点击下载——气喷旋冲石灰石—石膏脱硫技术在包钢烧结烟气工艺中的应用.doc

气喷旋冲石灰石—石膏脱硫技术在包钢烧结烟气工艺中的应用

李转丽，邹义舫

(北京中航泰达科技有限公司技术部，北京 100073)

摘 要：本文介绍了石灰石—石膏法气喷旋冲脱硫工艺，阐述了该脱硫工艺的主要技术特点及该脱硫工程的主要技术参数和技术要点，该法在包钢集团炼铁厂四烧两台265m²烧结机烟气脱硫工程中应用，本文总结了该系统采用石灰石—石膏法气喷旋冲脱硫工艺，实施运行中出现的一些问题和解决方法、及运行情况。

关 键 词：钢铁；烧结烟气；脱硫；气喷旋冲；石灰石—石膏法；SO₂

钢铁工业是国民经济的重要支柱产业，但也是我国最主要的能源资源消耗和污染物排放行业之一。特别是国家重点控制的污染物二氧化硫，钢铁行业的排放量仅次于火电行业，而且随着电力行业烟气脱硫工作取得明显成效，钢铁行业占全国工业二氧化硫排放量的比例由“十一五”初期的8％在左右上升到2009年的10％左右^[1]。国家对环境保护的要求日趋严格，给钢铁行业污染减排提出了更高的要求，钢铁行业在“十二五”期间大气污染治理工作任务繁重而艰巨，二氧化硫减排形势相当严峻。

1 综述和技术概况

1．1 综述

钢铁生产系统中，烧结烟气成份复杂，有其自身的特点：(1)烧结烟气量大。(2)烟气温度较高，烟气温度波动大，一般在100～180℃上下。(3)烟气携带粉尘多。(4)含湿量大。水分含量在10％左右。(5)烧结烟尘颗粒细、粘，成分复杂，含有腐蚀性气体HCl、HF等。(6)SO₂浓度变化范围宽。(7)含有重金属污染物。8)烟气量瞬间变化差异较大，波动较为频繁。

1．2 技术概况

烧结烟气脱硫不同于电厂烟气脱硫，不能简单套用电厂已经成熟的烟气脱硫技术，而要根据烧结烟气特点，开发出专门的烧结烟气脱硫技术。中航泰达根据这些特点，早在2005年，公司就开始对烧结烟气进行专门的脱硫技术研究，2006年，与宝钢携手在宝钢集团上海不锈钢分公司内建立一套热态中试试验装置。对于烧结烟气中酸性气体的脱除、重金属的去除、腐蚀、结垢、副产物处置等问题进行了长期的实验研究。在试验运行过程中都已经完全得到解决，形成了一套完整的气喷旋冲烧结烟气脱硫技术。

此技术曾成功用于宝钢的五套烧结烟气脱硫工程中，实践证明，此技术运行可靠稳定、脱硫效率高、效果很好。

2 气喷旋冲石灰石／石膏湿法脱硫技术原理

气喷旋冲石灰石／石膏法工艺主要系统包括：(1)石灰石制备系统；(2)吸收塔系统；(3)烟气系统；(4)石膏脱水和贮存系统；(5)水系统(6)事故处理系统；(7)控制系统

2．1 工艺介绍：

气喷旋冲塔是气喷旋冲石灰石／石膏工艺的核心部分，见图1所示：

在传统的烟气脱硫方法中，烟气是连续相，液态吸收剂通过喷淋扩散到烟气火或通过塔内的填料或塔盘与烟气接触，这种方式会导致脱硫率的边际效应，致使传质过程和化学反应动力弱化，从而引起运行中的结垢和堵塞。

气喷旋冲工艺正好与传统的概念相反，在此设计中，液相吸收剂是连续相，而烟气是离散相，烟气通过气喷旋冲装置喷射到塔内的吸收浆液中，在这种情况下，临界传质和临界化学反应速度的局限性没有了，从而消除了结垢和堵塞，形成了很高的脱硫效率。

气喷旋冲塔，是气喷旋冲石灰石—石膏法工艺的核心，烟气通过气喷旋冲管均匀分布到浆液中，当气泡上升到鼓泡层时，产生多级的传质过程，由于气—液的多级接触和庞大的接触面积(是通常喷淋工艺的数十倍)，传质速率很高，达到很高的脱硫除尘性能。通过调节气喷旋冲管的浸液深度和浆液的PH值来适应工况的变化。

2．2 工艺特点

该气喷旋冲工艺的特点：是使用了气喷旋冲装置，在气喷旋冲浆液池中，烟气通过气喷管直接喷散到洗涤液中，取消了浆液喷淋装置和再循环装置。该工艺取消了复杂的浆液再循环系统，简化了工艺过程，也降低了能耗，因而，使投资成本和运行费用都有所减少，增加了系统稳定性和可靠性。

3 包钢工况

包钢集团公司四烧车间(以下简称四烧)，现有2台265m²烧结机，分别于2006年6月、10月投产，设计年产烧结矿548万吨、利用系数1．4、年设计作业天数330天，是包钢1000万吨规模配套项目的组成部分。

四烧车间2台265m²烧结机，其出口烟气量：2×1740000m³／h。SO₂浓度：1188—5292mg／Nm³(平均3000mg／Nm³)，HF浓度：<100mg／Nm³，烟气温度：53—200℃(一般90—130℃)，含尘浓度：200mg／Nm³左右(机头电除尘器后)。

根据国家环保部对包钢1000万吨规模环评的批复，在四烧机头需建设除氟、脱硫设施，以满足对SO₂减排的要求，烟气出口要求：SO₂浓度<100mg／Nm³，HF浓度：<6mg／Nm³。

包钢经多方面前期调研，比较了目前主要的几种脱硫技术，包括活性炭吸附法、循环流化床法、氨法、密相干塔法、石灰石—石膏法等，比较了几种主流塔型，包括喷淋塔、气喷旋冲塔等。针对包钢具体的工况，合理选择适合包钢自身烟气特点的脱硫技术。

最终采用北京中航泰达自主研发、具有知识产权，并已获得国家专利的石灰石／石灰—石膏气喷旋冲脱硫技术，对2×265m²烧结机烟气进行治理。

该项目于2010年10月开工，2011年10月建成，并进行调试、运行。

四烧的烧结烟气特点：1．SO₂浓度高，高达5000多mg／Nm³；2．SO₂浓度波动大，范围为3000～5000多mg／Nm²；3．HF浓度较高，约100mg／Nm³；4．烟气温度波动大。

4 技术与四烧工况结合

针对于包钢烧结烟气的特点，采用气喷旋冲石灰石—石膏脱硫技术，采用价廉易购的石灰石粉(粒径通过250目筛，筛余量小于10％)作为脱硫剂，将石灰石粉制成一定浓度(20％)的浆液后，利用浆液供给泵供入脱硫塔，烟气通过塔内气喷旋冲管进入浆液段，与塔内浆液发生化学反应，烟气中的二氧化硫和氟化氢得以吸收、粉尘得以洗涤，净化后的烟气通过除雾器除去烟气中的液滴，再通过新建净烟囱排入大气中。通过旋流浓缩、真空脱水获得副产物石膏。

整个系统由石灰石浆液制备系统、烟气系统、吸收系统、浆液排空及回收系统、石膏脱水系统、工艺水系统、污水处理系统、杂用和仪用压缩空气系统等组成。工艺流程，见图2所示：

结合包钢的工况，我们在设计中针对性地主要解决以下几个问题：

4．1 HF的脱除

(1)冷却预处理装置。

针对包钢烧结烟气中氟含量高的情况，我们的预处理装置分为两层，第一层为水冷却，第二层为浆液冷却，对于HF的脱除率达到90％以上。烟气中的HF在预处理段中以两种形式被脱除：一方面是以HF的形式溶于水，随着冷却残留水排出预处理系统；另一种是和预处理段中间层的石灰石浆液发生反应，生成CaF₂，含在浆液中，随浆液一起排出冷却预处理装置。

排出的冷却残留水和冷却浆液混合作为废水排出预处理段，对于排出的废水专门设置了废水处理系统进行处理。废水处理系统中加药剂予以中和生成CaF₂，每小时CaF₂生成的量为0．096吨，经加絮凝剂沉淀，最后由压滤机除掉水制成泥饼，可以采用填埋进行处理，年处理量为760吨。

(2)、在吸收塔的浆液反应区，对于HF的脱除率达到96％以上，即烟气中的HF基本可以完全脱除。烟气通过气喷管进入吸收塔浆液区，其中烟气中的HF和石灰石浆液充分发生反应，生成CaF₂，混合在石膏中，经过石膏排出泵排出，经过石膏旋流器、真空皮带脱水机脱水，最终以极低含量(重量比0．06％)混和在含水量小于10％的脱硫石膏中，对于脱硫石膏的再利用没有任何影响。

4．2 烟温波动大

在烟气经过增压风机后，入塔之前，设置冷却预处理装置，采用一级水冷却和二级浆液冷却相结合的方式，对烟气进行降温，水冷却采用变频冷却水泵，可以根据烟温的波动调节冷却水量，从而稳定烟气温度，和二级浆液冷却相接触，使烟气在进入吸收塔前达到饱和状态，从而提高了脱硫效率并防止结垢，也保证了脱硫塔的热安全性。同时烟气经过冷却预处理段，也脱除烟气中一部分氯化氢、粉尘及重金属，改善了脱硫塔的防腐环境，也提高了脱硫副产物—脱硫石膏的品质。

4．3 入口SO₂浓度高，波动大，脱硫效率高

脱硫效率高，对负荷的变化适应性强，是气喷旋冲塔的最大的优点。随着气喷旋冲管的浸液深度的增加，脱硫效率液也会相应提高。但是增加到一定深度，对脱硫效率增加贡献不明显，且随着浸液深度的增加，系统阻力也会加大，增压风机的压头增加，电耗增加。浸液深度和脱硫效率之间的关系是通过大量的运行数据自学习过程控制，因此，选择合适的浸液深度，达到预期的脱硫效率。低PH值运行也是非常关键的因素，此工程PH值设计为4．5～5．2，浸液深度和PH值相结合，来适应不同的二氧化硫浓度和波动，达到预期的脱硫效率。

5 实际效果实绩、测评

5．1 主要性能指标

2011年10月底，1^#265m²烧结烟气脱硫系统投产，11月底，2^#系统相继投产，两套系统投产以来，运行比较稳定，经包钢环境监测站监测，SO₂排放浓度小于100mg／Nm³，脱硫效率保持在95％以上。列举2012年3月，脱硫系统运行指标见表1：

从表中可以看出：(1)出口二氧化硫排放浓度满足设计要求；(2)脱硫效率保持在95％以上；(3)二氧化硫排放浓度达到环保部对于钢铁行业烧结烟气排放标准要求。

5．2 装置运行率

为了巩固运行成果，包钢采用运行外包形式，选择谁建谁运营的模式，选择中航泰达专业的运营服务。自2011年10月底投入运行以来，脱硫运营部按照ISO9001质量管理体系和环境管理体系要求建立设备专人巡查制度、检修维护制度和紧急情况应急预案，充分利用烧结机检修停机时间，加强设备维护检修，及时进行消缺，脱硫装置同步运行率达98％，基本保持了与烧结机的同步运行。

5．3 运行成本

包钢烟气脱硫装置运行成本，包括石灰石粉、水、电的消耗，统计2011．10月～2012．3月运行成本，因为包钢的铁矿石来由三部分组成：(1)60％来源于包钢的自有矿；(2)一部分新矿；(3)另有10～15％的蒙古矿，因此烧结烟气含硫量高且不稳定，随着进口烟气中二氧化硫浓度从3000～5000mg／Nm³，每吨烧结矿脱硫成本约为5．2～8．6元。

5．4 石膏品质

由于采用气喷旋冲工艺，石灰石利用率高，最终进入石膏中的杂质少，纯度高；没有大的浆液循环泵搬运浆液，所以石膏结晶破坏被降低到最低限度，石膏在浆液池中停留时间长从而形成的晶体较大，脱水简单。因此，石膏的纯度高，达90％以上，经过一级石膏旋流器和二级真空皮带脱水机脱水后，石膏含水率低于10％。脱硫石膏外销包头地区的水泥厂做水泥添加剂。

6 结论

包钢集团公司四烧两台265m²烧结机采用气喷旋冲石灰石—石膏法脱硫装置，已稳定运行五个多月，此系统运行可靠、稳定。脱硫效率达到95％以上，二氧化硫排放浓度小于100mg／Nm³，同步运行率达到98％以上。

脱硫副产物石膏品质好，纯度高达90％以上，含水率低于10％，用于水泥添加剂。

自脱硫装置运行以来，月均减排二氧化硫量达3880t，二氧化硫减排效果显著，显著的改善了包钢乃至包头市的环境质量。

下一步，将在以下方面进行更加深入的积极探索：

副产物石膏的应用拓展

脱硫工艺的自学习区间更加精确，系统更稳定、可靠

此系统可在回转窑系统、电厂、大容量烧结机上应用，使其技术更加完善。

参 考 文 献：

[1]   李新创，编著．论钢铁工业可持续发展：李新创钢铁规划研究文集．北京：冶金工业出版社，2012．4．