活性焦脫硫系統(tǒng)研究與應(yīng)用

高澤磊，邵志超，高 磊，葉新軍

(金川集團股份有限公司化工廠，甘肅金昌 737100)

活性焦脫硫系統(tǒng)研究與應(yīng)用

高澤磊，邵志超，高 磊，葉新軍

(金川集團股份有限公司化工廠，甘肅金昌 737100)

介紹了金川集團公司活性焦脫硫系統(tǒng)生產(chǎn)運行現(xiàn)狀。分析煙氣溫度、含水量和氧含量3個參數(shù)對活性焦脫硫效率的影響，根據(jù)鎳冶煉反射爐煙氣的特征，選擇合理的煙氣降溫方式，保證脫硫效率及尾氣達標排放。利用再生系統(tǒng)再生氣的特點，選擇合適的再生氣輸送方式，保證系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行。

活性焦 脫硫 效率 煙氣 降溫 再生氣 輸送

金川集團股份有限公司(以下簡稱金川集團)活性焦脫硫系統(tǒng)建于2011年，主要配套處理鎳反射爐低濃度SO2煙氣，設(shè)計總處理煙氣量為2×105m3/h，進口SO2質(zhì)量濃度最高為14.286 g/m3，是目前活性焦脫硫行業(yè)內(nèi)處理煙氣濃度最高的一套裝置，在工藝運行和指標控制方面存在較大難度。此外，由于反射爐煙氣條件不穩(wěn)定、現(xiàn)場設(shè)備不匹配，對活性焦脫硫系統(tǒng)運行干擾較大，煙氣不能穩(wěn)定達標排放。

運行存在2個問題：

1)煙氣溫度、SO2濃度較高，平均煙氣溫度達240 ℃，難以控制脫硫塔內(nèi)溫度，頻繁出現(xiàn)超溫、蓄熱和活性焦結(jié)塊現(xiàn)象，系統(tǒng)運行存在安全隱患；平均煙氣SO2質(zhì)量濃度為8.0 g/m3，最高可達21.428 g/m3，造成尾氣嚴重超標，排放不達標。

2)解吸氣溫度高，水含量大，嚴重腐蝕系統(tǒng)管路、再生塔，故障率高，系統(tǒng)需頻繁停車。

1 復雜煙氣條件下活性焦脫硫性能研究

1.1 煙氣溫度

活性焦作為一種具有高效脫硫性能的脫硫劑，對煙氣溫度具有嚴格要求，煙氣溫度不但直接影響脫硫效率，而且是脫硫裝置安全運行的保障。煙氣溫度對脫硫效率的影響見圖1。床層溫度對脫硫效率及硫容的影響見圖2。

隨著吸附時間增加，活性焦對SO2的脫除效率逐漸減小，這是因為活性焦吸附能力有限，隨著吸附的進行，活性焦表面的活性吸附位逐漸被產(chǎn)生的硫酸占據(jù)，從而導致活性焦吸附效率降低。

床層溫度對活性焦脫硫效率及硫容也有很大影響，隨著床層溫度增加，活性焦脫硫效率及硫容都呈現(xiàn)出先增加后下降的趨勢。因為活性焦吸附SO2過程包含物理吸附和化學吸附，溫度高時有利于化學吸附，但物理吸附量減少，從而使SO2轉(zhuǎn)化成硫酸的量下降，不利于脫除煙氣中的SO2。溫度過高時，活性焦表面的水分蒸發(fā)較快，高活性位的炭被煙氣中的氧氣氧化，從而降低了脫硫效率和硫容。若溫度過低，煙氣中的水蒸氣易凝結(jié)，附著在活性焦表面，阻礙了氣體向活性焦內(nèi)部擴散，凝結(jié)的水也可能占據(jù)活性焦中的活性位，從而導致脫硫效率和硫容降低。當床層溫度為80 ℃時，脫硫效率和硫容分別達到93.7%和4.9%。

圖1 煙氣溫度對脫硫效率的影響

圖2 床層溫度對脫硫效率及硫容的影響

1.2 煙氣水分

脫硫過程中，活性焦需要一定水分用于形成吸附態(tài)的硫酸分子，但煙氣中含水量也會間接影響脫硫效率。水分子占據(jù)活性焦表面吸附位，使SO2分子無法進入活性焦吸附位，影響脫硫效率。此外，過量的水分進入脫硫塔床層，由于脫硫塔內(nèi)床層移動速度慢，在長時間運轉(zhuǎn)過程中與高溫煙氣及煙氣中重金屬顆粒物黏結(jié)、抱團，造成脫硫塔內(nèi)活性焦物料結(jié)塊，脫硫塔壁形成大面積黏結(jié)，從而影響物料系統(tǒng)正常運轉(zhuǎn)，因此煙氣中水分的控制關(guān)系著系統(tǒng)的正常運行。不同吸附時間水蒸氣濃度對活性焦脫硫效率的影響見圖3。

水蒸氣濃度對活性焦脫硫效率和硫容的影響見圖4。

圖3 不同吸附時間水蒸氣濃度對活性焦脫硫效率的影響

圖4 水蒸氣濃度對活性焦脫硫效率和硫容的影響

從圖3和圖4可以看出：水蒸氣的添加對活性焦脫硫效率有顯著影響，當水蒸氣體積分數(shù)小于12%時，水蒸氣濃度對活性焦脫硫效率和硫容的影響都隨著水蒸氣濃度的增加而增加。當水蒸氣體積分數(shù)大于12%時，活性焦脫硫效率和硫容都出現(xiàn)下降趨勢，且下降幅度明顯，這表明水蒸氣濃度過高會使活性焦表面SO2的催化氧化受到抑制。水蒸氣能顯著提高活性焦脫硫效率和硫容。當水蒸氣濃度較低時，活性焦表面水分少，不利于SO2吸附，同時產(chǎn)生的硫酸得不到稀釋，一直占據(jù)活性焦表面活性位，降低了SO2催化氧化能力。水蒸氣濃度過高會使水分在活性焦表面形成大量水膜，增大氣體傳質(zhì)阻力，煙氣不能很好地與活性焦表面接觸，進而降低活性焦脫硫效率和硫容。

1.3 煙氣氧含量

氧氣濃度對活性焦脫硫效率的影響不及床層溫度的影響明顯，但對硫容影響較大。隨著氧氣濃度的增加，活性焦脫硫效率和硫容都先增加后下降。不同吸附時間氧氣濃度對活性焦脫硫效率的影響見圖5。氧氣濃度對活性焦脫硫效率和硫容的影響見圖6。

氧氣濃度過低時，氧氣在活性焦表面附著的推動力較低，活性焦表面吸附氧氣較少，從而使SO2的催化氧化受到限制，最終導致活性焦脫硫效率和硫容降低。但氧氣濃度過高會占據(jù)活性焦表面的活性位，活性焦吸附的SO2有限，從而使活性焦脫硫效率和硫容降低。試驗結(jié)果表明：當氧氣體積分數(shù)介于3.0%～4.0%時，活性焦脫硫效率和硫容均較高。

圖5 不同吸附時間下氧氣濃度對活性焦脫硫效率影響

圖6 氧氣濃度對活性焦脫硫效率和硫容的影響

1.4 脫硫塔入口煙氣條件優(yōu)化控制方案

根據(jù)活性焦脫硫效率與煙氣溫度、含水量和氧含量3個參數(shù)的關(guān)系，對目前冶煉煙氣進行綜合分析，制定出可行的煙氣條件控制方案。

1.4.1 反射爐煙氣條件分析

2014年6月對反射爐煙氣溫度進行統(tǒng)計，溫度最高達到270 ℃，溫度最低為162 ℃，平均值為240 ℃，遠超過脫硫過程中溫度區(qū)間。

1.4.2 煙氣降溫方式研究

1)噴淋降溫方式。采用噴淋降溫對煙氣降溫是采用6支雙流質(zhì)噴槍，分3組，每組可單獨控制，采用單獨的PLC進行控制。由于待處理煙氣量變化較大，噴槍噴水量需根據(jù)煙氣量變化自動調(diào)節(jié)，因此不同溫度階段煙氣量所需降溫水量不同，在實際運行過程中，會出現(xiàn)以下主要問題：①煙道內(nèi)不可避免地產(chǎn)生部分廢水，需要定期排放；②噴水量與煙氣溫度聯(lián)鎖具有一定滯后性；③噴淋降溫段煙氣管道直徑過大(DN4000)，降溫不均勻；④噴槍在高溫環(huán)境下易燒損，檢修更換頻率高；⑤噴淋過程中過量的凝結(jié)水占據(jù)活性焦中的活性位，造成活性焦脫硫性能下降。

2)空氣強制對流降溫方式?？諝鈴娭茖α鹘禍厥窃诿摿蛩肟谠黾?個補氣閥門，閥門的開度與溫度TE01聯(lián)鎖，對煙氣進行一級降溫；由于煙氣管道直徑過大，因此在后續(xù)的煙氣管道上環(huán)形安裝3個測點，即TE02、TE03和TE04，3個溫度測點的平均值與補氣風機出口閥門的開度聯(lián)鎖，對煙氣強制2級降溫，同時將TE05作為脫硫塔入口最終參考溫度，實際運行中，為保證脫硫塔內(nèi)床層溫度在80～120 ℃，將入口TE05溫度嚴格控制在120 ℃以下。

空氣強制對流降溫方式是利用空氣對反射爐煙氣進行降溫，不僅減少系統(tǒng)帶水量，而且避免活性焦在脫硫塔內(nèi)結(jié)塊，通過精確控制脫硫塔入口煙氣溫度，避免活性焦在塔內(nèi)蓄熱。

2 再生氣高溫輸送模式的研究

2.1 再生系統(tǒng)煙氣條件

正常解吸過程是將活性焦加熱至300 ℃以上，此時解吸氣溫度在300 ℃左右。再生氣組分見表1。

表1 再生氣組分

由于煙氣溫度較高，且含水量大，在煙氣輸送過程中，煙氣溫度逐漸降低，當溫度低于露點時，將形成大量稀酸，嚴重腐蝕不銹鋼材質(zhì)管道。

2.2 耐高溫、耐腐蝕材料的研究

2.2.1 316L不銹鋼

316L不銹鋼是含鉬的不銹鋼種，由于鋼中含鉬，性能優(yōu)于310和304不銹鋼，高溫條件下， 316L不銹鋼本身具有良好的抗氧化性，由于控制了碳含量，減少了焊后碳化鉻的晶界沉淀，在焊后提供了較好的耐蝕性。但316L不銹鋼在氯化物環(huán)境中，對應(yīng)力腐蝕開裂最為敏感，不具備耐氯離子腐蝕的功能。

2.2.2 鋼襯陶瓷

鋼襯陶瓷管道是一種新型的復合材料管道，由內(nèi)到外分別由陶瓷層、過渡層和鋼背3層組成，陶瓷層是在高于2 600 ℃溫度下形成的致密剛玉陶瓷，經(jīng)過渡層與鋼管緊密結(jié)合。

2.2.3 非金屬石墨管

石墨為典型的脆性材料，具有良好的耐腐蝕性和導熱性，線性系數(shù)小，耐溫度急變性好；機械加工性能良好；耐磨損、質(zhì)量輕，溫度升高但強度不降低。壓型石墨元件表面不易結(jié)垢，能保證產(chǎn)品的純度。缺點是機械強度低，彈性變形小，性能很脆，抗沖擊能力差，抗拉強度小。石墨設(shè)備基本為厚壁設(shè)備，一般不會發(fā)生材料抗壓強度達到極限前失穩(wěn)破壞，而是為筒體的強度破壞。石墨設(shè)備大多用于常壓和低壓操作，使用溫度不太高。石墨設(shè)備設(shè)計壓力不大于2.4 MPa，設(shè)計溫度介于-60～400 ℃。

2.2.4 鈦合金管

鈦合金是以鈦元素為基礎(chǔ)加入其他元素組成的合金。鈦有2種同質(zhì)異晶體：鈦是同素異構(gòu)體，熔點為1 668 ℃，在低于882 ℃時呈密排六方晶格結(jié)構(gòu)，稱為α-鈦；在882 ℃以上呈體心立方品格結(jié)構(gòu)，稱為β-鈦。利用鈦的上述2種結(jié)構(gòu)的不同特點，添加適當合金元素，使其相變溫度及組分含量逐漸改變而得到不同組織的鈦合金。合金元素根據(jù)它們對相變溫度的影響可分為3類：①穩(wěn)定α相、提高相轉(zhuǎn)變溫度的元素為α穩(wěn)定元素,有鋁、炭、氧和氮等。其中鋁是鈦合金主要合金元素，對提高合金的常溫和高溫強度、降低比重、增加彈性模量有明顯效果；②穩(wěn)定β相、降低相變溫度的元素為β穩(wěn)定元素，又可分為同晶型和共析型2種。前者有鉬、鈮、釩等，后者有鉻、錳、銅、鐵、硅等；③對相變溫度影響不大的元素為中性元素，有鋯、錫等。

2.2.5 耐高溫非金屬管

玻璃鋼管道是一種輕質(zhì)、高強、耐腐蝕的非金屬管道，具有樹脂基體重的玻璃纖維按工藝要求逐層纏繞在旋轉(zhuǎn)的芯模上，并在纖維之間遠距離均勻鋪上石英砂作為夾砂層。其管壁結(jié)構(gòu)合理先進，能充分發(fā)揮材料的作用，在滿足使用強度的前提下，提高了鋼度，保證了產(chǎn)品的穩(wěn)定性和可靠性。玻璃鋼夾砂管以其優(yōu)異的耐化學腐蝕、輕質(zhì)高強，不結(jié)垢，抗震性強，與普通鋼管相比，使用壽命長，綜合造價低，安裝快捷，安全可靠，普通玻璃鋼在溫度低于80 ℃的環(huán)境下運行。

2.3 解吸氣高溫輸送模式的確定

再生氣溫度變化見表2 。

當解吸溫度達到300 ℃時，再生氣溫度最高可達到281 ℃，末端的最高溫度為114℃。

再生氣輸送可采取高溫輸送和低溫輸送2種方式。高溫輸送是高溫煙氣不進行降溫直接進行輸送，但對輸送管道材質(zhì)要求較為苛刻；低溫輸送方式是采取噴淋降溫方式，利用絕熱蒸發(fā)的原理在管道對高溫煙氣內(nèi)進行噴淋降溫，但該方法將水分帶入后端，同時產(chǎn)生部分廢酸。經(jīng)綜合考慮，為減少酸性廢水的排放，最終確定采用高溫輸送模式。

通過對各種耐腐蝕材料的分析和對比，決定多種管道組合方式。再生塔出口煙氣溫度較高，最高可達到280 ℃，在該溫度范圍之內(nèi)采用316L不銹鋼，該材質(zhì)的不銹鋼具有耐腐蝕、耐高溫特性，且前段溫度較高，不會因水蒸氣冷凝形成稀酸，高溫段煙氣管道共計50 m。

原設(shè)計再生氣輸送風機采用316L不銹鋼材質(zhì)，由于運行周期較短，葉輪及機殼腐蝕嚴重，其原因主要是在高轉(zhuǎn)速下，含水較高的再生氣對316L不銹鋼材質(zhì)長時間沖刷，且溫度較高，腐蝕速率較快，因此輸送風機不能采用316L不銹鋼材質(zhì)。經(jīng)過選型，采用耐高溫、耐腐蝕的TC4鈦合金材質(zhì)。

再生氣首先經(jīng)過耐高溫的316L段，溫度降至180～200 ℃，在該范圍內(nèi)最容易形成稀硫酸，因此管道材質(zhì)選型較為關(guān)鍵。非金屬材料具有較好的耐腐蝕性，但無法承受高溫，因此在該溫度段內(nèi)采用翅片管道降溫技術(shù)，管道材質(zhì)選用316L不銹鋼，管道表面焊接環(huán)形翅片，用于降溫，管道長度約15 m，利用空氣自然降溫。經(jīng)過翅片換熱管后，煙氣溫度降至約120 ℃，在此溫度范圍內(nèi)選取耐高溫非金屬材質(zhì)管道，前段設(shè)置導淋管，將因降溫形成的部分冷凝水及時排出。

因此，再生氣的高溫輸送模式主要包括：高溫段采用316L不銹鋼材質(zhì)，高溫輸送設(shè)備采用TC4鈦合金材質(zhì)；中間利用翅片換熱管對煙氣進行降溫，降溫后的煙氣采用耐高溫非金屬材質(zhì)。因此有3種不同材質(zhì)管道組合方式，最終解決了再生氣輸送難題。

3 結(jié)語

通過選擇合理的煙氣降溫及再生氣輸送模式，實現(xiàn)活性焦脫硫系統(tǒng)煙氣達標排放，提高與冶煉煙氣匹配化生產(chǎn)的穩(wěn)定性，使低濃度SO2煙氣得到較好治理，實現(xiàn)活性焦干法脫硫技術(shù)穩(wěn)定長周期運行。

Study and application of active coke desulphurization system

GAOZelei,SHAOZhichao,GAOLei,YEXinjun

(Chemical Plant，Jinchuan Group Go., Ltd., Jinchang, Gansu, 737100, China)

Status of production and operation in active coke desulphurization system in Jinchuan Group is introduced. Effects of three parameters of flue gas temperature, water content, and oxygen content on desulphurization efficiency by active coke are analyzed. According to characteristics of nickel smelting reverberatory furnace flue gas, a reasonable way to cool flue gas is chosen to ensure desulphurization efficiency and exhaust emission standards. Besides, aimed at characteristics of regeneration gas in regeneration system, appropriate transmission ways are chosen to ensure normal and stable operation.

active coke；desulphurization；efficiency；flue gas；cooling；regeneration gas；transmission

2017-01-11。

高澤磊，男，金川集團股份有限公司化工廠2級助理工程師，主要從事煙氣脫硫工藝技術(shù)工作。電話：18093505699；E-mail：hggzl@jnmc.com。

X781.3

B

1002-1507(2017)04-0043-04