基于洗滌塔設(shè)計的二氧化硫洗滌冷卻工藝

韋聯(lián)琦，胡世卓

（南寧職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 南寧 530008）

在我國，85%以上的制糖企業(yè)采用“亞硫酸法”工藝進行生產(chǎn)[1]。硫磺在燃硫爐中燃燒產(chǎn)生SO2，再與糖汁反應(yīng)生成H2SO3。H2SO3作為澄清劑和脫色劑，可提高蔗汁的酸度。用石灰乳中和pH 在6.8左右，生成的亞硫酸鈣還可改善過濾效果，去除糖汁中的非糖分物質(zhì)。但硫磺在燃燒時會同時產(chǎn)生含有SO2﹑氮氣﹑SO3﹑升華硫S2﹑灰分等成分的混合性氣體，并放出巨大的熱量（低溫燃硫爐燃燒后為350~500℃，高溫燃硫爐燃燒后為1000~1300℃）。為了生產(chǎn)出高品位的白砂糖，制糖工藝中只需要60℃左右的SO2氣體，為此要對混合氣體進行冷卻，并去除對制糖工藝有害的SO3﹑升華硫﹑灰分等雜質(zhì)。如何高效地冷卻燃硫爐的混合性氣體，去除SO3，得到較為純凈的SO2氣體，一直是“亞硫酸法”制糖工藝的關(guān)鍵。

目前99%的糖廠在冷卻SO2時，都是采用傳統(tǒng)的碳鋼材質(zhì)的列管式冷卻器[2-3]，實際運行中發(fā)現(xiàn)，設(shè)備及管路易被腐蝕穿孔，生產(chǎn)存在不確定的安全隱患。若二氧化硫氣體發(fā)生泄漏，會造成環(huán)境污染，也會給操作工人帶來人身傷害。且設(shè)備的使用壽命短，維護成本高。硫磺燃燒時產(chǎn)生的SO3﹑S2及灰分無法去除，會造成冷卻設(shè)備及硫氣管道發(fā)生堵塞，影響生產(chǎn)和產(chǎn)品質(zhì)量。冷卻效果不穩(wěn)定，溫度波動大，中和效果差，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，降溫所需的冷水量大，導(dǎo)致生化水的處理成本增加。此外，SO3進入糖汁后，需要用石灰中和生成鈣鹽，增加了石灰輔材用量和蒸發(fā)罐的積垢，導(dǎo)致蒸發(fā)罐的熱交換效率低，能耗高，浪費能源。

本文開發(fā)了一套基于洗滌塔的二氧化硫洗滌冷卻新工藝，并實際應(yīng)用于制糖企業(yè)，解決了列管式冷卻器存在的易腐蝕﹑壽命短﹑無法去除SO3﹑S2﹑灰分等有害物質(zhì)的問題，為企業(yè)提高產(chǎn)品質(zhì)量﹑降低成本提供了新思路和新途徑。

1 新式二氧化硫洗滌冷卻工藝

新式的二氧化硫洗滌冷卻工藝流程見圖1。工藝過程如下：按照硫磺量對蔗比，將食品級硫磺熔融后加入燃硫爐中燃燒生成二氧化硫混合氣體，經(jīng)一次冷卻器冷卻至400℃左右，送到洗滌冷卻吸收塔。洗滌冷卻吸收塔內(nèi)布置了多層噴嘴，通過循環(huán)泵加壓，為洗滌塔提供大流量的洗滌液。洗滌液由噴嘴噴出形成液霧，以保證氣液兩相充分接觸，加大氣液接觸面積，提高脫除和冷卻效率。煙氣從一側(cè)進氣口進入吸收塔的上升區(qū)，在上升區(qū)與霧狀漿液逆流接觸。處理后的SO2氣體經(jīng)除霧器除去煙氣攜帶的水滴后，從吸收塔頂部經(jīng)管道排到硫熏中和器，與加熱后的混合蔗汁混合。中和后的蔗汁二次加熱到100~102℃，再經(jīng)快速沉降器沉降分離，得到的清汁送到蒸發(fā)罐進行濃縮。洗滌冷卻塔出來的含酸廢液，輸送到鍋爐沖灰水的混合器或除塵器中，中和成中性廢水后，送入糖廠污水處理工段進行進一步處理。洗滌冷卻塔中設(shè)置填料層，以加速冷卻和除去雜質(zhì)。

圖1 新式二氧化硫洗滌冷卻工藝流程圖

2 新式二氧化硫洗滌冷卻工藝的設(shè)計

2.1 設(shè)計原理

本方案中，燃硫爐生成的SO3與水發(fā)生以下化學(xué)反應(yīng)，放出大量的熱，并生成不易揮發(fā)﹑穩(wěn)定的H2SO4：

SO2再與水發(fā)生物理溶解吸熱反應(yīng)，生成亞硫酸H2SO3（SO2?H2O）。亞硫酸是不穩(wěn)定性酸，易揮發(fā)分解生成SO2和水[4]。在亞硫酸的水溶液中存在下列平衡：

根據(jù)化學(xué)平衡原理，加入酸并加熱，平衡向左移動，SO2氣體逸出。本工藝以水為吸收冷卻劑，隨著SO3溶解，溶液的酸性越來越強。化學(xué)反應(yīng)釋放出大量的熱，滿足SO2溶解平衡向左移動的條件，由此利用SO3和SO2的溶解差異及亞硫酸與硫酸的特性差異，將SO3除去。

根據(jù)升華硫遇水后溫度降低，變成液態(tài)硫或固態(tài)硫的原理，將高溫的混合性氣體與水充分接觸以迅速降溫，從而除去氣體中混有的升華硫。利用水能吸附細(xì)微顆粒物的特性，除去混合氣體中的灰分雜質(zhì)。

2.2 洗滌塔的設(shè)計要點

吸收過程的工藝設(shè)計，要充分考慮混合氣體的處理量﹑混合氣體的組成﹑溫度﹑壓力﹑溶劑回收﹑分離后廢棄物的處理等，同時還要考慮冷卻洗滌塔的大小和內(nèi)部結(jié)構(gòu)等[5-6]。

2.2.1 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

燃硫爐燃燒生成的混合性氣體經(jīng)冷卻洗滌塔與霧化的水汽接觸，水將混合氣體中的灰分洗滌沉淀后除去灰分。生成的升華硫經(jīng)水冷后變成固態(tài)硫或者液態(tài)硫除去。生成的SO3與水反應(yīng)生成穩(wěn)定的H2SO4除去。生成的SO2與水反應(yīng)生成H2SO3，亞硫酸是不穩(wěn)定性酸，易揮發(fā)分解生成SO2和水。高溫的氣體與冷卻塔的水汽接觸后經(jīng)熱交換降低了溫度，冷卻塔內(nèi)部設(shè)置有噴嘴和捕汁器，噴嘴將水霧化，可增加水與氣體的接觸面，提高降溫及去除雜質(zhì)的效率。捕汁器將蒸發(fā)的水蒸氣冷凝收集回用，以達(dá)到冷卻和洗滌的雙重作用。

2.2.2 吸收劑的選擇

吸收劑對吸收操作的整個過程十分重要。吸收劑的選擇要求為：對溶質(zhì)的溶解度大，不易揮發(fā)，再生性能好，黏度低，價格便宜，此外還要考慮其他物理特性。對燃硫爐產(chǎn)生的混合性氣體的成分﹑物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)進行分析，并結(jié)合吸收劑的選擇原則和經(jīng)濟最優(yōu)原則，本方案采用水作為吸收劑。

2.2.3 吸收強化措施

本方案采用化學(xué)泵對塔內(nèi)的噴嘴進行加壓霧化，以增加水霧在塔內(nèi)的停留時間，增加水與氣體的接觸面積。逆流操作具有傳質(zhì)的接觸時間久﹑推動力大﹑反應(yīng)時間長﹑分離效率高等優(yōu)點，因此吸收塔內(nèi)的氣液流向采用逆流吸收流程，即氣體從下往上走，液體從上往下噴，逆向而行。

2.2.4 吸收塔材質(zhì)的選擇

由于本工藝處理的氣體溫度高，腐蝕性強，因此選擇了玻璃鋼罐體，內(nèi)襯特殊的樹脂。循環(huán)加壓泵采用專用的耐腐蝕性化學(xué)泵，噴嘴及塔頂?shù)牟吨鞯炔捎媚透邷丞p耐腐蝕的特殊材質(zhì)。

2.2.5 廢酸液處理

經(jīng)洗滌冷卻后，洗滌塔底部的廢酸液濃度不斷提高，雜質(zhì)越來越多，需要定期進行排除和清理。鍋爐燃燒產(chǎn)生的灰分呈堿性且量大，將洗滌冷卻吸收塔出來的含酸廢液送到鍋爐沖灰水的混合器或除塵器中，中和成中性廢水后送入污水處理工段進行進一步的處理。

2.3 洗滌塔的設(shè)計

按照16000t?a-1的甘蔗榨量，設(shè)計的洗滌塔高14m，直徑1.5m（圖2），工作壓力0.15MP，冷卻水消耗量＜2.0m3?h-1，硫磺量對蔗比為0.108%，進氣溫度380℃，出口溫度65℃，SO2的利用率可達(dá)92%以上。

圖2 洗滌塔

2.4 運行效果

廣西某糖廠(榨量16000t?a-1）安裝了本設(shè)計冷卻塔，運行后的混合氣體組成見表1。從表1 可知，與原來的列管式冷卻器相比，混合氣體中的雜質(zhì)含量有顯著降低，SO3去除率在90%以上，升華硫的去除率為100%，灰分的去除率在96%以上。使用3 個榨季后，設(shè)備運行穩(wěn)定，對雜質(zhì)的洗滌效果良好。與舊工藝的效果比較見表2﹑表3，可以看到，SO2的利用率在92%以上，硫磺燃燒量減少了10%，清汁色值比降低了200IU 左右，清度超過90%，白砂糖產(chǎn)品的色值為20IU，平均降低了14.81%，灰分降低了17.19%，色值在120IU 以下的白砂糖的產(chǎn)率提高了24.01%，白砂糖的含硫量＜11mg?kg-1，不溶物＜13mg?kg-1。另外蒸發(fā)積垢減少了20%~25%，說明冷卻洗滌工藝能有效去除硫磺燃燒產(chǎn)生的SO3等雜質(zhì)，提高白砂糖質(zhì)量，減少蒸發(fā)積垢。采用智能控制能穩(wěn)定控制二氧化硫的溫度，減少人員操作費用。

表1 新舊工藝的洗滌效果對比(平均值）

表2 新舊工藝硫的利用效果對比

表3 新舊工藝一級白砂糖的質(zhì)量對比

3 結(jié)論

基于洗滌塔設(shè)計的二氧化硫冷卻工藝中，冷卻塔采用玻璃鋼材質(zhì)內(nèi)襯特殊樹脂，耐腐蝕性好，使用壽命長。氣體逆流與水直接接觸，能有效去除SO3﹑升華硫﹑固體雜質(zhì)等，不堵塞硫氣管路，提高了產(chǎn)品質(zhì)量。SO3去除率在90%以上，升華硫S2的去除率為100%，灰分去除率在96%以上，硫磺燃燒量減少了10%。新工藝可減少硫磺及石灰等輔材的用量，減少蒸發(fā)積垢，提高換熱效率，降低白砂糖的含硫量和灰分等，提高產(chǎn)品質(zhì)量，從而為企業(yè)帶來良好的經(jīng)濟效益。