高炉煤气喷碱除氯技术在新行业的应用研究

2021-12-04陈凡

中国科技纵横 2021年19期

陈凡

（中冶京诚工程技术有限公司，北京 100176）

0.引言

高炉煤气喷碱除氯系统是我公司自主开发设计制造的核心产品，该产品针对高炉煤气的特点，运用一套分体式喷碱塔和高效旋流脱水器组合，喷碱塔内排布多组喷嘴并布置脱水填料，是目前国内高炉煤气喷碱除氯领域最成熟稳定的产品。将我公司自主开发设计制造的高炉煤气喷碱除氯系统引入到光纤行业某大型光纤预制棒工程废气处理系统中，取得了良好的应用效果。

1.项目概况

光纤行业生产光纤预制棒工艺要经过沉积和烧结两个主要过程，在整个生产过程产生的废气主要有以下特点：（1）产生的主要粉尘二氧化硅粉尘颗粒小，粉尘量大；（2）废气腐蚀性强，废气中含有大量氯化氢、氯气；（3）设备排放的废气温度比较高，最高的可达200℃以上。如果生产的废气直接排入大气，废气中的粉尘和氯元素将给环境带来巨大的负面影响。尤其是废气中大量的氯离子，如果随烟气排放至大气中：进入气流层的可反复破坏和减少臭氧分子形成“空洞”，而随雨水沉降的酸性物质，也会对周边建筑和设施产生腐蚀作用。所以，必须对光纤预制棒生产过程产生的废气进行处理，保证达标排放。

2.工艺方案简述

根据光纤预制棒生产过程产生的废气既含氯又含尘的特点，工艺方案主要为“喷碱洗氯塔+一级电除尘+二级电除尘+吸收塔”工艺，即：

喷碱洗氯塔对废气进行降温、除氯、除尘；

一级电除尘对废气进行电除尘处理，二级电除尘对废气第二次进行电除尘处理；

吸收塔对废气进行最后一步除尘及脱水处理。工艺流程图如图1所示。

图1 工艺流程图

3.高炉煤气喷碱除氯系统跨行业的应用

3.1 对废气进行降温、除氯和除尘处理

首先将废气的温度降到后续处理除尘、除氯工艺设备可以承受的温度范围内（≤60℃），同时也借助喷淋稀释碱液除氯和除尘，结合高炉煤气喷碱除氯技术[1]，本系统配置一套圆柱塔状的多级喷碱除氯装置。装置内喷水喷碱、碱液吸收与调节、脱水除氯、除尘等功能于一体。具体工作流程如下所述：

（1）废气从喷碱塔入口管进入塔内，逆流而上，经过第一层喷水设施将废气从～100℃降至废气湿球温度以下，同时溶解废气中大量酸性可溶物并除尘。

（2）为迅速高效地脱除废气中的酸性介质，在装置中废气水分达到饱和状态时，喷碱设施对废气进行喷碱处理，此时能达到最好的酸碱中和效果。同时为保证喷碱的效果，循环水和碱液之间需要进行混合配比。

（3）装置内每层喷枪采用均匀布置，不留死角，这样能最大程度地保证每层喷枪的覆盖面积和喷水效果。

（4）废气经过各层喷嘴后，废气中机械水含量高达50g/Nm3，因此需要对废气进行脱水处理。废气从下往上，通过脱水装置，废气中的小水滴经过一级除雾器后，汇聚成大颗粒利用流体变向及重力原理进行脱水，使废气中机械水含量达到5g/Nm3以内。

（5）脱水装置上部设置喷枪为冲洗装置，主要是考虑系统长时间运行，除雾器易结垢堵塞，造成系统压力损失过大，需要定期用高压水进行喷淋冲洗。

（6）在喷碱塔底部设置水封式自流排水装置，可防止废气窜出，保证生产安全。

喷碱除氯装置选择确定过程中，主要采取了以下方法：

（1）模型计算与试验结果相结合，见图2。通过数学模型计算和流场模拟，合理确定设备规格、尺寸，同时优化各级喷淋装置位置，并降低系统阻损，见图3。通过喷枪出口速度场分布，见图4。采用合理的喷嘴布置，达到250%覆盖率，提高气液混合接触效果，见图5。

图2 喷碱塔内压力场分布

图3 喷碱塔内速度场分布

图4 喷枪出口速度场分布

图5 喷枪喷水分布效果实验图

该数学模型在我公司很多项目上进行了成功开发与验证，给整个项目的后续开展提供了有力的技术保障，确定了该系统耗碱量及系统压力损失等数据，以及关键设备尺寸和系统水量等。同时也根据废气各类参数，相应计算喷碱除氯系统主要参数和设备规格、尺寸，使产品系列化。

（2）为实现碱液精准添加功能而引入了计量泵，通过配套开发的pH值智能控制系统，实现了碱液的智能控制，流程图见图6。

图6 pH值智能控制流程

本系统NaOH碱液通过和循环水混合后连续补给，实时观测喷碱除氯回水的pH值，根据需要，通过碱液泵及时调节。同时，通过给水池的pH值反馈，及时向给水池补充碱液，及时控制循环给水的pH值，保证系统的安全以及稳定。

（3）使用脱机械水效率更高的曲板式除雾器，从而降低处理后废气中所夹带的机械水，并进一步脱除氯离子等酸性物质。

3.2 电除尘对废气进行电除尘处理

3.2.1 湿式管式电除尘器的选择

由于喷碱洗氯塔的除尘能力有限，废气中多数较大直径的尘粒被水滴捕集较多，而通过喷碱洗氯塔的较小尘粒还比较多，所以说经过喷碱洗氯塔的废气含尘量还比较高，远没有达到环保排放的要求，需要通过电除尘对废气进行进一步处理。

湿式电除尘器的工作原理为金属放电线在直流高压作用下，高压电晕放电使水雾或者粉尘荷电，荷电粒子在电场力作用下向集尘极运动，并沉积在集尘极上，同时水流从上部将沉积在集尘极上的粉尘冲刷到灰尘收集器中随水排出。

湿式电除尘技术目前主流分为金属板式和玻璃钢管式两种[2-3]，区别在于集尘极的形式与材质不同，因此导致结构布置、系统组成等也有所不同。

考虑到此次所处理废气含酸性气体比较多腐蚀性比较大，同时也必须考虑节水、节电的因素，本工程在喷碱洗氯塔后设计两级管式湿式电除尘器。

3.2.2 本项目湿式电除尘器各部分的性能及特点

（1）阳极管束及模组的特点。湿式电除尘器电场捕捉区为蜂巢管式的结构，多根并列的正四边形导电玻璃钢管为集尘极，放电极均布于阳极管之间，管状湿式电除尘器大多用于处理垂直流烟气。

本项目湿式电除尘器阳极管采用高档耐腐蚀乙烯基树脂和特殊处理的导电填料为基体，以玻璃纤维为增强材料，通过拉挤模压复合成型。阳极管束按照模块规划设计图布置，采用蜂窝管方式排列、拼装、缠绕、加固、手糊成型等工艺制成。

阳极管采用导电玻璃钢制成，具有非常好的耐腐蚀性能，并且具有极强的疏水性，能有效阻隔灰尘对阳极管壁的粘结。

（2）阴极线的特点。采用新型专利结构的刚性极线，芒刺针成螺旋状回旋符合流场规律，采用专用设备自控焊接牢固实用，能提供几倍于干式电除尘器的电晕功率，适用于去除亚微米大小的颗粒能有效收集黏性大或高比电阻粉尘。

3.2.3 间断上喷淋连续下喷雾双层清灰设计的特点

（1）独特的上部气室间断喷淋清灰工艺能有效控制二次扬尘发生，有效冲刷管内集聚的粉尘酸雾和盐分。

（2）利用下部气室喷雾管连续喷出的小粒径雾化水，加大随烟气进入阳极管内烟气的湿度，增强电晕扑捉水雾后形成水膜量，确保集尘极始终保持清洁，可以提高单位面积集尘效率，进而达到更低的排放浓度。

（3）采用螺旋喷嘴覆盖面广冲击力大，无运动部件且可靠性较高，极大降低了运维工作。程序设计可手动可定时自动，方便操作运行。

（4）使烟气中盐类与烟气中的荷电矿尘微粒一起成为雾滴的凝聚核心，而被溶解在酸雾中随废液一同排除，减少阳极管和极线表面的结晶体沉积。

（5）进一步降低烟气温度，提高烟气水雾的回收率。

湿式电除尘器在下部进气处，引入雾化喷淋措施，具有几个方面的优点：

1）通过雾化喷淋，烟气和雾化水之间进行传质传热，进一步把过饱和烟气温度降低，使烟气中残存的气溶胶颗粒物和水蒸汽在酸雾粒子上凝结，这样使得雾粒能较快地长大，可进一步提高除雾效率。

2）通过雾化液滴作用，进一步增加雾粒间互相碰撞的频率，雾间发生凝聚凝并现象，小颗粒变成较大颗粒，再不断发生碰撞凝聚，细小颗粒逐渐变成大颗粒。

3）设备正常运行期间要求每天间隔24h进行一次喷淋操作，喷淋总的用水量约8t/d～10t/d。投运初期为强化操作人员习惯，要求每班约间隔8h进行一次喷淋操作，每次用水量不超过4t。喷淋污水沿排污管将排入脱硫塔侧污水池。

喷雾系统连续喷出的雾化水随烟气上行进入极管内电场，湿电系统运行期间自动扑捉水雾，会在阳极管束表面形成水膜，与被扑捉的粉尘酸液盐分结晶等一起受重力作用自动落入湿式电除尘器底部的灰斗内，随排污管落入回水池。

3.2.4 模组本体材质及阳极管束排列的特点

（1）强度高、重量轻，节省支撑平台费用。阳极管束采用改进型机制拉挤成型工艺，具有结构紧凑、尺寸精确、规整的外观成型和良好的强度性能，引起阳极管束及壳体较薄。处理同等烟气量的新型管式电除尘器比老式重量轻50%以上，因此可大幅减少平台、支撑等投资费用。

（2）采用符合流场均布特性的极管模组布置设计，减少了电场盲区和死角，最大限度利用空间提高了电场积尘面积。设备本体结构小，设备布置紧凑，占地面积小。

3.2.5 配方选料的特点

采用高标号的树脂材料和有特殊添加剂的配方。阻燃性能好，碳纤维玻璃钢电除雾器，整体氧指数≥32，可在空气中阻燃和耐电火花冲击。

3.2.6 绝缘保护系统的改进

采用热风正压保护装置，运行状态下，热风均匀吹向绝缘箱内壁空间，因在绝缘箱内壁形成了较为均匀的热空气绝缘层，从而阻止了细微粉尘、热烟气、雾滴进入，防止结露，保证箱体绝缘性更加可靠。

3.2.7 气体分布系统的改进

首先在设计中配合进行流场分析，获得具体湿电项目的烟气流通特性。按照需求在气体烟道进入灰斗处设计并安装气体分布装置和气体旋流装置，保证气流径向分布均匀。同时，在除尘器下气室，我们增加气体分布板，适当增加电除尘器下气室的阻力，避免出现烟气短路现象，保证烟气布气均匀。

3.2.8 湿式电除尘器的外接入口烟道

进入湿式电除尘器的外接烟道采用斜型设计，具有对烟道和湿电系统气室的烟气阻尼小，烟道内不易积尘等优点，对现有生产工艺系统的各级参数无影响。

3.2.9 NWESP 结构与布置型式

湿电除尘器设备本体结构，主要由上下烟罩壳体、中部气室壳体、阳极管束模组、上部阴极大小梁吊挂、极线系统、下部极线固定框架结构、整流板、导流(风)板、喷淋冲洗系统、热风绝缘系统、绝缘箱固定器等部件组成。

3.3 对废气进行最后一步除尘及脱水处理

经过电除尘器处理的废气在氯元素含量和含尘量上已经接近排放标准，为了进一步降低废气的氯元素含量和含尘量，在电除尘器后加最后一级具有除氯、除尘功能的喷碱吸收塔。为保证排放的最好效果，同时也是为了节水的考虑，需要在喷淋塔内加脱水装置。

塔内集喷水吸收、碱液吸收与脱水除氯、除尘等功能于一体，集成装置具体工作流程如下所述。

（1）废气从喷碱塔入口管进入塔内，逆流而上，一层喷水设施将溶解废气中余量的酸性可溶物并除尘。

（2）为保证喷枪覆盖面积及喷水效果，喷枪采用均匀覆盖布置，保证覆盖效果。

（3）因最后除氯、除尘后的废气含水量很高，需要对废气进行脱水处理。废气从下往上，通过脱水装置，废气中的小水滴经过两级除雾器后，使废气中机械水含量达到3g/Nm3以内。

（4）脱水装置上部设置喷枪同样为冲洗装置，主要是考虑系统长时间运行，除雾器易结垢堵塞，造成系统压力损失过大，需要定期用高压水进行喷淋冲洗。

（5）在喷碱塔底部设置水封式自流排水装置，可防止废气窜出，保证生产安全。

4.应用成果

4.1 喷碱洗氯塔

废气首先经过喷碱洗氯塔降温，同时除氯和初步除尘。喷碱洗氯塔直径为DN3800，塔体主材质CFRP。喷碱塔设计为侧部进气顶部出气的形式，设备进出口管径为DN1200，喷碱塔高14m，喷碱塔循环水量为100t/h。塔内设置喷嘴，每层均喷稀释碱液。废气从塔下部进入，以逆流方式经喷淋降温以及碱液中和喷淋，在保证后续电除尘器接收的处理废烟气温度不超过60℃的同时，溶解去除废气中的氯、氯化氢及二氧化硅等物质，再通过塔上部的脱水、除雾部分除去大多数机械水，之后废气从塔顶部出来，进入一级电除尘。

4.2 喷碱吸收塔

从两级电除尘器出来的废气，最后进喷碱吸收塔，塔直径为DN3800，塔体主材质CFRP。喷碱吸收塔同样设计为侧部进气顶部出气的形式，设备进出口管径为DN1200，喷碱塔高度～11.5m，喷碱吸收塔循环水量为60t/h。塔内设置一层喷嘴。废气从塔下部进入，以逆流方式经碱液喷淋，除去剩余部分含尘物质，再通过塔上部的两层除雾装置除去大多数机械水，之后废气送至烟囱外排。塔出口机械水含量≤3g/Nm3，含尘量≤2mg/Nm3。