刘爱民 雍正韬

（昆钢新区）

摘要 昆钢新区300m²烧结机烟气脱硫采用氨法脱硫工艺，将烧结烟气引入脱硫塔后，分别经过洗涤降温、吸收脱硫、除雾后，净化烟气由脱硫塔顶部直排烟囱排入大气，满足SO₂、颗粒物等污染物达标排放要求。

关键词：氨法脱硫；吸收；净化；达标排放

1  前言

2016年12月，昆钢新区正式通过环保验收，烧结烟气脱硫系统作为昆钢新区重点环保设备，与烧结机、高炉等主体生产设备同等重要，脱硫系统与烧结主机同步运行率必须达到100%。环保要求的日趋严格，对脱硫系统运行的稳定性带来重大挑战，脱硫塔作为脱硫系统关键设备，必须从塔体结构、SO₂脱除率、烟气流速、喷淋吸收等方面进行详细设计，满足脱硫工艺要求。

2  概况

2.1  主要参数

昆钢新区烧结厂生产烧结矿过程中产生的烧结烟气通过烧结主抽风机引入到脱硫系统，主要性能参数如下：

表2-1：主要性能参数表

根据《钢铁烧结、球团工业大气污染物排放标准》（GB28662-2012）排放要求，新区烧结烟气脱硫出口排放必须达到以下标准：

表2-2大气污染物排放浓度限值

2.2  设计准则

脱硫塔内的流体力学特性为复杂的气液二相流，几乎每套脱硫装置都需结合性能参数重新设计，方能确保可靠性和一次投入成功率。

1） 选择适当的液气比，以确定液体循环量，既能满足脱硫要求，又不增加能耗；

2） 低阻力，脱硫塔内部不产生高阻力，始终保持脱硫塔出口处于负压状态；

3）烟气流速适当，烟气流速与脱硫塔直径大小相关，适当的流速确保塔内烟气滞留时间满足脱硫要求；

4）高 SO2去除率、低的设备/系统维护率，与脱硫塔工艺控制有关；

5）高“液滴”分离率，避免产生“酸雨”，污染区域环境。

3  脱硫塔设计

脱硫塔的结构设计，包括烟道、塔底液体段、烟气入口、喷淋吸收层、烟气出口、喷淋吸收层间距、喷淋层与除雾器和脱硫塔入口的距离、喷喷嘴特性（角度、流量、粒径分布等）、喷嘴数量和喷嘴方位的设计。

3.1  总体布置

昆钢新区脱硫为单塔结构，脱硫塔主要分为塔底段（烟气入口以下）、喷淋吸收段、除雾段，如图3-1所示。

图3-1：脱硫塔布置图

结合脱硫塔布置图，脱硫塔布置主要有以下设计：

1）脱硫塔内的液气比(L/m³)=循环泵的流量m³/h×1000（L/h)：烟气流量（Nm³/h)，一般设计大于3，同时，考虑到脱硫塔的直径，一般塔底液面高度h1=6 m～15m；

2）考虑烟气与液体的接触高度，喷淋吸收层离入口顶端高度h2＝1.2～4m；

3）最低喷淋吸收段离入口顶端高度h3≥vt，v 为空塔速度（m/s），t 为时间（s），一般取t≥1.0s；

4）喷淋吸收层之间的间距h4≥1.5～2.5m；

5）除雾器离最近（最高层）吸收段距离应≥1.2 m,当最高层吸收段采用双向喷嘴时，该距离应≥3m；除雾器离塔出口烟道下沿距离应≥1m。

3.2  烟道尺寸

昆钢新区烧结脱硫工况烟气流量为2040000m³/h，设计烟道内烟气流速为15m/s，烟道高宽比为1:1.2，则可得：

流速V=Q/（3600×H²×1.2）=15m/s

其中：Q为实际运行状态烟气量，H为烟道高度

计算可得H=5.6m，宽度L=1.2H=6.7m

脱硫烟气入口气液接触处为干湿交界面，浆液在此干燥结垢将影响塔运行的安全性和气流流向。设计时应在烟道入口上方及两侧安设挡水板，防止喷嘴喷出的浆液进入烟道内，如图3-2所示。

图3-2：烟气入口示意图

3.3  塔径大小

脱硫塔考虑风载、烟气分布等因素，多设计为圆筒形结构，昆钢新区烧结烟气脱硫塔也按圆筒形结构设计，上下直径保持一致。

塔内流速V₁=Q/（3.14×R²×3600）

其中：R为脱硫塔半径

      V₁为塔内流速，一般设计为3-4.5 m/s

烟气流速大，气液两相接触面碰撞加强，气体膜厚度减少；烟气流速小，气液两相接触面碰撞降弱，气体膜厚度增多。昆钢新区脱硫按3.5 m/s设计。

则可计算脱硫塔半径R=7.18m

脱硫塔直径D=2R=14.36m（内径）。

3.4  液体循环量

昆钢新区烧结烟气脱硫最大的SO₂负荷为5000mg/Nm³，出口SO₂必须小于200 mg/Nm³，脱硫效率大于96%，采用氨法脱硫，脱硫剂为氨水，与烧结烟气接触过程中能迅速与SO₂反应，最高脱硫效率可到99%。氨法脱硫液气比为3L/m³。

工况下，昆钢新区烧结烟气量为为2040000m³/h，则得：

液体循环量Q₁=2040000m³/h×3L/m³÷1000=6120 m³/h

脱硫塔内分三级喷淋吸收，每级流量均分，则得：

各级液体循环量Q₂=6120m³/h÷3=2040 m³/h

含SO₂的烧结烟气从脱硫塔中部进入脱硫塔，在上部与循环吸收液雾化接触，吸收烟气中的SO₂，根据烟气条件，脱硫塔布置三层雾化喷淋吸装置，当烟气含硫量低于1500时，可启用一层，当为1500-3000时，可启用2层，大于3000时，可启用3层，这样具有良好的调节和节能功能。脱硫效率一般根据烟气出口SO₂浓度确定，可以达到出口35mg/Nm³的超净排放要求，脱硫效率保证值为96-99.3%。

3.5  喷淋吸收层设计

喷淋吸收层设计为脱硫塔设计的重点和难点，主要包括循环管道、喷嘴的选择和布置，只有合理优化、布置管道和喷嘴，才能满足设计要求，达到高脱硫率。

昆钢新区300m烧结烟气脱硫塔采用3层喷淋吸收，每层对应一台3400 m³/h的循环泵。每层喷淋吸收层在脱硫塔内的覆盖面积是设计的重点。喷淋吸收层在脱硫塔内的覆盖面积计算如下：

ɑ=nA₀/A×100%，

式中ɑ为覆盖率，%；n为单层喷嘴个数；A₀为单个喷嘴的覆盖面积，m²；A为吸收塔的截面积，m²。

设计时，通常要求脱硫塔内喷淋的覆盖率为200%—300%，300%时效果最佳，且要求覆盖均匀。

1）喷嘴数量

喷嘴的喷雾角取90°，则单个喷嘴的覆盖面积为：

A₀=3.14×r²=3.14×h²×tan²(90/2)=3.14×4=12.56m²

式中h为喷淋吸收层之间的高度，一般设计取2m。

n= 300%×A/A₀=300%×∏R²÷12.56≈42个

式中R为脱硫塔半径，在3.3中已进行详细计算。

2）喷嘴流量

脱硫塔运行过程中，每层浆液流量为3400 m³/h，则每个喷嘴的流量为：

Q₃=2040 m³/h÷42=48.57 m³/h=13.49L/s

通过计算后，即可结合流量要求选取对应型号的喷头。

3.6  除雾器设计

昆钢新区烧结烟气脱硫塔采用两级除雾器，主要作用为除去烟气中的水滴，减少烟囱出口颗粒物含量。烟气脱硫后，进入如位于喷淋层上部的除雾段，常规设计中，通过除雾器的净化烟气中液滴夹带量应小于75mg/Nm³（干基），为保证该数据，除雾器的雾滴去除率应大于99.5%以上。

两级除雾器间的距离应为1.8m左右，以便检修维护。除雾器距最近喷淋层的距离与该层采用的喷嘴形式有关，当采用向下喷雾的喷嘴时，其间距应大于1.2m；当采用双向喷雾的喷嘴时，其间距应大于3m。除雾器上沿距烟道出口下沿应大于1m。

4  设计结果

昆钢新区300m²烧结烟气氨法脱硫在运行过程中，脱硫塔内运行介质具有强腐蚀性、强磨损性，因此，脱硫塔材质选择整体玻璃钢，耐腐蚀耐磨损性能良好，使用寿命可达15年。脱硫塔是一个具有多功能结构的专用设备，在脱硫过程中具体有SO₂吸收、氨回收、烟气除尘、亚硫铵氧化等多种功能，其实际结构布置如4-1图所示。

图4-1脱硫塔示意图

4.1  脱硫塔特性

1）使用介质：含SO₂气体（湿基）、亚硫铵溶液、硫铵溶液、氯化铵溶液等，属于强腐蚀性介质

2）使用温度：60－200℃

3）使用压力：2500Pa以内

4）设备材质：整体玻璃钢

5）结构型式：喷雾塔结构

6）主要尺寸：脱硫塔尺寸φ1500/36000-100000

脱硫塔直径15米，分为三段：下部为硫铵浆液段，高18米（烟气均布托盘以下），塔底浆液内设置1组氧化均布气管网，用于将亚硫酸铵氧化成硫酸铵；中部为SO₂喷淋吸收段，高6米，设置3层喷淋层，每层间隔2米；上部为2级除雾器，高12m，带冲洗。脱硫塔顶部接直径为8米的直排烟囱，内构件采用玻璃钢材料，全塔总高100m（含烟囱）。

7）重量：整塔无负荷重约为285吨，运行时整塔重约3250吨。

4.2  环保效果

昆钢新区300m²烧结烟气脱硫系统脱硫塔运行效果如下表：

表4-1脱硫塔出口排放指标表

5  结语                    

昆钢新区300m²烧结全烟气脱硫系统运行过程中，若以烟气中年SO₂平均值4000mg/Nm³来计算，预计每年减排SO₂约4万吨（年运行8400小时计），同时年副产硫酸铵化肥8万吨，为昆钢新区实现节能减排，改善区域环境，降低环境污染风险起到巨大作用。

参考文献：

[1]  龙兴灿主编，《给排水与管网工程》[M]，2008.8

[2]  郭东明主编，《脱硫工程技术与设备》,2012.01

[3]  杨广贤编著，《最新火电厂烟气脱硫脱硝技术标准应用手册》，2013.07

[4]  赵荣志，梁家瑞编，《烧结烟气脱硫脱硝技术现状》，2013.12