藝中的主要化學(xué)反應(yīng)如下：

在脫硫吸收塔內(nèi)冶煉煙氣中的SO2先被石灰漿液中的水吸收，再與石灰漿液中的Ca(OH)2反應(yīng)生成CaSO3，CaSO3被氧化風(fēng)機(jī)鼓入空氣中的O2氧化最終生成石膏晶體，即CaSO4·2H2O。其主要化學(xué)反應(yīng)式為：

石灰消化過程：CaO+H2O→Ca(OH)2

吸收過程：SO2+H2O→H2SO3→HSO3-+H

Ca(OH)2+2H→Ca+H2O

1.2 工藝流程簡述

石灰石膏法脫硫工藝采用石灰作為吸收劑，石灰粉經(jīng)消化處理后加水?dāng)嚢柚瞥晌談{。煙氣脫硫系統(tǒng)包括煙氣系統(tǒng)、二氧化硫吸收系統(tǒng)、捕沫除霧系統(tǒng)及給排水系統(tǒng)，工藝流程圖如圖1所示。

二氧化硫吸收系統(tǒng)是煙氣脫硫系統(tǒng)的核心，主要包括吸收塔、循環(huán)漿泵和氧化風(fēng)機(jī)、漿液排出泵等。因制酸尾氣中的二氧化硫含量較高，因此該脫硫系統(tǒng)采用高效逆噴洗滌器作為吸收塔，以保證煙氣脫硫效率。

圖1 尾氣脫硫系統(tǒng)工藝流程圖

系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，煙氣從洗滌器逆噴管頂部進(jìn)入，循環(huán)漿液經(jīng)循環(huán)泵加壓后從逆噴管底部進(jìn)入，氣液逆流接觸，形成湍動段，氣液接觸面高速更新，煙氣中的SO2與漿液中的Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng),生成亞硫酸鈣和亞硫酸氫鈣。亞硫酸鈣、亞硫酸氫鈣漿液在吸收塔底部的石灰循環(huán)漿池內(nèi)與氧化風(fēng)機(jī)鼓入的空氣強(qiáng)制氧化，氧化最終生成CaSO4·2H2O。為了控制漿池內(nèi)的液位和漿液固含量(標(biāo)準(zhǔn)為15%)，石膏漿經(jīng)濃密機(jī)沉淀脫水后，含水量約20%石膏漿，被送入酸性廢水處理系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步處理，上清液回流至系統(tǒng)。脫硫后的煙氣經(jīng)捕沫裝置及電除霧器除去煙氣中的酸霧，然后排入煙囪[2]。

2 存在的問題

2.1 系統(tǒng)阻力大

制酸尾氣脫硫系統(tǒng)運(yùn)行一個(gè)月左右，經(jīng)統(tǒng)計(jì)和現(xiàn)場分析，投入的石灰量與初期相比成倍增加，而且系統(tǒng)阻力快速上漲，增加了電耗，影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 系統(tǒng)管道積石灰

由于該法使用的石灰石膏具有易沉積、易黏結(jié)的特點(diǎn),很容易造成管道、捕沫器等設(shè)備堵塞,同時(shí)渣量大還受尾氣成分影響,往往不易處理。時(shí)間越長，積物越多、越硬，需要每季度停機(jī)清理疏通，勞動強(qiáng)度大，耗時(shí)長，導(dǎo)致設(shè)備使用壽命減少。

2.3 pH值控制不穩(wěn)定

制酸系統(tǒng)中尾氣煙氣波動較大，脫硫系統(tǒng)的pH值控制不穩(wěn)定，可操作性差。

2.4 尾氣排放超標(biāo)

硫酸生產(chǎn)異?；蛭矚饷摿蛳到y(tǒng)不穩(wěn)定，SO2濃度迅速上升，生產(chǎn)系統(tǒng)氣速大、氣濃高，石灰溶解不均勻，導(dǎo)致石灰接觸酸煙反應(yīng)不充分，造成SO2排放超標(biāo)。

3 改進(jìn)措施及效果對比

制酸系統(tǒng)尾氣進(jìn)入逆噴管脫硫洗滌，與噴淋的石灰漿液逆向接觸，去除煙氣中的SO2、SO3及降低煙氣溫度，洗滌后煙氣經(jīng)過脫硫電除霧器進(jìn)行外排。石灰循環(huán)漿液pH值的控制包括三個(gè)部分，一是石灰乳輸送系統(tǒng)，包括石灰乳儲罐、輸送泵、輸送和回流管線；二是pH值監(jiān)測設(shè)施，在循環(huán)漿液泵出口管道裝有pH計(jì)，進(jìn)行連續(xù)不間斷檢測；三是控制系統(tǒng)，包括石灰乳投加電動控制閥門以及相應(yīng)配套的控制程序。

在生產(chǎn)過程中，脫硫循環(huán)漿液pH值控制在5.5左右，過高的pH值雖然會提高SO2的吸收效率，但會降低石灰乳的利用效率，同時(shí)會造成管道、捕沫器、電除霧器等設(shè)施的堵塞。隨著循環(huán)漿液對煙氣中SO2的不斷吸收，循環(huán)漿液pH值不斷下降，當(dāng)pH值低于5.5時(shí)，電動閥門打開，向吸收塔內(nèi)補(bǔ)充石灰乳，當(dāng)循環(huán)漿液pH值高于5.5時(shí)，電動閥門關(guān)閉，石灰乳進(jìn)行內(nèi)部循環(huán)。

但在實(shí)際生產(chǎn)過程中，因石灰乳投加后至pH計(jì)檢測到pH值變化存在延時(shí)，當(dāng)pH計(jì)檢測到循環(huán)漿液pH值到5.5，控制電動閥門關(guān)閉后，循環(huán)漿液的pH值還會不斷往上漲，最高可到10以上，影響脫硫系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

首先，具體改進(jìn)措施如下：優(yōu)化了pH計(jì)的安裝位置，將其安裝至濃密機(jī)進(jìn)口管線上，因其管徑更大，循環(huán)漿液更新更快，不易堵塞，pH值較以前反應(yīng)更為靈敏，更加有利于循環(huán)漿液pH值的控制。

其次，對脫硫系統(tǒng)自動加灰裝置進(jìn)行優(yōu)化，原系統(tǒng)設(shè)計(jì)脫硫加灰和回流各自為獨(dú)立的電動碟閥，如圖2所示，且閥門密封性較差，在實(shí)際生產(chǎn)中，制酸系統(tǒng)尾氣煙氣波動性較大，需頻繁操作回流閥，但加灰閥密封效果不佳且聯(lián)動性較差，故極難控制脫硫系統(tǒng)的pH值。

圖2 改造前的加灰閥

經(jīng)多次分析和現(xiàn)場試驗(yàn)，在目前的現(xiàn)場條件下采用控制石灰流量的方法，即將加石灰管道上的開關(guān)型電動碟閥及其回流閥二合一改造成調(diào)節(jié)型電動三通球閥，如圖3所示，能夠有效地控制pH值，從根本上完全實(shí)現(xiàn)對石灰流量的調(diào)節(jié)和控制，從而實(shí)現(xiàn)尾氣脫硫系統(tǒng)的自動和穩(wěn)定運(yùn)行。

圖3 改造后的加灰閥

同時(shí)，考慮到加灰閥頻繁動作會導(dǎo)致中和反應(yīng)不穩(wěn)定，因此在加灰閥控制上采用了PID控制。在實(shí)際改造中采用比例積分PI控制器把給定pH值與實(shí)際pH值之差作為系統(tǒng)誤差，利用比例、積分控制法計(jì)算出電動三通球閥的開度?？刂屏鞒虉D如圖4所示。其中r(t)為pH設(shè)定值，y(t)為pH實(shí)際值，e(t)為pH實(shí)際值與設(shè)定值的偏差，u(t)為PID控制器的輸出函數(shù)，從而調(diào)節(jié)閥門的輸出。[4-5]

圖4 控制流程圖

實(shí)施改造方案確定后，對市場多種調(diào)節(jié)型電動三通球閥進(jìn)行了調(diào)研和性能測試，最終選定型號為G3970- 16P- DN80。該電動三通球閥具有體積小、重量輕、流量控制精確及動作靈敏的優(yōu)點(diǎn)，能直接接受調(diào)節(jié)儀器輸入的4-20 mA DC控制信號，而且其單相電源能實(shí)現(xiàn)可控制運(yùn)轉(zhuǎn)。能滿足把一種流體通過三通閥分成二路流出或者把兩種流體經(jīng)三通閥合并成一種流體的工藝需求，較好的控制工藝管路流體介質(zhì)的自動調(diào)節(jié)[3]。

改造實(shí)施步驟主要包括：調(diào)節(jié)型電動三通球閥更換、現(xiàn)場以及PLC控制柜內(nèi)接線、程序編制及調(diào)試等。

將脫硫系統(tǒng)加灰閥改造后，經(jīng)過三個(gè)月的運(yùn)行記錄分析，現(xiàn)將改造前后的各方面效果進(jìn)行對比，如表1所示。

表1 脫硫系統(tǒng)加灰閥改造效果對比表

4 結(jié)語

經(jīng)過幾個(gè)月的改造與生產(chǎn)實(shí)踐，取得的優(yōu)良成果和巨大效益。一是在保證高效穩(wěn)定生產(chǎn)的前提下，徹底解決了吸收尾氣二氧化硫氣體時(shí)存在的系統(tǒng)阻力大、管道、捕沫器等設(shè)備堵塞等問題；二是能將尾氣脫硫排放SO2濃度控制在不超過200 mg/Nm3；三是能實(shí)現(xiàn)pH值的自動控制，石灰加入量合理可控，保證設(shè)備設(shè)施的使用壽命，使系統(tǒng)能長周期穩(wěn)定運(yùn)行；四是能帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益，每天能節(jié)約400 kg的石灰，現(xiàn)今石灰費(fèi)用約580元/t，排除檢修時(shí)間，每年能減少約6.96萬元的石灰支出費(fèi)用。