雙氧水脫硫工藝設(shè)計與應(yīng)用

王旭明

（江西銅業(yè)集團（貴溪）防腐工程有限公司，江西 貴溪 335424）

1 引言

近年，隨著國家環(huán)保要求逐步提高，雙氧水（過氧化氫水溶液）脫硫因工藝流程簡單、操作容易、脫硫效率高、投資較低而被運用于硫酸尾氣、有色冶煉爐窯環(huán)集煙氣、再生銅冶煉爐窯煙氣脫除二氧化硫［1］。但脫硫煙氣前端工藝不同，煙氣特點與條件存在較大差異，如未能充分識別差異性，易造成設(shè)計失誤或偏差。

因此，應(yīng)充分分析脫硫煙氣前端工藝生產(chǎn)特點，結(jié)合安全、環(huán)保等相關(guān)要求，明確雙氧水脫硫工藝設(shè)計思路和重點，優(yōu)化設(shè)計方案，在降低生產(chǎn)成本、安全環(huán)保風(fēng)險條件下，滿足環(huán)保及生產(chǎn)要求。

2 雙氧水脫硫原理及工藝流程

2.1 脫硫原理

脫硫原理見式（1）至式（3）。

副反應(yīng)：

工業(yè)上一般采用27.5%濃度雙氧水，理論上脫除1t SO2消耗27.5%雙氧水1.932t。一般情況下雙氧水會緩慢分解成水和氧氣，降低利用率。同時 H2SO4可與H2O2反應(yīng)生成具有強氧化性的H2S2O8（過二硫酸），當(dāng)體系酸性過強，脫硫效率下降，過氧化氫不太穩(wěn)定，會快速分解而損失，在溶液達(dá)到一定濃度時，外排部分稀硫酸控制溶液酸度［2］。理論上脫除1t SO2產(chǎn)生20%稀硫酸7.66t。

2.2 工藝流程

脫硫工藝主要包括四個部分：（1）吸收劑（雙氧水）存儲與輸送；（2）脫硫煙氣預(yù)處理；（3）煙氣脫硫；（4）副產(chǎn)物外排或回用。

首先含煙塵、SO2的煙氣進(jìn)行預(yù)處理塔，除塵、降溫、除酸霧；經(jīng)預(yù)處理后煙氣進(jìn)入脫硫塔，將雙氧水溶液稀釋至8.5%左右的安全濃度后進(jìn)入脫硫塔；在塔內(nèi)，煙氣與稀釋后雙氧水溶液逆流接觸，氣液兩相發(fā)生快速傳質(zhì)反應(yīng)，煙氣中SO2被氧化后充分吸收脫除，生成硫酸，煙氣經(jīng)脫硫塔上部絲網(wǎng)除沫器截留微小液滴后經(jīng)煙囪排放；循環(huán)過程定期排出部分副產(chǎn)品稀硫酸，控制循環(huán)溶液稀酸濃度，排出稀硫酸根據(jù)雜質(zhì)含量進(jìn)行回收利用或送廢酸處理［3］。

3 工藝設(shè)計與應(yīng)用

3.1 雙氧水脫硫設(shè)計

（1）預(yù)處理塔熱平衡設(shè)計：預(yù)處理塔出口與脫硫塔出口煙氣溫差影響脫硫塔熱量與水分帶入量。預(yù)處理塔帶出熱量過高，造成脫硫塔循環(huán)液溫度上升，雙氧水加速分解，脫硫效率下降，直接影響雙氧水用量。另一方面脫硫塔入塔煙氣含水分升高，同時增大煙氣量，氣液分離效果下降，造成脫硫塔水平衡失控。預(yù)處理塔入塔熱量主要由煙氣含水量和入塔氣溫決定，根據(jù)爐窯精礦或原料含水量、燃劑生成水分、助燃和稀釋空氣等含水量條件計算入塔總熱量。當(dāng)入塔總熱量及含水偏高時，入塔前噴淋降溫效率下降，應(yīng)根據(jù)入塔總熱量和含水量確定入塔前噴淋急速降溫設(shè)計、塔內(nèi)噴淋洗滌降溫設(shè)計。以預(yù)處理塔出口設(shè)計溫度與入塔總熱量計算板式冷卻器面積、塔上部氣速，以確定塔徑，保證氣液分離效果，減少氣液夾帶。

（2）脫硫塔水平衡由出入塔煙氣溫度、預(yù)處理塔煙氣夾帶、雙氧水溶液中水分、稀酸產(chǎn)出量共同決定。在控制好預(yù)處理塔熱平衡條件下，影響水平衡為雙氧水溶液含水、稀酸產(chǎn)出量兩個條件。理論上將27.5%稀釋至8.5%后與1t SO2完全反應(yīng)帶入水分6t，稀酸產(chǎn)出平衡濃度為20%。生產(chǎn)過程中，因雙氧水分解、脫硫效率下降等原因雙氧水實際用量高于理論值，其帶入水量難以維持稀酸20%濃度。同時，考慮稀酸回用或廢酸處理量，應(yīng)適當(dāng)提高外排稀酸濃度。因此，在實際生產(chǎn)過程中，在保證脫硫塔循環(huán)液中雙氧水安全濃度內(nèi)應(yīng)盡量提高雙氧水入塔濃度維持脫硫塔水平衡。

（3）預(yù)處理塔入口煙氣中含有粉塵、SO3和酸霧，通過預(yù)處理塔外排廢酸平衡雜質(zhì)，維持預(yù)處理塔循環(huán)液懸浮物含量和濃度。當(dāng)煙氣中粉塵、SO3和酸霧含量上升時，增大后續(xù)廢酸處理負(fù)荷。因此，應(yīng)根據(jù)煙氣含塵、煙氣中SO3和酸霧量等設(shè)計條件，增加固液分離設(shè)備以控制循環(huán)液懸浮物含量和濃度，減少廢酸產(chǎn)出量，實現(xiàn)預(yù)處理塔雜質(zhì)平衡。

（4）為維持脫硫塔水平衡、控制脫硫塔外排稀酸濃度和提高脫硫效率，雙氧水稀釋后濃度超過8.5%。因此設(shè)計上應(yīng)考慮通過儀表邏輯控制精確稀釋過程，防止雙氧水過量添加，以保證脫硫塔內(nèi)循環(huán)液雙氧水安全濃度。同時應(yīng)考慮通過儀表邏輯程序控制找出不同稀酸濃度條件下脫硫效率及雙氧水用量關(guān)系，以提高脫硫效率，降低生產(chǎn)成本。

（5）雙氧水具有強氧化性，在脫除SO2后仍具有對氮氧化物一定氧化能力，會對脫硫塔稀酸回用造成影響。因此雙氧水脫硫處理含氮氧化物煙氣時，應(yīng)充分考慮稀酸回用和脫硝設(shè)計。

3.2 不同煙氣條件的應(yīng)用

有色冶煉煙氣大都可采用雙氧水脫硫工藝，常見幾種煙氣成分見表1。

表1 煙氣成分

（1）硫酸尾氣為絕干煙氣，不含其他雜質(zhì)，總熱量較低，不須考慮煙氣預(yù)處理和脫硝，脫硫塔稀硫酸可返回干吸工序回用。主要考慮入塔濃酸與稀酸過渡段設(shè)計和回用水平衡控制。

（2）冶金爐窯泄漏煙氣通過負(fù)壓收集形成環(huán)集煙氣，環(huán)集煙氣由少量工藝煙氣和大量空氣組成，含少量煙塵，基本不含氮氧化物。設(shè)計上采用預(yù)處理塔降溫、除塵，強化洗滌效果，減少帶入脫硫塔雜質(zhì)，滿足脫硫塔稀硫酸回用電解車間。預(yù)處理塔循環(huán)液外排作為送廢酸工序處理。

（3）再生銅冶煉煙氣為冶煉過程煙氣，總熱量、煙塵、氮氧化物含量較高。設(shè)計上應(yīng)優(yōu)先考慮采用天然氣替代重油、改進(jìn)天然氣燃燒噴槍等方式降低SO2、氮氧化物。設(shè)計上須考慮前端增加中高溫脫硝或后端增加應(yīng)急堿洗塔以控制排放煙氣氮氧化物含量。采用天然氣作為燃料，煙氣帶入系統(tǒng)總熱量上升，設(shè)計上須對預(yù)處理塔進(jìn)行熱平衡設(shè)計，增加冷卻設(shè)備，強化煙氣降溫、除塵、移熱效果。由于預(yù)處理塔循環(huán)液雜質(zhì)含量高，脫硫塔稀硫酸中溶含稀硫酸、稀硝酸及鈉鹽，回用難度較大，送廢酸工序處理［4］。

3.3 脫硫工藝生產(chǎn)成本

運行成本是確定脫硫工藝的重要因素，雙氧水脫硫工藝運行成本主要由電耗、脫硫劑費用構(gòu)成。

（1）電耗：電耗由脫硫煙氣量和脫硫裝置阻力降決定。理論上再生銅冶煉煙氣量＜硫酸尾氣量＜冶煉環(huán)集煙氣量； 脫硫煙氣條件越好，設(shè)計越簡單，裝置阻力降越低，理論上硫酸尾氣脫硫裝置阻力降＜環(huán)集煙氣脫硫裝置阻力降＜再生銅冶煉煙氣脫硫阻力降。

設(shè)計上，可通過硫酸高濃度轉(zhuǎn)化工藝改造和升級，降低硫酸尾氣；通過提高冶煉爐窯密封性減少冶煉環(huán)集煙氣；改進(jìn)冶煉爐窯物料添加方式，減少雜銅原料雜質(zhì)含量，增加布袋除塵器等方式優(yōu)化煙氣條件，降低脫硫裝置阻力降。

（2）脫硫劑費用由脫除SO2總量決定，通過工藝優(yōu)化、降低原料含硫量、采用清潔燃料等方式，降低脫硫裝置SO2總量。同時必須保證所在區(qū)域具備完善穩(wěn)定供應(yīng)鏈及合理采購價格，以降低脫硫劑費用。

3.4 安全設(shè)計

雙氧水運輸和存儲過程中遇強光照射或受熱分解會產(chǎn)生氧氣，屬于危險化學(xué)品，CAS登錄號7722-84-1。根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB18218-2009《危險化學(xué)品重大危險源辯識》，過氧化氫水溶液含量大于20%但不超過60%，存儲臨界量為200t［5］。因此，須嚴(yán)格遵守雙氧水安全使用、生產(chǎn)、儲存、運輸、裝卸等安全規(guī)定及辦理相關(guān)安全許可證。

雙氧水存儲量應(yīng)滿足7～10d生產(chǎn)要求。因此設(shè)計上應(yīng)有效降低脫硫裝置入口SO2總量，從而減少雙氧水存儲量，降低安全風(fēng)險［6］。

雙氧水脫硫大部分采用玻璃鋼等非金屬設(shè)備。因此，除通過預(yù)處理塔入口噴淋降溫防止高溫?zé)煔馀c非金屬直接接觸，還須增設(shè)應(yīng)急循環(huán)泵及高位水槽等方式保證各種生產(chǎn)應(yīng)急條件下設(shè)備安全。

3.5 環(huán)保設(shè)計

雙氧水脫硫工藝設(shè)計上優(yōu)先考慮不產(chǎn)生或少產(chǎn)生酸性廢水，根據(jù)脫硫煙氣條件與雜質(zhì)含量，強化除塵、洗滌效果，降低預(yù)處理塔、脫硫塔稀硫酸雜質(zhì)含量，就近根據(jù)濃度梯級進(jìn)行逐級回用，提升雙氧水脫硫應(yīng)用范圍［7］。

4 結(jié)語

針對不同煙氣條件和特點，結(jié)合安全、環(huán)保要求，不斷優(yōu)化、改進(jìn)工藝，有效調(diào)整雙氧水脫硫工藝設(shè)計，全面降低生產(chǎn)成本、安全隱患、環(huán)保隱患。