宝钢二烧结烟气脱硫工艺优化及运行实践
2016-04-28 09:31:14
摘要:简要介绍了石灰石-石膏法烟气脱硫技术的工艺原理及系统。该技术其自2008年在宝钢烧结投入使用以来，在后续运行过程中相继对CWMS、冷却器、吸收塔、浆液供给及排出装置等进行了改进，并对系统操作进行了优化。这些优化改进措施取得了显著效果，进一步推进了烧结工序减排。
关键词:石灰石-石膏法;脱硫;烧结减排
1前言
“十一五”期间，虽然钢铁行业的节能减排取得了巨大成效，但烧结烟气脱硫技术仍停留在对火电等脱硫工艺的模仿、照搬阶段，未取得实质性进展。目前，烧结烟气脱硫存在的问题主要有技术不成熟、脱硫设备价格偏高、脱硫副产物二次利用复杂等。宝钢依靠自己的研发运体系，立足钢铁行业本身，结合烧结烟气特点研发的具有自主知识产权的宝钢烧结烟气脱硫技术———气喷旋冲塔湿式石灰石-石膏法]先后在宝钢梅钢公司、宝钢不锈钢公司及宝钢股份总部多台大型烧结机上成功运行，并取得了良好效果。
2石灰石-石膏湿法脱硫技术
2.1工艺原理
烧结烟气经工艺水及浆液两级冷却后进入吸收塔烟气分配器，分配后烟气通过曝气管喷入吸收塔浆池，并在浆池液面形成稳定的鼓泡层。在鼓泡层中，气相高度分散到液相中，较大的气液接触面积以及较高的传热和传质效率为烟气中的SO2与浆液的反应创造了良好的热力学和动力学条件，而且烟气在液体中鼓泡时有类似水膜除尘的效果，尤其是对1μm以下的粉尘效果更明显。净烟气则再经过两级除雾器脱除大量雾滴后通过脱硫烟囱排放。其工艺流程见图1。
脱硫过程主要是在吸收塔浆池内完成，所发生的主要化学反应有:
2.2工艺系统
石灰石-石膏法脱硫工艺主要由烟气系统、SO2吸收系统、石灰石浆液制备系统、石膏脱水系统、废水排放系统以及排空系统等子系统组成。
烟气系统:主要由烟道、增压风机、入口挡板、出口挡板、旁路烟道挡板、备用排放设施(备用烟囱、备用排放烟道挡板)等组成，完成烟气系统增压及脱硫装置与旁路烟道的切换。
SO2吸收系统:主要由吸收塔、冷却器、除雾器、氧化风机、搅拌器等组成，完成烟气的降温、脱硫、除尘以及石膏晶体的形成。
石灰石浆液制备系统:主要由受料设施、湿式球磨机、石灰石旋流站、石灰石浆液输送设施组成，完成SO2吸收剂的制备及输送。
石膏脱水系统:主要由石膏旋流器和真空皮带脱水机、真空泵等组成，经脱水处理后的石膏表面含水率不大于10%，送入石膏筒仓存放待运。
废水排放系统:主要由废水旋流器、废水外排泵组成。废水排放采用外运形式，由槽罐车定期外运处置。
浆液排空系统:主要由事故浆液罐、吸收塔区域集水坑、制浆区域集水坑、石膏脱水区域集水坑组成，满足系统检修、冲洗之需。
3工艺优化
气喷旋冲塔湿式石灰石-石膏法烧结烟气脱硫技术自2008年在宝钢股份总部3号烧结机上应用后，经过三年的运行摸索，对其工艺做了进一步优化，并于2011年年底在宝钢股份总部2号烧结机上再次应用，运行良好。
3.1CEMS
CEMS(ContinuousEmissionMonitoringSystem)即烟气排放连续监测系统，分别由气态污染物监测子系统、颗粒物监测子系统、烟气参数监测子系统和数据采集处理与通讯子系统组成。原烟气(入口烟气)CEMS测量值包括烟气量、烟气温度、烟气压力、粉尘、SO2、NOx等。该组数据为烧结原烟气状态参数，一方面须实时在线传送至政府环保部门监查，另一方面对于脱硫过程控制来说也至关重要，特别是在烧结工况异常时，烟气温度和压力直接决定脱硫系统能否继续正常运行。因此，CEMS数据检测的稳定性和真实性尤为关键。宝钢股份总部3号烧结机脱硫设施因受场地局限，整个装置布局较为紧凑，原烟气烟道相对较短，存在紊流现象，造成入口烟气(原烟道)CEMS测量数值有一定波动，给环保监测和脱硫过程控制带来不利影响。2011年，宝钢股份总部在增设2号烧结机脱硫设施时，适当延长了原烟气烟道直管段(相比3号机脱硫系统长10余米)，弱化了原烟气紊流现象，确保了入口烟气CEMS测量的准确性。
3.2冷却器
冷却器是石灰石-石膏法脱硫设施的三大设备之一。冷却器内分两级冷却系统，第一级采用气、水冷却，冷却水经冷却水泵加压后，通过6根冷却气雾喷枪与压缩空气混合雾化后顺流喷向烧结烟气;第二级采用吸收塔石灰石浆液冷却，石灰石浆液经浆液冷却泵加压后，通过10根浆液冷却支管喷出。
冷却器底部型式有两类，如图2所示。
型式a:两处凹陷位置分别是冷却水和冷却浆液收集处，冷却水经管道自流进废水箱排放，冷却浆液则经管道回流至吸收塔内。
型式b:取消了一级水冷却出口，将其与二级浆液冷却出口合并，一起经管道回流至吸收塔内，一级冷却水沿冷却器底部流动过程中亦可冲洗冷却浆液。但是，在冷却器四周及底部干、湿界面处必须安装冲洗水管，定时冲除沉积物。冲洗水最好采用除雾器冲洗水，以便将冲洗程序纳入除雾器冲洗程序，效果相对理想。
从目前的运行实绩来看，型式a可完全避免冷却器底部积料现象，而型式b如能将其底部倾斜度进一步增加，积料现象有望杜绝。
此外，二级浆液冷却总管的布置也很关键。若冷却浆液总管自下而上布置，脱硫设施停运后冷却浆液可在重力作用下回流至总管，不会因遗留浆液积累而堵塞冷却浆液支管，但该布置方式不便于施工建设和日常检修作业;而冷却浆液总管自上而下布置的优缺点则刚好相反。最佳解决方案是:在每根浆液冷却支管底部加设与烟气流向相同的冷却喷头，这样采用冷却浆液总管自上而下的布置方式，既不会发生堵塞，又方便施工和日常检修。
3.3吸收塔
经两级冷却后的烟气进入吸收塔烟气分配器，再通过曝气管喷入吸收塔浆池，并在浆池液面形成稳定的鼓泡层，在鼓泡层中完成脱硫化学反应的吸收、中和、氧化、结晶过程。净化后的烟气则通过上下隔板之间的上升管进入除雾器。为防止烟气中夹带的浆液在吸收塔上下隔板处沉积、结垢，在吸收塔上隔板的上、下部及下隔板上部设置了冲洗装置。上隔板的冲洗水通过上下隔板之间的回流管流至吸收塔浆池中。因此，在吸收塔上下隔板之间既有44根排放净烟气的上升管，又有106根上隔板冲洗水的回流管，上下隔板之间管道林立，给烟气携带的浆液和粉尘沉积创造了条件。久而久之，便形成了较坚硬的块状物，并在运行过程中因过饱和高温烟气连续冲刷可能随时掉落，损坏下隔板冲洗水总管或支管，进而导致下隔板冲洗失效，造成局部积料并堵塞曝气管，而且也给检修作业带来了安全隐患。此问题在三烧结脱硫系统尤为突出。后经研究，割除了部分上下隔板间的回流管，使问题得到了有效解决。所以，在二烧结脱硫设施建设时彻底取消了上隔板冲洗的回流管，将该部分冲洗水直接通过上升管回流至吸收塔浆池。实践证明，此优化方案完全可行、效果良好。
需要说明的是，对吸收塔本体的环状加强筋型式选择应给予关注，特别是湿法脱硫所特有的“烟囱雨”对设备腐蚀相当严重，因此该环状加强筋应选用工字钢或槽钢，避免雨水积累对吸收塔本体的腐蚀。
3.4浆液供给及排空
宝钢股份总部石灰石-石膏法脱硫利用炼钢厂焙烧分厂的泥饼作为脱硫剂，以废治废。但由于堆放及运输等环节不受控，泥饼中难免混入杂物，导致供浆及排浆管道易堵塞。即便在受料池、各集水坑、事故浆液箱排空等处加设了适宜孔径的过滤网，堵塞次数有所减少，但仍时有发生，对脱硫过程控制造成了诸多不利影响，如脱硫率不高、浆液外溢等。为此，在二烧结脱硫设施设计过程中，将二、三烧结脱硫设施的供浆箱和事故浆液箱连通，以便在管道堵塞导致其中一套脱硫设施无法供浆、排浆时作应急处理，确保脱硫过程控制稳定。
另外，三烧结脱硫设施吸收塔浆液排空一般是将塔内浆液首先排放到吸收塔集水坑，再由集水坑输送泵送往事故浆液箱。该过程约需12小时，严重影响脱硫设施的同步运转率。有鉴于此，二烧结脱硫设施采用了浆液冷却泵进行吸收塔浆液排空操作，整个过程仅需2小时左右，不仅节约了浆液排空时间，更重要的是避免了浆液沉降，保证了下次投运时浆液的质量。
3.5“烟囱雨”控制
“烟囱雨”现象在石灰石-石膏法脱硫的“湿烟囱”近千米半径范围内尤为突出，特别是冬季更为严重。落至地面的烟囱雨滴中含有SO2、SO3及石膏浆液、粉尘等杂质。SO2、SO3与水反应形成硫酸或亚硫酸，使得液滴呈酸性，对该区域内的建筑物、绿化及车辆等都有一定污染和损害。
电力行业普遍采用GGH来消除“烟囱雨”，但该方法一方面在应用过程中极易堵塞，另一方面烧结工序不能满足GGH加设的条件。因此，如何控制烧结脱硫设施的“烟囱雨”，弱化其危害是科研工作者面临的又一难题。宝钢技术人员也一直致力于这方面的研究，认为在无法提高净烟气排放温度的前提下，可通过降低烟气流速来控制“烟囱雨”。并提出两类方案以供选择，一是增大吸收塔顶部空间，二是加长除雾器出口至烟囱之间的烟道，促成饱和烟气在此形成足够的沉降区域。第二种方案在宝钢集团内某烧结脱硫设施上应用后，效果相当显著。目前，二烧结脱硫主要从操作方面降低烟气流速，适度提高净烟气温度等来控制“烟囱雨”的发生率。
4运行实践
宝钢股份总部二烧结脱硫设施经过一系列工艺调整及优化后，系统运行状况明显优于三烧结脱硫设施，其2012年重点运行参数列于表1。
从表1可看出，二烧结脱硫设施净烟气SO2排放浓度仅有50mg/Nm3，远小于国家2012年10月1日最新颁布的新建企业200mg/Nm3的排放要求。综合脱硫效率更是达到了84.6%，全年累计减排SO25000余吨，区域环境得到了明显改善。
(转载自《北极星节能环保网》）