摘要：以国内某烟气脱硫工程为例，阐述了半干法脱硫碱液喷淋预处理系统的工艺路线，分析了设计过程中存在的难点。结果表明本项目在顺利运行后，达到了预期的脱硫效果，系统中无液态水的产生，保证后续半干法脱硫系统稳定运行。
关键词：烟气脱硫；半干法；碱液喷淋；预处理
0引言
有色冶炼行业中，由于其原料中含有硫元素，在生产过程中含硫原料与氧气接触在高温条件下生成SO2，随着排烟系统排放到大气当中。烟气中的SO2如果不经过处理直接排放到大气当中，会导致酸雨、光化学烟雾等问题，对生态环境带来严重损害，威胁人类健康生活。烟气脱硫技术[1]主要分为湿法脱硫、半干法脱硫、干法脱硫三种，其中半干法脱硫技术占地面积少、无废水产生、自动化程度高、副产物可综合再利用，因此受到了广泛关注。本文以国内某半干法脱硫项目为例，阐述了铜冶炼行业半干法烟气脱硫技术喷淋预处理工艺流程及相关辅助设施，该项目工艺路线为碱液储存系统—液体输送系统—暂存系统—清洗系统—智能流量控制装置—雾化喷淋装置，同时配套辅助设施包括加热盘管、监控仪表、自动化控制系统及相关防护措施。目前本项目已经设计完成，系统正在正常调试阶段，根据设计阶段的相关任务，对本项目的设计经验进行了总结，以便于为其他同类型的项目提供参考，交流设计经验。
1预处理系统工艺设计
本项目烟气中的SO2浓度具有高波动的特点，烟气的处理量为工况条件下20万m3/h，温度范围130℃~170℃，粉尘含量不高于50mg/m3，预处理工艺只在烟气中高硫来临且超过半干法系统处理上限时开始运行，烟气中需预处理的SO2浓度最大限值为8000mg/Nm3，预计处理效果达到95%。预处理工艺系统主要由碱液储存系统、碱液输送系统、智能流量控制装置、雾化喷淋装置组成。工艺流程图如图1所示。烟气中SO2经预处理系统处理后，无液态水的产生，将SO2浓度降低到半干法系统可处理范围内，烟气最终通过烟囱排入大气中，并满足《再生铜、铝、铅、锌工业污染物排放标准》（GB31574-2015）要求。
1.1碱液储存系统
碱性溶液溶质的选择需从溶解度、熔点、价格、处理每吨SO2消耗量等方面进行选择，图2中列出了四种常见碱性化合物的溶解度。从图中看出在20℃情况下，NaOH的在水中的溶解度最大，溶解度按照从大到小排序为NaOH＞NaHCO3＞Na2CO3＞Ca（OH）2。从溶解度方面考虑，适合选用NaOH作为溶质。表1中列出NaOH、Ca（OH）2、Na2CO3、NaHCO3四种碱性溶质的脱硫成本，根据表格信息可知，处理每吨SO2所用溶质成本由高到低依次为NaHCO3＞Na2CO3＞NaOH＞Ca（OH）2。综上所述，得出NaOH在四种碱性化合物中溶解度最大，在处理SO2量相同的情况下，溶解度越大，用水量就越少，烟气温度降低越少，有利于后续脱硫系统正常运行。从价格方面和溶解度方面综合考虑，选用NaOH作为溶质。选定NaOH作为溶质后，需要考虑碱液浓度的选择，主要从碱液含水量、烟气温降等方面进行考虑，保证烟气温降在可控范围内，烟气温度控制在100℃以上，碱液中的水最终以水蒸气的形式混合在烟气当中。表2是在烟气量工况250000m3/h，处理8000mg/m3所用不同浓度NaOH的质量及含水量。从表格中数据可得：随着NaOH溶液浓度的增大，其含水量越少，水量越少对后续烟气温度的降低也越少。接下来要根据烟气温降来考虑，NaOH溶液浓度越低，脱硫成本会相对降低。图3为不同浓度NaOH溶液处理烟气中SO2后，理论计算的烟气温降结果。根据图3可知，随着NaOH溶液质量分数的增大，烟气温降越低，质量分数为30%和35%的NaOH溶液脱硫后，烟气温度降低到100℃以下，不符合设计要求，因此选用质量分数为40%NaOH溶液作为本项目的脱硫剂。本项目所用碱液为40%NaOH溶液，采购化工厂家直接配比好的溶液，在储存罐中储存，设计储存容量为7天用量72m3，NaOH溶液属于危险化学品行列，在设计时要严格按照SH3046-92《石油化工立式圆筒形钢制焊接储罐设计规范》、GB50160-2018《石油化工企业设计防火标准》、GB50016-2014《建筑设计防火规范》等相关标准进行设计，充分考虑储罐本身的结构和化工行业储罐围堰的要求，做好基础设施的安全防护。本项目所用储罐数量为2个，总容积为72m3，单个储罐的直径为3.6m，高度为4.9m，锥形顶结构，罐体内部设置有加热盘管，加热方式为蒸汽加热，在锥形顶上设置有进液口和泄压口，进液口管道上设置有阀门，当碱液运输车进厂补充碱液时，运输车上阀门与进液口阀门连接，通过现场配置的输送泵提供动力进行碱液补充。两个碱液储罐分别设有信号传输和现场显示功能的液位计和温度计。两个碱液储存罐之间采用串联连接，连接管道中间设有阀门，以便于后续检修工作的开展。
1.2液体输送系统
液体输送系统主要由输送管道、阀门、压力仪表、流量仪表，立式多级离心泵、止回阀、管道支撑等部分组成。输送系统的主要作用是将碱液输送到现场五楼的暂存罐，保证后续喷淋系统的稳定运行。本项目的碱液输送系统输送量为10m3/h，介质为40%NaOH溶液，介质密度按照1500kg/m3考虑，管道流速按照《给排水设计手册》和《化工工艺设计手册》选取1.5m/s[2]，输送管道出口压力选取0.1MPa，与泵体连接管道与罐体预留连接口保持一致。连接管路如图4所示。输送管道设有一用一备两个管路，采用并联连接方式，另在并联管路处设置清洗管道旁路与企业工业用水管道连接。输送系统中的动力由立式离心泵提供，离心泵共两台，一用一备。每次输送碱液后需用自来水对管道进行清洗，防止碱液在管道停留时间过长腐蚀管道和水泵叶轮。整套系统在运行过程中需要定期观察管道有无滴漏现象。
1.3暂存系统
储液罐中的碱液经输送系统传输到与喷淋塔同高的碱液暂存罐中，暂存罐的结构与储存罐类似，其主要作用是将从地面输送过来的碱液储存，给工艺流程中的智能流量控制装置控制系统提供稳定的碱液来源，避免与碱液输送系统发生冲突。系统中的碱液暂存罐放在围堰当中，围堰做防腐防渗处理[3]。
1.4智能流量控制装置
智能流量控制装置包含：动力系统、控制系统、输送管道、现场显示仪表。从暂存罐出来的碱液进入该系统，该系统动力由三台立式多级不锈钢离心泵提供，两大一小，大功率的离心泵为3kW、流量4m3/h，小功率的离心泵为2.2kW、流量为2.2m3/h，水泵出口分别与暂存罐外接的三个管道连接，清洗管道采用并联方式与水泵进口三个管道连接。水泵的控制方式采用现场控制和远程控制相结合的方式，通过调节变频器的方式控制水泵的流量大小。仪表分为管道压力表和流量表，具有就地显示和远程传送功能。通过现场仪表的反馈数据来判断水泵的运行情况是否合适。
1.5雾化喷淋装置
雾化喷淋装置主要由喷射管道、阀门、蛇皮软管、雾化喷头等组成。其主要作用是将碱液雾化，碱液以小液滴的形式与烟气中的SO2接触，增大了接触面积，NaOH与烟气中的SO2反应充分反应，碱液中多余的水分随着反应的进行被烟气加热，在脱硫塔内雾化蒸发[4]，以水蒸气的形式进入系统当中。
2设计注意事项
2.1项目前期注意事项
①注重行业调研。首先要充分了解并认识到有色冶炼行业的生产工艺，结合目前现有的烟气脱硫技术，掌握NaOH物料的相关性质，包括溶解度、腐蚀性、不同浓度的碱溶液的结晶温度等，这对于项目后续的设计和设备选型具有十分重要的意义。②设备选型要留有设计余量。在前期的项目设计和设计任务书编写阶段，适当增大输送水泵的功率，因水泵的输送曲线是根据介质水来制定的[5]，本次水泵输送的碱液密度大，所以要将输送水泵的功率增大，防止水泵输送能力不足，造成碱液喷淋雾化效果变差。
2.2设计阶段注意事项
①管道及止回阀的选择。管道选择要考虑防腐，转弯半径不超过90°，管道与管道之间的连接方式采用法兰连接。止回阀的压力强度选择需要根据碱液的密度和输送高度选择，考虑碱液瞬时冲击强度，目的防止水锤现象出现[6]，保护水泵叶轮。②雾化喷头的选择与布置方式。雾化喷头一般布置在塔形结构中，根据工程实际情况确定喷嘴材料与类型，雾化喷头的选择与雾化液滴大小有密切的关系[7]，雾化液滴越小，碱液与烟气中SO2反应越充分，喷嘴孔径过小容易产生喷嘴堵塞问题。喷头的布置方式由喷淋的角度及覆盖高度决定[8]，喷头在塔内的喷淋覆盖率可控制在200%~300%，喷头位置确定后，可根据计算流体力学（CFD）知识，根据现场实际情况，在Fluent软件上进行喷淋的流场模拟，进一步优化喷头布置方案。
3效果检验
现场设备安装完成后，在烟气高硫阶段调试及运行，烟气中的SO2浓度分别达到了6000mg/m3和8000mg/m3，高硫期持续时间为4小时，根据烟气浓度大小，调节水泵流量大小，烟气出口SO2浓度始终控制在200mg/m3以下，达到了预期的处理效果，且喷淋塔底部基本无液态水的出现，说明碱液中的水分完全被蒸发，以水蒸气的形式进入到后续半干法脱硫系统。
4总结
本项目中喷淋预处理装置验收运行后，能够应对铜冶炼烟气中极端高硫的情况，将烟气后的二氧化硫峰值降低到后续脱硫系统能够处理的范围内，保证脱硫系统稳定运行，节省企业脱硫运行成本，改善企业周边环境。本文结合现有项目设计经验，给出优化的方案及建议，为后期同类型的项目提供参考。
作者：石培良 单位：矿冶科技集团有限公司