韶鋼4號燒結煙氣脫硫系統結晶控制的研究

張勝祥

（寶鋼集團廣東韶關鋼鐵有限公司 廣東韶關 512123）

韶鋼4號燒結煙氣脫硫系統結晶控制的研究

張勝祥

（寶鋼集團廣東韶關鋼鐵有限公司 廣東韶關 512123）

以韶鋼4號燒結煙氣脫硫系統為例，通過對工藝原理及實際操作情況的分析，討論了氧化鎂-亞硫酸鎂煙氣脫硫系統結晶控制方法。結果表明，正確控制系統各項指標，能夠使系統結晶有序進行，從而減少或消除系統異常結晶情況。該方法可作為氧化鎂-亞硫酸鎂煙氣脫硫系統結晶有效控制的參考方法。

脫硫；氧化鎂；亞硫酸鎂結晶

1 前言

中國近期環保法規越來越嚴格，鋼鐵行業屬于重污染企業，其中燒結工序的煙氣處理屬于重點防治項目，環保標準的實現要求脫硫技術脫硫效率高越來越偏，其中氧化鎂-亞硫酸鎂煙氣脫硫技術[1]是一項新型煙氣脫硫技術，該技術目前已在電力、鋼鐵、建材、化工、焦化行業建立了工程業績，2010年該脫硫技術被列入《國家重大環保技術》，2011年該項技術的產業化實施項目被科技部列入國家創新基金支持項目。韶鋼4號燒結脫硫于2014年采用氧化鎂-亞硫酸鎂煙氣脫硫技術對原有氫氧化鎂煙氣脫硫系統進行了改造，現有系統脫硫效率在設計范圍內能夠有效的達到國家標準，但其生產過程中系統結晶的控制是一個比較重要的環節，如果不控制好結晶有可能導致系統癱瘓，因此必須把脫硫系統結晶控制方法根據實際情況進行研究和完善。根據對氧化鎂-亞硫酸鎂煙氣脫硫技術原理的分析和現場實際情況，本文給出了一個有效控制氧化鎂-亞硫酸鎂煙氣脫硫系統結晶的方法，為采用該技術的工序提供了案例。

2 工藝原理及流程

亞硫酸鎂法煙氣脫硫工藝該方法根據氧化鎂（氫氧化鎂）與亞硫酸氫鎂再生反應的特性，通過外部再生誘導結晶工藝，生成高pH、高吸收活性的亞硫酸鎂混合吸收清液，并采用與循環吸收清液特性相適應的低液氣比的高效霧化噴淋吸收技術來提高吸收效率、從而達到高脫硫效率、高運行可靠性、低投資強度、低運行成本的目的。

亞硫酸鎂法根據脫硫劑和脫硫產物的不同，分為氧化鎂-亞硫酸鎂法和氧化鈣-亞硫酸鎂法，前者采用氧化鎂制備亞硫酸鎂作為脫硫吸收劑，脫硫產物為硫酸鎂溶液；后者采用氧化鈣與脫硫產生的硫酸鎂進行復分解反應再生氫氧化鎂，并采用再生成的氫氧化鎂制備亞硫酸鎂吸收液，其脫硫產物為復分解反應生成的石膏，韶鋼采用氧化鎂-亞硫酸鎂法進行改造，工藝流程見圖1。氧化鎂-亞硫酸鎂法主要工藝原理[2]如下：

吸收單元：

再生單元：

脫硫產物處置：

圖1 韶鋼4號燒結亞硫酸鎂法煙氣脫硫工藝流程圖

3 氧化鎂-亞硫酸鎂法的核心設施介紹

再生系統是氧化鎂-亞硫酸鎂法的核心，主要包括：管道反應器、動力反應器、固液分離器、堿液投加系統以及再生泵和相應的管道。

管道反應器采用耐磨合金材料制造，內置誘導結晶裝置，有效提高再生反應速度、改善結晶物的晶型和溶解度；反應器采用ARM獨立自控系統，觸摸屏顯示和操作。

動力反應器采用無傳動部件設計，內襯耐磨材料及電催化反應裝置，內部結構為316L；動力反應器采用ARM單元自動控制。

固液分離系統根據吸收液含有易沉淀的亞硫酸鎂污泥和懸浮于水中的疏水性煙塵的特點，采用刮吸泥聯動裝置，在吸取沉淀亞硫酸鎂污泥的同時，刮除表面浮渣，在降低吸收液懸浮物濃度，降低由吸收液帶入吸收系統的粉塵量，同時進一步提高藥劑的轉化率。亞硫酸鎂法脫硫污泥成分為吸收劑帶入的固體雜質及捕獲的煙塵，經壓濾后的濾液部分回系統循環利用，部分進入現有的氧化系統射流氧化后外排。

堿液投加系統，堿液投加采取PLC控制，確保裝置運行經濟性。

4 氧化鎂-亞硫酸鎂法基本原理及分析

4.1 吸收單元

上述兩個反應在脫硫塔內進行，其中Na2SO3、MgSO3來自固液分離器燕槽溢流回流的再生液。

4.2 再生單元

上述兩個反應在管道反應器、動力反應器、固液分離器中進行，管道反應器中投加MgO漿液和液堿，與吸收塔再生泵出液混合反應，生產大量微溶于水的MgSO3，由于MgSO3過飽和從而會結晶形成MgSO3·6H2O，因此在管道反應器中設置誘導結晶來使

結晶有序可控，以防亞硫酸鎂無規律結晶而導致結晶吸附在管壁上使管道和動力反應器堵塞。動力反應器用于控制結成晶體顆粒的大小，具有促進晶核生成、同時能夠抑制晶核長的過大的作用，能根據設定來控制氧化鎂結晶的量亞硫酸鎂進入脫硫塔的比例，同時控制在固液分離器中亞硫酸鎂結晶沉淀的量。固液分離器主要用于固液分離和系統排水，固液分離是使進入脫硫液中的部分煙氣粉塵及結晶體進行輻流重力自然沉淀，然后通過壓泥來使沉淀物脫水，同時起到了控制系統外排水至氧化池的作用。

4.3 脫硫產物處置

反應一主要是氧化池曝氣氧化及脫硫塔射流氧化，反應二是塔內噴淋氧化及射流氧化，反應三是管道反應器、動力反應器內氧化鎂漿液同塔底液的反應之一。

外排水在氧化池中進行氧化，部分進過氧化后的水可以回用進入固液分離器，以達到濃縮外排水及充分利用水中部分亞硫酸鎂的目的。

塔內噴淋及射流氧化能有效的減少塔內Mg(HSO3)2的濃度，使下列可逆反應MgSO3+SO2+H2O ≒Mg(HSO3)2向右移動，以起到提高吸收二氧化硫的能力，同時塔內Mg(HSO3)2的濃度會影響再生系統結晶量的多少，但氧化過量會導致再生系統沒有足夠的原料進行再生MgO+Mg(HSO3)2→2MgSO3↓+H2O。所以需要對Mg (HSO3)2的濃度控制在一定范圍內，現有工藝主要是.通過控制塔底pH，即控制MgO投加量使MgO+Mg(HSO3)2→2MgS.O3↓+H2O反應向右移動，讓MgSO3濃度增加，MgSO3+SO2+H2O＝Mg(HSO3)2向右移動，從而起到控制Mg(HSO3)2濃度的作用。

5 結晶控制方法

5.1 正常運行時脫硫系統控制策略

控制系統的控制參數主要包括藥劑投加量、再生流量、SO2排放濃度、廢水排放、pH值、液位等參數的測量和控制，從而使結晶情況正常。測量信號經變送器轉換為4～20mA的標準信號后送至PLC；再經特定的控制算法運算后，輸出4～20mA標準信號或開關信號，控制相應的電機轉速、泵的啟停、電磁調節閥的開度等，從而實現被控參數的調節。主要測量參數及調節回路如下。

5.1.1 漿液投加控制

主要工藝參數：氧化鎂漿液泵的轉速、再生液pH值、再生液中的離子濃度。

氧化鎂漿液的投加量是脫硫系統最重要的控制回路，它直接關系到脫硫設施的運行成本，也是脫硫效率的保證。由于亞硫酸鎂法的吸收體系為亞硫酸鹽及亞硫酸氫鹽的緩沖體系，其漿液投加量與傳統的濕法脫硫工藝差異較大，它不僅與吸收液的pH相關，更與吸收液的離子濃度相關，系統通過將再生反應出pH計及離子濃度分析儀采集的在線檢測信號接入PLC，與標準曲線進行對比，通過調節氧化鎂漿液泵的轉速，實現對再生反應生成清液的pH進行控制，保證氧化鎂的轉化率達到95%以上。

5.1.2 再生量的控制

主要工藝參數：再生泵的轉速、塔底pH、塔底液離子濃度

塔底pH穩定，是脫硫效率的保證，系統通過將塔底pH計及離子濃度分析儀采集的在線檢測信號接入PLC，與標準曲線進行對比，通過調節再生液泵的轉速，實現對再生反應液的流量控制，保證塔底吸收液的濃度控制在設定的范圍內，從而保證在煙氣負荷波動的情況下，維持高脫硫效率。鑒于pH對象具有滯后大、非線性等特點，系統工況復雜多變，采用傳統的控制策略往往難以獲得滿意的控制品質，為此，系統將采用時間分割預估控制策略、分層復合模糊控制策略來實現對脫硫液pH值精確控制，確保整個系統具有較高的脫硫效果。

5.1.3 堿液投加量控制

主要控制參數：堿液泵的轉速，誘導結晶條件。

亞硫酸鎂法的鈉堿投加是為了控制管道反應器中MgSO3晶種的生成條件，自動控制系統通過管道反應器中的ARM獨立控制系統采集與誘導結晶相關的工藝參數，生成堿液投加量參數輸入系統PLC，調節堿液泵的轉速，實現對堿液投加量的控制，保證鈉堿的消耗率低于SO2吸收當量的0.01%。

5.1.4 SO2排放濃度控制

主要控制參數：SO2排放濃度、再生泵的轉速、塔底pH值、再生液布水閥的開度由于亞硫酸鎂法吸收液的高吸收傳質效率，脫硫效率可達到95%以上，為保證在脫硫吸收系統同時達到排放標準的前提下，實施脫硫設施的經濟運行，自動控制系統通過將兩套脫硫吸收系統煙氣在線檢測儀采集的SO2排放濃度、塔底pH值參數輸入系統PLC，調節再生泵的轉速調節再生量，并通過控制三個再生液布水閥的開度來調節再生液在泵前的流量分布。

5.1.5 各罐、池液位控制

根據各罐、池內的液位壓力變送信號，當出現高位時停止進液，低位時延時停止排液，并發出聲光報警信號。

5.2 異常結晶情況下應急操作

5.2.1 氧化操作

開啟氧化泵,使亞硫酸鎂氧化成硫酸鎂，直接減少結晶的量。

5.2.2 補水及壓泥排水

加大補水，加大壓泥速度和量，使結晶通過壓泥排出，并且壓泥出水排至氧化池，開啟氧化池氧化射流（氧化池底部壓縮空氣曝氣一直運行，曝氣氧化）。

5.2.3 管道反應器操作

加大管道反應器中誘導結晶流量。加大流量時，晶核產生數量多則動力反應器中結晶顆粒小但數量多；減少流量時，晶核產生數量少則動力反應器中結晶顆粒大但數量少。為了不使結晶顆粒過大，一般采用加大流量，同時固液分離器要加大抽泥的量，以防由于結晶過多而導致固液分離器堵塞。

5.2.4 再生流量控制

加大再生流量。加大流量時，再生液通過管道反應器、動力反應器、固液分離器的速度加快，但在動力反應器中形成的晶粒會增大和增多，固液分離器中沉淀的結晶會增多；減少流量時，再生液通過管道反應器、動力反應器、固液分離器的速度減慢，但會由于和氧化鎂混合后的再生液流速過慢而導致需要很長時間才能進入脫硫塔內，所以不予采取。

5.2.5 動力反應器操作

對動力反應器排泥次數進行增加，如果排泥水量過多可以排入事故罐。

5.2.6 氧化鎂漿液投加操作

調節漿料泵頻率，增加氧化鎂漿料投加，保持塔底pH不小于5.0（pH過低會導致MgSO3+SO2+H2O≒Mg(HSO3)2平衡向左移動使二氧化硫從反應液中析出，pH和對Mg(HSO3)2氧化是人工能夠控制該平衡移動的關鍵因素，而且會腐蝕設備），并且保證外排口二氧化硫濃度不超過200mg/m3。

6 結語

對結晶的控制是氧化鎂-亞硫酸鎂煙氣脫硫系統的重點工作之一，本文根據工藝原理及實際操作情況得到了有效控制結晶的方法，能夠使系統結晶有序進行，從而減少或消除系統異常結晶情況。結晶的控制主要受到塔底pH、再生流量、氧化泵開停、氧化鎂投加量、誘導結晶流量、壓泥排水量的影響。該方法有效提供了解決氧化鎂-亞硫酸鎂煙氣脫硫系統結晶問題的案例，可作為采用該技術的工序的參考方法。

[1]趙健,曾德勇.氧化鎂-亞硫酸鎂溫法脫硫工藝初探[J].熱力發電,2006(1)∶54-56.

[2]張晏,梁海衛.亞硫酸鎂清液法脫硫技術在金隆環集煙氣處理中的應用[J].硫酸工業,2012(5)∶37-39.

張勝祥（1990—），男，漢族，本科，冶金環境助理工程師。