雙氧水脫硫工藝設(shè)計(jì)和應(yīng)用中存在的問題和建議

李 俊，高振龍

（1.中國(guó)瑞林工程技術(shù)股份有限公司，江西南昌 330031；2.吉林吉恩鎳業(yè)股份有限公司冶煉廠，吉林磐石 132300）

雙氧水脫硫工藝具有脫硫效率高、工藝流程簡(jiǎn)單、系統(tǒng)運(yùn)行可靠、維護(hù)容易等優(yōu)點(diǎn)，且產(chǎn)出的稀硫酸有回收利用價(jià)值，目前在有色冶煉和制酸行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛[1]。特別是制酸系統(tǒng)的尾氣采用雙氧水脫硫后，產(chǎn)出的稀硫酸可直接返回干吸工序調(diào)節(jié)酸濃度，既回收了硫資源又沒有額外的污染物產(chǎn)出，屬于比較理想的可資源化脫硫方法之一[2]。筆者對(duì)雙氧水脫硫工藝在設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用中存在的問題進(jìn)行探討，以期對(duì)該工藝的推廣和優(yōu)化完善起到積極作用。

1 煙氣預(yù)處理

在進(jìn)入雙氧水脫硫塔之前，除了少數(shù)比較干凈且溫度不高的煙氣（比如制酸系統(tǒng)的尾氣）不需要進(jìn)行預(yù)處理外，其他來自各種工業(yè)爐窯、環(huán)境集煙的含SO2煙氣均不同程度地存在溫度偏高、含塵較大且成分復(fù)雜等特點(diǎn)，必須對(duì)煙氣進(jìn)行預(yù)處理（即對(duì)煙氣進(jìn)行降溫和除塵），以保障雙氧水脫硫系統(tǒng)的脫硫效率和副產(chǎn)品質(zhì)量。

1.1 煙氣降溫

進(jìn)入脫硫塔的煙氣溫度不能太高，否則不但影響脫硫效率，而且對(duì)脫硫塔材質(zhì)選擇造成困難。對(duì)于含水量較小的煙氣，采用噴淋塔通過水噴淋一般就能達(dá)到降溫的效果。但對(duì)于含水量較高或者含水幾近飽和的煙氣，則需要對(duì)循環(huán)液進(jìn)行冷卻以達(dá)到移除熱量的目的。降溫過程通常要和除塵結(jié)合在一起整體考慮。

1.2 煙氣除塵

進(jìn)入脫硫塔的煙氣中塵含量和雜質(zhì)含量會(huì)直接影響產(chǎn)出稀硫酸的品質(zhì)和利用價(jià)值。若稀硫酸要送往干吸工序調(diào)節(jié)酸濃度，則煙氣進(jìn)入脫硫塔前必須經(jīng)過嚴(yán)格的煙氣凈化處理。若煙氣塵含量不高，如陽(yáng)極爐煙氣和環(huán)集煙氣等塵質(zhì)量濃度小于50 mg/m3的煙氣，通過采用噴淋塔除塵降溫可達(dá)到預(yù)期效果。若是其他塵含量較高的爐窯煙氣，則要設(shè)置高效的濕式除塵設(shè)備（如文丘里洗滌器、動(dòng)力波洗滌器等），甚至還要設(shè)置濕式電除霧器，這樣一來預(yù)處理的投資將大為增加。當(dāng)然，若對(duì)副產(chǎn)稀硫酸的品質(zhì)要求不高（如送往選冶浸出工序），預(yù)處理措施則不需要如此嚴(yán)格。因此，針對(duì)預(yù)處理的投資和產(chǎn)品的去向需要做權(quán)衡，采用比較合理的方案。特別是當(dāng)預(yù)處理的投資大而稀硫酸沒有合適的去處時(shí)，也可考慮采用其他更為經(jīng)濟(jì)合理的脫硫工藝。

2 雙氧水儲(chǔ)存

雙氧水性質(zhì)不太穩(wěn)定，在溫度高于35 ℃后就容易分解為水和氧氣。因此雙氧水儲(chǔ)罐需要設(shè)置遮陽(yáng)棚避免太陽(yáng)直射。按GB 51284—2018《煙氣脫硫工藝設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》要求，雙氧水儲(chǔ)罐必須設(shè)置溫度監(jiān)測(cè)、報(bào)警和聯(lián)鎖裝置。當(dāng)儲(chǔ)罐內(nèi)溫度達(dá)到35 ℃時(shí)，應(yīng)啟動(dòng)報(bào)警，同時(shí)應(yīng)自動(dòng)啟動(dòng)噴淋水降溫裝置。因?yàn)槠綍r(shí)有遮陽(yáng)棚防曬，此噴淋降溫裝置僅為應(yīng)急之用，不會(huì)設(shè)置噴淋水回收裝置。然而當(dāng)南方炎熱的夏季到來時(shí)，室外溫度往往高達(dá)40 ℃以上，即使設(shè)置了遮陽(yáng)棚，儲(chǔ)罐內(nèi)溫度也難以維持在35 ℃以下，此時(shí)應(yīng)急噴淋水裝置便成了常開裝置。而噴淋水一般是采用溫度較低的新水，若讓這些新水源源不斷地噴下落地成為廢水，顯然是一種浪費(fèi)。因此在氣溫較高的南方地區(qū)，建議在設(shè)置噴淋降溫裝置時(shí)要考慮同時(shí)設(shè)置噴淋水回收循環(huán)利用的裝置，以降低水耗。

脫硫采用的雙氧水w(H2O2)一般為27.5%，其凝固點(diǎn)約在-25 ℃，因此儲(chǔ)罐一般設(shè)置在室外。但在一些極度寒冷地區(qū)，冬季室外溫度低于-30 ℃，此時(shí)就需要選擇濃度高一些的雙氧水[如w(H2O2)35%或w(H2O2)50%]作為脫硫劑，或者將儲(chǔ)罐設(shè)置在室內(nèi)。當(dāng)儲(chǔ)罐設(shè)置在室內(nèi)時(shí)，因儲(chǔ)罐頂部設(shè)有氣體排空口和安全閥，為安全起見，室內(nèi)應(yīng)設(shè)置氧濃度報(bào)警儀，并聯(lián)鎖強(qiáng)制通風(fēng)設(shè)施。

無論雙氧水儲(chǔ)罐設(shè)置在室外或室內(nèi)，都應(yīng)設(shè)置圍堰以防止雙氧水罐爆罐或大量泄漏。根據(jù)《危險(xiǎn)化學(xué)品目錄（2015版）實(shí)施指南》（安監(jiān)總廳管三〔2015〕80號(hào)文）規(guī)定，雙氧水溶液為20%≤w(H2O2)＜60%時(shí)，其危險(xiǎn)性為氧化性液體，類別2。結(jié)合GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》，w(H2O2)為20%~60%的雙氧水溶液其火災(zāi)危險(xiǎn)性分類為乙類。因此雙氧水儲(chǔ)罐和圍堰的設(shè)計(jì)應(yīng)按照GB 50016—2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》中乙類液體儲(chǔ)罐（區(qū)）的防火間距執(zhí)行。當(dāng)儲(chǔ)罐和圍堰設(shè)置在室內(nèi)時(shí)，還應(yīng)滿足乙類倉(cāng)庫(kù)的防火間距要求。

3 雙氧水添加

雙氧水的添加主要涉及到添加泵、管道設(shè)置和流量控制。

3.1 添加泵選擇和流量控制

最常用的添加泵是離心泵和計(jì)量泵。離心泵因其管道設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、操作簡(jiǎn)便和價(jià)格較低，通常成為首選泵。然而脫硫消耗的雙氧水量往往很小，折合成體積流量有的甚至不到1 m3/h，一般離心泵的規(guī)格沒有這么小的，因此需要設(shè)置回流管道。常規(guī)做法是在泵出口設(shè)置自動(dòng)調(diào)節(jié)閥（組），與需要控制的參數(shù)信號(hào)形成調(diào)節(jié)回路來自動(dòng)控制流量，多余的雙氧水通過回流管返回。然而在實(shí)際操作中由于儀表信號(hào)反饋到調(diào)節(jié)閥動(dòng)作會(huì)有滯后，且流量太小的情況下自動(dòng)閥精度也不夠，因此自動(dòng)閥往往無法實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定的調(diào)節(jié)，而是變成了時(shí)而全開、時(shí)而全關(guān)的間歇?jiǎng)幼?。而回流管道上的手?dòng)閥門又無法及時(shí)調(diào)整，結(jié)果造成雙氧水添加量不足或者出現(xiàn)憋泵現(xiàn)象，前者影響尾氣達(dá)標(biāo)排放，后者影響泵的使用壽命。鑒于這種情況，建議在回流管道上增設(shè)自動(dòng)閥，遠(yuǎn)程手動(dòng)調(diào)節(jié)或者與泵出口主管上的自動(dòng)閥聯(lián)鎖，而且可以由連續(xù)調(diào)節(jié)改為間歇操作。當(dāng)然也可以采用變頻調(diào)速的方式來實(shí)現(xiàn)流量的調(diào)節(jié)，但當(dāng)離心泵流量實(shí)在太小時(shí)，變頻調(diào)速的調(diào)節(jié)精度同樣不高且會(huì)影響泵的揚(yáng)程，因此不建議采用。

當(dāng)雙氧水添加量較小時(shí)，為實(shí)現(xiàn)比較精確的連續(xù)添加，建議采用隔膜式計(jì)量泵。計(jì)量泵屬于容積泵，可將需要控制的參數(shù)信號(hào)與泵的行程長(zhǎng)度形成調(diào)節(jié)回路來自動(dòng)調(diào)節(jié)流量，這樣計(jì)量精度高，而且即使在小流量下，仍可以滿足線性調(diào)節(jié)。若與往復(fù)頻率的調(diào)節(jié)結(jié)合在一起，調(diào)節(jié)精度會(huì)更高。這比在泵出口設(shè)置調(diào)節(jié)閥（組）和回流管的調(diào)節(jié)方式更可靠且節(jié)約能耗，也不會(huì)出現(xiàn)憋泵的問題。當(dāng)然，計(jì)量泵價(jià)格相對(duì)要貴一些，而且需要在管道上設(shè)置緩沖罐和安全泄放閥（若是液壓隔膜式計(jì)量泵會(huì)自帶）等附件，管路設(shè)置相對(duì)復(fù)雜一些。

3.2 加入位置選取

雙氧水的添加量會(huì)直接影響到尾排SO2濃度。雖然雙氧水通過管道直接加入脫硫塔中是最直接和簡(jiǎn)單的方法，但當(dāng)塔底部存液量較大，少量加入的雙氧水在液相擴(kuò)散混合，再被循環(huán)泵吸入送至塔上部的噴淋裝置，會(huì)有滯后的時(shí)間，再加上儀表反饋本身也會(huì)有滯后，為防止尾排SO2濃度超標(biāo)，其設(shè)定值就需要調(diào)得更低，這樣會(huì)無形中增加了雙氧水的消耗量。因此，會(huì)有設(shè)計(jì)者考慮將雙氧水直接加入泵的循環(huán)管道中以縮短滯后時(shí)間。若從泵吸入口加入混合效果會(huì)比較好，但鑒于雙氧水溫度稍高就容易分解出氧氣的特性，由泵入口加入會(huì)有不安全因素。因此在脫硫塔噴淋裝置的入口管道處加入雙氧水成為比較常見的選擇，但此方式也存在一些問題：①雙氧水添加泵的揚(yáng)程要增加到略大于循環(huán)泵的揚(yáng)程，才能保證雙氧水能添加進(jìn)去，這樣泵的電耗會(huì)增加；②雙氧水與脫硫循環(huán)液的混合可能不夠均勻，從而影響脫硫效率；③雙氧水的添加泵、管道和閥門若采用的是不銹鋼材質(zhì)，一旦添加泵停運(yùn)或壓頭下降，循環(huán)的脫硫液（主要是稀硫酸）就會(huì)倒流入管道，造成管道、閥門甚至是設(shè)備的腐蝕。這些問題可以通過設(shè)置止回閥或者將管道和閥門的材質(zhì)都改成鋼襯塑、高密度聚乙烯等非金屬材料予以解決。

實(shí)際上，雙氧水的不同加入位置可以說是各有利弊，有待在進(jìn)一步的實(shí)踐中得到完善。

4 主要設(shè)備材質(zhì)選擇

雙氧水脫硫主要設(shè)備包括脫硫塔、雙氧水儲(chǔ)槽、稀酸儲(chǔ)槽等。

鑒于介質(zhì)環(huán)境，雙氧水脫硫塔一般采用玻璃鋼材質(zhì)制作。建議玻璃鋼的耐腐蝕層采用酚醛環(huán)氧乙烯基酯類樹脂，由于酚醛環(huán)氧乙烯基酯類樹脂是采用高環(huán)氧值、多功能的酚醛環(huán)氧樹脂與甲基丙烯酸反應(yīng)而生成，主要用于存在溶劑、氧化性介質(zhì)和高溫等腐蝕性環(huán)境，可耐溫度65 ℃以下、w(H2O2)小于30%雙氧水的腐蝕，同時(shí)可耐溫度50 ℃以下、w(H2SO4)小于70%硫酸的腐蝕。因此，對(duì)于既要耐雙氧水又要耐硫酸腐蝕的脫硫塔，酚醛環(huán)氧乙烯基酯類樹脂玻璃鋼是比較理想的材料[3]。

雙氧水脫硫塔一般采用的是填料塔，填料采用增強(qiáng)聚丙烯材質(zhì)，上部設(shè)置增強(qiáng)聚丙烯材質(zhì)的折流板除霧器，以除去大顆粒霧滴。

需要引起重視的是，脫硫塔入口氣體管道通常采用的是普通碳鋼，脫硫塔入口煙氣帶有SO3或硫酸霧，如果前端設(shè)備吸收效率下降或操作不當(dāng)，造成脫硫塔入口煙氣中硫酸霧量增大，非常容易造成氣體管道入口處的腐蝕。在這種情況下，建議在雙氧水脫硫塔氣體入口處增設(shè)聚四氟乙烯的套管，同時(shí)將氣體入口改成帶一定角度的插入管，以防止SO3或硫酸霧對(duì)入口管道的腐蝕。

雙氧水儲(chǔ)槽可采用立式儲(chǔ)槽或臥式儲(chǔ)槽，材質(zhì)可選用纏繞聚丙烯或316L等。根據(jù)安全要求，雙氧水儲(chǔ)槽需設(shè)置現(xiàn)場(chǎng)及遠(yuǎn)程液位計(jì)、安全閥、氣體排空管、溫度檢測(cè)報(bào)警器及噴淋水降溫裝置，因此，在實(shí)際應(yīng)用中選用316L材質(zhì)更便于這些附著物的安裝和支撐。

5 尾排硫酸霧控制

雙氧水脫硫的產(chǎn)物是稀硫酸，脫硫后的煙氣中不可避免地?cái)y帶有硫酸霧，僅靠在脫硫塔上部設(shè)置普通折流板式除霧器是無法滿足硫酸霧濃度控制要求的，需要在脫硫塔后設(shè)置除霧裝置。濕式電除霧器是比較理想的除霧設(shè)備，可以完全滿足尾排硫酸霧指標(biāo)的要求。但當(dāng)脫硫裝置規(guī)模較大時(shí)，濕式電除霧器的費(fèi)用也會(huì)很高。若要降低投資，也可考慮在脫硫塔上部設(shè)置2~3段屋脊式除霧器，并配合水噴淋系統(tǒng)，以期尾排硫酸霧達(dá)到指標(biāo)要求。當(dāng)尾排硫酸霧指標(biāo)要求特別嚴(yán)格時(shí)（比如硫酸霧質(zhì)量濃度小于或等于10 mg/m3）建議采用濕式電除霧器。

6 應(yīng)用實(shí)例

2019年9月中國(guó)瑞林工程技術(shù)股份有限公司簽訂的吉林吉恩鎳業(yè)股份有限公司冶煉廠硫酸尾氣脫硫EPC總承包項(xiàng)目，處理煙氣量為7×104m3/h，煙 氣ρ(SO2)為1 g/m3、ρ(SO3)為200 mg/m3，合 同要求最終尾排指標(biāo)為：ρ(SO2)≤100 g/m3，硫酸霧(ρ)≤20 g/m3，顆粒物(ρ)≤10 g/m3。

該項(xiàng)目于2019年10月開始土建施工，2020年4月開始設(shè)備及工藝管道、電儀等安裝，2020年7月硫酸尾氣脫硫接入系統(tǒng)投入使用，實(shí)際工況是進(jìn)入脫硫系統(tǒng)的煙氣ρ(SO2)在300~1 500 mg/m3，根據(jù)在線監(jiān)測(cè)及實(shí)測(cè)，脫硫塔出口煙氣ρ(SO2)在0~50 mg/m3（根據(jù)添加的雙氧水量多少而定），硫酸霧(ρ)在10 mg/m3以下。產(chǎn)生的稀酸全部進(jìn)入原硫酸系統(tǒng)干吸工序作為補(bǔ)充水，實(shí)現(xiàn)了整個(gè)系統(tǒng)的閉路循環(huán)。

7 結(jié)語(yǔ)

雙氧水法脫硫既回收了硫資源又沒有額外的污染物產(chǎn)出，是比較理想的脫硫方法之一。筆者結(jié)合雙氧水脫硫工藝設(shè)計(jì)及生產(chǎn)操作中的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)提出的優(yōu)化改進(jìn)建議，值得在硫酸行業(yè)推廣應(yīng)用。