酸性廢水絕熱蒸發(fā)濃縮減排技術(shù)的研究及應(yīng)用

程華花，謝 成，宋 瑩，遲棧洋，張曦文

（金川集團(tuán)有限公司鎳冶煉廠，甘肅金昌 737100）

某公司冶煉煙氣制酸系統(tǒng)配套治理鎳富氧頂吹爐煙氣，設(shè)計(jì)處理煙氣量為2.81×105m3/h，φ(SO2)為9.01%，硫酸產(chǎn)量640 kt/a。該制酸系統(tǒng)采用濕法凈化洗滌工藝，酸性廢水主要含有鎳、銅、砷、鉛等有害物質(zhì)，排放量為25 m3/h，酸度(w)(以H2SO4計(jì))約5%。酸性廢水直接排放至公司內(nèi)的污水處理站，治理成本高。廢水治理，各方法存在的優(yōu)缺點(diǎn)見(jiàn)表1。

目前，酸性廢水治理較為成熟的是中和沉淀法和硫化沉淀法。結(jié)合公司酸性廢水雜質(zhì)含量高、排放量大及硫酸質(zhì)量濃度約為5%的特點(diǎn)，選擇硫化沉淀法進(jìn)行廢水處理。為了縮小酸性廢水處理設(shè)備設(shè)施的規(guī)模、節(jié)省投資，對(duì)制酸系統(tǒng)酸性廢水濃縮減排技術(shù)進(jìn)行了研發(fā)。

1 酸性廢水治理方法比較及選擇

目前，國(guó)內(nèi)外主要采用中和沉淀法、硫化沉淀法、混凝共沉淀法、生物法和物理吸附法進(jìn)行酸性

表1 冶煉煙氣制酸系統(tǒng)酸性廢水治理技術(shù)比較

2 酸性廢水濃縮減排技術(shù)的研究

2.1 二吸塔出口煙氣的主要成分

冶煉煙氣制酸系統(tǒng)二吸塔出口煙氣成分見(jiàn)表2。

表2 二吸塔出口煙氣成分

2.2 工藝原理

在冶煉煙氣制酸的生產(chǎn)過(guò)程中，蘊(yùn)藏著非常豐富的熱能資源，其中二吸塔出口體積流量為2.1×105m3/h、約65 ℃不含水的絕干低溫位煙氣直接隨尾氣排空。該酸性廢水濃縮減排技術(shù)即是使用二吸塔出口的絕干低溫位煙氣絕熱蒸發(fā)酸性廢水中過(guò)多的水分，在熱煙氣帶走水分的同時(shí)，也降低了煙氣的溫度；攜帶了水分并經(jīng)過(guò)降溫的煙氣進(jìn)入尾吸塔，沒(méi)有給尾吸塔增加額外的負(fù)擔(dān)，達(dá)到了以廢治廢的效果。

2.3 工藝流程

利用低溫位余熱煙氣絕熱蒸發(fā)酸性廢水的工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 酸性廢水濃縮試驗(yàn)工藝流程

制酸系統(tǒng)二吸塔出口約65 ℃的尾氣分出一支進(jìn)入酸性廢水濃縮裝置逆噴管，尾氣先與自下而上的酸性廢水逆流接觸被洗滌降溫，后與濃縮塔內(nèi)自上而下的酸性廢水再次逆流接觸，被進(jìn)一步洗滌降溫后進(jìn)入尾吸塔。噴淋用循環(huán)稀酸來(lái)源于制酸系統(tǒng)凈化工序懸浮過(guò)濾器的上清液，上清液一次性打入酸性廢水儲(chǔ)罐，通過(guò)平衡管定期給酸性廢水濃縮塔補(bǔ)充液位。

二吸塔至尾吸塔的煙道直徑為DN 2 600 mm，濃縮塔出口煙道直徑為DN 350 mm，進(jìn)入濃縮裝置的煙氣量約4 271 m3/h、溫度約65 ℃，凈化循環(huán)稀酸溫度約50 ℃。

2.4 工業(yè)化試驗(yàn)

2.4.1 試驗(yàn)過(guò)程

第一階段，打開(kāi)濃縮塔逆噴管?chē)婎^和塔體噴淋?chē)婎^對(duì)酸性廢水進(jìn)行絕熱蒸發(fā)濃縮；第二階段，關(guān)閉逆噴管?chē)婎^，僅打開(kāi)塔體噴淋?chē)婎^對(duì)酸性廢水進(jìn)行絕熱蒸發(fā)濃縮。

將制酸系統(tǒng)凈化工序過(guò)濾得到的酸性廢水輸送至酸性廢水儲(chǔ)罐，再通過(guò)酸性廢水儲(chǔ)罐自壓進(jìn)入酸性廢水濃縮塔。試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，酸性廢水濃縮塔液位為1.82 m。試驗(yàn)中，由于酸性廢水中水分被煙氣絕熱蒸發(fā)帶走，濃縮塔液位逐漸下降。當(dāng)液位下降至1 m 左右時(shí)，原液不排，打開(kāi)酸性廢水儲(chǔ)槽與濃縮塔間平衡管上的閥門(mén)。濃縮塔液位上升至2 m 時(shí)，繼續(xù)進(jìn)行循環(huán)濃縮。如此反復(fù)。

試驗(yàn)期間，制酸系統(tǒng)凈化工序往酸性廢水儲(chǔ)罐共注液4 次，酸性廢水儲(chǔ)罐向濃縮塔注液37 次，約96 m3。濃縮塔內(nèi)循環(huán)液的溫度在注液時(shí)上漲，停止注液后逐步下降。

2.4.2 結(jié)果與討論

2.4.2.1 溫度

第一階段，逆噴管閥門(mén)打開(kāi)時(shí)，凈化稀酸溫度50.8 ℃，絕熱蒸發(fā)后液溫度29.4 ℃，溫度降低21.4 ℃；第二階段，逆噴管閥門(mén)關(guān)閉時(shí)，凈化稀酸溫度52.0 ℃，絕熱蒸發(fā)后液溫度32.7 ℃，溫度降低19.3 ℃。由此說(shuō)明：①凈化酸性廢水與硫酸尾氣逆流接觸的絕熱蒸發(fā)過(guò)程中，濃縮塔循環(huán)稀酸溫度下降幅度較大，起到了絕干煙氣絕熱蒸發(fā)酸性廢水降低循環(huán)稀酸溫度的目的；②逆噴管開(kāi)啟前后，濃縮塔降溫效果差別不大。

2.4.2.2 濃縮塔液位

考慮設(shè)備設(shè)施運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，后續(xù)試驗(yàn)關(guān)閉了逆噴管?chē)娏苎b置。為跟蹤絕熱蒸發(fā)水量，對(duì)濃縮塔液位進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，濃縮塔液位下降速度為0.015 m/h，蒸發(fā)減少水量為0.047 m3/h。采用絕干煙氣絕熱蒸發(fā)可帶走循環(huán)稀酸中的水分，起到濃縮酸性廢水的目的。

2.4.2.3 濃縮酸性廢水的酸度、氟和氯含量

在酸性廢水濃縮的過(guò)程中，酸性廢水的酸度、氟和氯含量變化趨勢(shì)見(jiàn)圖2。

由圖2 可見(jiàn)：①酸度逐漸升高，在制酸系統(tǒng)現(xiàn)有煙氣條件下酸度最高可濃縮至27%，但耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)；②隨著酸性廢水濃縮試驗(yàn)的進(jìn)行，酸性廢水中氟離子濃度先緩慢上升，后逐漸下降并穩(wěn)定在0.5～2 g/L，后期并未隨硫酸濃度的升高而上升，ρ(F-)基本維持在0.6～1.6 g/L；③酸性廢水中氯離子濃度呈震蕩逐漸上升的趨勢(shì)，最終穩(wěn)定在18～28 g/L 范圍內(nèi)波動(dòng)。由此可以推斷：酸性廢水濃縮至w(H2SO4)約8%后，大量氟離子被尾氣帶走；濃縮至w(H2SO4)約20%后，氯離子含量并未隨著硫酸濃度的增加同步上升，隨著酸性廢水濃縮的進(jìn)行大量氯離子被尾氣帶走。

圖2 濃縮酸性廢水的酸度、氟和氯含量變化趨勢(shì)

2.4.2.4 濃縮塔進(jìn)出口SO2含量、尾吸塔耗堿量

檢測(cè)濃縮塔前和塔后尾氣中SO2含量，數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 濃縮塔前和塔后尾氣中SO2含量

由表3 可見(jiàn)：二吸塔出口尾氣經(jīng)過(guò)濃縮塔凈化稀酸洗滌后，進(jìn)入尾吸塔的氣體中SO2含量不會(huì)增加。

尾吸塔的耗堿量原為5.7 t/d，二吸塔出口的尾氣經(jīng)過(guò)濃縮塔對(duì)酸性廢水進(jìn)行絕熱蒸發(fā)濃縮后，尾吸耗堿量相應(yīng)減少至4.9 t/d，這說(shuō)明尾氣經(jīng)過(guò)濃縮塔有利于降低尾吸耗堿量。

3 酸性廢水絕熱蒸發(fā)濃縮減排技術(shù)的應(yīng)用

3.1 工藝設(shè)備

根據(jù)試驗(yàn)情況，研發(fā)復(fù)合式濃縮塔，整體采用玻璃鋼材質(zhì)，內(nèi)部由上至下依次包括捕沫器、噴淋裝置、上層?xùn)虐?、噴淋裝置、下層?xùn)虐?、多孔截流布?xì)庹值冉Y(jié)構(gòu)。酸性廢水絕熱蒸發(fā)濃縮工藝流程見(jiàn)圖3。

來(lái)自制酸系統(tǒng)二吸塔出口的干燥煙氣，與來(lái)自洗滌塔的酸性廢水在濃縮塔內(nèi)氣液接觸。其中，酸性廢水被循環(huán)泵加壓后送至濃縮塔頂，在塔體填料層上部多層噴淋而下；來(lái)自二吸塔低溫位的干燥煙氣自塔體填料層下部送入。在絕熱環(huán)境下，低溫位干燥煙氣和多層噴淋而下的酸性廢水逆向接觸，同時(shí)利用填料層增加接觸面積、加強(qiáng)傳質(zhì)效果。逆流接觸后的干燥煙氣被絕熱增濕，將酸性廢水中的水分以氣態(tài)形式帶走，從而實(shí)現(xiàn)了酸性廢水的濃縮減量。增濕后的煙氣進(jìn)入尾吸塔處理，濃縮后的酸性廢水在達(dá)到一定濃度后被循環(huán)泵送至酸性廢水硫化工序。

圖3 酸性廢水絕熱蒸發(fā)濃縮工藝流程

3.2 應(yīng)用效果

低溫位煙氣絕熱蒸發(fā)酸性廢水技術(shù)應(yīng)用于制酸系統(tǒng)后，對(duì)絕熱蒸發(fā)裝置內(nèi)酸性廢水濃縮的效果進(jìn)行了檢測(cè)。濃縮前酸性廢水總量約為480 m3/d，濃縮后酸性廢水總量為348 m3/d，絕熱蒸發(fā)量約5.5 m3/h，酸性廢水排放量減少了27.5%，同時(shí)酸性廢水的濃度及各類(lèi)雜質(zhì)含量也得到了進(jìn)一步濃縮，可縮小后續(xù)酸性廢水處理裝置的建設(shè)規(guī)模，減少硫化除鎳、銅、砷、鉛等重金屬、壓濾除硫化渣及三效蒸發(fā)濃縮和氟氯吹脫等工序的投資費(fèi)用和運(yùn)行費(fèi)用，提高三效蒸發(fā)和氟氯吹脫工序的運(yùn)行效率。經(jīng)絕熱蒸發(fā)裝置濃縮后的酸性廢水主要成分見(jiàn)表4。

由表4 可見(jiàn)：酸性廢水經(jīng)二吸塔出口尾氣絕熱蒸發(fā)后，酸水中的鎳、銅、砷、鉛等金屬元素均得到富集，硫酸酸度升高，酸水含氟量略有下降、含氯量略有升高。

表4 濃縮前和濃縮后酸性廢水的主要成分

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)長(zhǎng)期試驗(yàn)和技術(shù)創(chuàng)新，該公司在利用冶煉系統(tǒng)低溫位干燥煙氣特性的基礎(chǔ)上，摸索出一套利用絕熱蒸發(fā)濃縮酸性廢水的工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了工業(yè)化應(yīng)用，并推廣至該公司內(nèi)部其他制酸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了酸性廢水的濃縮減排，縮小了后續(xù)酸性廢水處理裝置的規(guī)模，節(jié)省了建設(shè)投資和運(yùn)行費(fèi)用，對(duì)同行業(yè)具有借鑒意義，值得推廣。