電石渣煙氣脫硫吸收塔的結構研究

潘柏盛，李宇翔，胡滿深，梁煥林，林榮灼

（江門市同力環保科技有限公司，廣東 江門 529100）

為打贏藍天保衛戰，煙氣超低排放標準已從電力行業的電站鍋爐向非電行業的工業鍋爐和窯爐全面推廣，同時固體廢物處置也是生態環境部門監督執法的重點。工業園區特別是化工園區，需要同時面對廢氣超低排放和固體廢物處置的雙重壓力，如何通過合理的資源利用和環保設計，既能快速消耗有回收價值的固體廢物，又能降低煙氣超低排放的投資成本和運行成本，是化工企業亟待解決的難題。

電石渣屬于第Ⅱ類一般工業固體廢物，是化工園區常見的可回收利用副產物，經過提純濃縮，一般可用作脫硫吸收劑。行業內使用電石渣脫硫的并不少見，但普遍存在存在一些問題：部分項目對電石渣的預處理過于簡單，無法保證石灰漿液的脫硫活性和酸不溶物的有效篩濾，從而影響排放達標穩定性和系統可用率；脫硫吸收塔的塔體工藝設計和設備選型直接搬用電站鍋爐的成熟方案，缺乏針對性和適應性設計，導致系統能耗過高，增加了項目的運行成本。

本文以某環保科技公司設計和承建的某化工園區的75t/h 循環流化床鍋爐煙氣脫硫項目為例，重點介紹了脫硫吸收塔的塔體結構設計及其脫硫應用效果，可為同類型工程提供借鑒和參考。

1 脫硫工藝設計

目前，煙氣脫硫工藝主要分為干法、半干法和濕法三種。以爐內噴鈣為代表的干法脫硫，在使用常規脫硫劑的情況下，脫硫效率一般只能達到70%～80%，難以滿足煙氣超低排放的要求；以煙氣循環流化床為代表的半干法脫硫，對鍋爐負荷適應差、控制要求高，不適用于負荷變化頻繁的工業鍋爐，使用電石渣容易引起塔壁積灰、霧化器堵塞磨損等問題；濕法脫硫是目前最為成熟的煙氣脫硫技術，對煙氣成分及吸收劑的選擇有較強的適應性，且氣液兩相反應速率快。對比干法和半干法，濕法脫硫是電石渣脫硫的最佳選擇。

濕法脫硫包括石灰石/石灰—石膏法、雙堿法、氨法和氧化鎂法。其中，氨法和氧化鎂法主要以氨和氧化鎂作為脫硫劑，不適宜與電石渣替換應用。雙堿法以氫氧化鈉溶液作為啟動脫硫劑，以鈣基脫硫劑再生氫氧化鈉溶液循環使用，但由于長期處于堿性環境中容易產生堵塞問題，若使用電石渣作為再生劑，其復雜的成分會極大加劇堵塞問題，不利于長期運行。

以石灰石和石灰為代表的鈣基脫硫吸收劑，與電石渣有效成分接近，可以混合使用或直接替用。該項目以鈣基濕法脫硫工藝路線為基礎，通過優化石灰漿液制備系統和脫硫吸收塔結構，提高對電石渣的適應性和系統穩定性。

2 電石渣物化分析

電石渣是電石（CaC2）生產乙炔氣體所產生的副產物，主要成分為Ca(OH)2。

該化工園區設有輻流式電石渣沉淀池，經沉淀的濕料電石渣呈灰褐色膏狀，上清液呈墨綠色。原處置方式為經板框壓濾機脫水后委外至水泥廠處理，上清液及濾液回用至生產系統。現決定把沉淀后的濕料電石渣作為脫硫劑，其物化性能分析見表1、表2。

表1 電石渣成分分析

表2 電石渣粒徑分布

根據表1 可知，電石渣中有效脫硫成分含量接近70%，pH 值可達12，其化學性質完全能夠滿足煙氣脫硫的需要，但未反應的碳粒、SiO2等具有磨蝕性的雜質成分較多，會增加預處理的難度。

根據理論反應分析，電石在制取乙炔時反應劇烈，由于化學分散的作用，電石渣粒徑小且活性高，同時反應過程中放出大量的熱量，電石渣由于水分逸出，使生成的CaO 有較多的孔隙，有利于氣—固相反應的進行[1]。但根據表2 可知，電石渣粒徑分布較大，與理論分析有較大的差距，這是因為濕料電石渣的含水率較高，受水分子表面張力的作用使顆粒團聚嚴重[2]，說明該項目使用的電石渣容易結團、結垢，處理不當會帶來管道堵塞和設備磨損的風險。

3 脫硫吸收塔的結構設計

根據該項目的設計要求和電石渣的性質，脫硫吸收塔體總體布置為4 層噴淋、1 層加強型傳質部件和1 層高效除霧器。其中，塔體由下至上布置為環形逆向霧化噴淋層（1#）、環形徑向霧化噴淋層（2#）、液膜發生器、環形切線徑向霧化噴淋層（3#）、魚骨型逆向噴淋層（4#）和高效除霧器（見下圖）。

塔體煙氣流動、結構及實物

煙氣從脫硫塔下部以切線的方式進入塔體，由于煙氣流速較高及氣流的慣性，氣流會對迎風處的塔壁造成強烈的沖刷，同時在入口處產生低壓渦流區[3]，產生一股偏流型的高溫、高硫、高湍流度的“三高”氣流。

1#噴淋層的設計思路為：采用低壓大流量的噴嘴通過逆向噴淋的形式以大液滴進行噴淋，利用電石渣活性高、反應速率快的特點，大液滴也能迅速與高濃度的SO2發生反應，而且大液滴不會被高溫煙氣瞬間蒸發，有效保證了SO2被充分吸收和固定，同時大液滴對偏流氣體進行有效切割，對氣流有良好的整流作用，有效替代了易于磨損的均流板。

2#噴淋層的設計思路為：采用環形徑向霧化噴淋將電石渣漿液霧化形成的霧滴以高壓噴射的形式均布于塔內，增強霧滴與SO2的傳質交換。1#及2#噴淋層用于對含硫煙氣進行預處理，有效提高了塔體的煤種適應性。

經預處理后的煙氣進入液膜發生器，液膜發生器的主要作用為均流加速產生旋轉氣流，氣流旋轉上升增加了30%的煙氣塔內停留時間并提高了20%的氣液兩相傳質速率，是高效脫硫和穩定流場的關鍵部件。

3#噴淋層的設計思路為：配合旋轉氣流的旋轉方向以小角度斜插的形式進行高壓霧化噴射，霧滴在氣流中高速旋切并跟隨氣流上升，大大提高了SO2的吸收效率。

4#噴淋層的設計思路為：通過魚骨型插入式布置形成高覆蓋率的逆向噴淋，向下噴淋的液滴及高速旋轉上升的氣流與霧滴相遇并持續碰撞，逐漸形成一層空化液膜，氣液兩相以巨大的比表面積進行傳質，極大提高了SO2的吸收效率，同時空化液膜以煙氣氣動托力與重力為平衡點，當液膜持續增厚至一定幅度后會自然下落被新形成的液膜所取代。高效除霧器的設計思路為預除霧，捕獲煙氣中的大液滴和石膏微粒，同時起到煙氣整流作用，降低后續終端除塵的負荷。

4 脫硫吸收塔的脫硫效果

該煙氣脫硫系統全部調試完成并開始試運行后，由第三方檢測機構連續3 日進行系統驗收檢測。檢測期間，鍋爐負荷為70～75t/h，脫硫吸收塔同時開啟3#和4#噴淋層，關閉1#和2#噴淋層，其出口煙氣指標見表3。

表3 煙氣驗收檢測數據表

由表3 數據可知：1）該項目所設計的吸收塔型對電石渣有良好的適應性和兼容性，處理后的SO2排放濃度遠優于燃氣鍋爐煙氣排放限值，達到了超低排放要求；2）系統尚有脫硫處理裕量，可為鍋爐燃燒工況、煤種、電石渣活性成分等變化因素提供可控可調的空間；3）通過傳質部件和噴淋層的合理結合，以較低的液氣比（7.5～8.0L/Nm3）和較低的塔體阻力（350～400Pa），實現≥99%的脫硫率，具有良好的運行經濟性和設備性能。

5 結語

電石渣作為化工園區常見的一般工業固體廢物，其Ca(OH)2含量較高，預處理后能大量回用至煙氣脫硫系統作脫硫吸收劑，是傳統鈣基吸收劑的理想替代品。在鼓勵發展循環經濟和資源回收利用的背景下，電石渣脫硫將是行業未來的發展趨勢。隨著工業應用的持續推廣，脫硫吸收塔的結構研究，將是降低運行成本、提高設備使用壽命、簡化工藝流程等的重中之重。