冶煉煙氣制酸石灰石膏法脫硫系統運行實踐與改造

劉永龍， 鄭小娜

(白銀有色集團股份有限公司 銅業公司， 甘肅 白銀 730900)

目前，煙氣脫硫工藝主要有鈉堿法脫硫、活性焦脫硫、石灰石膏法脫硫、雙氧水脫硫、有機胺脫硫及離子液脫硫等。隨著國家對環保的愈發重視，“寧要青山綠水，不要金山銀山”的環保理念深入人心，企業面臨的環保壓力愈發嚴峻，環保投入越來越多，面臨著環保效益與經濟效益的雙重選擇。

銅業公司冶煉煙氣制酸系統原設計產能為31.2萬t/a，2011年進行擴能改造，硫酸產能提升至54.6萬t/a。但隨著環保政策的愈發嚴格，現有制酸系統尾氣排放指標已無法滿足需求。公司結合酸性廢水處理所采用的石灰中和處理工藝，并綜合考量場地、投資及運行成本等因素，投資建設了石灰石膏濕法脫硫系統，于2013年9月建成投產運行。該系統設計處理煙氣量180 000 Nm3/h，設計進口煙氣SO2濃度2 500 mg/Nm3，設計排放SO2濃度不超過400 mg/Nm3。

此工藝具有所配備的設備設施簡單、操作便捷、脫硫效率較高、石灰價格便宜的優點，故系統運行成本低廉。但也存在石灰輸送管道、捕沫器等設備設施容易堵塞的問題，導致系統運行阻力很快上升，因此系統連續運行周期短。為解決上述問題，對該尾氣脫硫系統進行了改造與優化，取得了良好的效果[1]。

1 石灰石膏法脫硫工藝

1.1 基本原理

石灰石膏法脫硫工藝中的主要化學反應如下：

在脫硫吸收塔內冶煉煙氣中的SO2先被石灰漿液中的水吸收，再與石灰漿液中的Ca(OH)2反應生成CaSO3，CaSO3被氧化風機鼓入空氣中的O2氧化最終生成石膏晶體，即CaSO4·2H2O。其主要化學反應式為：

石灰消化過程：CaO+H2O→Ca(OH)2

吸收過程：SO2+H2O→H2SO3→HSO3-+H

Ca(OH)2+2H→Ca+H2O

1.2 工藝流程簡述

石灰石膏法脫硫工藝采用石灰作為吸收劑，石灰粉經消化處理后加水攪拌制成吸收劑漿。煙氣脫硫系統包括煙氣系統、二氧化硫吸收系統、捕沫除霧系統及給排水系統，工藝流程圖如圖1所示。

二氧化硫吸收系統是煙氣脫硫系統的核心，主要包括吸收塔、循環漿泵和氧化風機、漿液排出泵等。因制酸尾氣中的二氧化硫含量較高，因此該脫硫系統采用高效逆噴洗滌器作為吸收塔，以保證煙氣脫硫效率。

圖1 尾氣脫硫系統工藝流程圖

系統運行時，煙氣從洗滌器逆噴管頂部進入，循環漿液經循環泵加壓后從逆噴管底部進入，氣液逆流接觸，形成湍動段，氣液接觸面高速更新，煙氣中的SO2與漿液中的Ca(OH)2發生反應,生成亞硫酸鈣和亞硫酸氫鈣。亞硫酸鈣、亞硫酸氫鈣漿液在吸收塔底部的石灰循環漿池內與氧化風機鼓入的空氣強制氧化，氧化最終生成CaSO4·2H2O。為了控制漿池內的液位和漿液固含量(標準為15%)，石膏漿經濃密機沉淀脫水后，含水量約20%石膏漿，被送入酸性廢水處理系統進行進一步處理，上清液回流至系統。脫硫后的煙氣經捕沫裝置及電除霧器除去煙氣中的酸霧，然后排入煙囪[2]。

2 存在的問題

2.1 系統阻力大

制酸尾氣脫硫系統運行一個月左右，經統計和現場分析，投入的石灰量與初期相比成倍增加，而且系統阻力快速上漲，增加了電耗，影響系統的穩定運行。

2.2 系統管道積石灰

由于該法使用的石灰石膏具有易沉積、易黏結的特點,很容易造成管道、捕沫器等設備堵塞,同時渣量大還受尾氣成分影響,往往不易處理。時間越長，積物越多、越硬，需要每季度停機清理疏通，勞動強度大，耗時長，導致設備使用壽命減少。

2.3 pH值控制不穩定

制酸系統中尾氣煙氣波動較大，脫硫系統的pH值控制不穩定，可操作性差。

2.4 尾氣排放超標

硫酸生產異常或尾氣脫硫系統不穩定，SO2濃度迅速上升，生產系統氣速大、氣濃高，石灰溶解不均勻，導致石灰接觸酸煙反應不充分，造成SO2排放超標。

3 改進措施及效果對比

制酸系統尾氣進入逆噴管脫硫洗滌，與噴淋的石灰漿液逆向接觸，去除煙氣中的SO2、SO3及降低煙氣溫度，洗滌后煙氣經過脫硫電除霧器進行外排。石灰循環漿液pH值的控制包括三個部分，一是石灰乳輸送系統，包括石灰乳儲罐、輸送泵、輸送和回流管線；二是pH值監測設施，在循環漿液泵出口管道裝有pH計，進行連續不間斷檢測；三是控制系統，包括石灰乳投加電動控制閥門以及相應配套的控制程序。

在生產過程中，脫硫循環漿液pH值控制在5.5左右，過高的pH值雖然會提高SO2的吸收效率，但會降低石灰乳的利用效率，同時會造成管道、捕沫器、電除霧器等設施的堵塞。隨著循環漿液對煙氣中SO2的不斷吸收，循環漿液pH值不斷下降，當pH值低于5.5時，電動閥門打開，向吸收塔內補充石灰乳，當循環漿液pH值高于5.5時，電動閥門關閉，石灰乳進行內部循環。

但在實際生產過程中，因石灰乳投加后至pH計檢測到pH值變化存在延時，當pH計檢測到循環漿液pH值到5.5，控制電動閥門關閉后，循環漿液的pH值還會不斷往上漲，最高可到10以上，影響脫硫系統的正常運行。

首先，具體改進措施如下：優化了pH計的安裝位置，將其安裝至濃密機進口管線上，因其管徑更大，循環漿液更新更快，不易堵塞，pH值較以前反應更為靈敏，更加有利于循環漿液pH值的控制。

其次，對脫硫系統自動加灰裝置進行優化，原系統設計脫硫加灰和回流各自為獨立的電動碟閥，如圖2所示，且閥門密封性較差，在實際生產中，制酸系統尾氣煙氣波動性較大，需頻繁操作回流閥，但加灰閥密封效果不佳且聯動性較差，故極難控制脫硫系統的pH值。

圖2 改造前的加灰閥

經多次分析和現場試驗，在目前的現場條件下采用控制石灰流量的方法，即將加石灰管道上的開關型電動碟閥及其回流閥二合一改造成調節型電動三通球閥，如圖3所示，能夠有效地控制pH值，從根本上完全實現對石灰流量的調節和控制，從而實現尾氣脫硫系統的自動和穩定運行。

圖3 改造后的加灰閥

同時，考慮到加灰閥頻繁動作會導致中和反應不穩定，因此在加灰閥控制上采用了PID控制。在實際改造中采用比例積分PI控制器把給定pH值與實際pH值之差作為系統誤差，利用比例、積分控制法計算出電動三通球閥的開度。控制流程圖如圖4所示。其中r(t)為pH設定值，y(t)為pH實際值，e(t)為pH實際值與設定值的偏差，u(t)為PID控制器的輸出函數，從而調節閥門的輸出。[4-5]

圖4 控制流程圖

實施改造方案確定后，對市場多種調節型電動三通球閥進行了調研和性能測試，最終選定型號為G3970- 16P- DN80。該電動三通球閥具有體積小、重量輕、流量控制精確及動作靈敏的優點，能直接接受調節儀器輸入的4-20 mA DC控制信號，而且其單相電源能實現可控制運轉。能滿足把一種流體通過三通閥分成二路流出或者把兩種流體經三通閥合并成一種流體的工藝需求，較好的控制工藝管路流體介質的自動調節[3]。

改造實施步驟主要包括：調節型電動三通球閥更換、現場以及PLC控制柜內接線、程序編制及調試等。

將脫硫系統加灰閥改造后，經過三個月的運行記錄分析，現將改造前后的各方面效果進行對比，如表1所示。

表1 脫硫系統加灰閥改造效果對比表

4 結語

經過幾個月的改造與生產實踐，取得的優良成果和巨大效益。一是在保證高效穩定生產的前提下，徹底解決了吸收尾氣二氧化硫氣體時存在的系統阻力大、管道、捕沫器等設備堵塞等問題；二是能將尾氣脫硫排放SO2濃度控制在不超過200 mg/Nm3；三是能實現pH值的自動控制，石灰加入量合理可控，保證設備設施的使用壽命，使系統能長周期穩定運行；四是能帶來巨大的經濟效益，每天能節約400 kg的石灰，現今石灰費用約580元/t，排除檢修時間，每年能減少約6.96萬元的石灰支出費用。