劉愛民 雍正韜

（昆鋼新區(qū)）

摘要 昆鋼新區(qū)300m²燒結(jié)機煙氣脫硫采用氨法脫硫工藝，將燒結(jié)煙氣引入脫硫塔后，分別經(jīng)過洗滌降溫、吸收脫硫、除霧后，凈化煙氣由脫硫塔頂部直排煙囪排入大氣，滿足SO₂、顆粒物等污染物達標(biāo)排放要求。

關(guān)鍵詞：氨法脫硫；吸收；凈化；達標(biāo)排放

1  前言

2016年12月，昆鋼新區(qū)正式通過環(huán)保驗收，燒結(jié)煙氣脫硫系統(tǒng)作為昆鋼新區(qū)重點環(huán)保設(shè)備，與燒結(jié)機、高爐等主體生產(chǎn)設(shè)備同等重要，脫硫系統(tǒng)與燒結(jié)主機同步運行率必須達到100%。環(huán)保要求的日趨嚴(yán)格，對脫硫系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性帶來重大挑戰(zhàn)，脫硫塔作為脫硫系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備，必須從塔體結(jié)構(gòu)、SO₂脫除率、煙氣流速、噴淋吸收等方面進行詳細設(shè)計，滿足脫硫工藝要求。

2  概況

2.1  主要參數(shù)

昆鋼新區(qū)燒結(jié)廠生產(chǎn)燒結(jié)礦過程中產(chǎn)生的燒結(jié)煙氣通過燒結(jié)主抽風(fēng)機引入到脫硫系統(tǒng)，主要性能參數(shù)如下：

表2-1：主要性能參數(shù)表

根據(jù)《鋼鐵燒結(jié)、球團工業(yè)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB28662-2012）排放要求，新區(qū)燒結(jié)煙氣脫硫出口排放必須達到以下標(biāo)準(zhǔn)：

表2-2大氣污染物排放濃度限值

2.2  設(shè)計準(zhǔn)則

脫硫塔內(nèi)的流體力學(xué)特性為復(fù)雜的氣液二相流，幾乎每套脫硫裝置都需結(jié)合性能參數(shù)重新設(shè)計，方能確保可靠性和一次投入成功率。

1） 選擇適當(dāng)?shù)囊簹獗龋源_定液體循環(huán)量，既能滿足脫硫要求，又不增加能耗；

2） 低阻力，脫硫塔內(nèi)部不產(chǎn)生高阻力，始終保持脫硫塔出口處于負壓狀態(tài)；

3）煙氣流速適當(dāng)，煙氣流速與脫硫塔直徑大小相關(guān)，適當(dāng)?shù)牧魉俅_保塔內(nèi)煙氣滯留時間滿足脫硫要求；

4）高 SO2去除率、低的設(shè)備/系統(tǒng)維護率，與脫硫塔工藝控制有關(guān)；

5）高“液滴”分離率，避免產(chǎn)生“酸雨”，污染區(qū)域環(huán)境。

3  脫硫塔設(shè)計

脫硫塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計，包括煙道、塔底液體段、煙氣入口、噴淋吸收層、煙氣出口、噴淋吸收層間距、噴淋層與除霧器和脫硫塔入口的距離、噴噴嘴特性（角度、流量、粒徑分布等）、噴嘴數(shù)量和噴嘴方位的設(shè)計。

3.1  總體布置

昆鋼新區(qū)脫硫為單塔結(jié)構(gòu)，脫硫塔主要分為塔底段（煙氣入口以下）、噴淋吸收段、除霧段，如圖3-1所示。

圖3-1：脫硫塔布置圖

結(jié)合脫硫塔布置圖，脫硫塔布置主要有以下設(shè)計：

1）脫硫塔內(nèi)的液氣比(L/m³)=循環(huán)泵的流量m³/h×1000（L/h)：煙氣流量（Nm³/h)，一般設(shè)計大于3，同時，考慮到脫硫塔的直徑，一般塔底液面高度h1=6 m～15m；

2）考慮煙氣與液體的接觸高度，噴淋吸收層離入口頂端高度h2＝1.2～4m；

3）最低噴淋吸收段離入口頂端高度h3≥vt，v 為空塔速度（m/s），t 為時間（s），一般取t≥1.0s；

4）噴淋吸收層之間的間距h4≥1.5～2.5m；

5）除霧器離最近（最高層）吸收段距離應(yīng)≥1.2 m,當(dāng)最高層吸收段采用雙向噴嘴時，該距離應(yīng)≥3m；除霧器離塔出口煙道下沿距離應(yīng)≥1m。

3.2  煙道尺寸

昆鋼新區(qū)燒結(jié)脫硫工況煙氣流量為2040000m³/h，設(shè)計煙道內(nèi)煙氣流速為15m/s，煙道高寬比為1:1.2，則可得：

流速V=Q/（3600×H²×1.2）=15m/s

其中：Q為實際運行狀態(tài)煙氣量，H為煙道高度

計算可得H=5.6m，寬度L=1.2H=6.7m

脫硫煙氣入口氣液接觸處為干濕交界面，漿液在此干燥結(jié)垢將影響塔運行的安全性和氣流流向。設(shè)計時應(yīng)在煙道入口上方及兩側(cè)安設(shè)擋水板，防止噴嘴噴出的漿液進入煙道內(nèi)，如圖3-2所示。

圖3-2：煙氣入口示意圖

3.3  塔徑大小

脫硫塔考慮風(fēng)載、煙氣分布等因素，多設(shè)計為圓筒形結(jié)構(gòu)，昆鋼新區(qū)燒結(jié)煙氣脫硫塔也按圓筒形結(jié)構(gòu)設(shè)計，上下直徑保持一致。

塔內(nèi)流速V₁=Q/（3.14×R²×3600）

其中：R為脫硫塔半徑

      V₁為塔內(nèi)流速，一般設(shè)計為3-4.5 m/s

煙氣流速大，氣液兩相接觸面碰撞加強，氣體膜厚度減少；煙氣流速小，氣液兩相接觸面碰撞降弱，氣體膜厚度增多。昆鋼新區(qū)脫硫按3.5 m/s設(shè)計。

則可計算脫硫塔半徑R=7.18m

脫硫塔直徑D=2R=14.36m（內(nèi)徑）。

3.4  液體循環(huán)量

昆鋼新區(qū)燒結(jié)煙氣脫硫最大的SO₂負荷為5000mg/Nm³，出口SO₂必須小于200 mg/Nm³，脫硫效率大于96%，采用氨法脫硫，脫硫劑為氨水，與燒結(jié)煙氣接觸過程中能迅速與SO₂反應(yīng)，最高脫硫效率可到99%。氨法脫硫液氣比為3L/m³。

工況下，昆鋼新區(qū)燒結(jié)煙氣量為為2040000m³/h，則得：

液體循環(huán)量Q₁=2040000m³/h×3L/m³÷1000=6120 m³/h

脫硫塔內(nèi)分三級噴淋吸收，每級流量均分，則得：

各級液體循環(huán)量Q₂=6120m³/h÷3=2040 m³/h

含SO₂的燒結(jié)煙氣從脫硫塔中部進入脫硫塔，在上部與循環(huán)吸收液霧化接觸，吸收煙氣中的SO₂，根據(jù)煙氣條件，脫硫塔布置三層霧化噴淋吸裝置，當(dāng)煙氣含硫量低于1500時，可啟用一層，當(dāng)為1500-3000時，可啟用2層，大于3000時，可啟用3層，這樣具有良好的調(diào)節(jié)和節(jié)能功能。脫硫效率一般根據(jù)煙氣出口SO₂濃度確定，可以達到出口35mg/Nm³的超凈排放要求，脫硫效率保證值為96-99.3%。

3.5  噴淋吸收層設(shè)計

噴淋吸收層設(shè)計為脫硫塔設(shè)計的重點和難點，主要包括循環(huán)管道、噴嘴的選擇和布置，只有合理優(yōu)化、布置管道和噴嘴，才能滿足設(shè)計要求，達到高脫硫率。

昆鋼新區(qū)300m燒結(jié)煙氣脫硫塔采用3層噴淋吸收，每層對應(yīng)一臺3400 m³/h的循環(huán)泵。每層噴淋吸收層在脫硫塔內(nèi)的覆蓋面積是設(shè)計的重點。噴淋吸收層在脫硫塔內(nèi)的覆蓋面積計算如下：

ɑ=nA₀/A×100%，

式中ɑ為覆蓋率，%；n為單層噴嘴個數(shù)；A₀為單個噴嘴的覆蓋面積，m²；A為吸收塔的截面積，m²。

設(shè)計時，通常要求脫硫塔內(nèi)噴淋的覆蓋率為200%—300%，300%時效果最佳，且要求覆蓋均勻。

1）噴嘴數(shù)量

噴嘴的噴霧角取90°，則單個噴嘴的覆蓋面積為：

A₀=3.14×r²=3.14×h²×tan²(90/2)=3.14×4=12.56m²

式中h為噴淋吸收層之間的高度，一般設(shè)計取2m。

n= 300%×A/A₀=300%×∏R²÷12.56≈42個

式中R為脫硫塔半徑，在3.3中已進行詳細計算。

2）噴嘴流量

脫硫塔運行過程中，每層漿液流量為3400 m³/h，則每個噴嘴的流量為：

Q₃=2040 m³/h÷42=48.57 m³/h=13.49L/s

通過計算后，即可結(jié)合流量要求選取對應(yīng)型號的噴頭。

3.6  除霧器設(shè)計

昆鋼新區(qū)燒結(jié)煙氣脫硫塔采用兩級除霧器，主要作用為除去煙氣中的水滴，減少煙囪出口顆粒物含量。煙氣脫硫后，進入如位于噴淋層上部的除霧段，常規(guī)設(shè)計中，通過除霧器的凈化煙氣中液滴夾帶量應(yīng)小于75mg/Nm³（干基），為保證該數(shù)據(jù)，除霧器的霧滴去除率應(yīng)大于99.5%以上。

兩級除霧器間的距離應(yīng)為1.8m左右，以便檢修維護。除霧器距最近噴淋層的距離與該層采用的噴嘴形式有關(guān)，當(dāng)采用向下噴霧的噴嘴時，其間距應(yīng)大于1.2m；當(dāng)采用雙向噴霧的噴嘴時，其間距應(yīng)大于3m。除霧器上沿距煙道出口下沿應(yīng)大于1m。

4  設(shè)計結(jié)果

昆鋼新區(qū)300m²燒結(jié)煙氣氨法脫硫在運行過程中，脫硫塔內(nèi)運行介質(zhì)具有強腐蝕性、強磨損性，因此，脫硫塔材質(zhì)選擇整體玻璃鋼，耐腐蝕耐磨損性能良好，使用壽命可達15年。脫硫塔是一個具有多功能結(jié)構(gòu)的專用設(shè)備，在脫硫過程中具體有SO₂吸收、氨回收、煙氣除塵、亞硫銨氧化等多種功能，其實際結(jié)構(gòu)布置如4-1圖所示。

圖4-1脫硫塔示意圖

4.1  脫硫塔特性

1）使用介質(zhì)：含SO₂氣體（濕基）、亞硫銨溶液、硫銨溶液、氯化銨溶液等，屬于強腐蝕性介質(zhì)

2）使用溫度：60－200℃

3）使用壓力：2500Pa以內(nèi)

4）設(shè)備材質(zhì)：整體玻璃鋼

5）結(jié)構(gòu)型式：噴霧塔結(jié)構(gòu)

6）主要尺寸：脫硫塔尺寸φ1500/36000-100000

脫硫塔直徑15米，分為三段：下部為硫銨漿液段，高18米（煙氣均布托盤以下），塔底漿液內(nèi)設(shè)置1組氧化均布氣管網(wǎng)，用于將亞硫酸銨氧化成硫酸銨；中部為SO₂噴淋吸收段，高6米，設(shè)置3層噴淋層，每層間隔2米；上部為2級除霧器，高12m，帶沖洗。脫硫塔頂部接直徑為8米的直排煙囪，內(nèi)構(gòu)件采用玻璃鋼材料，全塔總高100m（含煙囪）。

7）重量：整塔無負荷重約為285噸，運行時整塔重約3250噸。

4.2  環(huán)保效果

昆鋼新區(qū)300m²燒結(jié)煙氣脫硫系統(tǒng)脫硫塔運行效果如下表：

表4-1脫硫塔出口排放指標(biāo)表

5  結(jié)語                    

昆鋼新區(qū)300m²燒結(jié)全煙氣脫硫系統(tǒng)運行過程中，若以煙氣中年SO₂平均值4000mg/Nm³來計算，預(yù)計每年減排SO₂約4萬噸（年運行8400小時計），同時年副產(chǎn)硫酸銨化肥8萬噸，為昆鋼新區(qū)實現(xiàn)節(jié)能減排，改善區(qū)域環(huán)境，降低環(huán)境污染風(fēng)險起到巨大作用。

參考文獻：

[1]  龍興燦主編，《給排水與管網(wǎng)工程》[M]，2008.8

[2]  郭東明主編，《脫硫工程技術(shù)與設(shè)備》,2012.01

[3]  楊廣賢編著，《最新火電廠煙氣脫硫脫硝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)用手冊》，2013.07

[4]  趙榮志，梁家瑞編，《燒結(jié)煙氣脫硫脫硝技術(shù)現(xiàn)狀》，2013.12