雙堿脫硫法在混燃流化床鍋爐的應(yīng)用技術(shù)探討

張茂忠

（甘肅金昌化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，甘肅 金昌 737000）

雙堿脫硫法在混燃流化床鍋爐的應(yīng)用技術(shù)探討

張茂忠

（甘肅金昌化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，甘肅 金昌 737000）

介紹了雙堿法的脫硫基本流程、化學(xué)反應(yīng)機(jī)理和工程實(shí)現(xiàn)中煙氣脫硫控制系統(tǒng)。基于噴淋脫硫洗滌塔建設(shè)將雙堿法應(yīng)用于甘肅金昌化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司60t/h三廢混燃流化床鍋爐煙氣脫硫項(xiàng)目，使SO2和粉塵的排放濃度達(dá)到《鍋爐煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)》。

煙氣脫硫；噴淋脫硫洗滌塔；雙堿法

甘肅金昌化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司，以煤制合成氨技術(shù)為龍頭，已形成各種化肥、化工為主業(yè)跨行業(yè)經(jīng)營的大型企業(yè)集團(tuán)，是甘肅省乃至西北地區(qū)化肥產(chǎn)品生產(chǎn)能力最大，品種最多、最全的化肥企業(yè)。現(xiàn)有能夠運(yùn)行蒸汽鍋爐5臺，由于滿足不了環(huán)保要求。因此，公司對60t/h的三廢混燃流化床鍋爐進(jìn)行環(huán)保達(dá)標(biāo)技術(shù)改造。

目前運(yùn)行的60t/h的“三廢”混燃流化床鍋爐，排煙直接進(jìn)入電除塵器，而后通過引風(fēng)機(jī)、煙囪排放。運(yùn)行時脫硫除塵系統(tǒng)存在如下問題：未建設(shè)有效的脫硫、脫硝設(shè)施，除塵器出口SO2濃度為600～2000mg/Nm3，粉塵濃度為200mg/m3左右，污染濃度高于國家排放標(biāo)準(zhǔn)限值［1］。鍋爐排放的SO2和粉塵嚴(yán)重破壞大氣環(huán)境并威脅著人類的健康，根據(jù)國家環(huán)保西北督查局中心、甘肅省環(huán)保廳、金昌市環(huán)保局要求，針對該鍋爐必須建設(shè)煙氣脫硫項(xiàng)目，使出口SO2排放濃度不大于200mg/Nm3，粉塵濃度不大于80mg/Nm3。

煙氣脫硫，即除去煙氣中的硫及化合物的過程，主要指煙氣中的SO、SO2和SO3排放達(dá)到環(huán)境要求。按脫硫劑的種類，方法很多，世界上普遍使用的商業(yè)化技術(shù)是鈉鈣雙堿法［3，4］，所占比例在90%以上。

鈉鈣雙堿法是反應(yīng)速率極快的氣-液反應(yīng)過程，先用活性極強(qiáng)的鈉堿作為吸收劑吸收SO2，然后再用鈣堿對吸收液進(jìn)行再生。從化學(xué)反應(yīng)機(jī)理上分析，脫硫過程屬于酸堿反應(yīng)，鈉堿的堿性強(qiáng)于鈣基吸收劑，更越利于吸收酸性氣體。同時，脫硫廢液主要成分為硫酸鈉、亞硫酸鈉和亞硫酸氫鈉，均為可溶性，不結(jié)垢不堵塞，所以不會產(chǎn)生大量的脫硫渣，可實(shí)現(xiàn)設(shè)備穩(wěn)定可靠運(yùn)行。

鑒于鈉鈣雙堿法的優(yōu)劣，甘肅金昌化學(xué)工業(yè)集團(tuán)針對60t/h的三廢混燃流化床鍋爐的煙氣脫硫項(xiàng)目，選用鈉鈣雙堿法，建設(shè)霧化噴淋式脫硫塔及其相關(guān)的脫硫附屬系統(tǒng)，對鍋爐的尾氣脫硫進(jìn)行技術(shù)攻堅(jiān)，為其他鍋爐工作改造奠定基礎(chǔ)。

1 雙堿法脫硫基本流程

鍋爐煙氣先經(jīng)過電除塵器除塵，然后由引風(fēng)機(jī)送入聚丙烯制成的旋流板脫硫除塵塔，用堿液洗滌，凈氣排空。塔底流出液進(jìn)入沉淀池，加入石灰乳、攪拌混合。亞硫酸鈣、硫酸鈣和飛灰一并沉淀下來，再用刮渣機(jī)撈出涼干，運(yùn)到堆渣場。氫氧化鈉清液返回系統(tǒng)重復(fù)使用，無廢水排放。

鍋爐除塵脫硫煙氣流程：鍋爐來煙氣→引風(fēng)機(jī)→脫硫吸收塔→煙囪，典型脫硫系統(tǒng)（如圖1所示）。燃煤鍋爐產(chǎn)生的污染煙氣，由引風(fēng)機(jī)抽出正壓吹入高效霧化噴淋式脫硫塔內(nèi)（煙氣進(jìn)口設(shè)置在脫硫塔中下部），在脫硫塔的入口處設(shè)置了預(yù)降溫與預(yù)脫硫系統(tǒng)，經(jīng)過降溫增濕并脫去部分SO2后的煙氣進(jìn)入脫硫塔。在脫硫塔內(nèi)煙氣由下而上與噴淋漿液逆流接觸，兩者充分混合。塔內(nèi)設(shè)置三層高效霧化系統(tǒng)，在該區(qū)段空間充滿著由霧化器噴出的粒徑為100～300μm的霧化液滴，煙氣中SO2與吸收堿液再次反應(yīng)，脫除90%以上的二氧化硫。噴霧系統(tǒng)的合理選型及科學(xué)布置，使該霧化區(qū)形成無死角、重疊少的霧狀液體均勻分布的霧化區(qū)段，煙氣較長時間內(nèi)在霧化區(qū)中穿行，煙氣中SO2有了充足的機(jī)會與脫硫液接觸，并不斷與霧滴相碰，其中SO2與吸收液進(jìn)行反應(yīng)，從而被脫除，同時殘留煙塵被帶上“水珠”，質(zhì)量增大。脫硫后的液體落入脫硫塔底部，定時定期排入脫硫塔后設(shè)置的收集系統(tǒng)，適當(dāng)補(bǔ)充一定量的堿液后經(jīng)循環(huán)泵再次送入噴霧和配液系統(tǒng)中再次利用，脫硫劑始終處于循環(huán)狀態(tài)。

圖1 典型脫硫系統(tǒng)圖

經(jīng)多次循環(huán)后的脫硫漿液排入后處理系統(tǒng)，由于設(shè)計(jì)的特殊性，經(jīng)脫硫后的煙氣通過塔頂除霧器時，利用其導(dǎo)向作用產(chǎn)生強(qiáng)大的慣性力，將煙氣中的液滴分離出來，達(dá)到同時除塵除霧的效果。潔凈煙氣最終達(dá)標(biāo)排放。

2 反應(yīng)機(jī)理

鈉鈣雙堿法［Na2CO3/Ca（OH）2］采用純堿啟動，鈉鈣吸收SO2、石灰再生的方法。其基本化學(xué)原理可分脫硫過程和再生過程［4］：

Ⅰ.脫硫過程

（1）式為吸收啟動反應(yīng)式；（2）式為主要反應(yīng)式，pH＞9（堿性較高時）；（3）式為當(dāng)堿性降低到中性甚至酸性時（5＜pH＜9）。

Ⅱ.再生過程

（4）式是再生池內(nèi)加石灰時的反應(yīng)方程式；（5）式是再生反應(yīng)的主要反應(yīng)方程式；（6）式是再生液PH較高時的再生反應(yīng)方程式。

3 雙堿法脫硫控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)主要包括pH值控制、變頻循環(huán)泵噴霧控制、補(bǔ)堿控制、石灰乳罐液位控制、攪拌控制以及反沖洗控制。

pH值控制：pH值控制分為脫硫塔出口、脫硫塔、清夜池pH值控制。為了保證最佳脫硫效果，清夜池pH值應(yīng)維持在12左右，當(dāng)清夜池pH下降溶液呈酸性趨勢時，先通過PLC控制增加18.5kW變頻器的頻率，使進(jìn)入再生池的石灰乳增加來提高循環(huán)水的pH值。由于石灰乳的堿性不強(qiáng)，當(dāng)加石灰乳無法使清夜池的pH值達(dá)到12時，再通過PLC控制，打開NaOH罐緊急補(bǔ)入純堿使清夜池pH值上升至12左右。為最大效率運(yùn)用堿液，脫硫塔出口pH值不應(yīng)太高，應(yīng)維持在8左右。當(dāng)清夜池pH值保持穩(wěn)定時，若出口pH值下降說明此時煙氣流量突然增大，需要通過PLC控制來增加75kW變頻器的頻率使進(jìn)入脫硫塔的堿液增加，若出口pH值上升，說明此時煙氣流量突然減小，需要通過PLC控制來減小75kW變頻器頻率使進(jìn)入脫硫塔的堿液減少。由此可看出本系統(tǒng)中，出口pH傳感器也間接的檢測了煙氣流量；當(dāng)清夜池與出口pH都減小時，通過PLC控制來增加全部變頻器的頻率，使進(jìn)入循環(huán)水與脫硫塔的堿增加以保證脫硫效果達(dá)到最佳。

變頻循環(huán)泵噴霧控制：當(dāng)煙氣進(jìn)入脫硫塔時，循環(huán)泵將清夜池中的NaOH溶液抽到脫硫塔噴頭處，噴頭將堿液以霧狀形式噴出，吸收完SO2的堿液流入脫硫塔下方的出口管道進(jìn)入再生池。循環(huán)泵的頻率主要通過脫硫塔出口pH值來控制，pH值升高變頻器降低頻率，pH降低，變頻器增加頻率，該控制算法為PID控制。

補(bǔ)堿控制：補(bǔ)堿控制分為石灰乳補(bǔ)堿控制與NaOH罐補(bǔ)堿控制，當(dāng)清夜池pH值下降時，通過PLC控制來增加18.5kW變頻器頻率，該控制算法為PID控制。由于石灰乳的堿性比較低，當(dāng)繼續(xù)加石灰乳而pH無法到達(dá)需要的12時，再通過PLC控制打開NaOH堿罐閥門緊急補(bǔ)入純堿使pH值上升至12左右。

石灰乳罐液位控制：石灰乳罐液位是一個通過電磁閥通斷的不連續(xù)控制，當(dāng)液位傳感器檢測液位到達(dá)低液位設(shè)定值時，通過PLC控制打開電磁閥，當(dāng)液位傳感器檢測液位加到高液位設(shè)定值時，通過PLC控制關(guān)閉電磁閥，該控制為P控制。

攪拌控制：攪拌控制分為再生池?cái)嚢杩刂?，石灰乳罐攪拌控制，NaOH乳攪拌控制，攪拌控制電機(jī)工頻運(yùn)行，系統(tǒng)運(yùn)行時起動，系統(tǒng)停止時停止。

停爐反沖洗控制：停爐反沖洗是在鍋爐停止運(yùn)行的情況下對脫硫塔進(jìn)行清洗的過程，脫硫塔反沖洗都通過電磁閥通斷來控制。

4 應(yīng)用

將上述鈉鈣雙堿法應(yīng)用于金化集團(tuán)60t/h的“三廢”混燃流化床鍋爐廢氣脫硫應(yīng)用中，脫硫系統(tǒng)主要包括SO2吸收系統(tǒng)、煙氣系統(tǒng)、脫硫劑供給系統(tǒng)、脫硫副產(chǎn)物處理系統(tǒng)、工藝水系統(tǒng)和電氣控制系統(tǒng)。SO2吸收系統(tǒng)作為鍋爐廢氣脫硫系統(tǒng)的核心，其設(shè)計(jì)的合理性直接決定脫硫效率和成本。下面將討論SO2吸收系統(tǒng)的具體工程實(shí)施。

SO2吸收系統(tǒng)包括以下內(nèi)容：吸收塔、吸收塔漿液循環(huán)、脫硫液排出、煙氣除霧等幾個主要部分，還包括輔助的放空、排空設(shè)施。重點(diǎn)是吸收塔方案設(shè)計(jì)。

在吸收塔內(nèi)安裝脫硫設(shè)備，即噴霧系統(tǒng)、除霧器、反沖洗裝置及其它輔助設(shè)施。經(jīng)霧化的脫硫劑與從煙氣中捕獲的SO2和SO3等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成亞硫酸鈉和亞硫酸氫鈉等物質(zhì)。脫硫并除塵后的凈煙氣通過除霧器除去氣流中夾帶的霧滴后排出吸收塔。脫硫塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)選材必須能承受煙氣飛灰和脫硫工藝固體懸浮物的磨損，同時考慮塔體和內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮腐蝕余度。

噴霧系統(tǒng)包括管線、噴嘴、支撐、加強(qiáng)件和配件等。漿液噴淋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)使噴淋層的布置達(dá)到所要求的噴淋漿液覆蓋率，使吸收溶液與煙氣充分接觸，從而保證在適當(dāng)?shù)囊?氣比（L/G）下可靠地實(shí)現(xiàn)所要求的脫硫效率。噴淋吸收塔內(nèi)部堿液噴淋系統(tǒng)由分配管網(wǎng)和噴嘴組成，噴淋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)能夠合理分布要求的噴淋量，使煙氣流向均勻，并確保堿液與煙氣充分接觸和反應(yīng)。

除霧器用于分離煙氣攜帶的液滴，分為粗細(xì)二級，并配備沖洗水系統(tǒng)和噴淋系統(tǒng)。位于下面的第一級除霧器葉片間隙稍大，用來分離上升煙氣所攜帶的較大液滴。上方的第二級除霧器葉片距離較小，用來分離上升煙氣中的微小漿液液滴和除霧器沖洗水滴。煙氣流經(jīng)除霧器時，液滴由于慣性作用，留在擋板上。由于被滯留的液滴也含有固態(tài)物，因此存在擋板上結(jié)垢的危險，導(dǎo)致煙氣通過除霧器時產(chǎn)生壓降，為避免這種情況需利用工業(yè)水定期進(jìn)行在線清洗，因此在一級除霧器的上下面和二級除霧器的下面設(shè)有沖洗噴嘴。

5 結(jié)論

針對甘肅金昌化學(xué)工業(yè)集團(tuán)有限公司混燃流化床鍋爐尾氣排放超標(biāo)問題，與上海東華大學(xué)環(huán)境學(xué)院開展煙氣脫硫技術(shù)合作，基于鈉鈣雙堿法開展噴淋脫硫洗滌塔建設(shè)，進(jìn)行煙氣脫硫改造工程，成功實(shí)施于集團(tuán)9#混燃鍋爐煙氣脫硫，實(shí)現(xiàn)了SO2排放濃度不大于200mg/Nm3，粉塵濃度不大于80mg/ Nm3的目標(biāo)，取得良好的環(huán)境效應(yīng)，為企業(yè)的長遠(yuǎn)綠色環(huán)保發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，邁出建設(shè)環(huán)境友好型企業(yè)的堅(jiān)實(shí)一步。

［1］ GB13271-2001，鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］ 岳濤，莊德安，楊明珍，等.我國燃煤火電廠煙氣脫硫脫硝技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀［J］.能源研究與信息，2008，24（3）：125～129.

［3］ 劉常勝，李述祖.鈉堿法治理有色冶煉二氧化硫煙氣［J］.中國有色冶金，2008，6（3）：50～53.

［4］ 盧芬，劉書敏，鄭原超，等.鈉-鈣雙堿法煙氣脫硫工藝［J］.廣東化工，2010，37（3）：159～160.

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