噴淋塔除酸效果的影響因素分析及優(yōu)化措施

肖 宇，蘇 威，徐小龍，李四清，伍京川，謝 建

(1.中冶賽迪工程技術(shù)股份有限公司，重慶 401120； 2.寶鋼湛江鋼鐵有限公司，廣東 湛江 524003；3.中冶賽迪技術(shù)研究中心有限公司，重慶 401120)

近20年來(lái)，全干法布袋除塵技術(shù)憑借其節(jié)能、節(jié)水、污染少、除塵效率高、綜合社會(huì)效益高等諸多優(yōu)點(diǎn)，成為國(guó)內(nèi)高爐煤氣凈化工藝的首選[1]。

但是干法除塵系統(tǒng)很難處理高爐煤氣中的酸性氣體(HCl、SO2、SO3、H2S等)[2-4]，從而導(dǎo)致高爐煤氣中酸性氣體含量升高，給高爐煤氣管道系統(tǒng)、TRT和熱風(fēng)爐的正常運(yùn)行帶來(lái)危害。隨著此類(lèi)問(wèn)題日趨嚴(yán)重，部分鋼鐵企業(yè)采取建設(shè)煤氣噴淋塔的方式用于除酸，但現(xiàn)有的噴淋塔除酸工藝未能使酸性煤氣得到有效中和，行業(yè)內(nèi)煤氣管道及附屬設(shè)備快速腐蝕失效問(wèn)題日益突出[5]。

某公司2座高爐的煤氣除塵工藝也采用干法除塵配套噴淋塔，1號(hào)高爐2015年投運(yùn)和2號(hào)高爐2016年投運(yùn)以來(lái)，也先后出現(xiàn)高爐煤氣冷凝水呈強(qiáng)酸性(煤氣管網(wǎng)中所測(cè)pH值低至1.7)的問(wèn)題，導(dǎo)致高爐煤氣管道的運(yùn)行存在非常大的安全隱患。為此，通過(guò)對(duì)噴淋塔進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研，分析影響除酸的各個(gè)因素，提出對(duì)應(yīng)的解決措施，最終提高噴淋塔除酸效率，使煤氣管網(wǎng)冷凝水pH值長(zhǎng)時(shí)間保持在5.0以上。

1 噴淋除酸過(guò)程分析

高爐煤氣中的H2S、HCl、SO2等酸性氣體，特別是HCl對(duì)于煤氣管道腐蝕有著積極促進(jìn)作用[6-10]。噴淋塔目前大多采用堿液噴淋，使煤氣中的酸性介質(zhì)溶于水中，隨洗滌水排出。20世紀(jì)20年代惠特曼和劉易斯提出的雙膜理論，可較好地解釋液體吸收劑對(duì)氣體吸收質(zhì)的吸收過(guò)程，如圖1所示[11]。

圖1 雙膜理論示意圖

該理論將氣體吸收過(guò)程分為3個(gè)過(guò)程：①溶質(zhì)A由氣相主體擴(kuò)散至兩相界面氣相側(cè)(氣相內(nèi)傳質(zhì))；②溶質(zhì)A在界面上溶解(通過(guò)界面的傳質(zhì))；③溶質(zhì)A由相界面液相側(cè)擴(kuò)散至液相主體(液相內(nèi)傳質(zhì))。

在噴淋除酸過(guò)程中，具體對(duì)應(yīng)為氣態(tài)酸與堿液接觸、氣態(tài)酸向堿液的擴(kuò)散傳質(zhì)和酸堿中和反應(yīng)三個(gè)過(guò)程。

目前噴淋塔普遍采用NaOH強(qiáng)堿溶液，因此堿液與各種酸的中和反應(yīng)都可認(rèn)為瞬間完成。所以噴淋除酸效率的控制步驟是氣態(tài)酸與堿液接觸以及氣態(tài)酸向堿液的擴(kuò)散傳質(zhì)兩過(guò)程。由此可知影響噴淋除酸效率的因素主要有：

1)氣液接觸面積

氣液接觸面積越大，傳質(zhì)效果越好。工程上一般采用堿液霧化的方式，增大液體與煤氣的接觸面積，達(dá)到增強(qiáng)傳質(zhì)的效果，促使煤氣中更多酸性氣體被堿液帶走。噴嘴的霧化效果越好，噴淋除酸效率越高。

2)煤氣停留時(shí)間

煤氣在噴淋塔停留越久，越有利于煤氣中酸性氣體與堿液接觸反應(yīng)，但在實(shí)際工程中，需要綜合考慮阻損和占地需求。

3)堿液濃度

堿液濃度越高，越有利于酸性氣體克服雙膜阻力從氣相進(jìn)入液相主體,完成氣態(tài)酸向堿液的擴(kuò)散傳質(zhì)過(guò)程，從而與堿液反應(yīng)。但由于工業(yè)上用水含有大量Ca2+、Mg2+等離子，若加入的堿液濃度過(guò)高則在運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)管路、噴嘴堵塞現(xiàn)象，造成噴淋塔無(wú)法正常運(yùn)行，影響除酸效率，故在實(shí)際工程項(xiàng)目中，為保證供水管道不堵塞，堿液濃度一般不高于0.05%。

2 優(yōu)化措施

根據(jù)上述主要影響因素，對(duì)2#高爐噴淋塔提出相應(yīng)優(yōu)化方案，以期提升噴淋塔除酸效率。

2.1 新增噴淋層

2#高爐噴淋塔原有3層噴淋層，在第一層噴淋下方新增一層噴淋，同時(shí)關(guān)閉第三層噴淋，如圖2所示，這樣能夠使煤氣提前與噴淋堿液接觸，延長(zhǎng)氣液反應(yīng)時(shí)間，使煤氣中更多的酸性氣體溶于堿液，從而被吸收。

2.2 更換噴槍

第二層噴淋層原有18支單介質(zhì)噴槍?zhuān)F(xiàn)將其中12支噴槍更換為6支雙介質(zhì)長(zhǎng)槍和6支雙介質(zhì)短槍?zhuān)⒓尤胨魵饨橘|(zhì)，充分增強(qiáng)堿液的霧化效果，增大氣液接觸面積，同時(shí)水蒸氣的加入，能夠增強(qiáng)酸性氣體分子的布朗運(yùn)動(dòng)，使更多分子越過(guò)雙膜進(jìn)入到堿液中，同時(shí)水蒸氣也會(huì)進(jìn)入煤氣中，在冷凝過(guò)程中帶出部分酸性氣體。

圖2 2#高爐噴淋塔新增層噴淋示意圖

2.3 堿液管道防堵

圖3 過(guò)濾網(wǎng)攔截的不溶物

表1 不溶物成分分析結(jié)果

3 試 驗(yàn)

為了驗(yàn)證各優(yōu)化措施對(duì)噴淋除酸效果的影響，特設(shè)計(jì)以下試驗(yàn)方案，如表2所示，以期得到各優(yōu)化措施對(duì)于噴淋塔實(shí)際運(yùn)行時(shí)的除酸效果。

整個(gè)試驗(yàn)時(shí)間從2021年1月22日起至2021年3月1日結(jié)束，合計(jì)試驗(yàn)39天。期間高爐煤氣處理量約700 000 m3/h(標(biāo)準(zhǔn))，通過(guò)檢測(cè)煤氣管網(wǎng)冷凝水的pH值作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，如圖4所示，同時(shí)整理了2020年1月1日至2020年11月26日以來(lái)2#煤氣冷凝水pH值變化情況作為參照，如圖5所示。

從試驗(yàn)結(jié)果可知，新增噴淋層的加入，使煤氣與堿液的接觸時(shí)間延長(zhǎng)，同時(shí)關(guān)閉第二層噴淋層，避免其噴出的液滴影響第一層噴淋層的霧化效果，從而使更多酸性氣體溶于堿液中，如圖4中“一”所示。但只投用新增層噴淋，由于噴淋水量降低41%，導(dǎo)致氣液傳質(zhì)效率降低，造成pH值低于5.5，如圖4中“二”所示。同時(shí)雙介質(zhì)噴槍相比較單介質(zhì)噴槍的霧化效果更好，但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中容易被堵塞，導(dǎo)致煤氣冷凝水pH值先升高后降低，如圖4中“三”所示。蒸汽的加入也會(huì)提高氣液傳質(zhì)效率，但是在試驗(yàn)開(kāi)始階段出現(xiàn)泄漏臨時(shí)停止，后續(xù)得到恢復(fù)，導(dǎo)致pH值先降低后升高，如圖4中“四”所示。

表2 試驗(yàn)方案

圖4 2#高爐煤氣冷凝水pH值從2020年11月26日至2021年3月1日以來(lái)的變化示意圖

與此同時(shí)，試驗(yàn)過(guò)程中保證斜板正常運(yùn)行，即斜板沉降池中pH值保持在8.5左右，避免供水管道結(jié)垢，同時(shí)也定期檢查噴嘴和供水管道是否堵塞。

圖5 2#高爐煤氣冷凝水pH值從2020年1月1日至2020年11月26日以來(lái)的變化示意圖

總的說(shuō)來(lái)，在2#噴淋塔上新增噴淋層以及更換噴槍、加入蒸汽，有效地提高了噴淋除酸效率，煤氣管網(wǎng)冷凝水pH平均值也從3.7上升至5.5，管網(wǎng)腐蝕也得到有效緩解。

4 總 結(jié)

本文通過(guò)分析噴淋塔除酸效果影響因素，得到氣液接觸面積、煤氣停留時(shí)間和堿液濃度3個(gè)主要影響因素，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有2#高爐噴淋塔進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)新增噴淋層、雙介質(zhì)噴槍和過(guò)濾網(wǎng)，達(dá)到增加氣液接觸面積、延長(zhǎng)接觸時(shí)間、抑制噴嘴堵塞的效果，得以提高除酸效率，煤氣管網(wǎng)冷凝水pH平均值也從3.7上升至5.5，有效地解決高爐煤氣凈化采用干式布袋除塵技術(shù)所帶來(lái)的管道及設(shè)備腐蝕問(wèn)題，有望推廣應(yīng)用在其他飽受煤氣腐蝕的鋼鐵企業(yè)。