硫酸鹽漿廠臭氣凈化工程實(shí)踐

馬斌,陳天明,萬(wàn)利遠(yuǎn)

(同興環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?安徽 合肥 230001)

惡臭污染物指一切刺激嗅覺(jué)感官引起人們不愉快及損害生活環(huán)境的氣體物質(zhì)[1],是被公眾認(rèn)為僅次于噪聲的公害之一。造紙漿廠通常采用硫酸鹽法(堿性藥劑)蒸煮木片制取漿液,當(dāng)木片中的木素結(jié)構(gòu)與氫硫離子發(fā)生反應(yīng)時(shí)容易產(chǎn)生大量的臭氣。臭氣是水蒸氣、空氣及不凝氣的混合物,其中不凝氣中含有特殊臭味性質(zhì)的總還原性硫化物(TRS),主要成分包括硫化氫(H2S)、甲硫醇(MetSH)、甲硫醚(DMS)及二甲二硫醚(DMDS)等刺激性物質(zhì)[2]。由于這些硫化物在空氣中的嗅閾值較低,即使在濃度很低的情況下也能夠被人們的嗅覺(jué)感知,進(jìn)而對(duì)人體的健康造成危害。鑒于惡臭氣體的環(huán)保排放要求逐漸加碼,臭氣的監(jiān)控與治理已成為漿廠污染物去除的重要一環(huán)。

為了有效降低漿廠臭氣污染物的排放,現(xiàn)有的治理技術(shù)包括直接燃燒法、化學(xué)氧化法、生物處理法、吸附法及光催化氧化法[3]。目前直接燃燒法和化學(xué)氧化法分別是硫酸鹽漿廠消除臭氣污染最成熟和最有發(fā)展前景的技術(shù),且已有工程應(yīng)用實(shí)例。對(duì)于其他的治理技術(shù),雖然在硫化物消除方面具備一定成效,但存在污染物去除不徹底、操作不方便和技術(shù)不成熟等問(wèn)題。直接燃燒法已廣泛應(yīng)用于大企漿廠中,它是通過(guò)堿回收爐、石灰窯或動(dòng)力爐等焚燒設(shè)備將不同途徑收集的臭氣高溫氧化處理,進(jìn)而使臭氣轉(zhuǎn)化為無(wú)臭煙氣。例如國(guó)內(nèi)的山東亞太森博漿紙有限公司采用了新的處理工藝系統(tǒng),將來(lái)自連續(xù)蒸煮器、濃稀黑液槽、二次冷凝器等的不凝氣收集冷凝汽提后,經(jīng)蒸汽噴射器送至堿回收爐燃燒。堿爐運(yùn)行時(shí)的溫度達(dá)1 000 ℃左右,可最大限度地回收硫元素,減少煙氣中SO2的排放。但是在堿爐開(kāi)停機(jī)的48 h里,由于爐膛內(nèi)溫度不均勻,局部溫差較大,容易導(dǎo)致不凝氣中的硫化物燃燒不充分,造成煙氣中的污染性氣體濃度超出排放限值。作為漿廠去除臭氣最具發(fā)展前景的化學(xué)氧化法現(xiàn)已應(yīng)用于部分漿廠生產(chǎn)中,它是采用具有強(qiáng)氧化性的化學(xué)制劑對(duì)還原性的硫化物進(jìn)行氧化還原處理,將煙氣中的硫元素轉(zhuǎn)變成可回收的砜、酸等新物質(zhì)。據(jù)報(bào)道[3],加拿大的魁北克地區(qū)的FjordCell漿廠利用二氧化氯氧化法實(shí)現(xiàn)了TRS惡臭污染物的有效去除,煙氣排放濃度遠(yuǎn)低于當(dāng)?shù)貥?biāo)準(zhǔn)。雖然該方法取得了良好的脫除效果,但吸收塔內(nèi)反應(yīng)不足的殘氯不易控制,原因在于酸性氣體的吸收主要依靠吸收塔內(nèi)單一的循環(huán)噴淋裝置。

本文介紹了一種自主開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的單塔雙循環(huán)[4-6]工藝技術(shù),且為國(guó)內(nèi)首套二氧化氯單塔雙循環(huán)吸收設(shè)備。以山東亞太森博堿爐臭氣治理的工程項(xiàng)目為例,闡述說(shuō)明了工程實(shí)踐中的脫硫原理、技術(shù)工藝流程、系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)及設(shè)備配置。該技術(shù)通過(guò)二氧化氯的強(qiáng)氧化性和單塔雙區(qū)域堿液循環(huán)噴淋工藝,實(shí)現(xiàn)了漿廠硫化物的高效脫除和殘氯的控制排放,處理后的煙氣指標(biāo)符合國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。

1 煙氣脫硫原理

煙氣脫硫原理主要包括二氧化氯氧化和氫氧化鈉中和。

選用強(qiáng)氧化劑二氧化氯脫除煙氣中的硫化物,二氧化氯溶劑由該漿廠的漂白工段供給。煙道內(nèi)霧化的～50 μm ClO2液滴與TRS、SO2充分混合,通過(guò)化學(xué)反應(yīng)作用使惡臭氣體轉(zhuǎn)換成無(wú)臭物質(zhì)。煙氣中待處理物質(zhì)有H2S、CH3SH、CH3SCH3、CH3SSCH3及SO2,反應(yīng)方程式如下:

8ClO2+ H2S + 4H2O = 8HClO2+ H2SO4

2ClO2+ CH3SH + H2O = CH3SO3+ 2HClO

ClO2+ CH3SCH3= CH3OSOCH3+ Cl2

2ClO2+ CH3SSCH3+ 2H2O = 2CH3SO3H + 2HCl

2ClO2+ 5SO2+ 6H2O = 5H2SO4+ 2HCl

選用常規(guī)堿性物質(zhì)氫氧化鈉作為酸性產(chǎn)物的中和劑。反應(yīng)生成的混合物隨著煙氣流方向進(jìn)入吸收塔的底部,通過(guò)外部輸堿泵補(bǔ)加氫氧化鈉,中和硫酸、鹽酸、次氯酸、磺酸等酸性物質(zhì)以及未反應(yīng)完全的二氧化氯、二氧化硫、氯氣等。反應(yīng)方程式如下:

2NaOH + 2H2SO4= Na2SO4+ 2H2O

NaOH + HCl = NaCl + H2O

2NaOH + Cl2= NaClO + NaCl + H2O

NaOH + HClO2= NaClO2+ H2O

NaOH + CH3SO3H = CH3SO3Na + H2O

2NaOH + ClO2= Na2ClO3+ H2O

2NaOH + SO2= Na2SO3+ H2O

最后酸堿中和后生成的易溶于水的鹽類及砜等物質(zhì),可定期從塔底收集導(dǎo)出。利用現(xiàn)有成熟的分離技術(shù)將無(wú)臭的硫化物回收利用,使?jié){廠臭氣中的硫元素變廢為寶,滿足綠色可持續(xù)造紙要求。

2 煙氣脫硫工藝流程

2.1 項(xiàng)目工藝概述

由于該公司堿回收爐啟機(jī)的48 h期間工況不穩(wěn)定,爐膛內(nèi)溫度分布不均勻,出口煙氣中的硫化物濃度較高,不符合當(dāng)?shù)嘏欧艠?biāo)準(zhǔn)。應(yīng)業(yè)主要求,擬計(jì)劃為堿回收爐配套建設(shè)一套TRS處理裝置,以滿足開(kāi)車時(shí)硫化物排放標(biāo)準(zhǔn)。即在前端脫硝工藝后增設(shè)脫硫吸收塔,凈化后的煙氣從吸收塔排出經(jīng)蒸汽換熱升溫后排入大氣。引入脫硫吸收塔的煙氣參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 脫硫吸收塔的入口煙氣參數(shù)

2.2 單塔雙循環(huán)工藝流程

吸收塔主體構(gòu)型采用單塔雙循環(huán)工藝結(jié)構(gòu),每個(gè)循環(huán)均為相互獨(dú)立的閉環(huán)回路。從塔底至塔頂,按照氣流方向下循環(huán)段的構(gòu)件依次為一級(jí)填料層、下循環(huán)噴淋層及平板式除霧器,上循環(huán)段的構(gòu)件依次為二級(jí)填料層、上循環(huán)噴淋層及屋脊式除霧器。上循環(huán)與下循環(huán)中間是氣液分離器。在煙氣入口管道上設(shè)置二氧化氯噴淋設(shè)備,上下循環(huán)段的堿液由外部堿泵輸送。

從脫硝塔排出的煙氣溫度為130 ℃左右,當(dāng)高溫?zé)煔膺M(jìn)入脫硫區(qū)域時(shí),先通過(guò)工藝水將煙氣溫度降至～70 ℃,減小高溫?zé)煔膺M(jìn)入后造成設(shè)備的損壞,確保煙氣排出時(shí)含濕量低。降溫工序后設(shè)置二氧化氯噴淋設(shè)備,雙流體噴槍釋放壓縮空氣將由二氧化氯泵輸送的二氧化氯霧化成～50 μm的液滴,此時(shí)與煙道內(nèi)的含硫煙氣順流混合,煙氣中的硫化物與二氧化氯發(fā)生氧化還原反應(yīng),生成無(wú)臭且易溶于水的酸類、砜等物質(zhì)。反應(yīng)產(chǎn)物會(huì)隨著煙氣流動(dòng)方向進(jìn)入下循環(huán)段塔底,下循環(huán)段煙氣入口設(shè)計(jì)角度為斜向下20°,保證煙氣能夠完全穿過(guò)下液位。酸性物質(zhì)進(jìn)入下循環(huán)液池后,采用堿泵補(bǔ)加噴淋堿液的形式將酸性物質(zhì)中和為相應(yīng)的鹽類,后續(xù)可通過(guò)分離技術(shù)將硫元素回收再利用。煙氣進(jìn)入一級(jí)填料層,該層填料為鮑爾環(huán),直徑為50 mm,層高800 mm,填料層的設(shè)計(jì)可增加氣液兩相的接觸面積,加快堿液與酸性物質(zhì)的反應(yīng)速率,填料層上部設(shè)置壓板,避免填料流失或局部堆積。填料層上方是下循環(huán)噴淋層,噴淋液為塔底循環(huán)液和補(bǔ)加的氫氧化鈉混合液體,加入的堿液可中和前端生成的酸性物質(zhì),下循環(huán)段的pH值維持在9～10左右。各個(gè)噴淋噴頭壓力為0.7 bar,噴射角度在90～120°,覆蓋率300%,這樣能夠保證液體的流量和分布區(qū)域均勻一致。平板式除霧器的作用是截取煙氣攜帶的水分。

除去部分液滴的煙氣進(jìn)入上循環(huán)段,首先穿過(guò)氣液分離器,氣液分離器采用氣帽形式,允許煙氣通過(guò),阻斷上循環(huán)噴淋液體進(jìn)入下循環(huán),另外可以收集上循環(huán)的噴淋液,供循環(huán)使用。上循環(huán)的構(gòu)件分布與下循環(huán)段類似,均設(shè)有填料層、噴淋層和除霧器。上循環(huán)段的噴淋液體包括循環(huán)液和堿液,形式與下循環(huán)段相似,通過(guò)噴淋可以徹底除去煙氣夾帶的酸性氣體,如次氯酸、氯氣等。上循環(huán)段的pH值維持在10～11左右。循環(huán)液吸收飽和后經(jīng)旁路閥門引至下循環(huán)段,定期置換。上循環(huán)段煙氣除水設(shè)備是采用屋脊式除霧器,利用其較大的除霧面積,最大限度地降低出口煙氣的含水量。滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí),吸收塔的系統(tǒng)壓降維持在1 200 Pa以下。當(dāng)上下循環(huán)段的液位低于60%時(shí),應(yīng)通過(guò)上下設(shè)置的補(bǔ)水系統(tǒng)補(bǔ)充液位。除霧器的清洗則由各自的沖洗系統(tǒng)定期執(zhí)行。

單塔雙循環(huán)塔工藝的設(shè)計(jì)特點(diǎn)在于氣液分離器將塔體分成了兩個(gè)循環(huán)吸收區(qū),在單座吸收塔內(nèi)完成兩個(gè)反應(yīng)過(guò)程,達(dá)到雙塔串聯(lián)的效果。通過(guò)堿液和循環(huán)液的連續(xù)輸送以及pH計(jì)對(duì)吸收塔液池pH值的實(shí)時(shí)監(jiān)控,形成了吸收塔液池內(nèi)維持上下兩種pH值溶液環(huán)境的循環(huán)區(qū)域,實(shí)現(xiàn)塔內(nèi)雙區(qū)域控制運(yùn)行,提高污染物氣體的脫除效率,確保煙氣達(dá)標(biāo)排放。

3 運(yùn)行結(jié)果與討論

根據(jù)技術(shù)協(xié)議規(guī)定,系統(tǒng)運(yùn)行考核周期為堿爐啟機(jī)的48 h,經(jīng)上述工藝流程操作,單塔雙循環(huán)吸收工藝系統(tǒng)運(yùn)行連續(xù)平穩(wěn),吸收塔除臭能力穩(wěn)定且無(wú)較大波動(dòng),污染物的排放值均在協(xié)議承諾范圍內(nèi),凈化后的煙氣可正常排入大氣。技術(shù)協(xié)議中考核指標(biāo)預(yù)測(cè)值保證,吸收塔出口TRS質(zhì)量濃度<4.0 mg/Nm3,SO2質(zhì)量濃度<15.0 mg/Nm3,殘氯質(zhì)量濃度<8.0 mg/Nm3,二氧化氯使用量<5.6 t/h及氫氧化鈉使用量<0.4 t/h。性能數(shù)據(jù)可由DCS系統(tǒng)直接調(diào)取查看。圖1、圖2是48 h內(nèi)吸收塔實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中出口TRS濃度、SO2濃度、殘氯濃度的實(shí)測(cè)值及二氧化氯、氫氧化鈉的消耗量。

圖1 吸收塔出口總還原性硫化物、二氧化硫及

圖2 系統(tǒng)運(yùn)行期間氫氧化鈉、二氧化氯消耗量

從圖1可以看出,吸收塔出口TRS、SO2、殘氯濃度值呈現(xiàn)平穩(wěn)波動(dòng)或下降趨勢(shì)。系統(tǒng)工作的48 h內(nèi),TRS的濃度表現(xiàn)為先增加后降低,這是因?yàn)閴A爐啟機(jī)時(shí)溫度不能滿足充分燃燒污染物的條件,爐內(nèi)傳熱不佳,實(shí)際的工況不穩(wěn)定,導(dǎo)致TRS的濃度有所增加,但由于后端增設(shè)污染物吸收塔,通過(guò)調(diào)控系統(tǒng)二氧化氯的釋放量,將TRS質(zhì)量濃度抑制在4.0 mg/Nm3以下。隨著運(yùn)行時(shí)間增加,爐內(nèi)溫度逐漸上升,工作能力逐漸上線,TRS濃度也平穩(wěn)向下。由此也可以解釋說(shuō)明SO2濃度的變化趨勢(shì),SO2是由TRS燃燒而來(lái),所以圖中變化曲線也呈現(xiàn)出先上升后下降的過(guò)程。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行到18 h時(shí),SO2的濃度有較大波動(dòng),可能是因?yàn)楸O(jiān)測(cè)系統(tǒng)的短暫失準(zhǔn)或者是堿爐工況不穩(wěn)定所致,但波動(dòng)數(shù)值仍在保證值范圍內(nèi)?？己似陂g,殘氯值均在技術(shù)協(xié)議保證范圍內(nèi),符合排放標(biāo)準(zhǔn)。上述運(yùn)行結(jié)果表明,單塔雙循環(huán)吸收工藝在漿廠硫化物脫除方面取得了良好的效果,且能夠?qū)崿F(xiàn)低氯排放。

從圖2可以看出,氫氧化鈉和二氧化氯消耗量均能滿足技術(shù)協(xié)議要求,變化曲線平緩波動(dòng)。實(shí)際運(yùn)行操作過(guò)程中,在確保出口污染物能夠正常達(dá)標(biāo)的情況下,可盡量提高氫氧化鈉的使用量來(lái)降低二氧化氯的使用量,因?yàn)楣I(yè)二氧化氯的價(jià)格要高于氫氧化鈉,這樣可減少生產(chǎn)成本的投入。氫氧化鈉的消耗量為上下循環(huán)段補(bǔ)加堿液量的總和。監(jiān)測(cè)結(jié)果可以說(shuō)明,該系統(tǒng)可精準(zhǔn)控制消耗介質(zhì)的使用量,系統(tǒng)整體運(yùn)行狀態(tài)良好。

4 主要備件與設(shè)計(jì)

4.1 煙道系統(tǒng)

1)入口煙道(脫硝后取氣口至降溫水段):規(guī)格3.4 m×3.4 m×1.5 mm,材質(zhì)304L復(fù)合不銹鋼板,總質(zhì)量3.5 t,廠家為同興環(huán)保;

2)入口煙道(降溫水段至噴二氧化氯段):規(guī)格3.4 m×3.4 m×1.5 mm,材質(zhì)2205復(fù)合不銹鋼板,總質(zhì)量8.0 t,廠家為同興環(huán)保;

3)入口煙道(二氧化氯噴淋段):規(guī)格3.4 m×3.4 m,材質(zhì)工業(yè)TA2,數(shù)量7.0 t,廠家為同興環(huán)保;

4)煙道保溫:材質(zhì)硅酸鋁,數(shù)量728.0 m2,廠家為同興環(huán)保;

5)煙道入口三偏心蝶閥:規(guī)格φ3.6 m,材質(zhì)304L內(nèi)襯,數(shù)量1臺(tái),廠家為鞍山通用;

6)煙道出口三偏心蝶閥:規(guī)格φ3.6 m,材質(zhì)2205內(nèi)襯,數(shù)量1臺(tái),廠家為鞍山通用;

7)煙道入口擋板門:規(guī)格3.8 m×3.8 m,材質(zhì)304L內(nèi)襯,數(shù)量1臺(tái),廠家為鞍山通用;

8)膨脹節(jié):規(guī)格3.4 m×3.4 m和φ3.6 m,材質(zhì)2205復(fù)合不銹鋼和工業(yè)TA2,數(shù)量2臺(tái),廠家為鞍山通用;

9)膨脹節(jié):規(guī)格3.4 m×3.4 m和φ3.6m,材質(zhì)2205復(fù)合不銹鋼和工業(yè)TA2,數(shù)量2臺(tái),廠家為鞍山通用;

10)雙流體噴槍:規(guī)格1 t/h,材質(zhì)工業(yè)TA2,數(shù)量8 臺(tái),廠家為北京熙霖環(huán)保。

4.2 吸收塔系統(tǒng)

1)上下吸收塔殼體:材質(zhì)分別為316L不銹鋼板和工業(yè)TA2,總質(zhì)量分別為66.5和50 t,廠家為同興環(huán)保;

2)上下吸收塔內(nèi)件:材質(zhì)分別為316L不銹鋼板和工業(yè)TA2,總質(zhì)量分別為33.0和13.3 t,廠家為同興環(huán)保;

3)平臺(tái)格柵板:規(guī)格G325/30/100,材質(zhì)為熱鍍鋅鋼,總質(zhì)量5.0 t,廠家為同興環(huán)保;

4)噴嘴:材質(zhì)分別為SiC和PP,數(shù)量分別為160個(gè)和200個(gè),廠家為同興環(huán)保;

5)平板式除霧器:規(guī)格φ10.2 m,材質(zhì)PP塑料,數(shù)量1套,廠家為北京貝克萊;

6)屋脊式除霧器:規(guī)格φ10.2 m(單層),材質(zhì)FRPP,數(shù)量1套,廠家為北京貝克萊;

7)鮑爾環(huán)填料:規(guī)格分別為φ800 mm和φ1 500 mm,材質(zhì)PP,數(shù)量2套,廠家為北京貝克萊。

4.3 泵類系統(tǒng)

1)吸收循環(huán)泵(含電機(jī)):流量Q= 1 050 m3/h,揚(yáng)程H= 20 m,過(guò)流部件TI2,變頻,數(shù)量1套,廠家為蘇爾壽;

2)堿液循環(huán)泵(含電機(jī)):流量Q= 1 200 m3/h,揚(yáng)程H= 28 m,過(guò)流部件316L,變頻,數(shù)量1套,廠家為蘇爾壽;

3)供堿泵(含電機(jī)):流量Q= 1 m3/h,揚(yáng)程H= 15 m,過(guò)流部件316L,數(shù)量1套,廠家為蘇爾壽;

4)卸堿泵(含電機(jī)):流量Q= 50 m3/h,揚(yáng)程H= 10 m,過(guò)流部件316L,數(shù)量1套,廠家為蘇爾壽;

5)二氧化氯增壓泵(含電機(jī)):流量Q= 10 m3/h,揚(yáng)程H= 30 m,變頻,數(shù)量1套,廠家為蘇爾壽。

4.4 儀表系統(tǒng)

1)控制系統(tǒng):一套遠(yuǎn)程I/O機(jī)柜的DCS控制系統(tǒng),一套SIS控制系統(tǒng);

2)流量計(jì):規(guī)格電磁AC220 V/4～20 mA/四線制/防爆型,數(shù)量21臺(tái),廠家為Yokogawa;

3)液位計(jì):規(guī)格DC24 V/4～20 mA/兩線制/防爆型,數(shù)量3臺(tái),廠家為Yokogawa;

4)pH計(jì):規(guī)格DC24 V/4～20 mA/兩線制/防爆型,數(shù)量2臺(tái),廠家為Yokogawa;

5)有毒氣體報(bào)警儀:監(jiān)控范圍0～30 mg/m3,數(shù)量2臺(tái),廠家為濟(jì)南長(zhǎng)清;

6)氯氣在線監(jiān)測(cè):監(jiān)控范圍0～30 mg/m3,數(shù)量1臺(tái),廠家為Honeywell;

7)氣動(dòng)開(kāi)關(guān)閥:型號(hào)為開(kāi)關(guān)型,數(shù)量10臺(tái),廠家為Neles;

8)電動(dòng)開(kāi)關(guān)閥:型號(hào)為調(diào)節(jié)型/4～20 mA控制,數(shù)量8臺(tái),廠家為Neles。

5 結(jié)論

1)自主設(shè)計(jì)了國(guó)內(nèi)首套二氧化氯單塔雙循環(huán)吸收系統(tǒng)。通過(guò)將吸收塔主體分為兩個(gè)循環(huán)處理區(qū),結(jié)合堿液連續(xù)輸送和pH值實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了污染物脫除過(guò)程中可控治理,提高了系統(tǒng)的工作效率。

2)經(jīng)單塔雙循環(huán)吸收工藝處理后,堿爐排放煙氣的硫化物濃度大幅降低,且介質(zhì)消耗量均在技術(shù)協(xié)議保證值范圍內(nèi),說(shuō)明該技術(shù)具備高效脫除硫化物的能力,系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)各參數(shù)可控,運(yùn)行狀態(tài)良好。

3)通過(guò)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行結(jié)果分析可知,單塔雙循環(huán)技術(shù)具有吸收效率高、占地面積小、副產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)價(jià)值高和循環(huán)量低等優(yōu)勢(shì)。另外二氧化氯也可氧化處理堿爐煙氣中的氮氧化物,所以單塔雙循環(huán)二氧化氯法有望為硫酸鹽漿廠的脫硫脫硝工藝提供新思路和新方法。