新型雙循環(huán)雙堿法小型工業(yè)鍋爐濕法脫硫裝置研究

嚴(yán) 方，張海燕，黎 賓

YAN Fang, ZHANG Hai-yan, LI Bin

（廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530004）

新型雙循環(huán)雙堿法小型工業(yè)鍋爐濕法脫硫裝置研究

Research for new dual-loop dual-alkali wet desulphurization equipment for small-scale industrial boilers

嚴(yán) 方，張海燕，黎 賓

YAN Fang, ZHANG Hai-yan, LI Bin

（廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，南寧 530004）

本文介紹了一種新型小型工業(yè)鍋爐脫硫裝置的整體設(shè)計(jì)方案，方案結(jié)合具有獨(dú)特工藝的再生池、循環(huán)池以及噴淋泵，實(shí)現(xiàn)了脫硫液的循環(huán)利用以及pH值的穩(wěn)定控制。方案有效地解決了因pH值擾動造成的脫硫設(shè)備的結(jié)垢與堵塞問題，并使得整套裝置運(yùn)行簡易。實(shí)踐證明整套裝置投資費(fèi)用低、脫硫效果好、運(yùn)行費(fèi)用也比較合理，尤其廢水為零排放，不失為小型工業(yè)鍋爐煙氣脫硫的一種綜合優(yōu)化方案。

工業(yè)鍋爐；雙循環(huán)雙堿法；濕法脫硫裝置

0 引言

煙氣濕法脫硫（FGD）是應(yīng)用最為廣泛的脫硫方法，也是控制酸雨和二氧化硫污染的最為有效的和主要的技術(shù)手段。目前世界各國對煙氣脫硫都非常重視，已開發(fā)了數(shù)十種行之有效的脫硫技術(shù)[1～3]，其中以濕法脫硫?yàn)橹?。濕法脫硫劑形式多樣，可因地制宜，但其基本原理都是以一種堿性物質(zhì)作為SO2的吸收劑，即脫硫劑。其中鈣法脫硫因其造價(jià)低廉、脫硫效果較好成為國內(nèi)濕法脫硫的主流。

本文從小型鍋爐脫硫系統(tǒng)的實(shí)際出發(fā)，介紹一種造價(jià)低廉、自動化程度高、運(yùn)行簡易、運(yùn)行費(fèi)用相對合理的雙循環(huán)雙堿法小型工業(yè)鍋爐濕法脫硫裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

1 小型工業(yè)鍋爐石灰（石）濕法脫硫應(yīng)用難點(diǎn)

1.1 pH值難以控制，對運(yùn)行人員要求較高

1.1.1 pH值過高的危害

石灰濕法脫硫過程中，當(dāng)pH過大時(shí)，漿液中的脫硫劑主要為Ca(OH)2，脫硫產(chǎn)物是溶解度很小的，雖然此時(shí)可以獲得高的脫硫率，但結(jié)垢非常嚴(yán)重。這是因?yàn)榘胨畞喠蛩徕}和碳酸鈣的溶解度很小，極易達(dá)到過飽和而結(jié)晶出來，最終會在器壁上形成很厚的垢層，嚴(yán)重時(shí)將使設(shè)備、管道堵塞而無法連續(xù)運(yùn)行。

此時(shí)脫硫塔內(nèi)主要的化學(xué)反應(yīng)式為：

1.1.2 pH值過低的危害

當(dāng)pH過低時(shí)，脫硫效率下降并且容易加重脫硫設(shè)備的腐蝕。水成了主要的脫硫劑，SO2·H20逐漸成為液相中硫陰離子主要形態(tài)，溶液中較高的H+濃度抑制了H2SO3的電離。這種單純的溶解作用吸收SO2的能力十分有限。并且這種溶解十分不穩(wěn)定，具有很大的可逆性。SO2很容易從較低的pH值環(huán)境中逸出，因此不能看做SO2被有效吸收。顯然低pH值脫硫不僅達(dá)不到脫硫的效果，由于煙溫下降，煙氣對整個(gè)脫硫設(shè)備腐蝕加劇，極大降低脫硫設(shè)備的壽命。

1.1.3 pH值擾動危害

如果吸收液pH值劇烈變化，會產(chǎn)生結(jié)垢與堵塞。當(dāng)pH值急劇降低時(shí).亞硫酸鹽溶解度急劇上升，硫酸鹽溶解度略有下降，石膏會在很短的時(shí)間內(nèi)大量產(chǎn)生并析出，從而產(chǎn)生硬垢。而當(dāng)pH值急劇升高時(shí)亞硫酸鹽溶解度降低.會引起亞硫酸鹽析出，產(chǎn)生軟垢，同時(shí)在堿性pH值運(yùn)行會產(chǎn)生碳酸鈣硬垢。

當(dāng)然石灰（石）濕法脫硫系統(tǒng)中除了pH值控制不當(dāng)容易引起脫硫設(shè)備結(jié)垢與堵塞，氧化不夠同樣會引起設(shè)備結(jié)垢與堵塞。因?yàn)槊摿蛩?nèi)氧化不夠甚至無氧情況下，會生成生成一種反應(yīng)物為Ca (SO3)0.8·(SO4)0.2·1／2H2O，又稱軟垢。

1.2 煙氣影響

小型工業(yè)鍋爐脫硫裝置中，由于煙道短、煙溫高且通常不會在脫硫前單獨(dú)裝設(shè)除塵裝置，煙氣特性對脫硫效果的影響是顯著的，且主要表現(xiàn)為煙溫和飛灰的影響。

1.2.1 飛灰影響

原煙氣中飛灰在一定程度上阻礙了SO2與脫硫劑的接觸，降低了石灰石中Ca2+的溶解速率，同時(shí)飛灰中不斷溶出的一些重金屬會抑制Ca2+與(HSO3)-的反應(yīng)。煙氣中粉塵將使塔內(nèi)漿液反應(yīng)活性下降、脫硫率大大降低，以及造成噴頭及管道堵塞等一系列問題。

1.2.2 煙溫

低煙溫有利于吸收，高煙溫有利于解吸。在大型鍋爐脫硫系統(tǒng)中，喜歡采用GGH將煙氣冷卻到60℃左右再進(jìn)行吸收。較高的吸收煙氣溫度會使SO2的吸收效率降低。由于GGH設(shè)備昂貴，且增加了系統(tǒng)的電負(fù)荷，文獻(xiàn)[4]對是否安裝GGH進(jìn)行了詳細(xì)的利弊分析，顯然從目前技術(shù)水平以及經(jīng)濟(jì)性考慮，小型鍋爐脫硫裝置裝設(shè)GGH顯然是不適用的。當(dāng)然小型鍋爐煙氣可以考慮余熱利用適當(dāng)降低煙氣溫度，因地制宜的余熱利用方法有很多，本文不在此贅述。

1.3 運(yùn)行人員自動裝置應(yīng)用水平相對較低

相對大中型工業(yè)爐運(yùn)行人員的自動裝置應(yīng)用水平而言，小型工業(yè)鍋爐運(yùn)行人員自動裝置應(yīng)用水平相對較低。同時(shí)由于小型工業(yè)鍋爐所面向的企業(yè)為一些地方性甚至私營的中小型企業(yè)，企業(yè)的生產(chǎn)過程自動化水平本來就相對較低，而脫硫系統(tǒng)對于大多數(shù)企業(yè)都是一個(gè)負(fù)擔(dān)，許多脫硫裝置的上馬是為了環(huán)評而設(shè)計(jì)，因此系統(tǒng)的自動控制設(shè)計(jì)會更加不受重視。隨著環(huán)境保護(hù)認(rèn)識的更深一步加強(qiáng)，脫硫裝置的有效投入一定會成為企業(yè)的準(zhǔn)投運(yùn)前提。

2 簡易雙循環(huán)雙堿法濕法脫硫裝置介紹

2.1 脫硫裝置系統(tǒng)圖

圖1 小型鍋爐簡易雙堿法脫硫系統(tǒng)

本裝置系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。脫硫裝置配套的工藝子系統(tǒng)包括煙氣系統(tǒng)、吸收塔系統(tǒng)、沉淀池、澄清池、再生池、曝氣裝置、循環(huán)池、堿液箱、電氣控制系統(tǒng)、測量裝置、自動控制裝置等系統(tǒng)。煙氣中SO2的去除在吸收塔內(nèi)進(jìn)行。吸收塔本體包括兩層填料吸收區(qū)、曝氣吸收區(qū)，主要設(shè)備有攪拌器、漿液循環(huán)泵、再生泵、曝氣裝置等。

循環(huán)池由循環(huán)泵經(jīng)管道連接到脫硫塔的上部；循環(huán)池由再生泵經(jīng)管道依次連接反應(yīng)池和沉淀池、澄清池，澄清池的上部設(shè)有管道連接到循環(huán)池和淋盤，循環(huán)泵有管道連接再生池，脫硫塔的底部設(shè)有管道連接到循環(huán)池。脫硫液以循環(huán)池為連接點(diǎn)部分再生。脫硫系統(tǒng)采用三相流化床脫硫除塵一體化工藝，填料采用兩層格柵空心填料球填充，脫硫塔頂部設(shè)有高效噴淋裝置，脫硫液由脫硫塔的頂部進(jìn)入脫硫塔，煙氣由脫硫塔底部進(jìn)入。循環(huán)池由短管曝氣裝置經(jīng)管道連接到脫硫塔底部的煙氣進(jìn)口，起降溫和預(yù)脫硫除塵作用。

2.2 化學(xué)原理 [5]

2.2.1 在吸收吸收塔內(nèi)用NaOH吸收SO2：

2.2.2 脫硫劑再生

雙堿法適合小型鍋爐脫硫最重要的優(yōu)勢是污水的零排放，也就是脫硫劑的再生。將吸收了SO2的吸收液送至石灰（石）脫硫再生器，進(jìn)行吸收液的再生和固體副產(chǎn)品的析出。以納鹽為例作為脫硫劑，用石灰對吸收劑進(jìn)行再生，則在反應(yīng)器中會進(jìn)行下面的反應(yīng)：

再生后的NaOH和Na2SO3等脫硫劑可以循環(huán)使用。由于再生池的氧化，因此同時(shí)會發(fā)生下面的副反應(yīng)：

2.2.3 脫除硫酸鹽

Na2SO4比較難再生，但我們可利用添加Na(OH)2增加回收劑堿性來抑制脫硫劑Na2SO3的氧化。

2.2.4 軟化

3 裝置的基本工藝原理

在引風(fēng)機(jī)的驅(qū)動下，原煙氣通過煙氣入口，進(jìn)入脫硫塔，煙氣首先與專有曝氣裝置曝氣后形成的氣化漿液接觸，煙氣中的粉塵與SO2被有效地吸收，尤其是粉塵。由于氣化漿液表面積大，脫硫劑中的Na(OH)2吸收產(chǎn)物氧化效果好，降低了雙堿法也存在的結(jié)垢風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也減少了因?yàn)镹a2SO3被氧化帶來的物料損失。此時(shí)煙氣進(jìn)一步穿過氣化霧后，煙氣進(jìn)一步與噴淋的漿液接觸，吸收液在經(jīng)過高效噴淋后在填料球的上下湍動與煙氣接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，廢煙氣經(jīng)過噴淋、混合、吸附、氧化、中和、還原等物理化學(xué)過程，達(dá)到脫硫、除塵、凈化煙氣的目的。處理后的煙氣經(jīng)引風(fēng)機(jī)到達(dá)煙囪排入大氣，脫硫塔的出水由底部流出。循環(huán)池安裝有pH值監(jiān)測裝置和液位測量裝置，根據(jù)循環(huán)池中pH條件，再生泵抽取部分脫硫液循環(huán)再生并定時(shí)補(bǔ)充一定量鈉堿溶液。再生池沉淀閥為特殊工藝控制閥，能準(zhǔn)確控制再生液pH值，本裝置使得脫硫系統(tǒng)和再生各自形成循環(huán)，該裝置減少了脫硫液的循環(huán)量，降低運(yùn)行成本，使系統(tǒng)操作彈性變寬、脫硫效率更加穩(wěn)定。

4 裝置的多種控制與運(yùn)行方式

本套裝置最大的特色就是在增加不大的投資基礎(chǔ)上，系統(tǒng)的運(yùn)行方式多樣，并且可靠。相對于普通的雙堿法裝置，系統(tǒng)增加了循環(huán)泵和曝氣裝置以及特殊工藝控制閥，噴淋泵增加一套變頻裝置。這樣脫硫裝置的控制方式與運(yùn)行方式就多樣化，運(yùn)行非?？煽?。

4.1 雙堿雙循環(huán)運(yùn)行方式

該方式為裝置推薦方式。當(dāng)循環(huán)池pH值降低到6.7時(shí)，循環(huán)泵切換至澄清池回路，循環(huán)池pH值繼續(xù)下降至6.3時(shí)，再生泵啟動，循環(huán)液過再生池，同時(shí)循環(huán)泵切換至澄清池，噴淋泵根據(jù)脫硫效率變頻輸出。因?yàn)槠貧庋b置以及備用噴淋泵設(shè)計(jì)，循環(huán)池內(nèi)pH值可低至6.3。當(dāng)循環(huán)池液位下降至設(shè)計(jì)值時(shí),啟動噴淋泵向循環(huán)池內(nèi)注入循環(huán)液，當(dāng)液位上升至設(shè)計(jì)值時(shí)，循環(huán)泵切換至循環(huán)池回路，依據(jù)循環(huán)池中pH條件，補(bǔ)充定量的鈉堿溶液。循環(huán)池液位到正常液位，運(yùn)行方式進(jìn)入下一個(gè)周期。再生池液位達(dá)到一定液位后，依據(jù)再生池pH值計(jì)算出Na(OH)2的用量，再生池pH值計(jì)算值控制在6.8，攪拌后再生液注入沉淀池，循環(huán)池液位穩(wěn)定后可定量補(bǔ)充Na(OH)，此時(shí)循環(huán)池pH值基本上控制在7～7.1。

4.2 其他運(yùn)行方式

如果曝氣裝置發(fā)生故障，可同時(shí)運(yùn)行兩臺循環(huán)泵。其他運(yùn)行方式與具有曝氣裝置方式相同。

如果兩臺循環(huán)泵均不能正常運(yùn)行，可運(yùn)行噴淋泵進(jìn)行噴淋，進(jìn)入普通的雙堿運(yùn)行模式。即啟動噴淋泵的同時(shí)啟動再生泵實(shí)行實(shí)時(shí)再生。

如果在雙循環(huán)過程中脫硫效率下降嚴(yán)重，可采用變頻后的噴淋泵+循環(huán)泵+曝氣裝置模式。

5 裝置特性分析

我們可以從造價(jià)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、設(shè)備投運(yùn)與維護(hù)、pH值控制、自動控制裝置效率、脫硫效率來看，雙堿法脫硫更適合小鍋爐脫硫。

表1 雙堿法脫硫與石灰（石）法脫硫比較

表2 35t/h鍋爐雙堿循環(huán)法運(yùn)行費(fèi)用分析

6 結(jié)束語

與傳統(tǒng)濕法脫硫工藝相比，本新型雙循環(huán)雙堿法原則上具有如下優(yōu)點(diǎn)：

1）有效穩(wěn)定的pH值控制以及多樣的運(yùn)行方式使得循環(huán)過程水泵、管道、設(shè)備均無較明顯的腐蝕與堵塞現(xiàn)象，便于設(shè)備運(yùn)行與保養(yǎng),大幅度降低了設(shè)備的運(yùn)行保養(yǎng)費(fèi)；

2）采用短曝氣方式以及再循環(huán)方式，pH值擾動小，循環(huán)泵功率相對也小，脫硫劑利用率高，電耗率相對較低。

3）控制方式較為簡單，適合自動化程度較高的運(yùn)行，降低人力資源損耗。

本裝置已在小型供熱鍋爐中投入運(yùn)行使用，當(dāng)然小型燃煤工業(yè)鍋爐的優(yōu)勢在于煤耗量較少，因此采用一些簡易可行方法先大幅度降低煤中的SO2含量[6]，然后采用更加節(jié)能模式的SO2吸收工藝，是我們后續(xù)研究的重點(diǎn)。

[1] Vorbach.M.Marr.R：Sicbenhofer,M.In 3rd International Symposium on Reaction Kinetics and the Development and Operation of Catalytic Processes,2001：575-580.

[2] 汪黎東,趙毅,李薔薇,等.濕法脫硫中亞硫酸鹽非催化氧化本征動力學(xué)[J].化學(xué)學(xué)報(bào),2007(22)：2618-2622

[3] 田鳳國,吳江,章明川,等.一種新的濕法脫硫強(qiáng)制氧化技術(shù)[J].熱能動力工程,2004.

[4] 許正濤,吳樹志,范新寬.濕法煙氣脫硫系統(tǒng)不設(shè)GGH 的經(jīng)濟(jì)性及對環(huán)境影響的分析[J].電力環(huán)境保護(hù),2005.

[5] 肖漓,周國榮.濕式鈣/鎂法煙氣脫硫自動控制系統(tǒng)[J].電力環(huán)境保護(hù),2009.

[6] 徐宏祥,陳宣辰.煤炭生物脫硫技術(shù)的研究及其應(yīng)用[J].煤炭技術(shù),2009.

TH166

B

1009-0134(2010)09-0176-03

10.3969/j.issn.1009-0134.2010.09.54

2010-03-17

嚴(yán)方（1977 -），男，工程師，工學(xué)碩士，研究方向?yàn)閺?fù)雜系統(tǒng)數(shù)學(xué)建模技術(shù)、工業(yè)爐節(jié)能減排裝置設(shè)計(jì)、工控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與調(diào)試。