新型氧化鋅脫硫煙氣處理系統(tǒng)在冶煉行業(yè)的應用

姚騰猛，湯 洛，周桂月，吳桂榮，袁愛武

（長沙有色冶金設計研究院有限公司，湖南長沙 410019）

長沙有色冶金設計研究院有限公司( 以下簡稱長沙有色院) 將新型氧化鋅脫硫煙氣處理系統(tǒng)（一種煙氣處理系統(tǒng)，專利號：202020248182.5）技術成功應用于廣西南丹南方金屬有限公司( 以下簡稱南方公司) 銻銀系統(tǒng)煙化爐和還原爐煙氣處理。該裝置于2019 年2 月一次開車成功，目前穩(wěn)定連續(xù)運行。處理后尾氣SO2濃度遠低于國家現(xiàn)行排放標準，無需外購脫硫劑，解決了脫硫循環(huán)槽漿液攪拌不充分造成的結垢和除霧器經(jīng)常性堵塞的問題，并有效削弱了尾氣霧沫夾帶和拖尾難題。

1 氧化鋅脫硫技術原理

脫硫塔中，氧化鋅漿液與煙氣中SO2發(fā)生以下主要反應[1]：

亞硫酸是二元酸，可生成2 種鹽。當ZnO 過剩時生成中性鹽ZnSO3（微溶于水），當SO2過剩時生成酸性鹽[Zn(HSO3)2]（溶于水，易與煙氣中的O2反應生成ZnSO4）。因此，脫硫循環(huán)液中需控制好pH 值，過濾時才能較好的形成亞硫酸鋅濾餅。

ZnSO3· 2.5H2O 可通過氧化法、酸分解法和熱分解法返回生產(chǎn)工藝。氧化法在鋅冶煉系統(tǒng)易產(chǎn)生酸、水平衡的問題，酸分解法、熱分解法是較為合適的處理方法，但由于場地有限無法布置酸解工序，南方公司于是采用熱分解法，將亞硫酸鋅濾餅送沸騰爐配料處理，操作步驟如下：

2 煙氣脫硫方案

2.1 設計參數(shù)

南方公司銻銀系統(tǒng)煙氣脫硫裝置主要處理煙化爐和還原爐煙氣，煙氣量小于或等于1.5×105m3/h， ρ(SO2) 在5.0～8.0 g/m3， 塵(ρ) ≤500 mg/m3，溫度≤160 ℃。

2.2 方案選擇

南方公司原有1 套氧化鋅脫硫配套壓濾酸解裝置，處理鋅系統(tǒng)揮發(fā)窯和多膛爐煙氣。煙氣處理量為2.0×105m3/h，ρ(SO2) ≤10 g/m3。脫硫劑氧化鋅來自揮發(fā)窯自產(chǎn)的次氧化鋅煙塵，并經(jīng)多膛爐脫氟氯。脫硫得到的亞硫酸鋅濾餅經(jīng)長沙有色院專利技術的酸解槽（一種臥式酸化解析釜，專利號：201420153622.3）酸化后，產(chǎn)生的硫酸鋅溶液返回鋅系統(tǒng)中浸，高濃度SO2煙氣送制酸系統(tǒng)。

南方公司銻銀系統(tǒng)主體建成后，煙化爐煙氣需進行脫硫處理，原流程是將該煙氣通入鋅系統(tǒng)的氧化鋅脫硫裝置。由于脫硫后酸解產(chǎn)生的硫酸鋅溶液氟、氯含量高，對電解工序造成了影響；且還原爐煙氣因氧含量低，進入制酸系統(tǒng)需配大量空氣維持合適的氧硫比。因此，南方公司考慮新建1 套脫硫裝置，將煙化爐與還原爐煙氣合并后進行單獨脫硫處理。

現(xiàn)有脫硫方法中，鈣法脫硫會產(chǎn)生大量的廢渣；氨法和鈉堿法產(chǎn)出的亞硫酸銨和亞硫酸鈉品位不高，銷路不好；雙氧水法脫硫工藝外購的雙氧水（質(zhì)量分數(shù)27.5%）單價高，主要適用于SO2濃度低的潔凈硫酸尾氣，副產(chǎn)稀酸直接送入制酸系統(tǒng)；離子液法脫硫需要消耗較多的低壓蒸汽，對于以鉛鋅冶煉為主的南方公司來說，系統(tǒng)余熱回收的低壓蒸汽不足，且補充損耗的離子液價格不菲。因此，上述脫硫工藝都不是南方公司的最佳選擇。

銻銀系統(tǒng)投產(chǎn)后，煙化爐可產(chǎn)次氧化鋅煙塵約30 kt/a，足夠煙氣脫硫使用，脫硫劑來源可靠。從循環(huán)經(jīng)濟生產(chǎn)考慮，氧化鋅法較為合適，因此南方公司決定繼續(xù)采用氧化鋅脫硫工藝。

2.3 脫硫設備選擇

隨著環(huán)保政策的日益嚴格，外排尾氣中SO2、顆粒物和酸霧濃度等日益成為考核脫硫工藝的關鍵性能指標。對于煙化爐和還原爐煙氣，需采用兩級脫硫工藝流程使煙氣達標排放。

脫硫塔若采用空塔形式，含硫煙氣與含脫硫劑的漿液在空塔噴淋段逆流接觸并發(fā)生反應；由于含脫硫劑的漿液黏度大、固體顆粒細，煙氣與漿液未發(fā)生充分的氣液分離，易夾帶脫硫劑至脫硫塔外，不僅造成脫硫劑的損失，而且會造成外排尾氣顆粒物超標。脫硫塔若采用帶高效洗滌器的傳統(tǒng)塔槽一體形式，氣液分離器緩存脫硫液，由于無法充分攪拌，會出現(xiàn)脫硫劑大量沉積和堵塞管口的現(xiàn)象，且脫硫液中的固液混合不均會影響脫硫效果，降低脫硫劑的利用率。

上述兩種脫硫塔存在氣液分離不充分帶來的尾氣顆粒物或漿液攪拌不充分的問題，加之煙氣未被降溫即排放而造成的尾氣拖尾現(xiàn)象，一直以來都是氧化鋅脫硫的難題。由于脫硫后的煙氣會夾帶一定的固體脫硫劑，須對煙氣進一步處理才能使顆粒物含量達標；若采用電除霧器處理，由于氧化鋅脫硫劑粘性高，粘附在陽極管和陰極線上會影響電除霧器的正常運行。

為此，長沙有色院提出了一種新型氧化鋅脫硫煙氣處理系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術的不足，進一步提升煙氣處理效果。

3 工藝流程

新型氧化鋅脫硫煙氣處理系統(tǒng)主要包括漿液制備工序、脫硫工序和壓濾工序，其中脫硫工序的兩 級脫硫為關鍵流程，工藝流程見圖1。

圖1 新型氧化鋅脫硫煙氣處理系統(tǒng)兩級脫硫工藝流程

3.1 漿液制備工序

氧化鋅漿液制備工序主要由次氧化鋅料倉、刮板輸送機、螺旋稱給料機、配制槽和漿液輸送泵等組成。煙化爐收塵得到的次氧化鋅粉氣力輸送至料倉，料倉內(nèi)固體粉料通過埋刮板輸送機和螺旋稱給料機進入配制槽，根據(jù)生產(chǎn)情況控制脫硫漿液的液固比在7 ∶1～10 ∶1，調(diào)配好備用。配漿用水采用工藝新水或脫硫濾液，但濾液含鋅質(zhì)量濃度需低于120 g/L，以防止ZnSO4結晶導致設備和管道堵塞。

3. 2 脫硫工序

脫硫工序主要由增壓風機、洗滌塔、一級脫硫塔、一級脫硫循環(huán)槽、二級脫硫塔、二級脫硫循環(huán)槽、循環(huán)冷卻液槽、循環(huán)冷卻液換熱器和泵等組成。混合煙氣經(jīng)脫硫風機進入洗滌塔，對煙氣進行降溫洗滌，并除去煙氣中的塵、F、Cl 和As 等雜質(zhì)，同時煙氣溫度降至55 ℃。根據(jù)水洗液成分情況，沉鋅回收后的壓濾清液部分外排至污水處理，整個冶煉系統(tǒng)中F、Cl 和As 在此排出。

凈化后煙氣進入一級脫硫塔，煙氣在一級脫硫塔的洗滌器中從頂部自上而下，與自下而上的氧化鋅漿液逆流充分接觸，SO2與氧化鋅漿液反應生成ZnSO3，同時煙氣溫度降至52 ℃；然后進入二級脫硫塔，進一步脫除煙氣中的SO2，最后經(jīng)二級脫硫塔冷卻段降溫至小于或等于40 ℃進入煙囪達標排放。

3.3 壓濾工序

壓濾工序主要由脫硫壓濾機、水洗壓濾機、脫硫液中間槽、濾液槽、水洗液中間槽、清液槽及配套的槽泵等組成。

脫硫液中間槽根據(jù)液位情況送至脫硫壓濾機，壓濾后的亞硫酸鋅濾餅自動落入卸料斗中；水洗液中間槽根據(jù)液位情況加入碳酸鈉沉鋅，再送至水洗壓濾機，壓濾后的含鋅濾餅自動落入卸料斗中。壓濾工序采用隔膜板框壓濾機，濾餅含水低，不粘濾板，自動拉板動作時即可卸料。

4 主要特點

南方公司銻銀系統(tǒng)煙氣脫硫裝置投產(chǎn)即連續(xù)穩(wěn)定運行，尾氣多項指標低于GB 25466—2010《鉛、鋅工業(yè)污染物排放標準》規(guī)定的限值。脫硫后排放氣體ρ(SO2) ≤100 mg/m3，顆粒物(ρ) ≤20 mg/m3，酸霧(ρ) ≤10 mg/m3，具體檢測數(shù)據(jù)見表1。

表1 脫硫尾氣檢測數(shù)據(jù)

4.1 脫硫劑

煙氣脫硫所需的脫硫劑采用煙化爐布袋收塵得到的次氧化鋅煙塵（≥200 目占約74%），煙塵w(Zn) 約53%，較煙化爐余熱鍋爐收得的煙塵Zn含量更高、粒徑更小、對塔、泵、管道的磨蝕更小，且產(chǎn)量完全滿足脫硫需求。由于煙塵粒徑較小，直接通過氣力輸送至次氧化鋅料倉儲存用于配漿。因此，脫硫劑無須外購和汽車運輸。

4.2 脫硫產(chǎn)物

脫硫漿液經(jīng)壓濾得到的含水濾餅成分主要為氧化鋅、 亞硫酸鋅，w(H2O) ≤25% ；水洗液經(jīng)壓濾得到的濾餅成分主要為碳酸鋅、含鋅煙塵，w(H2O) ≤25%。兩種濾餅均送入南方公司鋅系統(tǒng)沸騰爐配料，通過高溫熱分解回收其中的Zn 和S元素，Zn 以ZnO 進入高溫焙砂，S 以SO2進入制酸煙氣。副產(chǎn)物全部返回系統(tǒng)回收利用，無固廢產(chǎn)生，與冶煉和制酸系統(tǒng)形成了有機結合，符合循環(huán)經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)導向。

4.3 脫硫設備

洗滌塔采用空塔，塔內(nèi)采用兩級循環(huán)液噴淋，洗滌塔煙氣進口的耐高溫套管設事故水口，連接事故水管網(wǎng)。事故水通過電磁閥與系統(tǒng)連鎖，防止停電或事故時高溫煙氣燒壞玻璃鋼材質(zhì)的洗滌塔。

水洗凈化后的煙氣進入兩級串聯(lián)的脫硫塔，通過兩級脫硫充分脫除煙氣中的SO2。脫硫塔帶高效洗滌器，設置3 個噴嘴同時噴淋。洗滌器和噴頭采用耐磨耐腐蝕材料，保證脫硫系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。為強化脫硫效果，噴淋段采用合適的液氣比，使煙氣與脫硫漿液在洗滌器內(nèi)充分接觸，SO2與循環(huán)液中ZnO 反應，兩級總脫硫率達到98.75% 以上。

脫硫循環(huán)泵采用耐磨耐腐蝕合金泵，葉輪和機殼耐磨損的性能好；每級脫硫設3 臺循環(huán)泵，分別對應洗滌器的3 個噴嘴，由于循環(huán)泵出口料漿管為單線管道，無盲點，可避免堵塞現(xiàn)象，管道阻力也更小。

4.4 場地布置

銻銀系統(tǒng)主體建成后，只有空壓機房旁的38 m×40 m 的場地可供建設脫硫系統(tǒng)。長沙有色院在設計中對工藝、操作、安裝和檢修進行了充分優(yōu)化，對增壓風機、漿液制備工序、脫硫工序、壓濾工序、配電室和控制室等進行合理布置，解決了場地狹窄的問題。另外，所有漿液管道盡可能采用大坡度以防止堵塞，并設管網(wǎng)水沖洗口。

4.5 自動化控制

系統(tǒng)各關鍵點pH 值、溫度、壓力和在線監(jiān)測數(shù)據(jù)實時反饋在DCS 控制系統(tǒng)，通過自動閥控制配漿、補漿、排漿、補水、壓濾和管道沖洗等過程，并對循環(huán)槽液固比進行監(jiān)測。裝置自動化程度高，運行成本低。

5 關鍵技術創(chuàng)新

新型氧化鋅脫硫煙氣處理系統(tǒng)主要創(chuàng)新點在于脫硫塔形式及配套設備的組合，包括脫硫塔塔槽分離、脫硫塔氣液分離、脫硫塔冷卻段，關鍵的二級脫硫塔為長沙有色院專利技術產(chǎn)品（一種組合式高效脫硫塔，專利號：202020551035.5）。

5.1 脫硫塔塔槽分離

一級和二級脫硫塔帶高效洗滌器，采用塔槽分離結構，氣液分離器下方設逐漸減小的錐段，錐段底部大開孔，循環(huán)漿液自流入下方的循環(huán)槽，再經(jīng)泵送至對應脫硫塔。單獨設置帶攪拌的立式循環(huán)槽，可有效保證循環(huán)漿液攪拌充分，防止設備內(nèi)出現(xiàn)因固體沉積造成結垢堵塞，并充分發(fā)揮高效洗滌器的脫硫效果，提高氧化鋅的利用率。

一級和二級脫硫塔循環(huán)槽漿液pH 值分別控制在合理范圍，如pH 值低，向?qū)难h(huán)槽補充新的次氧化鋅漿液。一級和二級脫硫循環(huán)槽漿液根據(jù)pH 值連續(xù)向脫硫液中間槽排出；脫硫濾液中Zn2+達到一定濃度時可排放至水洗液中間槽。

5.2 脫硫塔氣液分離

煙氣在洗滌器與漿液逆流接觸后夾帶漿液進入氣液分離器，氣速降低后氣體和漿液充分分離。分離后的脫硫漿液由氣液分離器下方錐段出口隨即排出，避免脫硫劑沉積；為盡可能加強氣液分離效果，將二級脫硫塔氣液分離器特殊制作，減小進入冷卻段的脫硫劑含量，防止冷卻段下方風帽板堵塞和冷卻段結垢。

5.3 二級脫硫塔冷卻段

經(jīng)兩級脫硫后的煙氣溫度約52 ℃，并夾帶一定未完全分離的脫硫劑，進入二級脫硫塔氣液分離器上方的冷卻段。在冷卻段內(nèi)，煙氣與冷卻循環(huán)液充分接觸，夾帶的固體脫硫劑被充分洗滌脫除進入循環(huán)液中，煙氣溫度降至40 ℃，再經(jīng)冷卻段上方的除霧器后進入煙囪達標排放。冷卻段下方設特殊的防堵風帽板，煙氣順利通過而循環(huán)冷卻液被截留從側壁出口排出，進入循環(huán)冷卻液槽。

循環(huán)冷卻液槽的循環(huán)液，由泵送至循環(huán)冷卻液換熱器，與循環(huán)冷卻水換熱后進入塔內(nèi)布液裝置和冷卻段，煙氣降溫產(chǎn)生的冷凝水合并進入循環(huán)冷卻液槽，開路至二級脫硫循環(huán)槽或配漿槽補液。因此，二級脫硫塔冷卻段在降低尾氣顆粒物和水分含量的同時，減少了工藝新水消耗。

裝置自投運以來，二級脫硫塔冷卻段和除霧器未出現(xiàn)任何結垢和堵塞，尾氣顆粒物指標好于預期，降溫除霧效果明顯，以較小的投資增加獲得了理想的煙氣處理效果。

6 結 語

長沙有色院開發(fā)的新型氧化鋅脫硫煙氣處理系統(tǒng)成功應用于南方公司銻銀系統(tǒng)煙化爐和還原爐煙氣處理。該項目采用兩級高效脫硫塔，脫硫塔采用塔槽分離結構，二級脫硫塔設煙氣冷卻段。煙氣排放指標優(yōu)異且運行成本低，解決了氧化鋅脫硫工藝的尾氣霧沫夾帶和拖尾難題；使氧化鋅脫硫技術在環(huán)保指標日益嚴格的趨勢下，煥發(fā)了新的生命力。該新型氧化鋅脫硫煙氣處理系統(tǒng)適用于鋅冶煉廠和鉛鋅聯(lián)合企業(yè)，同時還可應用于石灰、石灰石等含固脫硫劑的濕法煙氣脫硫工藝。