鋼廠高爐煤氣鍋爐發(fā)電煙氣脫硫技術(shù)特點(diǎn)及設(shè)計(jì)方案

供稿|王宏偉 / WANG Hong-wei

近年來，隨著鋼廠節(jié)能減排和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的大力發(fā)展，為了綜合利用富余的高爐煤氣，鋼廠紛紛建設(shè)高爐煤氣回收發(fā)電，把高爐煤氣作為煤氣鍋爐的主要燃料，安裝高爐煤氣鍋爐，配備汽輪發(fā)電機(jī)組。本文針對某鋼廠40 MW高溫超高壓中間再熱煤氣發(fā)電工程脫硫項(xiàng)目進(jìn)行了系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)。

煙氣脫硫方案設(shè)計(jì)要求

基本參數(shù)和技術(shù)要求

新建的130 T高溫超高壓高爐煤氣鍋爐排放的煙氣含硫最高200 mg/m3，粉塵5 mg/m3。根據(jù)當(dāng)前國家環(huán)保的排放限值是：SO230 mg/m3和粉塵5 mg/m3，因此需要對排放煙氣設(shè)計(jì)脫硫方案(見表1)，使排放煙氣SO2含量降到30 mg/m3以下，同時(shí)脫硫過程不得增加粉塵濃度，并且保證脫硫機(jī)組年穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間≥8400 h，除霧器出口機(jī)械水含量≤75 mg/m3。

總體設(shè)計(jì)原則

按照交鑰匙工程進(jìn)行整體設(shè)計(jì)；設(shè)計(jì)遵循“先進(jìn)、實(shí)用、可靠、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保”的原則，總圖布置合理、工藝流程先進(jìn)，節(jié)省用地，節(jié)約投資；在工藝設(shè)備的選擇方面，采用先進(jìn)的節(jié)能降耗技術(shù)，減少水、電、壓縮空氣等動(dòng)力消耗，降低運(yùn)行成本，以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

表1 脫硫前后煙氣參數(shù)及技術(shù)要求

脫硫系統(tǒng)的特點(diǎn)

脫硫劑的選擇

高爐煤氣鍋爐發(fā)電的煙氣特點(diǎn)：含硫低、粉塵濃度低，一般情況下脫硫入口SO2含量為70～120 mg/m3，粉塵含量為3～5 mg/m3。如果采用傳統(tǒng)的石灰-石膏法，勢必會(huì)在脫硫的同時(shí)，由于石灰漿液和石膏夾帶等原因增加粉塵濃度。所以，在本項(xiàng)目中脫硫劑就地取材，以鍋爐循環(huán)水為主脫硫劑，鍋爐循環(huán)水本身pH為8～9，這樣就避免了傳統(tǒng)石灰-石膏法由于脫硫漿液中石灰、石膏和雜質(zhì)成分增加原本已經(jīng)達(dá)標(biāo)的粉塵濃度的可能性，另外省去了外購脫硫劑的成本，達(dá)到了節(jié)能降耗的目的。

因此，該脫硫工藝技術(shù)采用節(jié)能環(huán)保新工藝技術(shù)：鍋爐循環(huán)水+(石灰-石膏)法，即以鍋爐循環(huán)水為主脫硫劑，石灰為輔助脫硫劑。主脫硫劑鍋爐循環(huán)水pH一般為8～9，輔助脫硫劑石灰粉理化指標(biāo)為：ω(CaO)≥80%、ω(SiO2)為3.5%～5%，以及粒度≥200目。這樣在入口SO2初始濃度不超過120 mg/m3的情況下，基本開啟一層噴淋就可以把硫降到30 mg/m3以下，在入口SO2初始濃度超過120 mg/m3的情況下，啟動(dòng)輔助脫硫劑加入系統(tǒng)，把硫降到30 mg/m3以下。雙脫硫劑的實(shí)施，可以消耗較少的石灰，優(yōu)點(diǎn)是：避免石灰漿液和石膏夾帶帶來的粉塵增加，同時(shí)減少一層噴淋也減少了系統(tǒng)阻力。

循環(huán)方式的選擇

脫硫工藝采用“塔外雙循環(huán)池”的方式，即采用一座脫硫塔、兩個(gè)外置循環(huán)池，其優(yōu)點(diǎn)是：事故狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)循環(huán)池互為備用，保證脫硫系統(tǒng)與鍋爐的同步率；采用塔外雙循環(huán)池，可實(shí)現(xiàn)脫硫塔離線檢修，提高脫硫系統(tǒng)利用率；循環(huán)池采用半地下運(yùn)行，停運(yùn)循環(huán)泵時(shí)，進(jìn)出管道內(nèi)的循環(huán)漿液可倒流回循環(huán)池，實(shí)現(xiàn)自行排空，避免了泵和管道內(nèi)的石膏沉積。

提高脫硫效率和降低霧滴排放的措施

在提高脫硫效率和降低霧滴排放方面采取了以下措施：吸收塔采用三層噴淋，三層煙氣再分布環(huán)，三級平板式除霧器；脫硫塔內(nèi)采用煙氣再分布環(huán)技術(shù)，避免了煙氣爬壁逃逸，提高了脫硫效率，同時(shí)設(shè)計(jì)噴淋層時(shí)，將外圈噴嘴的噴淋漿液直接噴射在煙氣再分布環(huán)上，避免了直接噴射在塔壁上，減少了對塔壁沖刷；塔頂煙囪采用煙氣冷凝水收集器技術(shù)，有效抑制霧滴排放；吸收塔采用碳鋼+玻璃鱗片防腐處理，塔頂煙囪直排；優(yōu)化煙道設(shè)計(jì)，降低風(fēng)速，減少阻損；本脫硫系統(tǒng)阻力約450 Pa，不用考慮使用增壓風(fēng)機(jī)。

煙氣脫硫設(shè)計(jì)方案

原理

發(fā)電鍋爐煙氣脫硫工程采用循環(huán)水+(石灰-石膏)濕法脫硫工藝，脫硫劑主要利用廠區(qū)內(nèi)鍋爐循環(huán)水作為脫硫介質(zhì)，循環(huán)水經(jīng)過與煙氣接觸反應(yīng)，洗滌煙氣中的SO2，返回雙循環(huán)池循環(huán)使用，部分廢水外排。在硫含量相對較高時(shí)，啟動(dòng)輔助脫硫劑石灰漿液，進(jìn)行補(bǔ)充和調(diào)節(jié)循環(huán)池循環(huán)水的pH值。

工藝流程

采取“循環(huán)水+(石灰-石膏)法”對鍋爐煙氣中的SO2進(jìn)行脫除，吸收塔采用空塔噴淋形式。鍋爐產(chǎn)生的煙氣經(jīng)引風(fēng)機(jī)進(jìn)入噴淋塔，與噴淋層的脫硫液逆流接觸，充分反應(yīng)后去除煙氣中的SO2。脫硫后煙氣經(jīng)噴淋塔上方的除霧器分離出凈煙氣中的霧滴，再經(jīng)直排煙囪達(dá)標(biāo)排放。設(shè)置氧化風(fēng)機(jī)向循環(huán)池底部鼓入空氣，對脫硫中間產(chǎn)物亞硫酸鈣進(jìn)行強(qiáng)制氧化，將漿液中未氧化的和氧化成。循環(huán)池內(nèi)設(shè)有攪拌器，以保證混合均勻，防止?jié){液沉淀；石膏排出引出部分脫硫液，維持塔內(nèi)漿液密度恒定。通過向循環(huán)池內(nèi)不斷加入循環(huán)水，當(dāng)硫含量高時(shí)輔助加入石灰漿液，維持循環(huán)池漿液的pH值穩(wěn)定，保證脫硫效率。

脫硫系統(tǒng)組成

脫硫系統(tǒng)包括：煙氣系統(tǒng)、吸收塔系統(tǒng)、石灰脫硫劑制備系統(tǒng)、石膏外排系統(tǒng)、工藝水及輔助系統(tǒng)、疏放系統(tǒng)、電氣及熱控系統(tǒng)。

煙氣系統(tǒng)

煙氣經(jīng)煙道進(jìn)入吸收塔，經(jīng)過吸收塔凈化后由直排煙囪直接排放。

煙氣入口煙道均采用不小于8 mm厚的優(yōu)質(zhì)碳素鋼材質(zhì)，并考慮留有足夠的腐蝕裕量；塔頂凈煙氣煙道采用優(yōu)質(zhì)碳素鋼+玻璃鱗片防腐材料，其中碳鋼厚度為8 mm，玻璃鱗片厚度不小于2 mm。

吸收塔系統(tǒng)

吸收塔和整個(gè)漿液循環(huán)系統(tǒng)、氧化空氣系統(tǒng)能適應(yīng)脫硫系統(tǒng)負(fù)荷的變化，并保證脫硫效率及其他各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)達(dá)到排放要求。吸收塔系統(tǒng)包括：吸收塔本體、吸收塔漿液循環(huán)及攪拌、石膏漿液排出、除霧和氧化空氣系統(tǒng)等幾個(gè)部分。

(1) 吸收塔采用噴淋塔。吸收塔本體包括：三層逆流噴淋裝置和三級平板式除霧器，最多兩層噴淋層投運(yùn)可保證設(shè)計(jì)工況下≥85%的脫硫率。吸收塔殼體由碳鋼制做，內(nèi)表面采用內(nèi)襯玻璃鱗片樹脂。

(2) 吸收塔配有3臺(tái)循環(huán)泵，采用單元制運(yùn)行方式，每一臺(tái)循環(huán)泵對應(yīng)一層噴淋裝置。循環(huán)泵將漿液從下部漿液池打到噴淋層，經(jīng)過噴嘴噴淋，形成顆粒細(xì)小、反應(yīng)活性很高的霧化液滴。采用國際先進(jìn)的碳化硅空心錐噴嘴，在同等噴霧條件下，對泵的壓力需求較低。噴淋層的布置增加了漿液與氣體的接觸面積和機(jī)率，保證吸收塔橫截面能被完全布滿，使SO2、SO3、HF、HCl等被充分去除。由于在吸收塔內(nèi)吸收劑漿液通過循環(huán)泵反復(fù)循環(huán)與煙氣接觸，吸收劑利用率很高。當(dāng)煙氣含硫量較低時(shí)，可靈活調(diào)整噴淋裝置投運(yùn)的層數(shù)，以達(dá)到節(jié)能和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的目的。

(3) 吸收塔配備1臺(tái)氧化風(fēng)機(jī)。提供將CaSO3氧化為CaSO4所需的空氣，氧化系統(tǒng)采用噴管式系統(tǒng)。被吸收的SO2與脫硫劑反應(yīng)生成CaSO3，在吸收塔循環(huán)池通過強(qiáng)制氧化作用被通入的空氣氧化成石膏。

(4) 吸收塔循環(huán)池功能：完成酸性物質(zhì)和脫硫劑的反應(yīng)；提供脫硫劑足夠的溶解時(shí)間。當(dāng)鍋爐原煙氣通過吸收塔時(shí)，會(huì)蒸發(fā)帶走一部分吸收塔內(nèi)的水分，脫硫反應(yīng)的反應(yīng)熱也會(huì)蒸發(fā)帶走一定的水分，這樣將導(dǎo)致液位下降，循環(huán)池中的漿液固體濃度增大，進(jìn)而影響反應(yīng)的正常進(jìn)行，通過調(diào)節(jié)漿液排放量以及補(bǔ)充除霧器沖洗水來控制漿液的密度。

(5) 吸收塔漿液攪拌系統(tǒng)能防止?jié){液沉淀結(jié)塊，合理的設(shè)計(jì)布置保證空氣的最佳分布和漿液的充分氧化，氧化過程不需添加任何化學(xué)藥劑。

(6) 除霧器安裝在吸收塔上部，用以分離凈煙氣攜帶的霧滴。除霧器的除霧效率99%以上，除霧器出口霧滴含量不大于75 mg/m3(干基)。在一級和二級除霧器的上下表面和三級除霧器的下表面設(shè)置沖洗水系統(tǒng)，用于清洗除霧器。

石灰脫硫劑制備系統(tǒng)

通過外購的石灰粉，裝入石灰儲(chǔ)倉，通過下部星型給料機(jī)和螺旋輸送機(jī)輸入到石灰漿液箱中進(jìn)行溶解。

石灰粉溶解水采用循環(huán)泵支路直接將循環(huán)漿液打入石灰漿液箱，采用循環(huán)漿液作為石灰粉溶解水。

石灰漿液箱安裝有一根溢流管。通過溢流管上的調(diào)節(jié)閥調(diào)整向循環(huán)池供應(yīng)石灰漿液量。石灰漿液箱裝有頂進(jìn)式攪拌器。

當(dāng)主脫硫劑循環(huán)水無法滿足脫硫要求時(shí)，需要啟動(dòng)輔助脫硫劑石灰漿液加入系統(tǒng)。加入循環(huán)系統(tǒng)石灰粉的多少將取決于預(yù)計(jì)的SO2脫除率、鍋爐負(fù)荷及吸收塔漿液的pH值。石灰粉倉星型卸料器為變頻控制，通過調(diào)整星型卸料器的頻率滿足吸收塔內(nèi)漿液pH值的要求。

石膏外排系統(tǒng)

由于入口煙氣硫含量低，生成石膏非常少，因此本工程不設(shè)置石膏脫水系統(tǒng)，而是定期通過罐車送至燒結(jié)機(jī)脫硫系統(tǒng)進(jìn)行處理或定期定量外排至鋼廠廢水處理系統(tǒng)。

工藝水及輔助系統(tǒng)

系統(tǒng)的工藝水主要是用來補(bǔ)充廢水系統(tǒng)排掉的、吸收塔內(nèi)蒸發(fā)掉和排掉的水分。同時(shí)，循環(huán)水還用于沖洗漿液管道、漿液箱和漿液池等。

工藝水箱的水源為來自廠區(qū)處理的循環(huán)水。進(jìn)水分為主給水管路和旁路給水管路，主管路上設(shè)置電動(dòng)蝶閥，進(jìn)行給水的供應(yīng)和關(guān)斷操作。蝶閥的開關(guān)通過工藝水箱液位的高低信號來自動(dòng)控制。

工藝水箱水源主要用來作為除霧器的沖洗水，漿液箱、池的補(bǔ)充水及沖洗漿液管道水，由循環(huán)水總管道直接供給。

漿液循環(huán)泵的軸密封水由鍋爐風(fēng)機(jī)冷卻水經(jīng)閥門直接供給，經(jīng)過漿液循環(huán)泵的軸密封水排入地溝進(jìn)入地坑。

設(shè)備、管道及箱罐的沖洗水和設(shè)備的冷卻水回收至循環(huán)池重復(fù)使用。

脫硫用氮?dú)鈦碜缘獨(dú)夤蕹隹诠?，用于除霧器沖洗氣動(dòng)閥門及CEMS的吹掃。

疏放系統(tǒng)

脫硫設(shè)置一個(gè)地坑，收集系統(tǒng)排水。地坑漿液通過地坑泵返回脫硫系統(tǒng)循環(huán)池。

系統(tǒng)運(yùn)行主要技術(shù)參數(shù)

脫硫系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)見表2。安裝調(diào)試完成后，經(jīng)過了168 h性能考核，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，各項(xiàng)指標(biāo)完全達(dá)標(biāo)排放。入口SO2初始濃度約70 mg/m3，粉塵初始濃度約4 mg/m3，出口SO2排放濃度基本在10 mg/m3左右，粉塵排放濃度基本維持在4 mg/m3。

攝影 楊 棟

表2 脫硫系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

結(jié)束語

對于鋼廠高爐煤氣鍋爐發(fā)電煙氣脫硫，煙氣特點(diǎn)是含硫低、粉塵濃度低，本文采用節(jié)能環(huán)保新工藝技術(shù)：鍋爐循環(huán)水+(石灰-石膏)法，即以pH為8～9的鍋爐循環(huán)水為主脫硫劑，石灰為輔助脫硫劑。同時(shí)，采用塔外雙循環(huán)池的方式，可以在事故狀態(tài)下，兩個(gè)循環(huán)池互為備用，保證了脫硫系統(tǒng)與鍋爐的同步率。經(jīng)過168 h的性能測試，系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，保持高脫硫效率的同時(shí)，沒有增加粉塵的排放濃度，完全滿足環(huán)保排放要求。