硫酸裝置超重力脫硫系統(tǒng)的技術(shù)改造

硫酸裝置超重力脫硫系統(tǒng)的技術(shù)改造

2010年，中國硫酸產(chǎn)量達(dá)到70.06萬公里，每年新增約100萬元，占so2總排放量的9%。這是工業(yè)上非常常見的so2排放來源。采用兩轉(zhuǎn)兩吸工藝的硫磺制酸裝置的尾氣中ρ(SO2)能夠達(dá)到860mg/m3排放限值的只占76%,能夠達(dá)到960mg/m3限值的占86%。硫鐵礦制酸工藝尾氣中ρ(SO2)能夠達(dá)到860mg/m3排放限值的占56%,達(dá)到960mg/m3限值的占78%。一轉(zhuǎn)一吸加堿洗工藝,排放的尾氣中ρ(SO2)在700～1200mg/m3。在今后兩年內(nèi),所有硫酸裝置尾氣排放的ρ(SO2)都要達(dá)到400mg/m3新標(biāo)準(zhǔn)的限值要求,減排任務(wù)任重道遠(yuǎn)。因此硫酸行業(yè)急需采用尾氣二氧化硫超低排放的工業(yè)化技術(shù),以支撐硫酸行業(yè)的技術(shù)改造,實(shí)現(xiàn)清潔生產(chǎn)。浙江巨化股份有限公司硫酸廠,是“巨化股份”上市公司成員之一?，F(xiàn)有在職員工700余人。目前共有2套礦制硫酸裝置,總能力為360kt/a,氯磺酸裝置能力達(dá)50kt/a,是全國最大的氯磺酸生產(chǎn)廠家。主要產(chǎn)品有:w(H2SO4)分別為98%和105%的硫酸、氯磺酸、液體二氧化硫、焦亞硫酸鈉、食品添加劑2號(hào)、二苯甲酮等。在環(huán)境保護(hù)方面,按照“減量化、再利用和資源化“原則,提高資源利用率為核心,以資源節(jié)約、資源綜合利用、清潔生產(chǎn)為重點(diǎn),通過調(diào)結(jié)構(gòu)、技術(shù)進(jìn)步和加強(qiáng)管理等措施,大幅減少資源消耗,降低廢物排放,提高資源化利用效率。幾年來巨化硫酸廠在硫酸生產(chǎn)余熱利用方面“綜合規(guī)劃、梯級(jí)利用、分步實(shí)施”,高中溫位熱能得到較好利用,低溫位熱能利用正在規(guī)劃中,使噸酸產(chǎn)汽量達(dá)到1.2～1.3t水平。廢渣方面,充分利用硫元素和鐵元素,廢渣供鋼廠做煉鐵原料。廢氣采用氨法吸收,副產(chǎn)品亞硫酸銨作為己內(nèi)酰胺生產(chǎn)的原料。含廢渣污水作為增濕器回用水,也可用于選礦,實(shí)現(xiàn)資源化利用目標(biāo)。由于硫酸裝置尾氣排放的新標(biāo)準(zhǔn)將在2012年底前實(shí)施,巨化硫酸廠深感其尾氣處理的必要性和緊迫性。為此,通過多方案論證,并結(jié)合裝置實(shí)際,最后選擇北京化工大學(xué)教育部超重力工程研究中心研發(fā)的超重力脫硫技術(shù),并在2010年實(shí)施了硫酸裝置尾氣超重力法深度脫硫與資源化利用的環(huán)保治理項(xiàng)目,以適應(yīng)環(huán)保要求和企業(yè)持續(xù)發(fā)展的需要。1改造方案1.1復(fù)擋兩級(jí)氨法吸收尾氣我廠2套硫鐵礦制酸裝置由于產(chǎn)品鏈配套需要液體二氧化硫和亞硫酸銨產(chǎn)品,一直采用一轉(zhuǎn)一吸工藝,總轉(zhuǎn)化率約95%。尾氣處理系統(tǒng)采用1級(jí)空塔(泡沫塔)+1級(jí)復(fù)噴復(fù)擋的兩級(jí)氨法吸收工藝,ρ(SO2)約12000mg/m3的尾氣通過兩級(jí)氨吸收后,可達(dá)到960mg/m3以下,基本上做到達(dá)標(biāo)排放。氨法回收低濃度二氧化硫及三氧化硫的基本原理是:SO2和SO3在亞硫酸銨—亞硫酸氫銨吸收液中,利用亞硫酸銨對(duì)其進(jìn)行吸收,化學(xué)反應(yīng)如下:吸收了SO2和SO3后的母液在循環(huán)槽內(nèi)加入氣氨或氨水,發(fā)生式(3)反應(yīng),使部分溶液再生,以保持吸收液中n[(NH4)2SO3]/n(NH4HSO3)不變,以此反復(fù)循環(huán)吸收SO2和SO3:1.1.2尾氣脫硫系統(tǒng)二級(jí)吸收液的確定我廠原尾氣脫硫工藝流程如圖1所示。含有SO2的尾氣進(jìn)入空塔(泡沫塔),亞硫酸銨—亞硫酸氫銨吸收液由一級(jí)循環(huán)泵打至塔頂噴淋,吸收了SO2和SO3的吸收液由塔底流入一級(jí)循環(huán)槽,并且從循環(huán)槽連續(xù)抽出一部分作為生產(chǎn)高濃度亞硫酸銨的原料或加入濃硫酸分解生產(chǎn)w(SO2)為100%的液體二氧化硫和硫酸銨。該槽還接受二級(jí)循環(huán)泵送來的循環(huán)液,同時(shí)向該槽補(bǔ)充一部分氣氨及水,以維持循環(huán)液的堿度,使部分吸收液得到再生。在尾氣脫硫系統(tǒng),尾氣經(jīng)過一級(jí)吸收(空塔)后,再進(jìn)入復(fù)噴復(fù)擋進(jìn)行二級(jí)吸收,由二級(jí)循環(huán)泵從二級(jí)循環(huán)槽來的循環(huán)液在復(fù)噴復(fù)擋中與尾氣中SO2接觸,吸收了SO2的吸收液回流入二級(jí)循環(huán)槽,凈化后的氣體進(jìn)入煙囪排空,二級(jí)循環(huán)槽連續(xù)補(bǔ)充清水和氣氨,增加的液量則從該槽由二級(jí)循環(huán)泵打入一級(jí)循環(huán)槽中。一、二級(jí)吸收液必須設(shè)定合理的濃度梯度,一級(jí)吸收生產(chǎn)符合要求的產(chǎn)品,二級(jí)吸收必須具備低的表面分壓,才能有髙的吸收效率,以保證尾氣排放合格。為了達(dá)到新的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)限值要求,巨化硫酸廠必須對(duì)原有的尾氣脫硫工藝流程用高效吸收設(shè)備進(jìn)行改造。根據(jù)其實(shí)際情況,可供選擇的技術(shù)路線如下。1.2.1三級(jí)脫軌技術(shù)三級(jí)脫硫工藝相當(dāng)于在原尾氣脫硫系統(tǒng)中再增加一級(jí)尾氣吸收設(shè)備,其脫硫工藝流程如圖2所示。1、超重力場(chǎng)中的微織構(gòu)材料超重力機(jī)實(shí)為旋轉(zhuǎn)填料床,所謂超重力是指在比地球重力加速度(9.8m/s2)大得多的環(huán)境下物質(zhì)所受到的力。在超重力環(huán)境下,不同大小分子間擴(kuò)散和相間傳質(zhì)過程均比常規(guī)重力場(chǎng)下的要快得多,氣—液、液—液、液—固兩相在比地球重力場(chǎng)大數(shù)百倍至千倍的超重力場(chǎng)環(huán)境下的多孔介質(zhì)或孔道中流動(dòng)并相互接觸,巨大的剪切力將液體撕裂成微米至納米級(jí)液膜、液絲和液滴,產(chǎn)生巨大的快速更新的相界面,使相間傳質(zhì)速率比傳統(tǒng)塔器中的提高了1～3個(gè)數(shù)量級(jí),微觀混合和傳質(zhì)過程得到了極大強(qiáng)化。在地球上,實(shí)現(xiàn)超重力環(huán)境的簡(jiǎn)便方法是通過旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力而模擬實(shí)現(xiàn)的,即把傳統(tǒng)靜止的填料床改變?yōu)樾D(zhuǎn)的填料床,并稱其為超重力機(jī)。逆流旋轉(zhuǎn)填料床的結(jié)構(gòu)如圖3所示。超重力技術(shù)比較適用于吸收機(jī)理為液膜控制的吸收工序、熱敏性物料的處理、昂貴物料或劇毒物料的處理、選擇性吸收分離、高質(zhì)量納米物料的生產(chǎn)、聚合物脫除單體和精細(xì)物質(zhì)精餾分離等,可極大地縮小設(shè)備尺寸與質(zhì)量,極大地強(qiáng)化了傳質(zhì)與混合過程。作為硫酸裝置尾氣脫硫設(shè)備的超重力機(jī)結(jié)構(gòu)如圖4所示。2、高鹽亞硫酸銨循環(huán)液系統(tǒng)含有SO2的尾氣進(jìn)入空塔(泡沫塔),含氨吸收液由一級(jí)循環(huán)泵打至塔頂噴淋,吸收了SO2的吸收液由塔底流入一級(jí)循環(huán)槽,該循環(huán)槽還接受二級(jí)循環(huán)泵送來的循環(huán)液,同時(shí)還向此槽補(bǔ)充一部分氣氨和水以維持循環(huán)液的堿度,使吸收液得到部分再生,并且從循環(huán)槽連續(xù)抽出一部分作為生產(chǎn)高濃度亞硫酸銨的原料。尾氣經(jīng)過一級(jí)吸收后,再進(jìn)入超重力機(jī)進(jìn)行脫硫,由二級(jí)循環(huán)泵從二級(jí)循環(huán)槽打來的循環(huán)液在超重力機(jī)中與尾氣中的SO2接觸,吸收了SO2的吸收液由超重力機(jī)底部(須高出循環(huán)罐液面2m)流入二級(jí)循環(huán)槽中,凈化后的氣體進(jìn)入煙囪排空,同時(shí)向二級(jí)循環(huán)槽連續(xù)補(bǔ)充清水和氣氨,增加的液量則從該槽由二級(jí)循環(huán)泵串入一級(jí)循環(huán)槽中。2技術(shù)方案的比較和選擇2.1兩種方案的比較1、級(jí)超重力機(jī)脫硫根據(jù)研究,三級(jí)塔式氨法脫硫的SO2最終排放濃度約300mg/m3,二級(jí)改用超重力機(jī)脫硫,則SO2最終排放濃度約200mg/m3。從脫硫效率分析,超重力機(jī)脫硫優(yōu)于三級(jí)塔式氨法脫硫。2、級(jí)吸收塔方案根據(jù)我廠的現(xiàn)況,改用三級(jí)脫硫時(shí),現(xiàn)有兩級(jí)保持現(xiàn)狀,中間增加一級(jí)吸收塔,此為可選方案一;采用超重力機(jī)代替復(fù)噴復(fù)擋的二級(jí)脫硫方案,可利用二級(jí)脫硫的部分設(shè)備,此為方案二。經(jīng)過比較,二級(jí)改用超重力機(jī)脫硫新增投資是三級(jí)塔式氨法脫硫的兩倍。3、機(jī)功率增加功率三級(jí)塔式氨法脫硫工藝尾氣脫硫系統(tǒng)總阻力比二級(jí)改用超重力機(jī)的大1.5kPa左右,據(jù)此估算,SO2風(fēng)機(jī)(風(fēng)機(jī)功率1600kW)增加功率為150kW,增加1臺(tái)循環(huán)泵的運(yùn)行功率約37kW。二級(jí)改用超重力機(jī)脫硫,增加超重力機(jī)運(yùn)行功率50kW。由上分析可知,改用三級(jí)脫硫比二級(jí)改用超重力機(jī)脫硫增加功率約:137kW,每小時(shí)多耗電約110kW·h,每年多耗電費(fèi)約0.82×110×8000=721600元≈72萬元。2.2級(jí)增設(shè)超重力機(jī)脫硫通過對(duì)以上兩種改造方案的分析,我們認(rèn)為:三級(jí)氨法脫硫存在的主要問題是工藝流程長(zhǎng)、工藝復(fù)雜、設(shè)備多,占地面積大,而且增加了尾氣脫硫系統(tǒng)阻力,增加能耗;而二級(jí)改用超重力機(jī)脫硫的主要優(yōu)點(diǎn)是超重力脫硫設(shè)備小,布置美觀,流程簡(jiǎn)短,尾氣脫硫系統(tǒng)阻力小,不足的是超重力機(jī)造價(jià)較高,一次性投資較大。但從運(yùn)行費(fèi)用分析看出,經(jīng)過約兩年半的運(yùn)行,所節(jié)省的電費(fèi)即可彌補(bǔ)一次投資大的差異。綜上分析,我廠選擇了二級(jí)改用超重力機(jī)的尾氣脫硫技術(shù)方案,并于同年進(jìn)行了尾氣脫硫系統(tǒng)的技術(shù)改造。2.3尾氣流量參數(shù)的確定根據(jù)我廠需要,北京化工大學(xué)進(jìn)行了硫酸裝置尾氣超重力機(jī)脫硫的工業(yè)設(shè)計(jì),主要設(shè)計(jì)參數(shù)(標(biāo)準(zhǔn)狀況計(jì))如下:尾氣流量70000×2m3/h吸收劑亞硫酸銨/亞硫酸氫銨溶液設(shè)備阻力<1200Pa外形尺寸ue7882800mm×3000mm3脫硫系統(tǒng)性能考核我廠于2010年12月進(jìn)行了硫酸裝置尾氣超重力機(jī)脫硫的技術(shù)改造,并于2010年12月28日投料試車,一次開車成功。2011年2月22～24日對(duì)技改后的尾氣脫硫系統(tǒng)進(jìn)行了72h性能考核。超重力機(jī)脫硫72h性能考核結(jié)果見表1,其壓降及出口的ρ(NH3)和ρ(H2SO4)考核結(jié)果見表2。衢州巨化檢測(cè)中心出具的技改后尾氣脫硫系統(tǒng)的《衢巨化檢(氣)字(20110206)第001號(hào)》檢測(cè)報(bào)告見表3。從性能考核數(shù)據(jù)分析,超重力機(jī)的脫硫效果顯著,除個(gè)別進(jìn)口尾氣的ρ(SO2)較高導(dǎo)致出口尾氣的ρ(SO2)超過了400mg/m3外,基本都在新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的限值之內(nèi)(見表1),平均值為178.83mg/m3。從巨化檢測(cè)中心檢測(cè)結(jié)果分析,效果更為明顯。因此,筆者認(rèn)為本次技改達(dá)到了預(yù)期效果和目的。4增設(shè)超重力機(jī)1、在吸收效率方面,二級(jí)改用超重力機(jī)脫硫后,吸收率大大高于泡沫塔+復(fù)噴復(fù)擋流程,處理后尾氣中的ρ(SO2)可降低到200mg/m3以下。我廠每年由此可減排二氧化硫450多噸,排污費(fèi)按630元/噸計(jì)算,可減少排污費(fèi)約28萬元/年;增產(chǎn)亞硫酸銨/亞硫酸氫銨約1300t,增加產(chǎn)值71.5萬元。2、在動(dòng)力消耗方面,改用超重力機(jī)后,兩臺(tái)的功率消耗約為50kW,因?yàn)樵O(shè)備阻力較原脫硫系統(tǒng)阻力下降,二氧化硫風(fēng)機(jī)消耗功率降低45kW,兩者基本相當(dāng)。3、空間需求方面,超重力機(jī)的體積與質(zhì)量都遠(yuǎn)低于塔器設(shè)備,可以大大減少尾氣處理裝置的空間需求。4、設(shè)備造價(jià)方面,超重力機(jī)的造價(jià)比原來所用的脫硫設(shè)備造價(jià)高,一次性投資大,但在選材、結(jié)構(gòu)等方面有較大優(yōu)化空間。5、在吸收劑的選擇上,要因地制宜,注重市場(chǎng)調(diào)研,脫硫后的副產(chǎn)品要適合資源的循環(huán)利用,如氨法吸收的副產(chǎn)品為亞硫酸銨或二氧化硫、硫酸銨等,二氧化硫可生產(chǎn)液體二氧化硫,也可返回系統(tǒng),硫酸銨可作為磷酸萃取的添加劑,或作為生產(chǎn)復(fù)合肥原料。若選擇鈉法、鎂法等吸收劑,一定要重視脫硫后所得產(chǎn)品的利用途徑,不能單純以廢治廢,應(yīng)以“化”和“鏈”來延伸產(chǎn)業(yè)鏈,“化廢為寶”,實(shí)現(xiàn)三廢的資源化利用。6、吸收劑濃度控制對(duì)吸收效率影響很大,目前還難以做到自動(dòng)監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié),還需要進(jìn)一步研究,提升裝置脫硫效果。5尾氣排放限值調(diào)查研究綜上所述,采用超重力機(jī)氨法脫硫新技術(shù)改造我廠的尾氣脫硫系統(tǒng),完全可以達(dá)到新