烧结机湿法烟气脱硫吸收塔本体设计与应用.pdf

烟 气 污 染 治 理 烧结机湿法烟气脱硫吸收塔本体设计与应用 王知明 1 郑乐平 1 刘幼林 2 王成 3 周华欣 3 纪明发 3 1. 上海大学环境与化学工程学院， 上海 200444;2. 张家口热能工程研究所， 河北 张家口 075000; 3. 福建闽光冶炼有限公司， 福建 三明 365012 摘要 依据烧结烟气的特性， 选用旋流板塔为脱硫吸收设备并对其结构进行设计。通过工程实例说明设计的塔型具有 脱硫效率高、 液气比低、 运行费用低等优点， 是一种值得应用于烧结机烟气脱硫的装置。 关键词 烧结机; 湿法烟气脱硫; 吸收塔; 设计 DESIGN AND APPLICATION OF ABSORBER PROPER WITH WET FGD OF SINTERING MACHINE Wang Zhiming1Zheng Leping1Liu Youlin2WangCheng3Zhou Huaxin3Ji Mingfa3 1. College of Environmental and Chemical Engineering，Shanghai University， Shanghai 200444， China;2. Institute of Thermal Engineering of Zhangjiakou，Zhangjiakou 075000， China;3. The Company of Fujian Minguang Smelting， Sanming 365012， China AbstractBased on the characteristics of sintering flue gas，rotating-stream-tray tower is used as the desulphurization absorption equipment and its struture is designed. It is shown through engineering example that the type of tower designed has advantages of high desulfurization efficiency， lower liquid-gas ratio and lower running-cost etc.This tower is a kind of equipment that should be applied to sintering flue gas desulfurization. Keywordssintering machine;wet flue gas desulphurization;absorbing tower;design 0引言 二氧化硫排放量的持续增加使我国酸雨污染严 重， 酸雨严重损害生态环境及人类健康， 造成巨额的 经济损失。近年来我国 SO2排放总量居高不下， 政府 对此非常重视 ， “十一五” 规划到 2010 年 SO2减排 10 。统计表明我国钢铁行业 SO2排放量仅次于电 力行业居第 2 位 ［ 1］。在整个钢铁生产中烧结工序产 生的 SO2排放量居首位［ 2］。因此， 为保持钢铁行业 的可持续发展， 烧结机烟气脱硫势在必行。 烟气脱硫方法按脱硫剂及脱硫产物的干湿形态 分为湿法、 半干法、 干法 3 种。石灰石 － 石膏湿法烟 气脱硫工艺是当 今应用 最 广 泛、 技 术 最 成 熟 的 方 法 ［ 3］。在我国， 烟气脱硫在燃煤电厂行业出现较早， 技术相对成熟， 钢铁行业烟气脱硫处于起步阶段 ［ 4］。 因此钢铁行业烟气脱硫可借鉴燃煤电厂烟气脱硫的 成功经验， 与燃煤电厂烟气相比烧结烟气具有成分波 动大、 腐蚀性强等特点， 需针对其特性对燃煤电厂的 脱硫技术加以改进。本文采用已投运的烟气脱硫电 厂中应用最普遍的石灰石 － 石膏湿法作为烧结烟气 的脱硫工艺。 脱硫吸收塔是石灰石 － 石膏湿法烟气脱硫工艺 的核心设备， 主要形式可分为填料塔、 鼓泡塔、 喷淋塔 和液柱塔等。喷淋塔适用于 SO2浓度较低的烟气， 目 前仍为湿法烟气脱硫的主导塔型 ［ 5］。旋流板塔属于 喷淋塔塔型 ［ 6］， 是一种高效的气液传质设备。在我 国旋流板塔是 20 世纪 70 年代发展起来的 ［ 7］， 其具有 通量大、 压降低等优点， 符合现代大工业发展趋势的 要求 ［ 8］。本文针对烧结烟气特征及现场实际情况， 设计一种适用于低液气比下运行的旋流板塔作为脱 硫吸收装置， 并应用于福建某钢厂的 48 m2烧结机烟 气脱硫改造工程， 经当地环境监测站监测及长期运转 证明该装置具有脱硫效率高、 投资和运行费用低、 压 降低等优点， 值得在烧结机烟气脱硫中推广应用。 1烟气基本特征及相关设计参数 1. 1烧结烟气的一般特点 烧结烟气是烧结混合料点火后， 随着台车的运 行， 在高温烧结成型过程中所产生的含尘废气。其主 要特点是 24 环境工程 2010 年 8 月第 28 卷第 4 期 1 由于烧结机漏风率高， 相当一部分空气没有 通过烧结料层， 使烧结烟气量大大增加， 约合 4 000 ～ 6 000 m3/t 烧结矿。 2 烧结烟气温度较高、 波动大， 随工艺操作的不 同有变化， 一般在 120 ～ 180 ℃ 。 3 烧结烟气含尘量大， 浓度约在10 g/m3。 4 SO2浓度含量低、 波动大， 根据原燃料差异， 质 量浓度一般为 700 ～ 5 000 mg/m3。 5 含湿量大， 水分含量高达 10 左右。 6 含有腐蚀性气体及重金属污染物， 烟气中含 有 HCl、 SOx、 NOx、 HF、 Hg 等。 1. 2治理烟气的特征及治理目标 该轧钢厂48 m2烧结机排放的烟气特点 烧结烟 气中的 SO2主要来自原材料矿石和燃料焦炭， 待处理 热态烟气量为240 000 m3/h， 烟气温度 150 ～ 160 ℃ ; 粉尘经过处理后质量浓度为 200 ～ 400 mg/m3， SO2 初始排放质量浓度为 800 ～ 1 200 mg/m3; 烟气含氧 量为10 ～ 15 ， 含有腐蚀性气体及重金属污染物。 治理目标 吸收塔脱硫效率≥90 ， SO2排放限 值为400 mg/m3; 粉尘排放限值为150 mg/m3， 林格曼 黑度 1 级。 1. 3相关设计参数 在进风烟道段设计等压风室一分为三， 分别进入 3 个脱硫塔， 每个脱硫塔都有一套完整的脱硫系统。 这样既可增加气液传质面积， 提高脱硫效率; 又可减 少单个脱硫塔处理的烟气量， 缩小脱硫塔系统 包括 脱硫塔、 浆液循环泵、 浆液输送管路系统及塔内设备 等 的规模， 适当地减少了占地规模与投资成本。因 此每个脱硫塔设计的处理风量为80 000 m3/h; 液气 比设计为 1 ∶ 1， 则 喷淋层的石 灰 石 浆 液 总 流 量 为 80 m3/h; 设计浆液 pH 值为 5 ～ 6， 钙硫比为 1. 2∶ 1。 2旋流板塔本体设计 旋流板塔属于喷射型湿法脱硫装置， 其结构如 图 1 所示。含二氧化硫与微细粉尘的烟气由下部切 向进风口进入塔体， 并在塔内作螺旋上升运动， 液流 在旋流板上形成薄膜被气流喷散成液滴， 且随着气流 旋转， 被离心甩向塔壁聚成水膜， 通过罩筒之外的环 形通道流下。主要机制是利用石灰石浆液与烟气中 的二氧化硫及微细粉尘在气液固三相强烈混合、 传 质; 在物理过程中完成化学反应， 脱除大部分的二氧 化硫和微细粉尘， 实现烟气的净化。 该塔型的设计主要包括塔径、 塔高、 进风口大小、 喷淋层分布和旋流板等方面的设计。 图 1旋流板塔结构示意 2. 1塔径确定 按烟气平均总流量 V 和烟气流速 u 确定旋流板 塔的内径 D 2 V 3 600π 槡 u 式中 D 为塔径， m; V 为吸收塔进口的烟气量， m3/h; u 为烟气流速， m/s。 由于设计烟气流速变化不大， 塔的内径随进口烟 气量的增加而增大。取烟速为5 m/s， 则塔的内径计 算得2 400 mm。 2. 2塔高设计 将旋流板塔的高度分为塔的吸收区高度、 塔的顶 部空间高度及塔的底部空间高度三部分。 2. 2. 1吸收区的高度 工程设计中吸收区高度一般指烟气进口水平中 心线到喷淋层中心线的距离。其大小按烟气流速和 停留时间确定。当烟速高于3 m/s时， 液滴表面的振 动增加， 液滴中的混合增强， 表面更新加快， 可促进二 氧化硫吸收反应， 有利于提高脱硫效率 ［ 9］， 因此烟速 一般取 3 ～ 5 m/s。接触时间一般为 1 ～ 5 s。设计烟 速为5 m/s， 接触反应时间为 1. 5 ～ 2 s， 则吸收区高度 为 7. 5 ～ 10 m。设计时还需考虑喷雾状况、 液气比等 因素。 2. 2. 2塔的顶部空间高度 塔的顶部空间 即除雾区 高度是指塔顶第 1 层 塔盘到塔顶封头切线的距离。由于设计液气比较小 及在出口烟道设计外置脱水器， 所以在该区域设计 1 块脱水旋流板， 在距旋流板上600 mm处设计 1 级清 34 环境工程 2010 年 8 月第 28 卷第 4 期 洗喷淋， 该空间设计高度为 3 ～ 4 m。 2. 2. 3塔底部空间高度 塔的底部空间高度是指塔进风口底下封头切线 到塔底下封头切线处的距离。当进料系统有15 min 的缓冲容量时， 釜底的停留时间可取 3 ～ 5 min［ 6］。 由于反应生成物亚硫酸钙及硫酸钙易于结垢， 设计液 体停留时间缩短为2. 5 min， 则设计高度为 1. 5 ～ 2 m。 2. 3塔进风口 采用切向进口， 其断面的高宽比例要适当， 通常 长而窄的进风口与器壁有更大的接触面。高宽之比 越大， 则入口气流的径向越薄， 烟气移向器壁的路程 越短， 故效率越高， 所以塔进风口的形状多采用矩形。 但过长而窄的进口也是不利的， 一般高宽之比为 2 ～ 4［ 10］。本 工 程 设 计 进 风 口 大 小 为 1 600 mm 800 mm。 2. 4喷淋层布置 喷淋层的设计包括浆液管道、 喷嘴的选择与布 置。一般喷淋层分成 3 ～ 4 层， 层间距为 1 ～ 2 m［ 11］。 设计选用 3 层喷淋， 层间距为1. 8 m。 设计选用材质为氮化硅 Si3N4 陶瓷的螺旋型实 心喷嘴， 喷淋角为90 ～ 120， 喷淋覆盖率为150 ～ 300 。这种喷嘴具有耐高温耐腐蚀、 雾化效果好、 压 降较低、 喷出浆液覆盖面大、 不易堵塞等优点。 2. 5旋流板设计 旋流塔盘形状犹如风车叶轮， 气体通过叶片间隙 时产生旋转和离 心运动， 故 在 气 速 比 一 般 塔 盘 大 1 倍 ～ 2 倍时， 仍具有较小的雾沫夹带。塔盘的开孔 率大， 可允许的气体负荷高; 浆液在板上停留时间短， 板上液层薄， 故压力降较低。 为保证塔板效率和适当的压力降， 叶片仰角一般 取25; 叶片数量为 36 片; 选用气流走向偏外， 离心力 大， 液滴运动路程短， 气液接触时间短的外向旋流板 叶片外端的钝角朝上 ［ 12］; 罩筒的作用是封闭叶片 外缘， 避免气流直冲塔壁所造成的夹带， 设计高度为 90 mm; 根据公式 D 1. 1 ～ 1. 4 Dx及 Dm 1 /4 ～ 1 /3 D［ 6］ x ， 设计叶片外径 Dx为2 140 mm， 盲板直径 Dm为640 mm。 3工程实例 福建某轧钢厂48 m2烧结机烟气排放系统原只装 有除尘装置， 没有脱硫装置。按照国家“十一五” 规 划及福建省控制二氧化硫排放浓度的相关规定， 对该 烧结机进行脱硫改造。针对烧结烟气特征及现场所 能使用的空间有限等实际情况， 选用旋流板塔为脱硫 吸收装置。经当地环境监测站监测及长期运行结果 表明该装置具有脱硫效率高、 运行稳定、 运行费用低 等优点。该工程自 2008 年 12 月初动工至 2009 年 6 月底调试结束， 历时 6 个月。 3. 1脱硫系统分析 由表 1 可以看出该脱硫系统选用的液气比和石 灰石浆液的 pH 值都较低。实际运行中液气比一般 都稳定在1 L/m3， 而常用的石灰石 － 石膏湿法脱硫工 艺的液气比一般在 15 ～ 25 L/m3之间［ 13- 14］。降低液 气比可以减少单位时间内脱硫系统所需的浆液量， 缩 小整个系统中所有设备的规模， 减少投资及运行成 本。石灰石浆液 pH 值控制在 5. 8 ～ 6. 2， 在该范围内 主要的脱硫生成物为亚硫酸钙， 从而能有效克服石灰 石湿法脱硫工艺容易结垢的问题 ［ 15］， 并且低 pH 值有 利于 Ca2 的析出［ 16］， 提高石灰石浆液的利用率， 从 而有效提高系统的脱硫效率。由表 2 可知， 系统每天 24 h/d 的运行费用为6 228元， 这远远少于采用高 液气比的喷淋塔的脱硫系统的运行费用。 表 1脱硫系统运行主要工艺参数 工艺参数 液气比 L/m3 浆液 pH 浆液量 / m3h － 1 数值1. 0 ～ 1. 25. 8 ～ 6. 280 表 2脱硫系统运行费用 项目小时耗量单价 费用 / 元h － 1 石灰石0. 3 t/h300 元 /t90 系统用电245 kW /h0. 6 元 /kW147 系统用水15 t/h1. 5 元 /t22. 5 3. 2脱硫除尘效果分析 该钢厂48 m2烧结机烟气脱硫除尘系统经当地环 境监测站监测， 结果 具体数据见表 3 完全符合国家 规定的相关标准 1 脱硫系统出口二氧化硫平均排放浓度值为 96. 3 mg/m3， 排放量为11. 36 kg/h， 出口二氧化硫排 放浓度符合 GB 9078 － 1996 工业炉窑大气污染物排 放标准 中表 4 钢铁烧结冶炼二级标准。脱硫效率为 92. 3 ， 符合 HJ 462 － 2009工业锅炉及炉窑湿法烟 气脱硫工程技术规范 中表 1 的要求。 2脱硫系统出口烟尘浓度为47. 3 mg/m3， 排放 量为5. 58 kg/h， 林格曼黑度 1 级， 符合 GB 9078 － 1996 表 2 铁矿烧炉烧结机 机头、 机尾 二类区标准。 44 环境工程 2010 年 8 月第 28 卷第 4 期 表 348 m2烧结机烟气脱硫系统监测结果 均值 进塔烟气量 / m3h － 1 进塔烟尘 进塔 SO2 实测浓度/ mgm －3 排放量/ kgh －1 实测浓度/ mgm －3 排放量/ kgh －1 出塔烟气量/ m3h －1 出塔烟尘 出塔 SO2 实测浓度/ mgm －3 排放量/ kgh －1 实测浓度/ mgm －3 排放量/ kgh －1 林格曼黑 度 /级 脱硫效 率 / 151 140262. 839. 72986. 3149. 1118 01647. 35. 5896. 311. 36 192. 3 4结语 依据烧结烟气特征， 本文设计的脱硫吸收塔成功 应用于福建某轧钢厂48 m2烧结机烟气脱硫系统， 对 烧结机烟气脱硫具有很好的借鉴作用。该塔型采用 旁通式旋流板， 具有投资少、 运行稳定、 接触面积大、 处理负荷高、 烟气阻力小、 结构简单、 不易结垢等特 点; 适合于气量小、 空塔流速高的烟气， 是一种发展前 景广阔、 值得在烧结机烟气脱硫中推广应用的装置。 参考文献 ［1 ］ 张同文. 钢铁联合企业二氧化硫减排与控制［J］ . 工业安全与 环保， 2004， 30 7 37- 38. ［2 ］ 宋伟民. 钢铁联合企业控制二氧化硫污染的探讨［J］ . 钢铁， 1999， 34 7 66- 69. ［3 ］ 王志轩， 潘荔. 我国火电厂烟气脱硫产业化发展建议［J］ . 环境 科学研究， 2005， 18 4 51- 54. ［4 ］ 郜学. 中国烧结行业的发展现状和趋势分析［J］ . 钢铁， 2008， 43 1 85- 88. ［5 ］ 李仁刚， 管一明. 烟气脱硫喷淋塔流体力学特性研究［J］ . 电力 环境保护， 2001， 17 4 4- 8. ［6 ］ 路秀林， 王者相. 塔设计［M］ . 北京 化学工业出版社， 2004. ［7 ］ 孔华. 石灰石湿法烟气脱硫技术的试验和理论研究［D］ . 杭州 浙江大学， 2001. ［8 ］ Fair J R. 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