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        半干法脫硫堿液噴淋預(yù)處理工程設(shè)計(jì)與分析

        2022-05-11 03:44:40石培良SHIPeiliang
        價(jià)值工程 2022年17期
        關(guān)鍵詞:半干法堿液水泵

        石培良 SHI Pei-liang

        (礦冶科技集團(tuán)有限公司,北京 100160)

        0 引言

        有色冶煉行業(yè)中,由于其原料中含有硫元素,在生產(chǎn)過程中含硫原料與氧氣接觸在高溫條件下生成SO2,隨著排煙系統(tǒng)排放到大氣當(dāng)中。煙氣中的SO2如果不經(jīng)過處理直接排放到大氣當(dāng)中,會(huì)導(dǎo)致酸雨、光化學(xué)煙霧等問題,對生態(tài)環(huán)境帶來嚴(yán)重?fù)p害,威脅人類健康生活。煙氣脫硫技術(shù)[1]主要分為濕法脫硫、半干法脫硫、干法脫硫三種,其中半干法脫硫技術(shù)占地面積少、無廢水產(chǎn)生、自動(dòng)化程度高、副產(chǎn)物可綜合再利用,因此受到了廣泛關(guān)注。

        本文以國內(nèi)某半干法脫硫項(xiàng)目為例,闡述了銅冶煉行業(yè)半干法煙氣脫硫技術(shù)噴淋預(yù)處理工藝流程及相關(guān)輔助設(shè)施,該項(xiàng)目工藝路線為堿液儲(chǔ)存系統(tǒng)—液體輸送系統(tǒng)—暫存系統(tǒng)—清洗系統(tǒng)—智能流量控制裝置—霧化噴淋裝置,同時(shí)配套輔助設(shè)施包括加熱盤管、監(jiān)控儀表、自動(dòng)化控制系統(tǒng)及相關(guān)防護(hù)措施。目前本項(xiàng)目已經(jīng)設(shè)計(jì)完成,系統(tǒng)正在正常調(diào)試階段,根據(jù)設(shè)計(jì)階段的相關(guān)任務(wù),對本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行了總結(jié),以便于為其他同類型的項(xiàng)目提供參考,交流設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)。

        1 預(yù)處理系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)

        本項(xiàng)目煙氣中的SO2濃度具有高波動(dòng)的特點(diǎn),煙氣的處理量為工況條件下20萬m3/h,溫度范圍130℃~170℃,粉塵含量不高于50mg/m3,預(yù)處理工藝只在煙氣中高硫來臨且超過半干法系統(tǒng)處理上限時(shí)開始運(yùn)行,煙氣中需預(yù)處理的SO2濃度最大限值為8000mg/Nm3,預(yù)計(jì)處理效果達(dá)到95%。預(yù)處理工藝系統(tǒng)主要由堿液儲(chǔ)存系統(tǒng)、堿液輸送系統(tǒng)、智能流量控制裝置、霧化噴淋裝置組成。工藝流程圖如圖1所示。

        圖1 半干法脫硫堿液噴淋預(yù)處理項(xiàng)目工藝流程圖

        煙氣中SO2經(jīng)預(yù)處理系統(tǒng)處理后,無液態(tài)水的產(chǎn)生,將SO2濃度降低到半干法系統(tǒng)可處理范圍內(nèi),煙氣最終通過煙囪排入大氣中,并滿足《再生銅、鋁、鉛、鋅工業(yè)污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 31574-2015)要求。

        1.1 堿液儲(chǔ)存系統(tǒng)

        堿性溶液溶質(zhì)的選擇需從溶解度、熔點(diǎn)、價(jià)格、處理每噸SO2消耗量等方面進(jìn)行選擇,圖2中列出了四種常見堿性化合物的溶解度。

        圖2 四種常見堿性溶質(zhì)的溶解度

        從圖中看出在20℃情況下,NaOH的在水中的溶解度最大,溶解度按照從大到小排序?yàn)镹aOH>NaHCO3>Na2CO3>Ca(OH)2。從溶解度方面考慮,適合選用NaOH作為溶質(zhì)。

        表1中列出NaOH、Ca(OH)2、Na2CO3、NaHCO3四種堿性溶質(zhì)的脫硫成本,根據(jù)表格信息可知,處理每噸SO2所用溶質(zhì)成本由高到低依次為NaHCO3>Na2CO3>NaOH>Ca(OH)2。

        表1 四種常見堿性溶質(zhì)的脫硫成本

        綜上所述,得出NaOH在四種堿性化合物中溶解度最大,在處理SO2量相同的情況下,溶解度越大,用水量就越少,煙氣溫度降低越少,有利于后續(xù)脫硫系統(tǒng)正常運(yùn)行。從價(jià)格方面和溶解度方面綜合考慮,選用NaOH作為溶質(zhì)。

        選定NaOH作為溶質(zhì)后,需要考慮堿液濃度的選擇,主要從堿液含水量、煙氣溫降等方面進(jìn)行考慮,保證煙氣溫降在可控范圍內(nèi),煙氣溫度控制在100℃以上,堿液中的水最終以水蒸氣的形式混合在煙氣當(dāng)中。表2是在煙氣量工況250000m3/h,處理8000mg/m3所用不同濃度NaOH的質(zhì)量及含水量。

        表2 不同濃度NaOH溶液的含水量

        從表格中數(shù)據(jù)可得:隨著NaOH溶液濃度的增大,其含水量越少,水量越少對后續(xù)煙氣溫度的降低也越少。接下來要根據(jù)煙氣溫降來考慮,NaOH溶液濃度越低,脫硫成本會(huì)相對降低。圖3為不同濃度NaOH溶液處理煙氣中SO2后,理論計(jì)算的煙氣溫降結(jié)果。

        圖3 不同濃度NaOH溶液脫硫后煙氣溫降

        根據(jù)圖3可知,隨著NaOH溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大,煙氣溫降越低,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%和35%的NaOH溶液脫硫后,煙氣溫度降低到100℃以下,不符合設(shè)計(jì)要求,因此選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%NaOH溶液作為本項(xiàng)目的脫硫劑。

        本項(xiàng)目所用堿液為40%NaOH溶液,采購化工廠家直接配比好的溶液,在儲(chǔ)存罐中儲(chǔ)存,設(shè)計(jì)儲(chǔ)存容量為7天用量72m3,NaOH溶液屬于危險(xiǎn)化學(xué)品行列,在設(shè)計(jì)時(shí)要嚴(yán)格按照SH3046-92《石油化工立式圓筒形鋼制焊接儲(chǔ)罐設(shè)計(jì)規(guī)范》、GB50160-2018《石油化工企業(yè)設(shè)計(jì)防火標(biāo)準(zhǔn)》、GB50016-2014《建筑設(shè)計(jì)防火規(guī)范》等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì),充分考慮儲(chǔ)罐本身的結(jié)構(gòu)和化工行業(yè)儲(chǔ)罐圍堰的要求,做好基礎(chǔ)設(shè)施的安全防護(hù)。

        本項(xiàng)目所用儲(chǔ)罐數(shù)量為2個(gè),總?cè)莘e為72m3,單個(gè)儲(chǔ)罐的直徑為3.6m,高度為4.9m,錐形頂結(jié)構(gòu),罐體內(nèi)部設(shè)置有加熱盤管,加熱方式為蒸汽加熱,在錐形頂上設(shè)置有進(jìn)液口和泄壓口,進(jìn)液口管道上設(shè)置有閥門,當(dāng)堿液運(yùn)輸車進(jìn)廠補(bǔ)充堿液時(shí),運(yùn)輸車上閥門與進(jìn)液口閥門連接,通過現(xiàn)場配置的輸送泵提供動(dòng)力進(jìn)行堿液補(bǔ)充。兩個(gè)堿液儲(chǔ)罐分別設(shè)有信號(hào)傳輸和現(xiàn)場顯示功能的液位計(jì)和溫度計(jì)。兩個(gè)堿液儲(chǔ)存罐之間采用串聯(lián)連接,連接管道中間設(shè)有閥門,以便于后續(xù)檢修工作的開展。

        1.2 液體輸送系統(tǒng)

        液體輸送系統(tǒng)主要由輸送管道、閥門、壓力儀表、流量儀表,立式多級(jí)離心泵、止回閥、管道支撐等部分組成。輸送系統(tǒng)的主要作用是將堿液輸送到現(xiàn)場五樓的暫存罐,保證后續(xù)噴淋系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

        本項(xiàng)目的堿液輸送系統(tǒng)輸送量為10m3/h,介質(zhì)為40%NaOH溶液,介質(zhì)密度按照1500kg/m3考慮,管道流速按照《給排水設(shè)計(jì)手冊》和《化工工藝設(shè)計(jì)手冊》選取1.5m/s[2],輸送管道出口壓力選取0.1MPa,與泵體連接管道與罐體預(yù)留連接口保持一致。連接管路如圖4所示。

        圖4 堿液輸送系統(tǒng)工藝路線

        輸送管道設(shè)有一用一備兩個(gè)管路,采用并聯(lián)連接方式,另在并聯(lián)管路處設(shè)置清洗管道旁路與企業(yè)工業(yè)用水管道連接。輸送系統(tǒng)中的動(dòng)力由立式離心泵提供,離心泵共兩臺(tái),一用一備。每次輸送堿液后需用自來水對管道進(jìn)行清洗,防止堿液在管道停留時(shí)間過長腐蝕管道和水泵葉輪。整套系統(tǒng)在運(yùn)行過程中需要定期觀察管道有無滴漏現(xiàn)象。

        1.3 暫存系統(tǒng)

        儲(chǔ)液罐中的堿液經(jīng)輸送系統(tǒng)傳輸?shù)脚c噴淋塔同高的堿液暫存罐中,暫存罐的結(jié)構(gòu)與儲(chǔ)存罐類似,其主要作用是將從地面輸送過來的堿液儲(chǔ)存,給工藝流程中的智能流量控制裝置控制系統(tǒng)提供穩(wěn)定的堿液來源,避免與堿液輸送系統(tǒng)發(fā)生沖突。系統(tǒng)中的堿液暫存罐放在圍堰當(dāng)中,圍堰做防腐防滲處理[3]。

        1.4 智能流量控制裝置

        智能流量控制裝置包含:動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、輸送管道、現(xiàn)場顯示儀表。從暫存罐出來的堿液進(jìn)入該系統(tǒng),該系統(tǒng)動(dòng)力由三臺(tái)立式多級(jí)不銹鋼離心泵提供,兩大一小,大功率的離心泵為3kW、流量4m3/h,小功率的離心泵為2.2kW、流量為2.2m3/h,水泵出口分別與暫存罐外接的三個(gè)管道連接,清洗管道采用并聯(lián)方式與水泵進(jìn)口三個(gè)管道連接。水泵的控制方式采用現(xiàn)場控制和遠(yuǎn)程控制相結(jié)合的方式,通過調(diào)節(jié)變頻器的方式控制水泵的流量大小。儀表分為管道壓力表和流量表,具有就地顯示和遠(yuǎn)程傳送功能。通過現(xiàn)場儀表的反饋數(shù)據(jù)來判斷水泵的運(yùn)行情況是否合適。

        1.5 霧化噴淋裝置

        霧化噴淋裝置主要由噴射管道、閥門、蛇皮軟管、霧化噴頭等組成。其主要作用是將堿液霧化,堿液以小液滴的形式與煙氣中的SO2接觸,增大了接觸面積,NaOH與煙氣中的SO2反應(yīng)充分反應(yīng),堿液中多余的水分隨著反應(yīng)的進(jìn)行被煙氣加熱,在脫硫塔內(nèi)霧化蒸發(fā)[4],以水蒸氣的形式進(jìn)入系統(tǒng)當(dāng)中。

        2 設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

        2.1 項(xiàng)目前期注意事項(xiàng)

        ①注重行業(yè)調(diào)研。首先要充分了解并認(rèn)識(shí)到有色冶煉行業(yè)的生產(chǎn)工藝,結(jié)合目前現(xiàn)有的煙氣脫硫技術(shù),掌握NaOH物料的相關(guān)性質(zhì),包括溶解度、腐蝕性、不同濃度的堿溶液的結(jié)晶溫度等,這對于項(xiàng)目后續(xù)的設(shè)計(jì)和設(shè)備選型具有十分重要的意義。

        ②設(shè)備選型要留有設(shè)計(jì)余量。在前期的項(xiàng)目設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)任務(wù)書編寫階段,適當(dāng)增大輸送水泵的功率,因水泵的輸送曲線是根據(jù)介質(zhì)水來制定的[5],本次水泵輸送的堿液密度大,所以要將輸送水泵的功率增大,防止水泵輸送能力不足,造成堿液噴淋霧化效果變差。

        2.2 設(shè)計(jì)階段注意事項(xiàng)

        ①管道及止回閥的選擇。管道選擇要考慮防腐,轉(zhuǎn)彎半徑不超過90°,管道與管道之間的連接方式采用法蘭連接。止回閥的壓力強(qiáng)度選擇需要根據(jù)堿液的密度和輸送高度選擇,考慮堿液瞬時(shí)沖擊強(qiáng)度,目的防止水錘現(xiàn)象出現(xiàn)[6],保護(hù)水泵葉輪。

        ②霧化噴頭的選擇與布置方式。霧化噴頭一般布置在塔形結(jié)構(gòu)中,根據(jù)工程實(shí)際情況確定噴嘴材料與類型,霧化噴頭的選擇與霧化液滴大小有密切的關(guān)系[7],霧化液滴越小,堿液與煙氣中SO2反應(yīng)越充分,噴嘴孔徑過小容易產(chǎn)生噴嘴堵塞問題。噴頭的布置方式由噴淋的角度及覆蓋高度決定[8],噴頭在塔內(nèi)的噴淋覆蓋率可控制在200%~300%,噴頭位置確定后,可根據(jù)計(jì)算流體力學(xué)(CFD)知識(shí),根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況,在Fluent軟件上進(jìn)行噴淋的流場模擬,進(jìn)一步優(yōu)化噴頭布置方案。

        3 效果檢驗(yàn)

        現(xiàn)場設(shè)備安裝完成后,在煙氣高硫階段調(diào)試及運(yùn)行,煙氣中的SO2濃度分別達(dá)到了6000mg/m3和8000mg/m3,高硫期持續(xù)時(shí)間為4小時(shí),根據(jù)煙氣濃度大小,調(diào)節(jié)水泵流量大小,煙氣出口SO2濃度始終控制在200mg/m3以下,達(dá)到了預(yù)期的處理效果,且噴淋塔底部基本無液態(tài)水的出現(xiàn),說明堿液中的水分完全被蒸發(fā),以水蒸氣的形式進(jìn)入到后續(xù)半干法脫硫系統(tǒng)。

        4 總結(jié)

        本項(xiàng)目中噴淋預(yù)處理裝置驗(yàn)收運(yùn)行后,能夠應(yīng)對銅冶煉煙氣中極端高硫的情況,將煙氣后的二氧化硫峰值降低到后續(xù)脫硫系統(tǒng)能夠處理的范圍內(nèi),保證脫硫系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,節(jié)省企業(yè)脫硫運(yùn)行成本,改善企業(yè)周邊環(huán)境。本文結(jié)合現(xiàn)有項(xiàng)目設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),給出優(yōu)化的方案及建議,為后期同類型的項(xiàng)目提供參考。

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