制酸尾氣酸霧治理工藝的改進(jìn)研究

宋青松

（靖江市青鳥(niǎo)科技有限公司，江蘇 泰州 214527）

硫酸是我國(guó)重要的化工原料，廣泛應(yīng)用于磷肥、農(nóng)藥、火藥、染料、石油和冶金等行業(yè)。隨著當(dāng)前磷肥產(chǎn)量的迅速增長(zhǎng)和其他工業(yè)硫酸用量的增加，我國(guó)硫酸工業(yè)產(chǎn)能以每年200 萬(wàn)t 的速度增長(zhǎng)，2020 年我國(guó)硫酸產(chǎn)量為9 673 萬(wàn)t，同比增長(zhǎng)4.6%，產(chǎn)量增速放緩。其中，硫磺制酸4 447 萬(wàn)t，同比增長(zhǎng)10.1%.占硫酸總量的46.0%。硫磺制酸過(guò)程中，制酸裝置尾氣含有SO2、硫酸霧、煙塵顆粒等污染物，必須進(jìn)行酸霧治理后才能向外排放[1]。

1 制酸裝置尾氣排放問(wèn)題分析

當(dāng)前，對(duì)于以硫磺為原料的制酸企業(yè)，其制酸裝置（產(chǎn)品硫酸）主要采用先進(jìn)成熟的“3+2”（五段轉(zhuǎn)化）兩轉(zhuǎn)兩吸工藝處理尾氣，使用進(jìn)口釩觸媒作為催化劑，確保SO2轉(zhuǎn)化效率大于99.75%，吸收率達(dá)到99.99%，尾氣污染物含量較少。制酸工藝為：熔硫工序的液硫經(jīng)硫磺泵加壓，通過(guò)磺槍霧化后噴入焚硫爐中，在干燥空氣助燃下燃燒生成SO2；凈化后的爐氣升溫后進(jìn)入轉(zhuǎn)化器，SO2在釩觸媒的催化下與爐氣中O2反應(yīng)生成SO3；SO3和水反應(yīng)生成硫酸；化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的尾氣經(jīng)吸收裝置后向外排放[2]。

隨著環(huán)境保護(hù)理念的深入人心，國(guó)家對(duì)硫酸工業(yè)廢水和大氣污染物進(jìn)行重點(diǎn)治理，制酸尾氣的有害物質(zhì)排放限值逐步降低?！读蛩峁I(yè)污染物排放排準(zhǔn)》（GB 26132—2010）規(guī)定[3]：京津冀地區(qū)SO2排放濃度不得大于200 mg/m3，酸霧排放濃度不得大于5 mg/m3，顆粒物排放濃度不得大于30 mg/m3。

當(dāng)前，大部分以硫磺為原料的制酸企業(yè)改進(jìn)制酸裝置后，制酸尾氣的SO2排放值控制在580 mg/m3以內(nèi)，硫酸霧排放值控制在50 mg/m3以內(nèi)，但仍然無(wú)法達(dá)到京津冀地區(qū)對(duì)硫酸工業(yè)企業(yè)制酸尾氣的排放要求。因此，有必要采用超重力氨法吸收工藝對(duì)制酸裝置尾氣處理工藝進(jìn)行改進(jìn)，提高酸霧治理效果[4]。

2 超重力氨法吸收工藝設(shè)計(jì)

2.1 超重力氨法技術(shù)原理

制酸裝置尾氣中的SO2在超重力機(jī)中與氨水進(jìn)行逆流接觸，用氨水對(duì)尾氣中的SO2進(jìn)行洗滌，生成NH4HSO3溶液，可實(shí)現(xiàn)對(duì)SO2的較好吸收。其間主要發(fā)生4 種化學(xué)反應(yīng)，如式（1）至式（4）所示。在超重力氨法吸收工藝下，可利用(NH4)2HSO3-NH4HSO3吸收液不斷循環(huán)來(lái)保持(NH4)2HSO3濃度的穩(wěn)定，同時(shí)要不斷地抽出濃度達(dá)到一定水平的吸收循環(huán)液[5]。

超重力氨法吸收工藝的主要設(shè)備為Φ2 400×2 800 mm 型超重力機(jī)，其結(jié)構(gòu)如圖1 所示，主要由外殼、填料、轉(zhuǎn)子和軸等部分組成。超重力機(jī)轉(zhuǎn)子由變頻驅(qū)動(dòng)電機(jī)通過(guò)皮帶傳動(dòng)，旋轉(zhuǎn)工作。

圖1 超重力機(jī)結(jié)構(gòu)

超重力機(jī)工作原理如下：酸霧裝置尾氣經(jīng)氣體入口引入超重力機(jī)外腔，在氣體壓力作用下由轉(zhuǎn)子外緣進(jìn)入填料；吸收液由液體入口管引入轉(zhuǎn)子內(nèi)腔，經(jīng)噴頭淋灑在轉(zhuǎn)子內(nèi)緣上；進(jìn)入轉(zhuǎn)子的吸收液受到轉(zhuǎn)子內(nèi)填料的作用，周向速度增加，產(chǎn)生的離心力將其推向轉(zhuǎn)子外緣；在此過(guò)程中，吸收液被填料分散、破碎，形成極大且不斷更新的表面積，曲折的流道加劇了吸收液表面的更新，其在該狀態(tài)下與含SO2的尾氣以極大的相對(duì)速度逆流接觸，以極強(qiáng)的傳質(zhì)過(guò)程完成吸收；吸收完SO2的吸收液被轉(zhuǎn)子甩到外殼，匯集后經(jīng)液體出口管離開(kāi)超重力機(jī)，尾氣自上部氣體出口離開(kāi)轉(zhuǎn)子，引至煙囪排放[6]。

2.2 運(yùn)行情況

超重力氨法吸收工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，從2017年起在天津渤大硫酸工業(yè)有限公司投入實(shí)際使用。2017—2021年，該系統(tǒng)主要設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，脫硫效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求，經(jīng)超重力氨法吸收工藝系統(tǒng)處理，制酸裝置尾氣排放數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 處理后制酸裝置尾氣排放數(shù)據(jù)

由表1 數(shù)據(jù)可知，采用超重力氨法吸收工藝對(duì)尾氣進(jìn)行治理后，尾氣中的SO2、顆粒物濃度得到較好的控制，排放濃度符合京津冀地區(qū)限值要求，但是近5 年來(lái)酸霧的排放濃度介于27～39 mg/m3，遠(yuǎn)大于5 mg/m3的排放要求，必須對(duì)該工藝進(jìn)行改進(jìn)。

3 制酸尾氣處理系統(tǒng)的優(yōu)化

制酸尾氣經(jīng)超重力氨法吸收工藝系統(tǒng)后，該系統(tǒng)對(duì)SO2具有較好的吸收效果。但是，超重力氨法吸收工藝系統(tǒng)需要不斷加入循環(huán)液，使得干煙氣變?yōu)闈駸煔?，排空煙氣中含有水霧，夾帶部分鹽類[7-9]。這使得排放尾氣中的酸霧濃度居高不下，針對(duì)這一情況，從工藝和設(shè)備兩方面著手，對(duì)超重力氨法吸收工藝系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)一步降低酸霧濃度。

3.1 原理改進(jìn)

本設(shè)計(jì)采用NaOH 堿法吸收裝置，進(jìn)一步治理尾氣中酸霧。其間以超重力氨法吸收工藝系統(tǒng)設(shè)備為基礎(chǔ)，對(duì)局部管線進(jìn)行改造，并使用濃度20%的NaOH溶液替代以往的氨溶液，采用NaOH 堿法實(shí)施脫硫。主要反應(yīng)如式（5）、式（6）所示，總反應(yīng)如式（7）所示。

在實(shí)際生產(chǎn)中，可以補(bǔ)加NaOH 溶液，進(jìn)一步控制吸收液的pH，保障尾氣中酸霧的吸收效果。采用超重力機(jī)實(shí)施堿法吸收后，會(huì)產(chǎn)生NaHSO3溶液，后續(xù)需要進(jìn)行環(huán)保處理。

3.2 設(shè)備改進(jìn)

在現(xiàn)有超重力機(jī)進(jìn)行堿法吸收的基礎(chǔ)上，本設(shè)計(jì)在超重力機(jī)后方增設(shè)高效纖維除霧器，其結(jié)構(gòu)如圖2 所示，主要包括吸收塔、折流板除霧器等部件。

圖2 高效纖維除霧器結(jié)構(gòu)

從圖2 可知，高效纖維除霧器的工作原理為：含有酸霧的混合氣體進(jìn)入除霧器時(shí)，混合氣體先行通過(guò)除塵塔進(jìn)行洗滌和除塵；裝置中設(shè)計(jì)的成組噴淋器對(duì)混合氣體進(jìn)行洗滌，設(shè)計(jì)的不同規(guī)格除沫器進(jìn)行除塵，進(jìn)而去除混合氣體中酸霧。該高效纖維除霧器對(duì)混合氣體中酸霧的去除效果較好，但是體積較大，設(shè)備安裝占地面積也較大。

3.3 改進(jìn)效果分析

2022 年2月，天津渤大硫酸工業(yè)有限公司按照設(shè)計(jì)方案，從原理和設(shè)備兩方面對(duì)制酸尾氣超重力氨法吸收工藝系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，其于2022 年3 月投入實(shí)際生產(chǎn)。改進(jìn)后，主要設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定，處理后的制酸裝置尾氣排放數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 系統(tǒng)優(yōu)化后尾氣排放數(shù)據(jù)

從表2 數(shù)據(jù)可知，超重力氨法吸收工藝改進(jìn)后，對(duì)制酸尾氣進(jìn)行治理，尾氣中的SO2、顆粒物濃度控制得仍然較好，酸霧排放濃度也顯著降低，為3.9～4.3 mg/m3，小于京津冀地區(qū)的排放要求（不大于5 mg/m3），治理效果理想。

4 結(jié)語(yǔ)

天津渤大硫酸工業(yè)有限公司采用超重力氨法吸收工藝處理制酸尾氣，2017—2021年，尾氣中的SO2、顆粒物濃度得到較好的控制，排放濃度符合京津冀地區(qū)的限值要求，但是酸霧排放濃度為27～39 mg/m3，必須對(duì)工藝進(jìn)行改進(jìn)。局部管線改造后，采用NaOH 堿液代替以往的氨水，同時(shí)在超重力機(jī)后方增設(shè)高效纖維除霧器。運(yùn)行結(jié)果表明，制酸尾氣治理后，尾氣中的SO2、顆粒物濃度控制得仍然較好，酸霧排放濃度顯著降低，為3.9～4.3 mg/m3，小于京津冀地區(qū)的排放要求，酸霧治理效果理想。