鈉法與鈣法焦爐煙氣旋轉噴霧脫硫特性對比

周 昊, 陳建中, 周明熙, 程 明， 倪建東，羊 韻， 徐 建， 陳活虎

(1. 浙江大學 能源清潔利用國家重點實驗室， 杭州 310027；2. 上海寶鋼節(jié)能環(huán)保技術有限公司, 上海 201999)

鈉法與鈣法焦爐煙氣旋轉噴霧脫硫特性對比

周 昊1, 陳建中1, 周明熙1, 程 明1， 倪建東2，羊 韻2， 徐 建2， 陳活虎2

(1. 浙江大學 能源清潔利用國家重點實驗室， 杭州 310027；2. 上海寶鋼節(jié)能環(huán)保技術有限公司, 上海 201999)

在旋轉噴霧脫硫(Spray Drying Absorber，SDA)實驗臺上對低含濕量、高煙溫的模擬焦爐煙氣進行了脫硫實驗，研究高入口煙氣溫度、高絕熱飽和溫差條件下，Na2CO3和Ca(OH)22種脫硫劑的脫硫特性.討論了化學計量比、脫硫塔入口煙溫、絕熱飽和溫差和脫硫塔內煙氣溫降對脫硫效率的影響.結果表明：隨化學計量比的增大，Na2CO3脫硫效率增長速率比Ca(OH)2脫硫效率增長速率更快，當2種脫硫劑與SO2的化學計量比分別達到1.1和1.5時，脫硫效率趨于平緩；脫硫效率隨絕熱飽和溫差的增大呈指數(shù)形式下降；在保持出口煙氣溫度不變條件下，提高入口煙氣溫度有利于提高脫硫效率；脫硫塔內煙氣溫降增大也有利于提高脫硫效率.

旋轉噴霧脫硫； 焦爐煙氣； 蒸發(fā)速率； 化學計量比； 絕熱飽和溫差

Abstract： Desulfurization tests were conducted on the simulated coke oven gas with low humidity and high temperature in a spray drying absorber, so as to study the desulfurization characteristics of agents Na2CO3and Ca(OH)2at high inlet gas temperatures and far approach to adiabatic saturation temperature (AAST), and to analyze the effects of following factors on the desulfurization efficiency, such as the stoichiometric ratio (SR), inlet gas temperature, AAST and gas temperature drop, etc. Results show that as the stoichiometric ratio increases, the desulfurization efficiency of Na2CO3grows faster than that of Ca(OH)2, and when the stoichiometric ratio of Na2CO3to SO2and Ca(OH)2to SO2gets up to 1.1 and 1.5, respectively, the desulfurization efficiency tends to be stable. The spray-dry desulfurization efficiency decreases exponentially with the increase of AAST. Keeping the outlet gas temperature constant, the desulfurization efficiency can also be improved by raising the inlet gas temperature. Increasing the gas temperature drop is also beneficial to the desulfurization efficiency.

Key words： spray-dry desulphurization; coke oven gas; evaporation rate; stoichiometric ratio; approach to adiabatic saturation temperature

2012年,環(huán)境保護部頒布的GB 16171—2012 《煉焦化學工業(yè)污染物排放標準》對煉焦過程中污染物排放提出了嚴格的要求，焦爐煙氣脫硫成為一個亟待解決的問題[1].但目前焦爐煙氣治理尚處于起步階段.針對焦爐煙氣特性，適宜采用半干法旋轉噴霧脫硫(SDA)作為焦爐煙氣的脫硫手段，該工藝具有工況適應性廣，投資運行成本少，無廢水排放，系統(tǒng)簡單以及占地面積較少等優(yōu)點[2].焦爐煙氣工況波動較大，SDA工藝可以通過調節(jié)霧化量而快速響應煙氣量以及含硫濃度的變化.而且SDA脫硫過程中煙氣溫度降低幅度較小，有利于進行后續(xù)的SCR煙氣脫硝處理，大幅減少了煙氣的再熱能耗[3].

較多研究者認為SDA工藝脫硫效率主要受以下幾個運行參數(shù)的影響：絕熱飽和溫差(Approach to Adiabatic Saturation Temperature, AAST)、脫硫塔入口煙氣溫度、脫硫劑與SO2的化學計量比(Stoichiometric Ratio, SR)、漿液霧化粒徑和脫硫劑固體顆粒的大小等[2, 4-6].SDA煙氣脫硫系統(tǒng)運行參數(shù)對于脫硫反應的影響主要是通過影響反應速率、反應時間和反應的表面積來體現(xiàn)[6].Papadakis等[7-8]指出，當絕熱飽和溫度很小時，脫硫效率與AAST呈指數(shù)關系.絕熱飽和溫度(Tas)是脫硫塔出口處的一個煙氣狀態(tài)參數(shù)，與煙氣的溫度和濕度有關[9](Tas=f(H,t))，絕熱飽和溫差ΔTas為煙氣溫度與Tas的差值.關于脫硫劑顆粒粒徑特性對SDA脫硫效率的影響，Scala等[2]和Partridge等[10-11]指出，減小Ca(OH)2顆粒的粒徑大小能增加顆粒比表面積，提高固體顆粒的溶解速率，從而提高脫硫效率.對于霧化特性對脫硫效率的影響，Scala等[2]和Yang等[12-13]認為，霧化粒徑大小同時影響液滴的比表面積和蒸發(fā)時長.減小霧化粒徑將增加霧化液滴的數(shù)目、增大液滴比表面積，從而有效減小二氧化硫被液滴吸收的傳質阻力，提高脫硫效率；但同時，小粒徑液滴的蒸發(fā)時間將縮短，縮短了脫硫的液相反應時長，降低了脫硫效率.這是因為在干燥階段，脫硫劑與二氧化硫的反應很慢[4].

筆者討論了幾個關鍵運行參數(shù)(化學計量比、脫硫塔入口煙氣溫度、絕熱飽和溫差以及脫硫塔內煙氣溫降)對Na2CO3和Ca(OH)2脫硫劑脫硫效率的影響.重點關注反應速率更高，溶解度更大的Na2CO3能否有效提高SDA工藝的脫硫效率.

1 實驗裝置與分析測量方法

1.1 實驗裝置介紹

實驗系統(tǒng)如圖1所示，主要由模擬煙氣發(fā)生系統(tǒng)、漿液供應系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)以及輔助測量系統(tǒng)組成.

所模擬的焦爐煙氣發(fā)生系統(tǒng)可提供150～230 ℃的熱煙氣.由柴油在熱風爐里燃燒產生高溫煙氣，調節(jié)輕油燃燒器的功率可控制排煙溫度.熱風爐入口的閥門用于調節(jié)熱煙氣流量大小.在熱風爐內熱煙氣與來自高壓氣瓶的SO2充分混合后引入脫硫塔.SO2流量由耐腐蝕Alicat流量計完成調節(jié).在漿液供應系統(tǒng)中，漿液罐內配備電機攪拌器，防止Ca(OH)2發(fā)生沉淀，并通過計量泵調節(jié)漿液流量，將漿液輸送到霧化器，由轉子流量計實時監(jiān)測漿液流量.脫硫塔體內徑1 800 mm，直段高度6 000 mm.熱煙氣從脫硫塔頂?shù)臒煔夥峙浔P均布旋流后與霧化后的脫硫霧滴進行混合，然后從下錐體上部的出煙口流出.脫硫之后的煙氣經布袋除塵器除塵后，由引風機排出.整個SDA脫硫系統(tǒng)包裹厚度為100 mm的硅酸鋁纖維，用于系統(tǒng)設備保溫.

1.2 分析測量系統(tǒng)介紹

在線測量參數(shù)包括：煙氣流量、煙氣溫度、煙氣濕度以及SO2濃度.在熱風爐出口的煙道內布置了測壓管，用于采集煙道內的靜壓和全壓以獲得煙氣流量.煙氣溫度由K型熱電偶測量，在熱風爐出口、脫硫塔入口、中部和出口布置了溫度測點.在熱風爐出口、脫硫塔進、出口以及除塵器出口布置煙氣采樣點，由Testo350煙氣分析儀測量煙氣中的SO2濃度.煙氣濕度采用嶗應3012H型煙氣測試儀測量.

1.3 實驗工況

實驗過程中使用的基準溶液是10%質量分數(shù)的Na2CO3漿液(或Ca(OH)2).漿液供應系統(tǒng)有清水和漿液兩條管路，通過調節(jié)漿液管路的流量來改變脫硫劑與SO2的化學計量比；調節(jié)清水流量控制脫硫塔內的煙氣溫降和趨近絕熱飽和溫差.熱煙氣體積流量為2 000 m3/h，SO2質量濃度為35 mg/m3，煙氣含濕量為4.5%，脫硫塔入口煙氣溫度變化范圍為160～220 ℃.具體煙氣成分參數(shù)見表1.

表1 脫硫塔入口煙氣組分

2 實驗結果與討論

2.1 霧化粒徑測量結果

實驗所用霧化器是轉速為18 000 r/min的離心式旋轉霧化器，霧化粒徑采用LS-2000分體式激光噴霧粒度分析儀進行測量，具體的粒徑分布見圖2，霧化粒徑的特性參數(shù)見表2，其中DN50表示數(shù)量平均直徑，Dv50為體積平均直徑，D32為索特爾平均直徑.霧化粒徑比表面積大小影響霧化液滴的蒸發(fā)和其對SO2的吸收，工程上一般使用索泰爾平均粒徑(SMD)作為霧化液滴的平均直徑.

圖2 霧化粒徑分布

DN50Dv50D3221.8322.3617.04

2.2 化學計量比對脫硫效率的影響

化學計量比是影響SDA工藝脫硫效率的重要運行參數(shù).實驗通過改變漿液濃度來調節(jié)化學計量比，同時保持霧化漿液量不變(目的是維持煙氣絕熱飽和溫差不變).實驗研究化學計量比對Ca(OH)2和Na2CO32種不同脫硫劑脫硫效率的影響，反應物化學計量比的變化范圍為0～3，入口煙氣SO2質量濃度為35 mg/m3，脫硫劑的質量分數(shù)為10%，其他實驗參數(shù)見表3.其中qV為脫硫漿液體積流量，Tin、Tout分別為脫硫塔入口和出口的煙氣溫度.

例（40）是“A到VP”格式作賓語的類型，“自己笨到沒朋友了”作“感覺”的賓語。例（41）是“A到VP”格式作補語的類型，“離譜到想抽自己”作“錯”的補語。例（42）是“A到VP”格式作定語的類型，“實力低到爆”作“角色”的定語。例（43）是“A到VP”格式作謂語的類型，“方便到你都不相信這在祖國”作句子謂語。

表3 不同化學計量比和絕熱飽和溫差時的實驗工況

化學計量比ζ與脫硫效率η的定義式如下：

(1)

(2)

式中：NCa(OH)2、NNa2CO3和NSO2,i分別為Ca(OH)2、Na2CO3和SO2的摩爾流量，mol/h；ρSO2,i、ρSO2,o分別為脫硫塔入口與出口煙氣的SO2質量濃度.

圖3(a)給出了不同化學計量比和絕熱飽和溫差條件下Na2CO3為脫硫劑時的脫硫效果.圖3(a)中，化學計量比對脫硫效率的影響情況可分為2個區(qū)間：一是線性增長區(qū)間，即當ζ<1.0時，脫硫效率隨Na2CO3用量的增加呈線性升高，其斜率在0.4～0.8；二是飽和區(qū)間，當ζ>1.0時，增加Na2CO3的用量對脫硫效率的提高作用明顯減弱，脫硫效率升高平緩.通過提高漿液濃度來增大反應物化學計量比，霧化液滴中的堿金屬離子濃度增大，單位體積內離子數(shù)增多，碰撞機會增大，傳質阻力減小，提高了單位時間內發(fā)生化學反應的概率，反應速率加快[17].當化學計量比ζ大于1.1之后，反應物濃度不再是限制反應速率的主要因素，此時其他影響因素，例如脫硫塔內煙氣流場、煙氣中SO2的擴散系數(shù)以及液滴蒸發(fā)時長等成為限制脫硫效率升高的主要原因.此外，從圖3(a)還可以看出，脫硫效率的升高斜率及上限值受煙氣絕熱飽和溫差的影響.絕熱飽和溫差越大，斜率越小，脫硫效率上限值越低.當ΔTas=50 K，脫硫效率可以達到86%，而當ΔTas=90 K時，脫硫效率只能達到40%左右.

圖3(b)中，以Ca(OH)2為脫硫劑，當ζ<1.5時，脫硫效率隨著脫硫劑用量的增加同樣呈線性升高，但是其斜率較小，為0.18～0.47.相對于Na2CO3，采用Ca(OH)2脫硫劑時脫硫效率與化學計量比的相關系數(shù)較低，但是化學計量比的作用區(qū)間更長.這主要是因為Ca(OH)2微溶于水，溶液中的堿金屬濃度較低，使得反應速率較慢；此外，Ca(OH)2與SO2的反應速率小于Na2CO3與SO2的反應速率.這些因素決定了以Ca(OH)2為脫硫劑時需要有更長的液相反應時長作為保障.但由于實驗過程中，煙氣溫度較高，絕熱飽和溫差較大，所以脫硫塔內霧化液滴的蒸發(fā)時長相對較短.因此以Ca(OH)2為脫硫劑時，增大脫硫劑化學計量比所帶來的脫硫效率上的增益受到了液相反應時長的限制.

(a) Na2CO3為脫硫劑

(b) Ca(OH)2為脫硫劑

2.3 絕熱飽和溫差對脫硫效率的影響

絕熱飽和溫差是脫硫塔出口煙氣溫度與煙氣絕熱飽和溫度之間的差值，用于衡量煙氣接近絕熱飽和狀態(tài)的程度.絕熱飽和溫差與煙氣的溫度和濕度有關，煙氣溫度越高、濕度越小，則煙氣絕熱飽和溫差越大.ΔTas對蒸發(fā)速率影響很大，因為液滴蒸發(fā)速率受液滴周圍的溫度和相對濕度影響，這2個因素會影響液滴蒸發(fā)的傳熱和傳質勢差，也就是蒸發(fā)驅動力的大小[18-19].由于脫硫反應主要是在液態(tài)下以離子反應的形式進行，干燥條件下的反應速率只有液相條件下反應速率的千分之幾[20].所以減小煙氣的ΔTas，有利于延長液滴蒸發(fā)時間，維持液相反應環(huán)境，實現(xiàn)更高的脫硫效率.工程上，一般將ΔTas設定為10 K左右，因此有關絕熱飽和溫差的研究也局限于5～20 K，對于更高ΔTas條件下的脫硫效率變化，缺少相應的實驗研究.但為了減少焦爐煙氣脫硝工序所需的再熱能耗，應盡量提高脫硫塔出口的煙氣溫度，這樣必然使得煙氣的絕熱飽和溫差偏大.為了研究高絕熱飽和溫差條件下的脫硫效率情況，實驗控制ΔTas在50～100 K之間變化.具體的實驗工況見表3，測量結果見圖4.

由圖4可知，鈣法與鈉法SDA脫硫中，ΔTas的變化對脫硫效率的影響都很大.脫硫效率隨絕熱飽和溫差的增大呈指數(shù)形式下降[21].當絕熱飽和溫差數(shù)值越小，ΔTas的變化對脫硫效率的影響就越大.Na2CO3的脫硫效率明顯高于Ca(OH)2的脫硫效率.相同的絕熱飽和溫差條件下，Na2CO3脫硫效率比Ca(OH)2脫硫效率大約高20%.這是因為Na2CO3易溶于水，脫硫漿液中的脫硫劑以離子的形式存在，霧化后的脫硫劑與SO2反應過程中省去了溶劑溶解于水的環(huán)節(jié)；此外，Na2CO3與SO2的反應速率常數(shù)要大于Ca(OH)2與SO2的反應速率常數(shù).因此在高絕熱飽和溫差條件下，蒸發(fā)時長較短時，Na2CO3的脫硫效率更好.

圖4 絕熱飽和溫差與脫硫效率的關系

2.4 入口煙氣溫度對脫硫效率的影響

為了研究脫硫塔入口煙氣溫度對脫硫效率的影響，通過調節(jié)燃燒器功率改變熱煙氣溫度，使脫硫塔入口煙氣溫度在160～220 ℃內變化，同時通過調節(jié)噴漿量維持脫硫塔出口煙氣溫度為100 ℃.具體實驗工況如表4所示，實驗結果見圖5.

表4 不同脫硫塔入口煙氣溫度下的實驗工況

從圖5可以看出，在保持脫硫塔出口煙氣溫度不變的條件下，提高脫硫塔入口煙氣溫度對脫硫效率是有利的.因為提高入口煙氣溫度之后，通過煙氣傳熱也相應地提高了霧化液滴的溫度.而SO2的溶解度隨溶液溫度的升高而升高，所以提高入口煙氣溫度能加快霧化液滴對SO2的吸收速率，從而提高脫硫效率.此外，提高霧化液滴溫度有助于提高液滴內部各離子的質量擴散系數(shù)，加快反應物之間的物質流動和脫硫反應速率.更主要的原因是，入口煙氣溫度升高需相應加大霧化漿液量來維持出口煙氣溫度不變，從而增加了霧化液滴數(shù)目，反應表面積增大，提高了脫硫效率.

從圖5還可以看出，使用Na2CO3作為脫硫劑時的脫硫效率相比于Ca(OH)2提高了10%～15%；此外，改變入口煙氣溫度對Ca(OH)2的脫硫效率影響更大.這是因為霧化液滴數(shù)目增多，反應表面積增大，單位時間內參與反應的SO2分子數(shù)目增多，縮短了反應時間，因而在液滴完全蒸發(fā)之前會有更多的煙氣參與液相條件下的脫硫反應.由于Ca(OH)2反應速率較慢，需要更長的液相反應環(huán)境，因此延長液相反應時長對提高Ca(OH)2脫硫效率更為顯著.

圖5 脫硫塔入口煙氣溫度對脫硫效率的影響(同一出口煙溫)

2.5 脫硫塔內煙氣溫降對脫硫效率的影響

焦爐煙氣脫硫之后的低溫SCR脫硝對煙氣溫度有一定的要求.為了減少因再熱煙氣所投入的能量消耗，需要盡量在保障SDA脫硫效率的情況下，減少脫硫塔內的煙氣溫降.為了研究不同入口煙氣溫度條件下，脫硫塔內煙氣溫降對脫硫效率的影響，對以Na2CO3為脫硫劑時的脫硫效率進行測量.實驗工況見表5，入口煙氣溫度由160 ℃提高到220 ℃，脫硫塔內的溫降范圍在20～80 K.實驗結果見圖6.

表5 不同脫硫塔內煙氣溫降下的實驗工況

圖6 脫硫塔內煙氣溫降對脫硫效率的影響

由圖6可知，SDA脫硫效率隨著脫硫塔內煙氣溫降的升高而升高.當入口煙氣溫度較高、塔內溫降較低時，脫硫效率很低，僅有20%～30%.不過，隨著脫硫塔內煙氣溫降的增大，脫硫效率快速升高.這是因為當入口煙氣溫度較高、脫硫塔內煙氣溫降較小時，霧化量小，霧化液滴與煙氣溫差較大，蒸發(fā)強烈，大部分的液滴還沒來得及與SO2發(fā)生反應就已經蒸發(fā)，所以脫硫效率很低；隨著脫硫塔內霧化漿液量提高，煙氣溫降增大，塔內煙氣的含濕量也隨之增大，脫硫塔內的煙氣溫度下降，蒸發(fā)的傳質勢差和傳熱勢差減小，蒸發(fā)速率下降，脫硫的液相反應時間增加，所以脫硫效率明顯增大.從圖6還可以看出，入口煙氣溫度越高，脫硫效率對脫硫塔內煙氣溫降的響應區(qū)間越大.

當脫硫塔入口煙氣溫度小于170 ℃，塔內溫降對脫硫效率的增益效果由快速增大到逐漸下降然后趨于平緩，脫硫塔內煙氣溫降與脫硫效率呈S曲線關系.這是因為當煙氣溫降足夠大、霧化液滴蒸發(fā)時間足夠長，滿足了脫硫離子反應所需的霧化液滴液相滯留時長.此時，因減小煙氣溫降而延長蒸發(fā)時長所帶來的脫硫效率增益作用達到飽和，脫硫效率主要受SO2氣體擴散到液滴表面的擴散速率與脫硫塔內的氣流組織形式等其他因素限制.實驗結果表明，當入口煙氣溫度為160 ℃時，脫硫塔內煙氣溫降為60 K時就能滿足鈉法脫硫反應所需的液相反應時長，此時脫硫效率為86%.

3 結 論

(1) Na2CO3作為脫硫劑時，當化學計量比接近1.1時，化學計量比對脫硫效率的影響逐漸減弱；Ca(OH)2作為脫硫劑時，當化學計量比大于1.5之后，增加脫硫劑用量對脫硫效率的影響不大.

(2) 絕熱飽和溫差是影響脫硫效率的重要因素，其通過影響霧化液滴蒸發(fā)時間來影響液相脫硫反應時長.脫硫效率隨絕熱飽和溫差的升高呈指數(shù)形式下降.

(3) 在不改變脫硫塔出口煙氣溫度的條件下，升高脫硫塔入口煙氣溫度有助于提高脫硫效率.在相同的條件下，Na2CO3的脫硫效率比Ca(OH)2的脫硫效率高10%～15%.

(4) 脫硫塔內煙氣溫降對脫硫效率有很大影響.脫硫效率隨著脫硫塔內煙氣溫降的升高而升高.當入口煙氣溫度較低時，脫硫效率隨脫硫塔內煙氣溫降的升高呈S曲線形式增大.脫硫效率隨煙氣溫降的升高先逐漸升高，但是當脫硫塔內煙氣溫降增大到一定數(shù)值之后，煙氣溫降對脫硫效率的作用減弱，升高速率下降.隨著入口煙氣溫度的升高，脫硫效率隨煙氣溫降的增大呈指數(shù)形式提高.

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Characteristic Study on Calcium and Sodium Based Spray-dry Desulfurization of Coke Oven Gas

ZHOUHao1,CHENJianzhong1,ZHOUMingxi1,CHENGMing1,NIJiandong2,YANGYun2,XUJian2,CHENHuohu2

(1. State Key Laboratory of Clean Energy Utilization, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China;2. Shanghai Baosteel Energy Tech Co., Ltd., Shanghai 201999, China)

2016-09-12

國家重點基礎研究發(fā)展計劃資助項目(2015CB251501)

周 昊(1973-)，男，江蘇吳江人，教授，博士生導師，主要從事煤的低污染優(yōu)化燃燒方面的研究.電話(Tel．)：13906532015； E-mail：zhouhao@zju.edu.cn．

1674-7607(2017)10-0848-07

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