鋅揮發窯尾氣脫硫系統穩定運行的探討與分析

張富兵，李 科，馮朝暉

（河南豫光鋅業有限公司，河南濟源459000）

隨著工業的快速發展，SO2成為主要排放污染物之一。傳統有色冶煉煙氣SO2排放已成為關注對象，早在2010年我國就出臺了GB 25466 —2010《鉛、鋅工業污染物排放標準》，2018年有色行業又開始執行其修改版特殊排放限值標準[ρ(SO2)≤ 100 mg/m3]。某鋅冶煉企業揮發窯煙氣采用鈉堿法脫硫工藝，根據特殊排放限值要求進行了工藝優化和設備升級改造，目前運行穩定，滿足SO2特殊排放限值要求。筆者就該脫硫系統的改進和運行情況進行探討分析。

1 揮發窯脫硫系統概況

某企業揮發窯脫硫系統采用常規鈉堿法脫硫，鈉堿法脫硫工藝成熟，廣泛用于有色冶煉爐窯煙氣SO2治理，脫硫劑常選用氫氧化鈉或碳酸鈉。鈉堿法脫硫脫硫劑堿性強，脫硫效率高。

1.1 揮發窯煙氣鈉堿法脫硫工藝流程

鋅冶煉揮發窯煙氣正常ρ(SO2)約10 g/m3，峰值可達到20 g/m3。該煙氣經過降溫除塵后，經脫硫空氣換熱器換熱，再與多膛爐煙氣混合，由增壓風機送入洗滌塔洗滌降溫，凈化煙氣經過2級鈉堿法吸收塔脫硫，再經過濕式電除塵器后達標排放。循環吸收液經液固分離后，濾渣（副產品Na2SO3）經熱空氣干燥裝袋外售，濾液則返回系統配堿循環利用。鈉堿法脫硫工藝流程見圖1。

圖1 鈉堿法脫硫工藝流程

1.2 鈉堿法脫硫機理

鈉堿法脫硫是用氫氧化鈉或碳酸鈉的水溶液作為吸收劑，與煙氣中SO2反應生成Na2SO3和NaHSO3，NaHSO3可繼續與堿反應生成Na2SO3[1]。該企業選用純堿作脫硫劑，制取Na2SO3。其脫硫過程主要反應如下：

1.3 鈉堿法脫硫的主要設備

經過多次優化升級后，目前鈉堿法脫硫裝置主要設備規格及數量見表1。

表1 鈉堿法脫硫主要設備規格及數量

2 系統運行過程中常見的問題

2.1 系統堵塞

脫硫系統的堵塞分為循環系統堵塞和煙氣系統堵塞。

2.1.1 循環系統堵塞

循環系統的堵塞部位主要是循環管道末端、噴頭、塔內壁及循環槽內攪拌盲區等。循環液在循環過程中，因循環液濃度、固含量或外界溫度變化會造成循環液中的亞硫酸鈉逐步結晶析出、沉積形成堵塞，使循環流量和循環塔槽的有效容積減小，降低脫硫效果，必須進行定時停機清理，以保證脫硫系統正常運行。

2.1.2 煙氣系統堵塞

煙氣系統的堵塞主要部位是塔頂除霧器和空氣換熱器等。塔頂除霧器的堵塞原因和循環系統類似，當循環液含鹽濃度、固含量高時，煙氣帶出的液滴通過塔頂除霧器時，其中的亞硫酸鈉結晶析出、沉積于除霧器間隙內而形成堵塞。空氣換熱器堵塞主要是因為在熱煙氣與冷空氣換熱過程中，煙氣中的微小塵粒與局部的冷凝水或冷凝酸相遇形成黏性物粘結于換熱管道壁上，造成換熱器列管堵塞。

2.2 系統阻力大

隨著主系統揮發窯生產負荷的加大和多膛爐系統煙氣的并入，原脫硫系統負荷增大。原配套的增壓風機在滿負荷運行的情況下不能將煙氣順暢地送至脫硫系統，無法滿足新的生產要求。為保證生產正常進行，避免窯尾出現冒煙的情況，只有控制揮發窯的生產負荷來保持系統的連續運行。另外，塔頂除霧器和空氣換熱器的堵塞也是造成系統阻力增大的重要因素。

2.3 堿液質量不穩定

堿液根據生產情況間斷配制，經常出現所配制堿液的濃度波動大，有時甚至出現堿未能充分溶解的情況，未溶解的堿進入循環槽后反應劇烈，會造成循環槽冒槽。

2.4 尾氣SO2排放濃度波動大

鋅冶煉揮發窯生產因物料及操作的原因很容易造成窯況波動，檢測發現尾氣SO2排放濃度波動較大，ρ(SO2)高時大于 250 mg/m3，低時約 100 mg/m3。特別是在生產后期，尾排SO2濃度波動更為明顯，甚至出現排放超標的現象，給生產管理和生產操作帶來較大困擾。

3 改進措施

針對上述影響脫硫系統穩定運行的主要因素，企業綜合考慮，采取了以下改進措施。

3.1 工藝控制優化

3.1.1 降低循環吸收液密度

循環吸收液密度的大小與吸收液中的鹽含量密切相關。根據相關資料文獻和生產實踐總結發現，循環吸收液的密度隨著溶液中亞硫酸鈉含量及其結晶體固含量的增加而增大。當其密度大于1.35 g/L時，吸收液中結晶體固含量較高，雖然可適當提高副產品的品級，但循環吸收液對SO2的吸收效率開始下降，循環泵的動力消耗也有明顯增加[2]，此時，循環系統的管道、噴頭及塔槽內部的堵塞頻率增加，給生產帶來較大的困難。因此，綜合考慮論證將循環吸收液密度控制在(1.30±0.02) g/L，既可保證脫硫效果和副產品品級，也可減少動力消耗和循環系統的堵塞頻率。

3.1.2 提高循環吸收液pH值

循環吸收液pH值是保證脫硫效率的決定因素。隨著循環吸收液pH值的升高，脫硫效率也隨之升高，但當pH值大于7.0時，循環吸收液中游離堿也明顯升高，導致堿耗增加，副產品品級下降。因此結合生產實際情況將循環吸收液pH值由5.5～6.0提高至6.5～7.0，以滿足特殊排放要求，達到最佳的經濟效益。

3.1.3 增大循環噴淋量

噴淋量的大小是保證液氣比的關鍵因素。通過增大循環噴淋量，提高液氣比和噴淋密度，使循環吸收液與二氧化硫氣體的接觸更充分、更均勻[3]。在多膛爐煙氣并入揮發窯煙氣后，導致液氣比明顯減小，將噴淋量增大至650 m3/h。

3.2 調整作業制度

經過長時間的生產摸索，對部分作業制度進行調整：

1）配制堿液溶化時間由2 h延長至3 h，使固體堿充分溶解。

2）塔頂除霧器沖洗周期由每班1次調整為每2 h 1 次，沖洗時間 3～5 min。

3）控制換熱器出口煙氣溫度大于180 ℃，避免冷凝水形成。

4）每次系統項修，檢查換熱器內部列管的結灰情況，并進行吹掃清理。

3.3 設備升級改造

3.3.1 增加備用離心機

原有脫硫系統只配置2臺離心機，處理能力不足，循環液中固體結晶物不能及時分離開路，導致循環液固含量高，密度大，系統運行受阻。2018年新增1臺備用離心機，有效作業率明顯提高，使進出物料達到平衡，循環液密度基本穩定在1.28～1.32 g/L，系統循環暢通。因結晶沉積堵塞導致的停機頻次由每月1次延長至每5個月1次。

3.3.2 升級改造增壓風機

原配套增壓風機僅能滿足揮發窯煙氣的抽取能力，在多膛爐煙氣并入后，其抽取能力明顯不足，經分析論證，于2019年在原風機葉輪基礎上增加葉片長度，同時改變葉片出口角度，將增加風機實際抽力由 6 000 Pa 提升至 7 000～7 500 Pa。

3.3.3 改進給料裝置

原有的給料裝置為堿粉倉、閘板閥、溜管送料，下料量不易控制，造成所配堿液濃度波動較大。經現場查看于2018年將其改為變頻星型給料機、刮板輸送機送料，提高了下料量的準確性，使配置堿液的合格率提高了20個百分點。

3.3.4 增大換熱器流通面積

因換熱器內部列管直徑(φ38 mm)較小，煙氣中微塵粒遇到冷凝水后粘結于列管內壁，易造成列管堵塞，增大煙氣阻力。經討論確定，將列管直徑增大至φ50 mm，既可增大煙氣過流面積，減小系統阻力，也可提高出口煙氣溫度，減少凝結物的形成。

3.3.5 更換煙氣管道

多膛爐煙氣并入后，總煙氣量增加約30%，為保證煙氣順暢通過，將原有φ1 400 mm煙氣管道更換為φ1 600 mm煙氣管道，降低煙氣阻力。

4 改進效果

自2018年以來，企業通過不斷地優化工藝、改造設備和調整作業制度，使該脫硫系統的運行穩定性、產品合格率和污染物排放指標均得到大幅度提升。改造前后脫硫系統運行情況對比見表2。

表2 改造前后運行情況對比

5 結語

根據環保要求，某企業在揮發窯原有鈉堿法脫硫裝置基礎上，通過工藝優化和設備改進，保證污染物達標排放的情況下，有效地利用了煙氣余熱和回收脫硫副產品，推動了企業低碳減排、資源回收循環經濟的綠色發展。總體而言，鈉堿法脫硫工藝簡單、效率高、適用性廣，但不足之處是脫硫劑堿價格較高，運行成本較高，有大量CO2廢氣產生，且副產品銷售受市場影響大，會造成階段性積壓庫存。