工業(yè)鍋爐脫硫試驗(yàn)與性能考核*

王志成，張偉君，張 宇

（黑龍江省能源環(huán)境研究院，黑龍江 哈爾濱 150027）

（Energy and Environmental Research Institute of Heilongjiang Province，Harbin 150027,China）

環(huán)境工程

工業(yè)鍋爐脫硫試驗(yàn)與性能考核*

王志成，張偉君，張 宇

（黑龍江省能源環(huán)境研究院，黑龍江 哈爾濱 150027）

采用高效脫硫劑及脫硫工藝對(duì)工業(yè)鍋爐煙氣進(jìn)行脫硫試驗(yàn)與性能考核。研究試驗(yàn)過(guò)程包括脫硫劑的研制，脫硫試驗(yàn)曲線的繪制、工業(yè)試驗(yàn)及考核等。

工業(yè)鍋爐；脫硫；試驗(yàn)；考核

Industrial boiler desulphurization test and performance test*

WANG Zhi-cheng，ZHANGWei-jun，ZHANG Yu

（Energy and Environmental Research Institute of Heilongjiang Province，Harbin 150027,China）

Abstract:It is about the desulphurization test and the performance test on flue gas of industrial boiler by using highly efficient desulphurizing agents.The process includes themanufacture of the desulphurizing agents,the curve drawing of desulfurization test,industrial testand evaluation and so on.

Key words:industrial boiler；desulphurization；experiment；evaluation

國(guó)家環(huán)?？偩纸y(tǒng)計(jì)指出：2007年全國(guó)煤耗25.8億t，SO2排放總量為2468萬(wàn)t，全國(guó)工業(yè)鍋爐約50萬(wàn)臺(tái)左右，其中96%是燃煤的，年耗煤4.3億t，排放SO2約640萬(wàn)t。正是由于SO2排放量超出大氣環(huán)境容量的80%，位居世界第一，使“十一五”環(huán)保減排計(jì)劃無(wú)法按期完成。

環(huán)境保護(hù)是我國(guó)的一項(xiàng)基本國(guó)策，為迎接2008年北京奧運(yùn)會(huì)，創(chuàng)建環(huán)保城市，國(guó)家“十一五”期間設(shè)立了“清潔能源”技術(shù)攻關(guān)項(xiàng)目，不僅對(duì)煙氣SO2排放濃度提出高標(biāo)準(zhǔn)，也對(duì)SO2排放總量提出要求。我院承擔(dān)了工業(yè)鍋爐脫硫技術(shù)攻關(guān)課題。

1 煙氣凈化機(jī)理

工業(yè)鍋爐脫硫技術(shù)屬于濕法脫硫，液體煙氣脫硫劑對(duì)煙氣洗滌，發(fā)生氧化還原反應(yīng)，達(dá)到固硫的目的。煤中硫分為有機(jī)硫和無(wú)機(jī)硫兩種形式。煤中硫的存在形式主要以無(wú)機(jī)硫?yàn)橹?，大約占70%左右。無(wú)機(jī)硫又主要以FeS2形式存在。

FeS2在燃燒過(guò)程中發(fā)生如下反應(yīng)：

在富氧以及500℃以上的條件下，

煤中有機(jī)硫大約占煤中硫的30%，大致可分為以下幾種形態(tài)：

硫醇類(lèi)（R-SH）：苯硫酚

硫化物類(lèi)（R-S-R'）：硫醚

二硫化物類(lèi)（R-S-S-R'）：二硫醚

噻吩類(lèi)：噻吩、二苯并噻吩、硫茚[1]。

有機(jī)硫與氧的反應(yīng)按溫度的高低可分兩個(gè)階段進(jìn)行。低溫下帶有C-S、S-H鏈?zhǔn)芥I的硫化合物發(fā)生分解，再與O2反應(yīng)生成SO2；高溫下多環(huán)噻吩類(lèi)化合物發(fā)生分解，與O2反應(yīng)生成SO2。H2S氧化反應(yīng)按下列過(guò)程進(jìn)行：

工業(yè)鍋爐爐膛溫度屬于高溫[2]。

從煤的燃燒機(jī)理上看，硫在燃燒后主要以SO2形式排放到大氣中。我們應(yīng)用氧化還原反應(yīng)理論，在除塵器后加一套煙氣凈化裝置，把有害氣體SO2轉(zhuǎn)化為硫酸鹽類(lèi)沉降，從而減少SO2排放量，達(dá)到國(guó)家SO2排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

其反應(yīng)過(guò)程如下：

首先，SO2溶解于水中，生成H2SO3，

其次，H2SO3與脫硫劑中元素X反應(yīng)

H2SO3+X→XSO3+H2O

由于煙氣中SO2過(guò)剩，故繼續(xù)與生成的亞硫酸鹽反應(yīng)：

由于亞硫酸鹽和亞硫酸氫鹽不穩(wěn)定，一部分被O2氧化：

XHSO3、XSO3、XHSO4和 XSO4顆粒沉降后，未被利用的凈化劑被送回凈化裝置中循環(huán)使用。

2 脫硫劑的研究與實(shí)驗(yàn)

脫硫劑原料是常規(guī)化工原料，加工工藝簡(jiǎn)單易行，脫硫劑溶解度大，對(duì)SO2親和力強(qiáng)，反應(yīng)產(chǎn)物不結(jié)垢，吸收SOx后生成固體的硫酸鹽，沉積在煙氣脫硫裝置底部，便于回收。

脫硫劑中有Fe、Mg等化學(xué)元素，在煙氣脫硫過(guò)程中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，有下列反應(yīng)：

為了檢測(cè)脫硫劑的脫硫效果，我們對(duì)不同含硫量原煤進(jìn)行脫硫試驗(yàn)，測(cè)得脫硫劑與固硫量之間的比例關(guān)系。

表1 劑硫比測(cè)試結(jié)果Tab.1 The testing data table of the sorbentwith sulfur ratio

從表1中可以得出,劑硫比為1.5∶1，求得直線方程：x-1.5y=0。

圖1 劑硫比測(cè)試圖Fig.1 The ratio of the sorbentwith sulfur

劑硫比是衡量脫硫效果的重要指標(biāo)，同時(shí)也是考核脫硫成本的依據(jù)，我們通過(guò)不同的劑硫比檢驗(yàn)了煙氣排放的SO2濃度，收集、整理數(shù)據(jù)見(jiàn)表2、圖2。

表2劑硫比與SO2測(cè)試表Tab.2 The ratio of the sorbentwith sulfurand testing data of SO2

圖2 SO2排放濃度曲線圖Fig.2 The emission concentration curve of SO2

從圖2、表2中可以看出，劑硫比越高，脫硫效果越好。通過(guò)比較，確定劑硫比1.5∶1為最佳，即用最低的劑硫比達(dá)到最佳的脫硫效果，且經(jīng)濟(jì)性最佳。

確定劑硫比后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)，確定了加劑量與SO2排放濃度的曲線回歸方程見(jiàn)表3。

表3 回歸方程計(jì)算統(tǒng)計(jì)表Tab.3 Regression equation table

計(jì)算曲線回歸方程：U=u0e-cv

得出直線回歸方程：ln u=9.59－0.197v；

變換曲線回歸方程：U=14618e-0.197v。

3 工業(yè)試驗(yàn)

3.1 煙氣凈化裝置

煙氣凈化裝置是實(shí)現(xiàn)工業(yè)鍋爐脫硫的重要設(shè)備。我們通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)模擬煙氣流場(chǎng)情況，經(jīng)過(guò)分析、設(shè)計(jì)、試驗(yàn)，確定采用噴淋式煙氣洗滌裝置。脫硫劑通過(guò)噴淋頭霧化后，與流經(jīng)的煙氣充分接觸，對(duì)煙氣進(jìn)行洗滌脫硫，射流方向與煙氣流動(dòng)方向相同的有4個(gè)噴淋頭，相反的有4個(gè)噴淋頭，這樣既保證脫硫劑與煙氣接觸時(shí)間充足，又減少了對(duì)煙氣的阻力，有利于煙氣的排放。噴淋頭的作用是把液體脫硫劑分割成許多微小滴群，增大其表面積，促進(jìn)脫硫劑與煙氣最大面積接觸，在流出凈化裝置之前，完成化學(xué)反應(yīng)。直徑1mm的液滴被分割成直徑10μm均勻的液滴群后，其個(gè)數(shù)增加1百萬(wàn)倍，表面積增加100倍。噴霧液滴與氣體相比密度高，具有一定的穿透氣體的能力，有利于與SO2充分反應(yīng)，達(dá)到脫硫的目的，煙氣凈化裝置脫硫塔見(jiàn)圖3。

圖3 煙氣凈化裝置脫硫塔Fig.3 Flue gas desulfurization tower

煙氣凈化裝置還包括固液分離器，它能使噴淋后的脫硫劑（含固體硫酸鹽，脫硫劑粘度隨著噴淋時(shí)間的加長(zhǎng)而增大），通過(guò)固液分離器將硫酸鹽從脫硫劑中沉降、分離出來(lái)。脫硫劑可重復(fù)使用。在煙氣凈化裝置的設(shè)計(jì)中我們充分考慮了煙氣出入口的位置、噴淋頭的大小、位置及個(gè)數(shù)，同時(shí)還根據(jù)煙氣的流量，脫硫劑噴淋時(shí)對(duì)煙氣的阻力，選擇了合理的脫硫劑循環(huán)泵，以滿足噴淋的要求，保證脫硫效率。

煙氣凈化裝置的進(jìn)出口和允許的最大煙氣流量與試驗(yàn)用工業(yè)鍋爐相匹配，為此，課題組專(zhuān)程前往山西太原測(cè)取工業(yè)鍋爐的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

3.2 工業(yè)試驗(yàn)及性能考核

工業(yè)鍋爐脫硫試驗(yàn)選擇在全國(guó)清潔能源城市、SO2污染嚴(yán)重的山西省太原市進(jìn)行，在太原市煤氣化有限公司4t·h-1工業(yè)鍋爐上完成。鍋爐型號(hào)CMML2.8-60/85-A，使用日期為2004年11月，燃料消耗量為900kg·h-1，排氣煙筒高35m，大氣壓力935kPa，環(huán)境溫度－7℃。

脫硫考核由太原市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站負(fù)責(zé)。該站監(jiān)測(cè)人員根據(jù)定電位電解法，采用KM900手持式煙氣分析儀，監(jiān)測(cè)SO2、O2的數(shù)據(jù)，我院應(yīng)用碘量法，同時(shí)監(jiān)測(cè)SO2，兩個(gè)結(jié)果誤差僅為0.9%～1.1%。

工業(yè)試驗(yàn)首先對(duì)未經(jīng)脫硫處理的煙氣進(jìn)行SO2排放濃度監(jiān)測(cè)，太原市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心監(jiān)測(cè)結(jié)果為3096mg·m-3(平均值)，我院科研人員監(jiān)測(cè)結(jié)果為3123mg·m-3（平均值），試驗(yàn)誤差0.9%。

圖5 脫硫后煙氣監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖Fig.5 Schematic diagram ofmonitoring pointson flue gasafter desulfurization

試驗(yàn)人員啟動(dòng)脫硫劑泵，煙氣經(jīng)煙氣凈化裝置，被脫硫劑洗滌，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行30min后，開(kāi)始監(jiān)測(cè)脫硫后煙氣SO2排放濃度。太原市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站監(jiān)測(cè)結(jié)果 SO2排放濃度為 175mg·m-3(平均值)，我院科研人員監(jiān)測(cè)結(jié)果為173mg·m-3(平均值)，試驗(yàn)誤差1.1%，最終監(jiān)測(cè)結(jié)果均以太原市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心站數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，脫硫效率高達(dá)94.3%。國(guó)標(biāo)鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB13271-2001）規(guī)定，燃煤鍋爐II時(shí)段最新標(biāo)準(zhǔn)SO2允許排放濃度為900mg·m-3，脫硫后SO2排放濃度175mg·m-3，僅為國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)SO2排放限值的20%。課題組圓滿完成脫硫試驗(yàn)及性能考核任務(wù)。

4 結(jié)論

工業(yè)鍋爐脫硫技術(shù)有效地解決了工業(yè)鍋爐煙氣SO2排放超標(biāo)的問(wèn)題，不僅脫硫率高，而且投資少，適合老工業(yè)鍋爐改造，便于技術(shù)推廣。

［1］張名耀.潔凈煤發(fā)電技術(shù)及工程應(yīng)用［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.138-140.

［2］劉琦.環(huán)境化學(xué)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004.68-69.

TM621.2

A

1002-1124（2011）01-0029-04

2010-12-08

國(guó)家科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目（2001BA401A02-53）

王志成（1973-），男，哈爾濱市人，高級(jí)工程師，1996年畢業(yè)于哈爾濱工程大學(xué)，學(xué)士學(xué)位，研究室主任，主要從事鍋爐尾氣凈化及替代能源技術(shù)研究工作，曾獲黑龍江省科技發(fā)明一等獎(jiǎng)兩項(xiàng)；黑龍江省科技進(jìn)步一等獎(jiǎng)一項(xiàng)；全國(guó)石油化工行業(yè)科技二等獎(jiǎng)一項(xiàng)；黑龍江省科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)一項(xiàng)，科技成果十余項(xiàng)。