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烟气湿式脱硫技术在烧结厂的应用

日期: 2013-08-20
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钢厂铁矿粉烧结过程中,不可避免地产生大量灰尘和有害气体(主要是SO2),成为钢铁冶金工业中造成大气污染最严重的环节之一。据统计,烧结厂粉尘排放量约占整个钢厂总排尘量的30%左右。由于生产使用的各种原料(铁粉矿、燃料、熔剂)都含有硫分,在烧结或焙烧过程中,物料的绝大部分硫被燃烧,生成SO2。钢厂的SO2主要是从烧结厂排出的。每生产1t烧结产生20-40kg粉尘,排出含SO2的烟气3600- 4300m3,SO2浓度一般为300-2000mg/m3。

一、 烧结来自电除尘器的烟气参数

烧结烟气参数见表1

烟气湿式脱硫技术在烧结厂的应用

二、 湿式脱硫原理

湿式脱硫有多种方法。所谓湿式石灰石-石膏法:就是利用石灰石(CaCO3)的浆液做吸收剂,吸收烟气中的二氧化硫的方法。反应过程分两步进行,第一步是吸收二氧化硫生成亚硫酸钙的吸收过程,第二步是使亚硫酸钙氧化生成石膏(CaSO4.2H2O)的氧化过程。

2.1 化学反应

首先进行的是如下所示的吸收反应:

CaCO3+2H2O—CaSO3.1/2H2O+CO2+H2O

由于烟气中含有氧,所以在吸收塔内接着进行如下的氧化反应:

CaSO3.1/2H2O+1/2O2+3/2H2O—CaSO4.2H2O

2.2 吸收过程机理

用石灰石浆液吸收二氧化硫的过程实际上很复杂,反应历程如图1所示,与以下步骤有关:

(1)二氧化硫气体 向液体表面的气膜扩散,并穿过气膜。

(2)二氧化硫在水中溶解。

(3)二氧化硫水合后生成H2SO3。

(4)H2SO3扩散,通过液滴表面的液膜进入液滴内部。

(5)在液滴内部H2SO3解离成H和HSO,有一部分H2SO3与OH反应生成HSO和H2O。

(6)HSO解离后成H和SO。

(7)CaO水合后生成Ca(OH)2

(8)Ca(OH)2或CaCO3在固体表面液膜内溶解。

(9)Ca(OH)2或CaCO3与反应得到Ca2。

(10)Ca与SO反应生成CaSO3沉淀,SO氧化生成SO,Ca与SO反应生成CaSO4。

三、影响吸收过程的因素

影响反应进行的因素一般有以下几点:

3.1 吸收液的PH值

吸收液的PH值对脱硫效果的影响极大,而且对各反应步骤的反应速度与PH值的关系见图2.其中(1)-(4)与图中的历程相对应。(1)是气膜内物质移动速度;(2)是液膜内物质移动速度;(3)是H及SO生成速度;(4)是石灰石溶解速度(石灰石粒径为50um、浓度5%)。由此可见,当烟气中的SO2浓度为2860mg/m3时,(3)和(4)交点处PH值为5.5。当吸收液的PH值小5.5于时,总反应速度受(3)即H2SO3的离解速度所控制,当PH>5.5时,石灰石粉未的溶解速度则起主要控制作用。

随着吸收反应的进行,在CaCO3颗粒表面生成CaSO3。如表2所示,PH值升高,CaSO3的熔解度明显下降,造成CaSO3在CaCO3表面沉淀,形成一层外壳,使得CaCO3颗粒纯化,抑制化学反应的进行,同时将引起结垢和堵塞故障。

从整个Ca-SO2-SO3-H2O体系吸收液与SO2平衡分压的关系来看(见图3),PH值降低,SO2的平衡分压增大。例如PH=5时,PSO2为287mg/m3;而PH=5.8时,PSO2为28.7mg/m3。所以,若要获得较高的脱硫效率,顺用较高的PH值吸收液。操作中控制吸收液PH值为6左右,而吸收塔出口处则要求PH值高于6。

3.2 石灰石的类型及粒度

石灰石的类型和粒度直接影响其溶解速度。白垩比普通的石灰石易粉碎,可以提高脱硫效率,减少石灰石的消耗量。减少石灰石粒度,可以加快其溶解速度,同时增大与SO2的接触面积,有利于脱硫。一般石灰石粒度取50-70um。

表2 PH值对CaSO3.1/2 H2O和CaSO4.2 H2O溶解度的影响(50度)

烟气湿式脱硫技术在烧结厂的应用


3.3 温度

降低烟气温度,SO2的平衡分压随之降低,有助于提高脱硫效率,但温度过低则影响H2SO3与CaCO3或Ca(OH)2之间瓣反应速度,使反应设备增大。因此,一般控制反应温度即烟气温度为50-60度。温度与净化SO2效率关系见图4。

3.4 液气比(L/V)

液气比除对吸收推动力存在影响外,对吸收设备的持液量也有影响。增大液气比对吸收有利,如图5所示。当PH=7,液气比(L/V)值为15时,脱硫率接近100%。

3.5 CaSO3的氧化

将吸收塔内循环使用的吸收液的一部分送入氧化塔内氧化。在这一部分吸收液中除了含有CaSO3、CaSO4以外,还含有少量未反应的CaCO3。为了使之全部转变成石膏。一般吸收液送入氧化塔时的PH值控制在3.0-4.5。

氧化塔内 的CaSO3的氧化速率有如下关系式:

??0.8VLa(S/C)

??Gu=-----------

??PLL


式中Gu—被吸收的O2量,g/-(h.m2);

VL—液体流速,m3/(m3.h);

a—t/50,其中t为溶液的平均温度;

S/C—硫与“有效碱”的摩尔比;

PL——溶液密度,kg/m3;

uL—溶液粘度,Pa.S。

另外,若溶液中Mn2或Fe催化剂存在,也可以加速氧化过程的进行。

四、工艺流程及设备选择

4.1 湿式石灰石—石膏法脱硫工艺流程

工艺流程见图6。约90-150度的烟气经冷却器洗涤冷却,大部分粉尘被除去,温度降至50-60度,然后被导入吸收塔。在吸收塔内与灰浆液接触,烟气中二氧化硫反应生成亚硫酸钙等而从气体中除去。经除雾器排气除雾后经烟囱排放。从吸收塔导出的含有亚硫酸钙的吸收液大部分循环使用,其中小部分调节PH值且送入氧化塔内氧化。吸收液中的亚硫酸钙与送入氧化塔的微小空气泡充分接触,氧化成石膏,然后连 同残液一起送到过滤机分离,得到副产品石膏。剩余滤液大部分返回吸收塔。为了防止不纯物质在吸收中蓄集,小部分被排入排水系统,待处理之后排放。

烟气湿式脱硫技术在烧结厂的应用

石灰石湿式洗涤法的主要缺点是装置容易积垢堵塞。造成积垢堵塞的固体沉积,主要以三种方式出现:因溶液或料浆中的水分蒸发而使固体 沉积;Ca(OH)2或CaCO3沉积或结晶析出;CaSO3或CaSO4从溶液中结晶析出,石膏“晶种”沉积在设备表面并生长,形成结垢堵塞。为防止固体沉积,特别是防止CaSO4的结垢,除使吸收器应满足持液量大、气液相同相对速度高、有较大的气液接触表面积、内部构件少、压力降小等条件外,还可以采用控制吸收液过饱和和使用添加剂等方法。

4.2 主要工艺技术参数

主要工艺技术参数如下:

处理烟气量???????? 90-*104Nm3/h

烟气温度(主排烟风机出口)????????? 90-120度

瞬时高温(主排烟风机出口)????????? 150度

SO2入口尝试?????????<1500mg/Nm3

SO2出口浓度?????????<100mg/Nm3

脱硫率????????? >90%

粉尘入口浓度?????????<100mg/Nm3

除尘排放浓度?????????<30mg/Nm3

钙硫比?????????<1.03

脱硫剂????????? 石灰石粉(CaSO3含量>90%)

脱硫剂粒度????????? 90%通过250目

副产物石膏品位????????? 纯度>90%(含水率<10%)

4.3

(1)增压风机。为克服脱硫装置增加压力,置冷却器之前,补偿脱硫装置的压力损失,型式多为静压可调轴流风机。

(2)冷却器。冷却器的作用--是降低排烟温度,以提高吸收塔的脱硫效率;二是除去影响石膏质量的粉尘、氟(F)、氯(CI)等物质。冷却水可使用一般工业用水,也可以使用与吸收系统相同的吸收液。冷却器的形式为二级冷却。冷却器的除尘性能与操作时液气比(L/G有关。冷却塔腐蚀、磨损较严重,因而设计时采取加衬里等措施。

(3)吸收塔。吸收塔是脱硫关键,吸收塔的型式与吸收液的性状和系统的流量有关,各厂商都有各自的特点。

(4)石膏脱水机。型式为真空式过滤器,能力1.5t/h,过滤面积2m2,共2套。

随着环保要求的不断提高,我国烧结厂废气治理技术通过实验研究、生产实践和学习国外先进技术。在不断改进原料条件、生产工艺使废气原始污染物减少的同时,除尘脱硫技术装备水平和效果也在逐步实施,烧结厂脱硫技术的实践,必将推动钢铁企业脱硫技术的进展。(作者:张殿印 王永忠)


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