生物質(zhì)鍋爐煙氣鈉基高溫干法脫硫工藝的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

盧能國(guó)，吳煒彬，劉 穎

（福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

0 引言

隨著國(guó)家對(duì)大氣污染物的環(huán)保排放要求越來(lái)越嚴(yán)格，相關(guān)企業(yè)治理污染物排放的力度也不斷加大。對(duì)于生物質(zhì)鍋爐煙氣超低排放治理，高溫復(fù)合濾筒脫硫除塵脫硝一體化技術(shù)近年得到較大推廣和應(yīng)用，其中脫硫工藝環(huán)節(jié)多采用鈣基[Ca（OH）2]干法脫硫或鈉基（NaHCO3）干法脫硫。本文主要闡述了鈉基高溫干法脫硫工藝在某生物質(zhì)鍋爐煙氣治理項(xiàng)目上的設(shè)計(jì)應(yīng)用。

1 生物質(zhì)鍋爐煙氣特性

某項(xiàng)目生物質(zhì)鍋爐為振動(dòng)爐排爐，主要燃料為玉米秸稈、小麥秸稈、花生殼，產(chǎn)生的煙氣具有以下特點(diǎn)：一是由于該鍋爐爐排大約每隔4 min 振動(dòng)一次，存在短時(shí)局部燃料燃燒不均勻的情況，導(dǎo)致煙氣粉塵、SO2、NOx含量呈周期性波動(dòng)，且短時(shí)峰值較高。二是燃料含水率高達(dá)20%～30%，煙氣中的酸性物質(zhì)會(huì)加速省煤器及下游設(shè)備的腐蝕。三是煙氣粉塵濃度高，且含有砂石等高磨蝕性強(qiáng)的顆粒以及末燃盡火星[1]。

2 鈉基高溫脫硫工藝原理

鈉基高溫干法脫硫工藝原理為：以超細(xì)NaHCO3顆粒為脫硫劑原料，將顆粒噴入高溫?zé)煔庵校琋aHCO3在煙氣熱量的作用下分解生成Na2CO3和CO2，CO2從體相逸出后能提供大量微孔結(jié)構(gòu)，碳酸氫鈉顆粒發(fā)生爆米花效應(yīng)的爆漲，體積增加，生成活性強(qiáng)的像海綿一樣的多孔結(jié)構(gòu)，具有很高的反應(yīng)活性和吸附活性。新產(chǎn)生的碳酸鈉Na2CO3可自發(fā)地與煙氣中的酸性污染物進(jìn)行式（1）～式（6）反應(yīng)[2]：

部分反應(yīng)：

副反應(yīng)：

在常見(jiàn)報(bào)道中，鈉基干法脫硫多使用在140～220 ℃的煙氣條件下，也有研究表明，溫度越高，碳酸氫鈉的反應(yīng)活性就越高，當(dāng)反應(yīng)溫度為240～390 ℃時(shí)，脫硫效率更高[3]。

3 項(xiàng)目概況及工藝設(shè)計(jì)

3.1 項(xiàng)目概況

某項(xiàng)目1 臺(tái)130 t/h 高溫高壓生物質(zhì)燃料自然循環(huán)汽包水冷振動(dòng)爐排鍋爐，配套建設(shè)脫硫、脫硝和除塵設(shè)施。鍋爐設(shè)計(jì)燃料為小麥秸稈、玉米秸稈、花生秸稈和林木剩余物，其中農(nóng)作物秸稈占43%，煙氣參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 鍋爐煙氣參數(shù)

要求煙氣經(jīng)凈化處理后的出口SO2排放質(zhì)量濃度≤35 mg/m3，出口粉塵排放質(zhì)量濃度≤10 mg/m3，滿足超低排放要求。

3.2 工藝設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目采用鈉基高溫干法脫硫+高溫復(fù)合濾筒塵硝一體化處理工藝，從鍋爐一級(jí)省煤器引出300～320 ℃左右的高溫?zé)煔?，依次進(jìn)入脫硫塔內(nèi)脫硫和塵硝反應(yīng)器內(nèi)完成除塵、脫硝反應(yīng)，凈化后的煙氣再返回鍋爐進(jìn)行剩余熱量回收[4]。

在脫硫劑噴入口之前設(shè)置煙氣均流及旋流混合裝置，使得脫硫劑進(jìn)脫硫塔之前完成脫硫劑細(xì)顆粒粉與煙氣的充分均勻混合。進(jìn)入脫硫塔反應(yīng)器后，受熱激活活性和比表面積均增強(qiáng)的脫硫劑碳酸氫鈉與煙氣充分接觸，發(fā)生物理吸附和化學(xué)反應(yīng)，煙氣中的SO2，HCl 等酸性氣體被高效吸收凈化。反應(yīng)后的脫硫劑副產(chǎn)物與煙氣一起進(jìn)入復(fù)合濾筒式塵硝一體設(shè)備脫硝除塵凈化，黏附在濾筒上的含有脫硫劑的副產(chǎn)物顆?？蛇M(jìn)一步發(fā)生脫硫反應(yīng)。其整套脫硫工藝流程如圖1 所示。

圖1 鈉基高溫干法脫硫工藝流程

干法煙氣脫硫系統(tǒng)中所用的脫硫劑原料為進(jìn)料粒徑為80～100 目（0.154～0.178 mm）的碳酸氫鈉顆粒料，由原料倉(cāng)給料進(jìn)入稱重給料倉(cāng)，稱重給料螺旋輸送機(jī)定量送入超細(xì)研磨機(jī)的主機(jī)腔進(jìn)行研磨。物料經(jīng)粉碎和研磨，一次性加工成大于400 目（38 μm）的微粉，再通過(guò)高壓風(fēng)機(jī)輸送至脫硫塔內(nèi)。脫硫劑給料系統(tǒng)設(shè)計(jì)最大用量為300 kg/h。

脫硫設(shè)備構(gòu)成包括如下：

1）碳酸氫鈉給料研磨系統(tǒng)：碳酸氫鈉原料倉(cāng)、星型給料器、稱重粉倉(cāng)、螺旋輸送計(jì)量裝置、高效研磨機(jī)、高壓風(fēng)機(jī)、氣力輸送管道等。

2）碳酸氫鈉噴射裝置：噴射管、導(dǎo)流板。

3）脫硫煙氣系統(tǒng)：煙道、均布裝置、混合裝置、文丘里段、脫硫反應(yīng)器、復(fù)合濾筒除塵脫硝一體反應(yīng)器等。

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和技術(shù)特點(diǎn)

4.1 碳酸氫鈉給料結(jié)構(gòu)

碳酸氫鈉給料研磨系統(tǒng)設(shè)置備用系統(tǒng)。碳酸氫鈉被磨成細(xì)粉后，在磨機(jī)及高壓風(fēng)機(jī)內(nèi)易積灰，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后磨機(jī)負(fù)荷加大，出口溫度升高。當(dāng)溫度升高至50 ℃以上，碳酸氫鈉開(kāi)始分解，過(guò)早分解的碳酸氫鈉無(wú)法在脫硫塔形成爆米花效應(yīng)，脫硫效率下降。一般情況下，研磨機(jī)在運(yùn)行10～15 d 后要停機(jī)清理。為避免給料研磨設(shè)備定期停機(jī)清理影響脫硫排放，碳酸氫鈉系統(tǒng)設(shè)置一路稱重給料、研磨機(jī)、高壓風(fēng)機(jī)備用。當(dāng)運(yùn)行中的一路給料研磨設(shè)備需要清理或故障檢修時(shí)，系統(tǒng)可以切換至另一路。

4.2 脫硫劑噴入結(jié)構(gòu)

碳酸氫鈉脫硫劑噴入采用多點(diǎn)噴入結(jié)構(gòu)。為使噴入的碳酸氫鈉和煙氣有較好的混合效果，根據(jù)氣流模擬情況，噴入口采用多點(diǎn)噴入并且在噴入點(diǎn)對(duì)應(yīng)位置設(shè)置擋流板。若不設(shè)擋流板，噴入的脫硫劑在煙氣氣流作用下無(wú)法深入煙道內(nèi)部，如圖2 所示。設(shè)置擋流板后，脫硫可以深入煙道內(nèi)部，在煙氣氣流夾帶作用下，脫硫劑覆蓋面大大增強(qiáng)。如圖3 所示。脫硫劑噴入管由一根三叉管及三根軟管組成，三叉管為鋼管，由一根主管分為三根支管，后端設(shè)軟管以利于輸送管轉(zhuǎn)彎過(guò)渡。每個(gè)噴入口內(nèi)部對(duì)應(yīng)下部設(shè)置一根導(dǎo)流三角板，以使脫硫劑噴入深入內(nèi)部，每處噴入點(diǎn)分布在煙氣方向錯(cuò)開(kāi)布置。如圖4 所示。

圖2 無(wú)擋流板噴入結(jié)構(gòu)的氣流示意圖

圖3 有導(dǎo)流板噴入結(jié)構(gòu)的氣流示意圖

圖4 有導(dǎo)流板噴入結(jié)構(gòu)平面布置圖

4.3 混合器結(jié)構(gòu)

為進(jìn)一步增強(qiáng)脫硫劑與煙氣混合效果，脫硫塔底部設(shè)置旋流混合裝置，混合裝置由導(dǎo)流板、旋流葉片組成；旋流葉片由若干導(dǎo)流葉片和中間錐形體組合而成焊接固定在豎直煙道內(nèi)，旋流葉片傾斜布置，與煙氣流向呈一定夾角，角度為50°。混合器結(jié)構(gòu)如圖5所示。煙氣通過(guò)旋流板導(dǎo)流作用形成旋轉(zhuǎn)氣流，旋轉(zhuǎn)氣流與噴入的脫硫劑混合后進(jìn)入脫硫塔進(jìn)一步混合反應(yīng)。

圖5 混合器結(jié)構(gòu)

4.4 脫硫控制技術(shù)

因生物質(zhì)鍋爐振動(dòng)爐排爐周期性振動(dòng)，進(jìn)口煙氣SO2濃度也呈現(xiàn)周期性波動(dòng)。針對(duì)SO2周期性波動(dòng)的煙氣，相應(yīng)控制脫硫劑給料也進(jìn)行周期性變動(dòng)給料。當(dāng)進(jìn)口煙氣SO2濃度高時(shí)，脫硫劑給料量高，反之則低。在實(shí)際控制中，為及時(shí)響應(yīng)調(diào)節(jié)脫硫劑給料量，脫硫劑給料時(shí)機(jī)可與鍋爐振動(dòng)信號(hào)連鎖，當(dāng)振動(dòng)爐排開(kāi)始振動(dòng)，一般振動(dòng)時(shí)間20 s，生物質(zhì)燃料燃燒充分，進(jìn)口SO2增高。既當(dāng)開(kāi)始振動(dòng)后，加大脫硫劑給料量，當(dāng)停止振動(dòng)后，延時(shí)一段時(shí)間再降低脫硫給料量，如此反復(fù)。每個(gè)時(shí)間段給料量和延時(shí)時(shí)間可調(diào)，在運(yùn)行中調(diào)整各參數(shù)找到對(duì)應(yīng)設(shè)定數(shù)值以滿足各相對(duì)配合比穩(wěn)定的燃料條件下脫硫要求。

5 運(yùn)行效果分析

5.1 煙氣溫度對(duì)脫硫的影響

碳酸氫鈉在50 ℃以上開(kāi)始逐漸分解，生成碳酸鈉、二氧化碳和水，270 ℃時(shí)完全分解，煙氣溫度在140～250 ℃具有高度活性。溫度越高，碳酸氫鈉的反應(yīng)活性就越高，碳酸氫鈉就能自發(fā)完全地與煙氣中的酸性污染物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，所以在碳酸氫鈉進(jìn)入脫硫塔前碳酸氫鈉溫度不宜超過(guò)50 ℃。目前碳酸氫鈉在300 ℃以上煙氣脫硫應(yīng)用很少，經(jīng)過(guò)本項(xiàng)目的實(shí)際使用證明，在煙氣溫度300～320 ℃時(shí)，碳酸氫鈉仍然有較高脫硫效率，碳酸氫鈉過(guò)量吸收基本在1.05 以下。

5.2 煙氣含塵量對(duì)脫硫的影響

煙氣中高濃度粉塵會(huì)抑制脫硫劑和二氧化硫混合反應(yīng)。煙氣中含塵量過(guò)大，等效于噴入的脫硫劑有效成分降低。脫硫劑在煙氣中以一種多孔性固體顆粒形式存在，其比表面積和孔容越高，吸附脫硫的能力則越強(qiáng)。而在高粉塵煙氣中，較細(xì)的粉塵堵塞了脫硫劑孔洞，阻礙二氧化硫被吸附到脫硫劑顆粒內(nèi)部；大量粉塵圍繞在脫硫劑顆粒周邊，也增大了固氣傳質(zhì)的阻力，脫硫劑起不到較高效率的脫硫作用，難以達(dá)到超低排放的脫硫要求。如本項(xiàng)目，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，煙氣原始粉塵質(zhì)量濃度為15 g/m3，噴入碳酸氫鈉粉300 kg/h，單位空間內(nèi)粉塵占比70%～90%，碳酸氫鈉粉占比10%～ 30%，無(wú)效粉塵占用混合空間，阻礙碳酸氫鈉粉擴(kuò)散。針對(duì)煙氣中高濃度粉塵對(duì)脫硫劑的干擾，通常措施為是先除塵后脫硫。本項(xiàng)目采用強(qiáng)化脫硫劑和煙氣混合的方式，激烈的湍動(dòng)增大了脫硫劑顆粒與二氧化硫接觸的機(jī)率，有效降低了高濃度粉塵對(duì)脫硫的不利影響。

5.3 脫硫劑不同噴射位置對(duì)脫硫的影響

本項(xiàng)目在未安裝混合器的情況下試驗(yàn)各個(gè)位置噴入脫硫劑對(duì)脫硫效率的影響。噴入位置分別為離脫硫塔30 m，離脫硫塔15 m，及在脫硫塔底位置。試驗(yàn)表明，不管在哪個(gè)位置，脫硫效率相差不大，而且并不能有效控制住SO2排放。經(jīng)分析，應(yīng)是受煙氣中粉塵影響。一旦加了混合器，解決煙氣和脫硫劑有效混合問(wèn)題，脫硫效果明顯提升。脫硫劑噴入點(diǎn)設(shè)置在脫硫塔和混合器之間，充分利用碳酸氫鈉的爆米花效應(yīng)。當(dāng)碳酸氫鈉噴入受熱分解時(shí)，碳酸氫鈉同時(shí)與煙氣強(qiáng)烈充分混合，新分解的碳酸鈉多孔介質(zhì)在未被煙氣中粉塵堵塞前即在混流中更大概率接觸吸收SO2，較大提高脫硫效率。

6 結(jié)語(yǔ)

生物質(zhì)鍋爐干法煙氣脫硫在脫硫塔底入口煙道設(shè)置旋流混合裝置，脫硫劑采用多噴點(diǎn)導(dǎo)流裝置，使脫硫劑和煙氣充分混合，克服了煙氣中高濃度粉塵干擾，有效提升脫硫效率，得出以下結(jié)論：

1）脫硫效率高，能夠滿足目前的超低排放限值要求[ρ（SO2）≤35 mg/m3]。

2）在高含塵煙氣條件下，高濃度粉塵阻礙碳酸氫鈉脫硫。設(shè)置旋流混合器和多噴點(diǎn)脫硫劑噴入裝置強(qiáng)化脫硫劑和煙氣混合，可以克服高濃度粉塵不利影響，達(dá)到較高脫硫效率。

3）脫硫劑在300 ℃以上，碳酸氫鈉脫硫效率高。

4）脫硫劑加料口最佳位置在脫硫塔文丘里入口煙道設(shè)置。