喷淋塔除酸效果的影响因素分析及优化措施

肖 宇，苏 威，徐小龙，李四清，伍京川，谢 建

(1.中冶赛迪工程技术股份有限公司，重庆 401120； 2.宝钢湛江钢铁有限公司，广东 湛江 524003；3.中冶赛迪技术研究中心有限公司，重庆 401120)

近20年来，全干法布袋除尘技术凭借其节能、节水、污染少、除尘效率高、综合社会效益高等诸多优点，成为国内高炉煤气净化工艺的首选[1]。

但是干法除尘系统很难处理高炉煤气中的酸性气体(HCl、SO2、SO3、H2S等)[2-4]，从而导致高炉煤气中酸性气体含量升高，给高炉煤气管道系统、TRT和热风炉的正常运行带来危害。随着此类问题日趋严重，部分钢铁企业采取建设煤气喷淋塔的方式用于除酸，但现有的喷淋塔除酸工艺未能使酸性煤气得到有效中和，行业内煤气管道及附属设备快速腐蚀失效问题日益突出[5]。

某公司2座高炉的煤气除尘工艺也采用干法除尘配套喷淋塔，1号高炉2015年投运和2号高炉2016年投运以来，也先后出现高炉煤气冷凝水呈强酸性(煤气管网中所测pH值低至1.7)的问题，导致高炉煤气管道的运行存在非常大的安全隐患。为此，通过对喷淋塔进行现场调研，分析影响除酸的各个因素，提出对应的解决措施，最终提高喷淋塔除酸效率，使煤气管网冷凝水pH值长时间保持在5.0以上。

1 喷淋除酸过程分析

高炉煤气中的H2S、HCl、SO2等酸性气体，特别是HCl对于煤气管道腐蚀有着积极促进作用[6-10]。喷淋塔目前大多采用碱液喷淋，使煤气中的酸性介质溶于水中，随洗涤水排出。20世纪20年代惠特曼和刘易斯提出的双膜理论，可较好地解释液体吸收剂对气体吸收质的吸收过程，如图1所示[11]。

图1 双膜理论示意图

该理论将气体吸收过程分为3个过程：①溶质A由气相主体扩散至两相界面气相侧(气相内传质)；②溶质A在界面上溶解(通过界面的传质)；③溶质A由相界面液相侧扩散至液相主体(液相内传质)。

在喷淋除酸过程中，具体对应为气态酸与碱液接触、气态酸向碱液的扩散传质和酸碱中和反应三个过程。

目前喷淋塔普遍采用NaOH强碱溶液，因此碱液与各种酸的中和反应都可认为瞬间完成。所以喷淋除酸效率的控制步骤是气态酸与碱液接触以及气态酸向碱液的扩散传质两过程。由此可知影响喷淋除酸效率的因素主要有：

1)气液接触面积

气液接触面积越大，传质效果越好。工程上一般采用碱液雾化的方式，增大液体与煤气的接触面积，达到增强传质的效果，促使煤气中更多酸性气体被碱液带走。喷嘴的雾化效果越好，喷淋除酸效率越高。

2)煤气停留时间

煤气在喷淋塔停留越久，越有利于煤气中酸性气体与碱液接触反应，但在实际工程中，需要综合考虑阻损和占地需求。

3)碱液浓度

碱液浓度越高，越有利于酸性气体克服双膜阻力从气相进入液相主体,完成气态酸向碱液的扩散传质过程，从而与碱液反应。但由于工业上用水含有大量Ca2+、Mg2+等离子，若加入的碱液浓度过高则在运行过程中经常出现管路、喷嘴堵塞现象，造成喷淋塔无法正常运行，影响除酸效率，故在实际工程项目中，为保证供水管道不堵塞，碱液浓度一般不高于0.05%。

2 优化措施

根据上述主要影响因素，对2#高炉喷淋塔提出相应优化方案，以期提升喷淋塔除酸效率。

2.1 新增喷淋层

2#高炉喷淋塔原有3层喷淋层，在第一层喷淋下方新增一层喷淋，同时关闭第三层喷淋，如图2所示，这样能够使煤气提前与喷淋碱液接触，延长气液反应时间，使煤气中更多的酸性气体溶于碱液，从而被吸收。

2.2 更换喷枪

第二层喷淋层原有18支单介质喷枪，现将其中12支喷枪更换为6支双介质长枪和6支双介质短枪，并加入水蒸气介质，充分增强碱液的雾化效果，增大气液接触面积，同时水蒸气的加入，能够增强酸性气体分子的布朗运动，使更多分子越过双膜进入到碱液中，同时水蒸气也会进入煤气中，在冷凝过程中带出部分酸性气体。

图2 2#高炉喷淋塔新增层喷淋示意图

2.3 碱液管道防堵

图3 过滤网拦截的不溶物

表1 不溶物成分分析结果

3 试 验

为了验证各优化措施对喷淋除酸效果的影响，特设计以下试验方案，如表2所示，以期得到各优化措施对于喷淋塔实际运行时的除酸效果。

整个试验时间从2021年1月22日起至2021年3月1日结束，合计试验39天。期间高炉煤气处理量约700 000 m3/h(标准)，通过检测煤气管网冷凝水的pH值作为评价指标，如图4所示，同时整理了2020年1月1日至2020年11月26日以来2#煤气冷凝水pH值变化情况作为参照，如图5所示。

从试验结果可知，新增喷淋层的加入，使煤气与碱液的接触时间延长，同时关闭第二层喷淋层，避免其喷出的液滴影响第一层喷淋层的雾化效果，从而使更多酸性气体溶于碱液中，如图4中“一”所示。但只投用新增层喷淋，由于喷淋水量降低41%，导致气液传质效率降低，造成pH值低于5.5，如图4中“二”所示。同时双介质喷枪相比较单介质喷枪的雾化效果更好，但在实际运行过程中容易被堵塞，导致煤气冷凝水pH值先升高后降低，如图4中“三”所示。蒸汽的加入也会提高气液传质效率，但是在试验开始阶段出现泄漏临时停止，后续得到恢复，导致pH值先降低后升高，如图4中“四”所示。

表2 试验方案

图4 2#高炉煤气冷凝水pH值从2020年11月26日至2021年3月1日以来的变化示意图

与此同时，试验过程中保证斜板正常运行，即斜板沉降池中pH值保持在8.5左右，避免供水管道结垢，同时也定期检查喷嘴和供水管道是否堵塞。

图5 2#高炉煤气冷凝水pH值从2020年1月1日至2020年11月26日以来的变化示意图

总的说来，在2#喷淋塔上新增喷淋层以及更换喷枪、加入蒸汽，有效地提高了喷淋除酸效率，煤气管网冷凝水pH平均值也从3.7上升至5.5，管网腐蚀也得到有效缓解。

4 总 结

本文通过分析喷淋塔除酸效果影响因素，得到气液接触面积、煤气停留时间和碱液浓度3个主要影响因素，通过对现有2#高炉喷淋塔进行优化，通过新增喷淋层、双介质喷枪和过滤网，达到增加气液接触面积、延长接触时间、抑制喷嘴堵塞的效果，得以提高除酸效率，煤气管网冷凝水pH平均值也从3.7上升至5.5，有效地解决高炉煤气净化采用干式布袋除尘技术所带来的管道及设备腐蚀问题，有望推广应用在其他饱受煤气腐蚀的钢铁企业。