鹽酸再生改進工藝運行分析

高俊峰

（中冶南方工程技術(shù)有限公司能源環(huán)保分公司，湖北武漢，430080）

1 前言

鋼鐵行業(yè)中諸如冷軋薄板、冷軋薄寬鋼帶、冷軋窄鋼帶、冷軋硅鋼以及等主要鋼材品種所采用的生產(chǎn)工藝中都需要產(chǎn)生大量的廢酸。2010年我國冷軋薄板的生產(chǎn)量為5177.8萬t，而生產(chǎn)能力達到9955萬t。冷軋廠酸洗產(chǎn)生的廢酸液，具有極強的腐蝕性。如果采用石灰中和處理排放，會使亞鐵離子氧化成三價鐵離子，由于三價鐵離子水解和氧化鐵晶體長大是復雜的多項反應過程，一般難以分離，致使采用石灰中和方法處理廢酸會產(chǎn)生大量廢渣，造成嚴重的二次污染。[1]然而鹽酸廢液再生系統(tǒng)不僅可以對廢酸液進行了處理，使之再生為酸洗機組可用的再生酸，而且在此過程中生產(chǎn)出了高質(zhì)量的氧化鐵粉，同樣可以為酸再生工程建設(shè)方帶來相當可觀的收益。

2 工藝流程簡介

噴霧焙燒法是目前國內(nèi)外使用最多的、也是最成熟的鹽酸再生方法。[2]噴霧焙燒法是利用FeCl2在高溫、充足水蒸氣和適量空氣的條件下能定量水解的特性，在焙燒爐中直接將FeCl2轉(zhuǎn)化為HCl和Fe2O3，反應生成的HCl氣體被水吸收得到再生酸，這是一種徹底的直接的處理酸洗廢液的方法。這種封閉循環(huán)系統(tǒng)不污染環(huán)境并且具有再生酸回收率高、再生酸中Fe2+含量少、Fe2O3品位高、系統(tǒng)設(shè)施緊湊等特點，因此被國內(nèi)外大多數(shù)鋼鐵企業(yè)廣泛采用。

如圖1所示，酸洗廢酸經(jīng)過過濾后進入文丘里預濃縮器。廢酸通過在預濃縮器內(nèi)與焙燒爐產(chǎn)生的熱焙燒氣體直接進行熱交換導致部分酸液蒸發(fā)而進行濃縮。濃縮后的廢酸通過變頻控制泵以恒量將酸液不斷的供入焙燒爐內(nèi)。焙燒爐下部切線方向布置有燒嘴，用以對焙燒爐加熱。

噴入的酸液在高溫的爐內(nèi)發(fā)生下列分解反應：

2FeCl2+2 H2O+1/2O2=Fe2O3+4 HCl

2FeCl3+3 H2O=Fe2O3+6 HCl

固體顆粒的Fe2O3由于重力作用落到焙燒爐底部的錐形體中，通過焙燒爐底部的旋轉(zhuǎn)閥排至氧化鐵粉系統(tǒng)。

焙燒爐氣體由水蒸氣、HCl氣體及燃燒廢氣組成，從焙燒爐頂部離開并很快通過旋風分離器，將氣體中部分氧化鐵粉粉塵分離出來。分離出的氧化鐵粉通過旋轉(zhuǎn)閥返回到焙燒爐。焙燒氣體通過輸送管道進入到預濃縮器和氣液分離器部分，在預濃縮器中，高溫氣體與循環(huán)酸液直接接觸進行熱交換，由于部分酸液的蒸發(fā)使得循環(huán)酸液得以濃縮。同時利用循環(huán)酸液洗滌氣體中殘留的氧化物固體顆粒。

冷卻和分離粉塵后的氣體進入到吸收塔。為了吸收HCl氣體和保證再生酸的質(zhì)量，采用漂洗水收集罐中的漂洗水吸收。水從吸收塔頂部送入。吸收塔頂部有噴嘴將漂洗水噴在吸收塔的填料上。氣體從吸收塔底部送入，在逆流過程中，氣體中HCl被水吸收形成再生酸，并收集在吸收塔的底部，再生酸從吸收塔底部依重力流至再生酸儲罐。

含有燃燒廢氣和含有微量HCl的水蒸氣從吸收塔頂部離開，進入文丘里除塵器。通過文丘里除塵器循環(huán)泵的循環(huán)作用，使焙燒尾氣在文丘里除塵器內(nèi)得到循環(huán)洗滌，以去除氣體中氧化鐵粉微小顆粒和降低尾氣中HCl的含量。

洗滌塔中用脫鹽水循環(huán)洗滌尾氣，氣體從塔底部送入，在逆流過程中，降低尾氣中HCl和Cl2的含量,同時去除氣體中氧化鐵粉微小顆粒。經(jīng)過洗滌、吸收、凈化，達到排放標準后的廢氣從排放煙囪中排向大氣。

圖1 鹽酸再生噴霧焙燒工藝流程圖

3 改進工藝運行方式

3.1 原工藝存在問題

現(xiàn)針對酸再生系統(tǒng)的煙氣吸收和煙氣凈化兩部分進行分析，可以得出以下幾點結(jié)論：

3.1.1 酸再生系統(tǒng)產(chǎn)生的尾氣在煙氣吸收和煙氣凈化部分的運行溫度為85℃左右，會促進文丘里除塵器和洗滌塔內(nèi)介質(zhì)水分的蒸發(fā)；

3.1.2 尾氣在經(jīng)過文丘里除塵器和洗滌塔的排放過程中也會帶走相當一部分水分，這部分水分來自于噴嘴噴淋進入的循環(huán)介質(zhì)；

3.1.3 文丘里除塵器是通過文丘里除塵器循環(huán)泵進行循環(huán)洗滌工作，在洗滌過程中會將尾氣中的殘留HCl、Cl2及氧化鐵粉吸收入循環(huán)介質(zhì)，使得循環(huán)介質(zhì)Cl-離子等濃度增高，稱為過濃縮現(xiàn)象；洗滌塔中亦是如此；

3.1.4 即使在水分流失后塔器內(nèi)液位下降，隨后進行補液仍無法改變循環(huán)介質(zhì)中的Cl-離子等的累積，易造成煙氣凈化效率降低而使排放尾氣難以達標。

3.2 改進工藝的理論基礎(chǔ)

在酸再生系統(tǒng)工藝流程中，由于在吸收塔后的尾氣不能達標，故使其按順序先經(jīng)過文丘里除塵器一級凈化，后經(jīng)過洗滌塔二級凈化達到對尾氣進行凈化（注：也有相關(guān)案例是將洗滌塔作為一級凈化，文丘里除塵器作為二級凈化），使之能夠達到達標排放要求。

以下是在生產(chǎn)初期文丘里除塵器和洗滌塔內(nèi)未出現(xiàn)過濃縮現(xiàn)象時，對再生酸、漂洗水收集罐內(nèi)液體介質(zhì)、文丘里除塵器內(nèi)循環(huán)介質(zhì)以及洗滌塔內(nèi)循環(huán)介質(zhì)的成分指標做的對比，見表1。

表1 循環(huán)介質(zhì)成分表 g/L

由表1可以看出在文丘里除塵器和洗滌塔內(nèi)未出現(xiàn)過濃縮現(xiàn)象時，如果按照介質(zhì)清潔度排序如下：洗滌塔內(nèi)循環(huán)介質(zhì)＞文丘里除塵器內(nèi)循環(huán)介質(zhì)＞漂洗水收集罐內(nèi)液體介質(zhì)＞再生酸。而這也正是酸再生煙氣凈化系統(tǒng)中逐級清潔、正常運行的基本保證，直接關(guān)系到煙囪排放尾氣能否達標。

然而在過濃縮現(xiàn)象出現(xiàn)后，如果未能得到及時處理，則文丘里除塵器和洗滌塔中的各種成分的濃度會隨著時間推移而不斷上升。經(jīng)檢測，HCl的濃度分別可上升至25 g/L和10 g/L左右。為了改善這種過濃縮狀態(tài)，按照通常的做法是采用對文丘里除塵器和洗滌塔進行強制排放，但增加了水處理站的處理水量。

3.3 改進后的工藝流程及實現(xiàn)功能

改進后的工藝流程見圖2所示。

圖2 改進后的工藝流程圖

由圖2可以看出，在酸再生煙氣凈化系統(tǒng)的基本流程上增加從洗滌塔循環(huán)泵出口分流至文丘里除塵器的管道，使洗滌塔中的循環(huán)介質(zhì)得到脫鹽水的補充而持續(xù)更新，而根據(jù)表一的介質(zhì)成分可知排出的部分介質(zhì)濃度低于文丘里除塵器中的循環(huán)介質(zhì)濃度，本身即可對文丘里除塵器進行更新介質(zhì)的補充。同理，在增加從文丘里除塵器循環(huán)泵出口分流至漂洗水收集罐的管道也可以實現(xiàn)對文丘里除塵器內(nèi)循環(huán)介質(zhì)的持續(xù)更新，而排出的部分介質(zhì)亦可用于從漂洗水收集罐中噴入吸收塔中對HCl氣體的吸收。

通過對改進后的工藝流程進行分析，可以得出其具備以下功能：

（1）對煙氣凈化系統(tǒng)中的文丘里除塵器和洗滌塔內(nèi)的循環(huán)介質(zhì)進行持續(xù)更新，保證了其中各種成分的相對穩(wěn)定；

（2）在對循環(huán)介質(zhì)持續(xù)更新的過程中，文丘里除塵器和洗滌塔中的更新介質(zhì)最終可排至漂洗水收集罐內(nèi)，用于對吸收塔中HCl氣體的吸收，不會增加酸再生站的廢水排放量。

（3）同時，在確保文丘里除塵器和洗滌塔兩級凈化的循環(huán)介質(zhì)清潔的情況下，可以達到對尾氣排放的指標保證。

4 運行參數(shù)控制

4.1 物料平衡分析

根據(jù)改進后的工藝流程，可得以下物料平衡公式：

洗滌塔：

Q11+Q12＝Q13+Q14

Q11——洗滌塔進尾氣帶入介質(zhì)量

Q12——洗滌塔補充脫鹽水量

Q13——洗滌塔排尾氣帶走介質(zhì)量

Q14——洗滌塔循環(huán)泵出口分流到文丘里除塵器介質(zhì)量

Q14=Q12-（Q13-Q11）

Q13-Q11為洗滌塔尾氣進出的介質(zhì)量差值，此差值與酸再生的設(shè)計能力有關(guān)，設(shè)計能力確定的條件下，可視此值為常數(shù)。由此可見，洗滌塔循環(huán)泵出口分流到文丘里除塵器介質(zhì)量Q14與其補充脫鹽水量Q12成正比。

文丘里除塵器：

Q21+Q22+Q14=Q23+Q24

Q21——文丘里除塵器進尾氣帶入介質(zhì)量

Q22——文丘里除塵器補充脫鹽水及漂洗水量

Q23——文丘里除塵器排尾氣帶走介質(zhì)量

Q24——文丘里除塵器循環(huán)泵出口分流到漂洗水收集罐介質(zhì)量

Q24-Q14=Q22-（Q23-Q21）

Q23-Q21為文丘里除塵器尾氣進出的介質(zhì)量差值，此差值與酸再生的設(shè)計能力有關(guān)，設(shè)計能力確定的條件下，可視此值為常數(shù)。由此可見，文丘里除塵器循環(huán)泵出口分流到漂洗水收集罐介質(zhì)量Q24與洗滌塔循環(huán)泵出口分流到文丘里除塵器介質(zhì)量Q14的差值與文丘里除塵器補充脫鹽水及漂洗水量Q22成正比。

此外，由于文丘里除塵器循環(huán)泵出口分流到漂洗水收集罐介質(zhì)量進入漂洗水收集罐后供應對吸收塔的HCl氣體的吸收，故而其值不可大于其酸再生設(shè)計能力狀態(tài)下的吸收塔噴淋量Q吸收塔，應有Q24∈（0，Q吸收塔）。如將文丘里除塵器補充脫鹽水及漂洗水量Q22設(shè)定為文丘里除塵器進出尾氣介質(zhì)量差值Q23-Q21，則可得 Q14∈（0，Q吸收塔），且 Q24同樣與洗滌塔內(nèi)補充脫鹽水量Q12成正比。

4.2 運行參數(shù)選擇

(1)由以上物料平衡分析可得，為滿足文丘里除塵器與洗滌塔內(nèi)循環(huán)介質(zhì)的持續(xù)更新要求，需要使Q14及Q24值大于0；

(2)同時應考慮其分流流量不可過大，過大則會造成補液浪費；

(3)考慮以上兩項選擇條件的基礎(chǔ)上，同時按照物料平衡分析中所確定的流量控制區(qū)間（0，Q吸收塔）來確定其分流量，此值與酸再生站設(shè)計能力下的凈化系統(tǒng)蒸發(fā)量有關(guān)，在某設(shè)計能力為3 m3/h的酸再生站采用約1 m3/h的分流量被證實是可行的。

5 小結(jié)

本文對鹽酸再生工藝進行了改進，使之能夠?qū)崿F(xiàn)對洗滌塔和除塵文丘里內(nèi)的循環(huán)介質(zhì)的連續(xù)更新，避免其過濃縮現(xiàn)象的出現(xiàn)，保證了其中各種成分的相對穩(wěn)定，確保尾氣排放指標。同時可將更新后排出的循環(huán)介質(zhì)用于對再生酸的吸收。并通過在理論上分析該鹽酸再生工藝改進的可行性，確定了實際運行過程中的工作狀態(tài)及運行參數(shù)，確認該系統(tǒng)得到優(yōu)化改進。

[1]張海東，張秀鳳，孫金茂.廢鹽酸的再生利用[J].金屬制品.2008年8月第4期.

[2]陳琦.鹽酸再生脫硅預處理技術(shù)探討[J].冶金環(huán)境保護.2012年第5期.