劉愛民 雍正韜

（昆鋼新區）

摘要 昆鋼新區300m²燒結機煙氣脫硫采用氨法脫硫工藝，將燒結煙氣引入脫硫塔后，分別經過洗滌降溫、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排放要求。

關鍵詞：氨法脫硫；吸收；凈化；達標排放

1  前言

2016年12月，昆鋼新區正式通過環保驗收，燒結煙氣脫硫系統作為昆鋼新區重點環保設備，與燒結機、高爐等主體生產設備同等重要，脫硫系統與燒結主機同步運行率必須達到100%。環保要求的日趨嚴格，對脫硫系統運行的穩定性帶來重大挑戰，脫硫塔作為脫硫系統關鍵設備，必須從塔體結構、SO₂脫除率、煙氣流速、噴淋吸收等方面進行詳細設計，滿足脫硫工藝要求。

2  概況

2.1  主要參數

昆鋼新區燒結廠生產燒結礦過程中產生的燒結煙氣通過燒結主抽風機引入到脫硫系統，主要性能參數如下：

表2-1：主要性能參數表

根據《鋼鐵燒結、球團工業大氣污染物排放標準》（GB28662-2012）排放要求，新區燒結煙氣脫硫出口排放必須達到以下標準：

表2-2大氣污染物排放濃度限值

2.2  設計準則

脫硫塔內的流體力學特性為復雜的氣液二相流，幾乎每套脫硫裝置都需結合性能參數重新設計，方能確保可靠性和一次投入成功率。

1） 選擇適當的液氣比，以確定液體循環量，既能滿足脫硫要求，又不增加能耗；

2） 低阻力，脫硫塔內部不產生高阻力，始終保持脫硫塔出口處于負壓狀態；

3）煙氣流速適當，煙氣流速與脫硫塔直徑大小相關，適當的流速確保塔內煙氣滯留時間滿足脫硫要求；

4）高 SO2去除率、低的設備/系統維護率，與脫硫塔工藝控制有關；

5）高“液滴”分離率，避免產生“酸雨”，污染區域環境。

3  脫硫塔設計

脫硫塔的結構設計，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）、噴嘴數量和噴嘴方位的設計。

3.1  總體布置

昆鋼新區脫硫為單塔結構，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

結合脫硫塔布置圖，脫硫塔布置主要有以下設計：

1）脫硫塔內的液氣比(L/m³)=循環泵的流量m³/h×1000（L/h)：煙氣流量（Nm³/h)，一般設計大于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≥1.2 m,當最高層吸收段采用雙向噴嘴時，該距離應≥3m；除霧器離塔出口煙道下沿距離應≥1m。

3.2  煙道尺寸

昆鋼新區燒結脫硫工況煙氣流量為2040000m³/h，設計煙道內煙氣流速為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，漿液在此干燥結垢將影響塔運行的安全性和氣流流向。設計時應在煙道入口上方及兩側安設擋水板，防止噴嘴噴出的漿液進入煙道內，如圖3-2所示。

圖3-2：煙氣入口示意圖

3.3  塔徑大小

脫硫塔考慮風載、煙氣分布等因素，多設計為圓筒形結構，昆鋼新區燒結煙氣脫硫塔也按圓筒形結構設計，上下直徑保持一致。

塔內流速V₁=Q/（3.14×R²×3600）

其中：R為脫硫塔半徑

      V₁為塔內流速，一般設計為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。昆鋼新區脫硫按3.5 m/s設計。

則可計算脫硫塔半徑R=7.18m

脫硫塔直徑D=2R=14.36m（內徑）。

3.4  液體循環量

昆鋼新區燒結煙氣脫硫最大的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，與燒結煙氣接觸過程中能迅速與SO₂反應，最高脫硫效率可到99%。氨法脫硫液氣比為3L/m³。

工況下，昆鋼新區燒結煙氣量為為2040000m³/h，則得：

液體循環量Q₁=2040000m³/h×3L/m³÷1000=6120 m³/h

脫硫塔內分三級噴淋吸收，每級流量均分，則得：

各級液體循環量Q₂=6120m³/h÷3=2040 m³/h

含SO₂的燒結煙氣從脫硫塔中部進入脫硫塔，在上部與循環吸收液霧化接觸，吸收煙氣中的SO₂，根據煙氣條件，脫硫塔布置三層霧化噴淋吸裝置，當煙氣含硫量低于1500時，可啟用一層，當為1500-3000時，可啟用2層，大于3000時，可啟用3層，這樣具有良好的調節和節能功能。脫硫效率一般根據煙氣出口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  噴淋吸收層設計

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

昆鋼新區300m燒結煙氣脫硫塔采用3層噴淋吸收，每層對應一臺3400 m³/h的循環泵。每層噴淋吸收層在脫硫塔內的覆蓋面積是設計的重點。噴淋吸收層在脫硫塔內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；A₀為單個噴嘴的覆蓋面積，m²；A為吸收塔的截面積，m²。

設計時，通常要求脫硫塔內噴淋的覆蓋率為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，即可結合流量要求選取對應型號的噴頭。

3.6  除霧器設計

昆鋼新區燒結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，常規設計中，通過除霧器的凈化煙氣中液滴夾帶量應小于75mg/Nm³（干基），為保證該數據，除霧器的霧滴去除率應大于99.5%以上。

兩級除霧器間的距離應為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，當采用向下噴霧的噴嘴時，其間距應大于1.2m；當采用雙向噴霧的噴嘴時，其間距應大于3m。除霧器上沿距煙道出口下沿應大于1m。

4  設計結果

昆鋼新區300m²燒結煙氣氨法脫硫在運行過程中，脫硫塔內運行介質具有強腐蝕性、強磨損性，因此，脫硫塔材質選擇整體玻璃鋼，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構的專用設備，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，其實際結構布置如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：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

2）使用溫度：60－200℃

3）使用壓力：2500Pa以內

4）設備材質：整體玻璃鋼

5）結構型式：噴霧塔結構

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），塔底漿液內設置1組氧化均布氣管網，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，內構件采用玻璃鋼材料，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  環保效果

昆鋼新區300m²燒結煙氣脫硫系統脫硫塔運行效果如下表：

表4-1脫硫塔出口排放指標表

5  結語                    

昆鋼新區300m²燒結全煙氣脫硫系統運行過程中，若以煙氣中年SO₂平均值4000mg/Nm³來計算，預計每年減排SO₂約4萬噸（年運行8400小時計），同時年副產硫酸銨化肥8萬噸，為昆鋼新區實現節能減排，改善區域環境，降低環境污染風險起到巨大作用。

參考文獻：

[1]  龍興燦主編，《給排水與管網工程》[M]，2008.8

[2]  郭東明主編，《脫硫工程技術與設備》,2012.01

[3]  楊廣賢編著，《最新火電廠煙氣脫硫脫硝技術標準應用手冊》，2013.07

[4]  趙榮志，梁家瑞編，《燒結煙氣脫硫脫硝技術現狀》，2013.12