鈉基干法脫硫工藝在高爐熱風(fēng)爐煙氣脫硫中的應(yīng)用

額爾德木吐，辛 鋮，高秋廷

（北京利德衡環(huán)保工程有限公司，北京 100000）

以唐山某鋼廠一座高爐熱風(fēng)爐的完整的工程設(shè)計為例。工藝分為布袋除塵系統(tǒng)、煙氣系統(tǒng)、制粉及噴射脫硫系統(tǒng)、后產(chǎn)物處理系統(tǒng)等，對各系統(tǒng)的設(shè)備參數(shù)進行了具體設(shè)計選型。

在系統(tǒng)投運后，對影響脫硫效率的因素進行了研究，n（Na）/n（S）為1.05～1.1、脫硫劑粒徑30～40μm、溫度在160℃以上時脫硫效果較好。當(dāng)溫度較高時，脫硫反應(yīng)區(qū)可以采用空塔形式，以提高運行的經(jīng)濟性。

1 高爐熱風(fēng)爐煙氣特點

1）煙氣量波動大，在高爐加熱過程中通常需要換向，造成煙氣量大幅度波動。

2）煙氣污染物成分復(fù)雜，如SO2、H2S、有機物等，處理難度大。

3）煙氣溫度低且波動大，煙氣溫度通常為100～200℃。

4）煙氣濕度大，通常為10%以上，對煙氣凈化設(shè)備要求較高。

5）污染物濃度波動范圍大，受煤氣中H2S脫除效率影響。

2 常見的煙氣脫硫工藝及其特點

針對高爐熱風(fēng)爐煙氣特點和治理要求，選擇碳酸氫鈉干法脫硫工藝作為高爐熱風(fēng)爐煙氣脫硫治理技術(shù)。

1）在脫硫裝置后加裝布袋除塵器，滿足系統(tǒng)的粉塵排放要求，使煙囪排放的煙氣顆粒物濃度實現(xiàn)＜5mg/m3超低排放。

2）碳酸氫鈉干法脫硫為鈉基反應(yīng)，有較好的反應(yīng)效果[1]，能適應(yīng)煙氣量及SO2含量的波動。

3）與傳統(tǒng)濕法及半干法脫硫相比，碳酸氫鈉干法脫硫溫度降最小，從而保證煙囪長期處于良好的熱備狀態(tài)。

4）碳酸氫鈉干法脫硫占地小，反應(yīng)器設(shè)置在煙道內(nèi)部，無需占地，滿足現(xiàn)有高爐熱風(fēng)爐的改造。

5）碳酸氫鈉干法脫硫不使用水，產(chǎn)生的產(chǎn)物為硫酸鈉，廣泛用與玻璃及水泥行業(yè)，真正實現(xiàn)資源循環(huán)利用。

3 高爐熱風(fēng)爐煙氣對凈化工藝的要求

3.1 運行穩(wěn)定性要求高

一般投運后，在其使用壽命周期內(nèi)，高爐熱風(fēng)爐不能熄火。因此，要求新增煙氣處理設(shè)備能常年穩(wěn)定運行。

3.2 安全性要求高

高爐熱風(fēng)爐加熱中一般不設(shè)引風(fēng)機，利用煙囪拔力抽出燃燒廢氣，因此必須保證煙氣排放負(fù)壓在300Pa以上，否則容易引起安全事故，因此，新增煙氣處理設(shè)備的同時，必須保證外排煙囪的熱備狀態(tài)和事故工況下的快速響應(yīng)，排煙溫度不能大幅度降低。

3.3 性價比要求高

大部分運行的高爐熱風(fēng)爐在原始設(shè)計中很少考慮煙氣的凈化處理，無預(yù)留凈化設(shè)備占地，導(dǎo)致場地十分狹窄，要求治理設(shè)施占地面積小，布置緊湊。

3.4 技術(shù)要求高

雖然處理煙氣量較小，SO2濃度低，但成分復(fù)雜，處理難度大，技術(shù)要求高。因此，必須創(chuàng)新工藝設(shè)計，優(yōu)化工藝流程，合理進行設(shè)備選型，以適合鋼鐵行業(yè)目前利潤率低的現(xiàn)實情況。

4 SDS鈉基干法脫硫反應(yīng)機理

4.1 反應(yīng)機理

主要反應(yīng)：

部分：

副反應(yīng)：

4.2 SDS鈉基干法脫硫工藝流程

熱風(fēng)爐煙氣進入SDS脫硫除塵系統(tǒng)。煙氣首先進入SDS反應(yīng)器，在SDS反應(yīng)器內(nèi)噴入碳酸氫鈉超細粉，碳酸氫鈉超細粉在高溫?zé)煔獾淖饔孟路纸獬龈呋钚蕴妓徕c和二氧化碳，活性強的Na2CO3與煙道內(nèi)煙氣中的SO2及其他酸性介質(zhì)充分接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，被吸收凈化。脫硫后粉狀顆粒產(chǎn)物隨氣流進入布袋除塵器進一步除塵。脫硫及粉塵排放達標(biāo)后返回?zé)焽枧欧拧?/p>

5 影響脫硫效率因素及其分析

5.1 脫硫劑投加量對脫硫效率的影響

為研究脫硫劑的投加量對脫硫劑的影響，定義碳酸氫鈉和SO2摩爾比為n（Na）/n（S）。在煙氣量為14萬m3/h，煙氣溫度250℃，SO2含量為600mg/m3，粒徑為30μm，通過調(diào)節(jié)定量給料機調(diào)節(jié)進入磨機的脫硫劑的量，考察n（Na）/n（S）=0.5、0.8、1.1、1.5、2.0對脫硫效率的影響。效果如圖1所示。

圖1 n（Na）/n（S）對脫硫效率的影響

由圖1可以看出，在n（Na）/n（S）=0.5、0.8時，脫硫效率分別接近50%、80%，在n（Na）/n（S）＞1脫硫效率為100%，說明在合適的溫度下，碳酸氫鈉幾乎充分反應(yīng)，實際經(jīng)濟運行n（Na）/n（S）為1.05-1.1。

5.2 脫硫劑粒徑對脫硫系統(tǒng)的影響

通過調(diào)節(jié)磨機分級電機的頻率可以控制進入脫硫反應(yīng)器的脫硫劑粒徑，在煙氣量14萬m3/h，煙氣溫度為250℃，SO2含量為600mg/m3，n（Na）/n（S）= 1.1，考察了脫硫劑粒徑為200μm、100μm、50μm、30μm、20μm對脫硫效率的影響。效果如圖2所示。

圖2 脫硫劑粒徑對脫硫效率的影響

由圖2可以看出，粒徑對脫硫效率影響較為明顯，粒徑越小脫硫效率越高。說明，脫硫劑粒徑較小，脫硫劑在溫度的作用下水和CO2從脫硫劑內(nèi)部釋放更充分，由此造成脫硫劑比表面積更大，脫硫反應(yīng)的更迅速。通過磨機得更小的粒徑，會帶來運行電耗的增加。通過試驗，在運行過程中，磨粒徑在一般在30～40μm。

5.3 溫度對脫硫系統(tǒng)的影響

為測試不同溫度下脫硫效率，在進入脫硫系統(tǒng)的入口煙道設(shè)計一套野風(fēng)閥，在高溫情況下通過開啟野風(fēng)閥向系統(tǒng)補加冷空氣，調(diào)整脫硫反應(yīng)的溫度。分別測試了SO2含量600mg/m3，n（Na）/n（S）=1.1，粒徑為30μm條件下，反應(yīng)溫度為100℃、120℃、160℃、200℃、和250℃的脫硫效率。效果如圖3所示。

圖3 反應(yīng)溫度對脫硫效率的影響

由圖3可知，隨著溫度的升高，脫硫效率明顯提高，在高于160℃時，脫硫效率一直維持在90%以上。說明溫度對脫硫效率的影響明顯。研究表明，這主要是由于溫度升高，碳酸氫鈉分解較為徹底，生成CO2和水形成蒸汽從碳酸氫鈉固體內(nèi)部釋放出來，在固體內(nèi)部及表面形成蜂窩狀結(jié)構(gòu)，大幅增加了固體物碳酸鈉的比表面積，使其與SO2反應(yīng)更加充分，有利于脫硫反應(yīng)的進行。表明參與反應(yīng)的本質(zhì)還是碳酸鈉，由于溫度的影響，在由碳酸氫鈉轉(zhuǎn)變?yōu)樘妓徕c過程中，碳酸鈉結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，提高了脫硫效率。

5.4 擾流裝置對脫硫系統(tǒng)的影響

利用碳酸氫鈉進行的脫硫反應(yīng)實際是一種氣固相的反應(yīng)，一般而言，為增加反應(yīng)效果，在脫硫反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)置擾流部件，在煙氣量14萬m3/h，煙氣溫度為250℃，n（Na）/n（S）=1.1，粒徑為30μm，考察脫硫反應(yīng)器內(nèi)空塔和塔內(nèi)布置擾流部件兩種方式對脫硫效果的影響。

由圖4可知，通過部件的設(shè)置，提高了脫硫劑與煙氣中的SO2傳質(zhì)效率，從而在一定程度上提高了反應(yīng)效率。但是脫硫反應(yīng)器內(nèi)部安裝的擾流部件，脫硫系統(tǒng)阻力會增加300～400Pa，由此增加風(fēng)機的運行電耗。在實際運行中，運行溫度在160℃以上時，脫硫反應(yīng)比較充分，脫硫塔內(nèi)部可不增加擾流部件。

圖4 反應(yīng)器擾流裝置脫硫效率的影響

6 運行案例效果分析

6.1 運行案例概況

唐山市某鋼廠高爐熱風(fēng)爐煙氣脫硫除塵提標(biāo)改造工程采用SDS鈉基干法脫硫，設(shè)計煙氣量36萬m3/h， 進口SO2排放濃度約為200mg/m3。煙氣治理目標(biāo)：廢氣顆粒物≤ 10mg/m3（干基），二氧化硫排放濃度≤15mg/m3（干基），脫硫后排煙溫降10～20℃以內(nèi)，含濕量不增加，其運行成本詳見表1。

表1 SDS鈉基干法脫硫運行成本分析

該項目于2019年6月開工，2019年10月竣工后，邀請?zhí)粕绞协h(huán)保局對該裝置進行了檢測。結(jié)果顯示，在現(xiàn)有鍋爐負(fù)荷下（70%），經(jīng)脫硫后的煙氣SO2濃度為10mg/m3，脫硫效率達到98%，達到了設(shè)計指標(biāo)。

系統(tǒng)運行至今，在線監(jiān)測結(jié)果顯示，該脫硫系統(tǒng)可連續(xù)、穩(wěn)定地滿足SO2排放濃度≤15mg/m3的要求，且無結(jié)垢、堵塞問題，亦無任何廢水產(chǎn)生，各項經(jīng)濟、技術(shù)指標(biāo)均達到甚至優(yōu)于設(shè)計指標(biāo)。

6.2 運行案例分析總結(jié)

（1）性價比高。該工藝系統(tǒng)簡單，投資相對較低，特別是相比于SDA工藝。運行費用較低。雖然脫硫劑的單價有所提高，但其運行阻力低，無需補燃加熱，無需工藝水，電耗低，能源利用率高。

（2）排放指標(biāo)的保證。SDS脫硫效率高達99%以上，脫硫后SO2排放濃度在15mg以下。SDS脫硫配有高效布袋除塵系統(tǒng)，顆粒物排放能達到10mg/m3以下。

（3）運行的穩(wěn)定性好。簡單的設(shè)備和簡單的控制。特別是SDS全干法脫硫系統(tǒng)，僅通過控制脫硫劑的用量，就可以快速響應(yīng)SO2濃度的變化。

（4）與熱風(fēng)爐生產(chǎn)最為適應(yīng)。排煙溫度與以前沒有大的變化，煙氣可直接回原煙囪排放，完全能保證生產(chǎn)所需負(fù)壓，安全性有保證，對原工藝生產(chǎn)的改動少。

7 結(jié)論

1）分析了高爐熱風(fēng)爐煙氣的特點，并根據(jù)特點選擇了碳酸氫鈉干法脫硫工藝作為高爐熱風(fēng)爐煙氣SO2治理的技術(shù)。系統(tǒng)分為煙氣系統(tǒng)、制粉及噴射脫硫系統(tǒng)、布袋除塵系統(tǒng)和后產(chǎn)物處理系統(tǒng)，并對各系統(tǒng)進行了設(shè)計和主要設(shè)備參數(shù)進行選型。通過河北某焦化廠脫硫裝置運行，碳酸氫鈉干法脫硫技術(shù)能較好適應(yīng)高爐熱風(fēng)爐煙氣特點。

2）對影響碳酸氫鈉干法脫硫效率的因素進行了研究，n（Na）/n（S）為1.05～1.1、脫硫劑粒徑在30～40μm之間、溫度在160℃以上時脫硫效果較好，當(dāng)溫度較高時，脫硫反應(yīng)器采用空塔形式，可以提高運行的經(jīng)濟性。