鎂礦砂回轉(zhuǎn)窯窯尾煙氣SDS干法脫硫工藝的設(shè)計應(yīng)用

周英貴，田 昊

(江蘇世清環(huán)?？萍加邢薰?，江蘇南京 210012)

隨著國家對大氣污染物的環(huán)保排放要求越來越嚴(yán)格，相關(guān)企業(yè)治理污染物排放的力度也不斷加大，冶金鋼鐵行業(yè)的煙氣治理越來越受到重視。為減少煙氣中二氧化硫等有害物質(zhì)的排放量，使其滿足環(huán)保要求，同時改善當(dāng)?shù)卮髿猸h(huán)境，很多先進(jìn)的脫硫技術(shù)已被應(yīng)用。

目前國內(nèi)外煙氣脫硫技術(shù)種類較多，根據(jù)脫硫劑和脫硫副產(chǎn)物的物理形態(tài)不同，煙氣脫硫技術(shù)可以分為干法脫硫、半干法脫硫和濕法脫硫三大類[1]。其中濕法脫硫主要有石灰石-石膏濕法脫硫、氨-硫銨法工藝濕法脫硫、鎂-亞硫酸鎂工藝濕法脫硫、海水濕法脫硫以及雙堿法等；半干法脫硫的代表工藝有循環(huán)流化床CFB-FGD工藝、旋轉(zhuǎn)噴霧干燥脫硫工藝、NID脫硫工藝等；干法脫硫的代表工藝有爐內(nèi)噴鈣尾部煙道增濕活化脫硫工藝、電子束干法脫硫、活性炭吸附脫硫等常規(guī)方法[2-3]。為減少鎂礦砂回轉(zhuǎn)窯窯尾煙氣中的二氧化硫污染物的排放，并滿足國家環(huán)保政策的嚴(yán)格要求，更好改善當(dāng)?shù)卮髿猸h(huán)境質(zhì)量，太鋼集團(tuán)率先在鎂礦砂回轉(zhuǎn)窯煙氣脫硫工程項目上應(yīng)用國際上較為先進(jìn)的SDS(Sodium bicarbonate dry powder spray)碳酸氫鈉干法煙氣脫硫工藝，該工藝無廢氣、廢水排放、且不消耗水資源，也不增加系統(tǒng)能耗。

筆者介紹了該脫硫工藝在實際工程中的應(yīng)用，利用SDS干法脫硫工藝技術(shù)對太鋼1條鈣鎂砂φ2.5 m×110 m回轉(zhuǎn)窯生產(chǎn)線的窯尾煙氣進(jìn)行脫硫超低排放處理，通過脫硫工藝凈化后，窯尾煙氣ρ(SO2)≤35 mg/m3，滿足大氣污染物超低排放標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 脫硫原理及流程

1.1 SDS脫硫原理

SDS干法脫硫技術(shù)在20世紀(jì)80年代由比利時開發(fā)，在干式脫硫反應(yīng)塔內(nèi)噴入高活性的超細(xì)顆粒粉狀脫硫劑(碳酸氫鈉)，進(jìn)入脫硫塔的回轉(zhuǎn)窯窯尾煙氣溫度180～220 ℃，噴入的小蘇打超細(xì)粉在添加劑的促進(jìn)作用下被高溫?zé)煔饧せ?，小蘇打顆粒發(fā)生爆米花效應(yīng)的爆漲，體積增加，生成活性強(qiáng)的像海綿一樣的多孔結(jié)構(gòu)，同時分解成Na2CO3、CO2和水，具有很高的反應(yīng)活性和吸附活性。新產(chǎn)生的碳酸鈉Na2CO3在生成瞬間有高度的反應(yīng)活性，可自發(fā)地與煙氣中的酸性污染物進(jìn)行下列反應(yīng)：

SDS干法脫硫技術(shù)系統(tǒng)簡單、操作方便、故障率低，同步運行率達(dá)100%。脫硫系統(tǒng)啟動運行后，為全干態(tài)運行，脫硫反應(yīng)器和下游設(shè)備均不需防腐，實現(xiàn)廢水零排放，沒有濕法煙囪拖尾和冒白煙現(xiàn)象；同時脫硫系統(tǒng)不需要霧化噴水增濕，節(jié)約水資源。排煙溫度高，基本與脫硫塔入口煙氣溫度一致。高溫干煙氣的排放杜絕了煙氣氣溶膠產(chǎn)生的條件，同時SDS脫硫工藝具有良好的機(jī)組負(fù)荷調(diào)節(jié)適應(yīng)性，可保證脫硫系統(tǒng)可靠穩(wěn)定地連續(xù)運行。

1.2 SDS工藝流程

鎂礦砂回轉(zhuǎn)窯窯尾排出的高溫?zé)煔饨?jīng)過原已建SCR脫硝反應(yīng)器和降溫塔后，從降溫塔出口煙道引出，經(jīng)原煙氣管道閥門和新增系統(tǒng)入口管道閥門切換匯合后，進(jìn)入SDS脫硫反應(yīng)器進(jìn)口煙道。在SDS脫硫塔進(jìn)口水平總煙道上，通過干式噴射器將碳酸氫鈉超細(xì)粉顆粒噴入總煙道內(nèi)。在脫硫劑噴射器和脫硫塔體之間設(shè)置了碳酸氫鈉顆粒均布裝置，使得脫硫劑碳酸氫鈉在噴入脫硫塔水平總煙道高溫?zé)煔庋杆偌訜峄罨せ钸^程中，脫硫劑進(jìn)脫硫塔之前同時完成了脫硫劑細(xì)顆粒粉與煙氣的充分均勻混合。進(jìn)入脫硫塔反應(yīng)器后，受熱激活后活性和比表面積均增強(qiáng)的脫硫劑碳酸氫鈉與回轉(zhuǎn)窯窯尾煙氣充分接觸，發(fā)生物理吸附和化學(xué)反應(yīng)，煙氣中的SO2，HCl等酸性氣體被高效吸收凈化。反應(yīng)后的脫硫劑副產(chǎn)物與煙氣一起進(jìn)入布袋除塵器脫除凈化，黏附在布袋上的含有脫硫劑的副產(chǎn)物顆粒可進(jìn)一步發(fā)生脫硫反應(yīng)。其整套脫硫工藝流程如圖1所示。

圖1 SDS干法脫硫工藝流程

2 系統(tǒng)設(shè)計及參數(shù)

2.1 項目概況

項目中的鎂礦砂回轉(zhuǎn)窯窯尾煙氣的參數(shù)見表1。單套回轉(zhuǎn)窯系統(tǒng)配置1套SDS脫硫反應(yīng)器裝置，脫硫裝置的窯尾煙氣處理能力達(dá)到60 000 m3/h，按照120%滿負(fù)荷進(jìn)行設(shè)計。鎂礦砂回轉(zhuǎn)窯窯尾煙氣經(jīng)凈化處理后的ρ(SO2)≤ 35 mg/m3，粉塵 (ρ)≤ 10 mg/m3，滿足超低排放要求。

表1 鎂礦砂窯尾煙氣參數(shù)條件

2.2 SDS脫硫系統(tǒng)組成

脫硫設(shè)備構(gòu)成包括如下：

1）高效研磨系統(tǒng)：包含碳酸氫鈉儲倉、星型給料器、中間粉倉、螺旋輸送計量裝置、高效研磨器、離心風(fēng)機(jī)、氣力輸送管道等。

2）脫硫煙氣系統(tǒng)：包括煙道、文丘里噴射段、導(dǎo)流板、脫硫反應(yīng)器、布袋除塵器等。

3）碳酸氫鈉噴射裝置：噴射器、均布器。

4）壓縮空氣系統(tǒng)：包括壓縮空氣管道、減壓閥、閥門等。

5）儀表組件：觀察窗、塔進(jìn)口溫度計、塔進(jìn)口壓力變送器、塔出口溫度計、塔出口壓力變送器、塔進(jìn)口SO2監(jiān)測儀表、布袋除塵器出口SO2監(jiān)測儀表等。

SDS干法煙氣脫硫系統(tǒng)中所用的脫硫劑原料為進(jìn)料粒徑小于10 mm的碳酸氫鈉顆粒料，由計量給料機(jī)定量送入超細(xì)粉磨機(jī)的主機(jī)腔進(jìn)行研磨。主機(jī)腔內(nèi)安裝在轉(zhuǎn)盤上的磨輥繞中心軸旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下磨輥水平向外擺動，從而使磨輥壓緊磨環(huán)，磨輥同時繞磨輥銷自轉(zhuǎn)；物料通過磨輥與磨環(huán)之間的間隙，因磨輥的滾碾而達(dá)到粉碎和研磨作用，一次性加工成小于10 μm的微粉(通過率97%的標(biāo)準(zhǔn)下)，且其中小于3 μm的細(xì)粉占40%左右，比表面積大。系統(tǒng)運行過程中的脫硫劑用量為150 kg/h，脫硫劑的過量系數(shù)為1.05。

3 運行效果分析

3.1 煙氣溫度對脫硫的影響

在窯尾煙氣脫硫過程中，煙氣溫度是一個重要的影響因素。一般情況下，碳酸氫鈉在50 ℃以上開始逐漸分解，生成碳酸鈉、二氧化碳和水，270℃時完全分解，煙氣溫度在140～250 ℃具有高度活性[3]，通常略微過量的碳酸氫鈉就能自發(fā)完全地與煙氣中的酸性污染物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)窯尾煙氣上升到140 ℃以上時，脫硫效率達(dá)到96%，煙氣溫度在200 ℃左右時，脫硫效率達(dá)到97%以上，當(dāng)溫度小于140 ℃，脫硫效率下降明顯，僅80%左右。溫度引起脫硫效果不同的原因主要是高溫可以使碳酸氫鈉細(xì)顆粒粉加熱激活，碳酸氫鈉顆粒發(fā)生爆米花效應(yīng)的爆漲，體積增加，生成活性強(qiáng)的像海綿一樣的多孔結(jié)構(gòu)，同時分解成Na2CO3、CO2和水，具有很高的反應(yīng)活性和吸附活性。新產(chǎn)生的碳酸鈉Na2CO3在生成瞬間有高度的反應(yīng)活性，可以高效吸收煙氣中的SO2、HCl等酸性氣體，提高脫硫效率。

3.2 煙氣負(fù)荷對脫硫的影響

根據(jù)鎂礦砂回轉(zhuǎn)窯滿負(fù)荷工況煙氣量設(shè)計脫硫塔反應(yīng)器尺寸，當(dāng)回轉(zhuǎn)窯工作負(fù)荷降低時，其窯尾煙氣流量降低，進(jìn)入脫硫塔反應(yīng)器的煙氣量也隨之降低，脫硫塔反應(yīng)器內(nèi)的煙氣流速降低；脫硫劑碳酸氫鈉顆粒粉塵在反應(yīng)器內(nèi)的停留時間延長，強(qiáng)化了低負(fù)荷工況下煙氣中的二氧化硫的脫硫反應(yīng)效果，脫硫效率相對提高。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，在回轉(zhuǎn)窯煙氣負(fù)荷為55%時，脫硫效率接近98%；在回轉(zhuǎn)窯煙氣負(fù)荷為82%時，脫硫效率接近97.2%；在回轉(zhuǎn)窯負(fù)荷為100%時，脫硫效率接近97%。

3.3 脫硫劑不同噴射位置對脫硫的影響

脫硫劑碳酸氫鈉顆粒粉是通過氣力輸送方式送至脫硫劑噴射器噴入煙道內(nèi)，在均布裝置的湍流混合作用下，脫硫劑與煙氣均勻混合，使得脫硫塔反應(yīng)器截面上的顆粒濃度分布偏差在合理范圍內(nèi)。同時，為了對比在脫硫塔體上噴射加入脫硫劑的脫硫效果，脫硫塔裝置在脫硫塔體的文丘里擴(kuò)散出口段設(shè)計脫硫劑加料接口，不同脫硫劑加料位置示意見圖2。

圖2 不同脫硫劑加料位置示意

圖2 中列出3種方案，(a)為在脫硫塔入口水平煙道設(shè)置加料口和均布器，(b)為在脫硫塔入口水平煙道設(shè)置加料口，未設(shè)置均布器，(c)為在脫硫塔文丘里出口段塔體上設(shè)置加料口。在回轉(zhuǎn)窯窯尾煙氣負(fù)荷接近100%時，3種不同布置方式時工況的脫硫效率分別為98.1%，95.5%和78%。結(jié)果表明，在脫硫塔體上加入碳酸氫鈉顆粒粉，脫硫效率低；在脫硫塔入口煙道上加入脫硫劑，脫硝效率高；在脫硫塔入口水平煙道加入脫硫劑，且加裝均布器后，脫硫效率最高。產(chǎn)生這樣的結(jié)果，主要原因是：在脫硫塔入口水平煙道加入脫硫劑，通過脫硫塔底部的彎頭、文丘里段的紊流和噴射作用，脫硫劑與煙氣已達(dá)到比較好的均勻混合狀態(tài)，所以表現(xiàn)出比較好的脫硫效率，該工況下，在脫硫劑加料口下游再加裝均布器，進(jìn)一步強(qiáng)化脫硫劑與煙氣的湍流和強(qiáng)混作用，提升了在脫硫塔截面上脫硫劑顆粒的均勻分布，脫硫效率更高；而在脫硫塔體上噴入脫硫劑碳酸氫鈉，脫硫劑粉進(jìn)入脫硫塔后，在煙氣的攜帶力和擴(kuò)散作用下，僅在脫硫塔截面上的部分區(qū)域分布，即使出脫硫塔后，未反應(yīng)完的脫硫劑顆粒在布袋除塵器的不同區(qū)域布袋上，沉積的灰分中脫硫劑含量也有差異性，這就導(dǎo)致了脫硫效率的降低。

4 項目實施問題分析

4.1 脫硫劑研磨

SDS干法脫硫系統(tǒng)要保證有比較高的脫硫效率，碳酸氫鈉的顆粒粒徑是關(guān)鍵，研磨細(xì)度D90＜20 μm，脫硫效率可以達(dá)到95%以上，超細(xì)的粉塵研磨，對研磨機(jī)的要求比較高，項目選擇了進(jìn)口品牌帕爾曼高效研磨機(jī)，并設(shè)計了防止研磨板結(jié)的加藥自動沖洗系統(tǒng)，保證了研磨機(jī)穩(wěn)定連續(xù)性工作。

4.2 脫硫劑的均勻分布

由3.3節(jié)可知，脫硫劑在脫硫塔入口水平煙道段噴入，且在其下游段設(shè)置均布裝置，脫硫效果最好。脫硫劑顆粒在脫硫塔截面上的均勻分布與噴射器、均布裝置有關(guān)，為了獲得較好的效果，借鑒了專利CN201949798[4]設(shè)計思路，并做了優(yōu)化，開發(fā)了多組分布X型渦流混合器，如圖3所示。

圖3 多組分布X型渦流混合器示意

5 結(jié)語

SDS干法煙氣脫硫在脫硫塔底入口煙道設(shè)置均布器，在保證了脫硫劑碳酸氫鈉在高溫?zé)煔庵屑訜岱纸饧せ畹耐瑫r，有利于提高碳酸氫鈉顆粒粉與煙氣混合后在脫硫塔截面上的濃度分布均勻性，得出以下結(jié)論：

1）脫硫效率高，能夠滿足目前的超低排放限值要求 [ρ(SO2)≤ 35 mg/m3]。

2）脫硫系統(tǒng)全干態(tài)運行，不需防腐，沒有廢水處理和排放問題，沒有煙囪拖尾和含塵濕煙氣排放等二次污染問題。高溫干煙氣煙囪直接排放，沒有氣溶膠產(chǎn)生的條件。

3）煙氣溫度對脫硫效率有直接影響，當(dāng)溫度低于140 ℃，脫硫效率下降明顯，當(dāng)溫度上升到200 ℃左右時，脫硫效率高。

4）脫硫劑加料口最佳位置在脫硫塔底入口煙道設(shè)置，加料口下游煙道安裝均布器，脫硫效率高。