雙堿法脫硫技術(shù)在內(nèi)蒙古某礦燃煤鍋爐改造中的應(yīng)用效果分析

田向勤，宮國(guó)卓

(1.泰戈特(北京)工程技術(shù)有限公司，北京 100022；2.北京市勞動(dòng)保護(hù)科學(xué)研究所，北京 100054)

近年來(lái)，隨著我國(guó)環(huán)保法規(guī)的日趨嚴(yán)格以及人們環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，我國(guó)對(duì)于大氣污染排放要求日益提高。部分產(chǎn)煤礦，如內(nèi)蒙古某煤礦，在其建設(shè)時(shí)，其配套采暖燃煤鍋爐未采取相應(yīng)的脫硫設(shè)施，存在外排煙氣中SO2指標(biāo)不定期超標(biāo)的現(xiàn)象，其面臨的環(huán)保壓力越來(lái)越大。本文介紹了內(nèi)蒙古某礦燃煤鍋爐脫硫除塵改造工程，包括脫硫除塵原理、工程設(shè)計(jì)及運(yùn)行情況。

1 設(shè)計(jì)參數(shù)

內(nèi)蒙古某煤礦鍋爐房為礦井配套鍋爐房，主要為礦井、選煤廠以及生產(chǎn)輔助系統(tǒng)提供采暖服務(wù)。鍋爐房安裝2臺(tái)6 t鏈條熱水鍋爐(1用1備)，型號(hào)為DZL4.2-1.0/115/70-AII；1臺(tái)2 t熱水鍋爐，型號(hào)為CLSG-85/60-AII。其中，2 t常壓熱水爐主要為浴室提供洗澡熱水服務(wù)。

燃煤種類為煙煤，含硫量0.6%，灰分7.8%。系統(tǒng)煙氣參數(shù)及排放要求見(jiàn)表1。

表1 系統(tǒng)煙氣參數(shù)及排放要求

2 脫硫除塵原理

2.1 除塵原理

設(shè)計(jì)采用(多管除塵+布袋除塵)結(jié)合的除塵工藝。

多管除塵器利用離心分離的原理進(jìn)行工作，當(dāng)含塵氣體經(jīng)除塵器入口進(jìn)入按等高排列的旋風(fēng)子的切口入口，顆粒在旋風(fēng)子內(nèi)受離心力的作用被分離出來(lái)，經(jīng)灰斗排出，被凈化的氣體經(jīng)芯管排出，達(dá)到凈化煙氣的目的。

布袋除塵器利用濾料對(duì)含塵氣體進(jìn)行過(guò)濾，達(dá)到除塵的目的。含塵氣體由除塵器進(jìn)氣總管通過(guò)進(jìn)氣支管的風(fēng)量調(diào)節(jié)閥，均勻地分布到各單元濾袋室，氣流中一部分大顆粒粉塵因慣性而落入灰斗，顆粒小的粉塵通過(guò)篩分，慣性，粘附，擴(kuò)散和靜電等作用被阻留在濾袋外側(cè)，凈化后的氣體則進(jìn)入袋內(nèi)，匯集到凈氣室，經(jīng)排氣管排出。

多管除塵器維護(hù)成本低，幾乎不用維護(hù)。在布袋除塵器前采用多管除塵器除塵，一方面可以避免當(dāng)煙氣溫度過(guò)高時(shí)，將煙氣直接進(jìn)入布袋除塵器，對(duì)布袋除塵器除塵布袋的損壞；另一方面對(duì)煙塵中顆粒物進(jìn)行有效截留，有效降低后續(xù)布袋除塵器顆粒物的脫除量，降低布袋除塵器的維護(hù)。

2.2 脫硫原理

雙堿法是中小型鍋爐應(yīng)用較廣的煙氣脫硫技術(shù)，是為了克服石灰法容易結(jié)垢的缺點(diǎn)而發(fā)展起來(lái)的。國(guó)內(nèi)在用的雙堿法種類較多，最常用的是鈉鈣雙堿法。雙堿法具有“三高、二低、一小”的特點(diǎn)。即：脫硫效率高、可利用率高、可靠性高；投資成本低、運(yùn)行費(fèi)用低；占地面積小。

2.2.1 吸收原理

吸收液通過(guò)噴嘴霧化噴入吸收塔，分散成細(xì)小的液滴覆蓋吸收塔的整個(gè)斷面。這些液滴與塔內(nèi)煙氣接觸，發(fā)生傳質(zhì)與吸收反應(yīng)，煙氣中的SO2、SO3及HCl 、HF被吸收。SO2吸收產(chǎn)物經(jīng)氧化和中和反應(yīng)，最終形成硫酸鈉。

2.2.2 反應(yīng)原理

基本化學(xué)原理可分為脫硫過(guò)程和再生過(guò)程兩部分。

(1)吸收反應(yīng)。在塔內(nèi)吸收SO2：煙氣與循環(huán)漿液在吸收塔內(nèi)有效接觸，循環(huán)漿液吸收大部分SO2，反應(yīng)如下：

2NaOH+SO2=Na2SO3+H2O

(1)

Na2SO3+SO2+H2O=2NaHSO3

(2)

Na2CO3+SO2=Na2SO3+ CO2

(3)

脫硫液pH小于9時(shí)以(1)式為主要反應(yīng)，降到中性甚至酸性時(shí)則按(2)式反應(yīng)。反應(yīng)(3)只在系統(tǒng)啟動(dòng)是發(fā)生。

(2)再生反應(yīng)。脫硫后的反應(yīng)產(chǎn)物進(jìn)入再生池內(nèi)用另一種堿，一般是 Ca(OH)2進(jìn)行再生，再生反應(yīng)過(guò)程如下：

Ca(OH)2+Na2SO3=2NaOH+CaSO3

Ca(OH)2+2NaHSO3=Na2SO3+

CaSO3· H2O↓+ H2O

脫硫塔脫除的硫以亞硫酸鈣、硫酸鈣的形式析出，然后將其用泵打入石膏脫水處理系統(tǒng)或直接堆放、拋棄。再生的NaOH可以循環(huán)使用。

(4)其他副反應(yīng)。煙氣中的其他污染物如SO3、Cl、F和塵都被循環(huán)漿液吸收和捕集。SO3、HCl和HF與循環(huán)液中的NaOH(或NaCO3)反應(yīng)。

3 工程設(shè)計(jì)

3.1 工藝流程

本工程采用(多管+布袋除塵器)除塵，鈉鈣雙堿法濕法煙氣脫硫工藝系統(tǒng)詳見(jiàn)圖1。

圖1 工藝系統(tǒng)流程示意

煙氣經(jīng)多管除塵器及布袋除塵器除塵后，經(jīng)鍋爐引風(fēng)機(jī)進(jìn)入脫硫塔脫硫，與噴淋裝置的脫硫漿液進(jìn)行充分的傳質(zhì)，吸收煙氣中的大部分SO2，煙氣經(jīng)除霧器脫水除霧后經(jīng)煙囪排放。 脫硫過(guò)程生成的亞硫酸鈉和硫酸鈉漿液進(jìn)入置換再生池，置換再生池內(nèi)加入石灰漿液(Ca(OH)2溶液)并在其中進(jìn)行曝氣氧化之后，大部分漿液經(jīng)循環(huán)泵循環(huán)用于脫硫，當(dāng)循環(huán)液pH小于設(shè)計(jì)值時(shí)，排除部分漿液，并加入新的碳酸鈉溶液。

整套脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)由煙氣除塵系統(tǒng)、SO2吸收系統(tǒng)、脫硫劑制備再生及渣處理系統(tǒng)、工藝水系統(tǒng)四個(gè)分系統(tǒng)構(gòu)成。

3.2 煙氣除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

煙氣除塵系統(tǒng)主要由多管除塵器及布袋除塵器組成。多管除塵器利用原有設(shè)施，本次新增2 t、6 t布袋除塵器各一臺(tái)，設(shè)計(jì)過(guò)濾風(fēng)速0.8 m/min，過(guò)濾面積分別為128 m2、384 m2。

3.3 SO2 吸收系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要包括脫硫循環(huán)泵、脫硫塔(除霧器)。脫硫塔設(shè)計(jì)過(guò)程如下。

3.3.1 主要技術(shù)參數(shù)(按冬季負(fù)荷計(jì)算)

(1)煙氣量Q=24000 m3/h=6.67m3/s；

(2)脫硫前煙氣SO2含量：MSO2=2KWSar=7.14kg；

式中：K——燃后煤中硫分SO2轉(zhuǎn)換率，一般取0.8～0.85；

W——單位小時(shí)燃煤消耗量：t/h；

Sar——燃煤硫分，%。

則脫硫前SO2質(zhì)量濃度為：460.87 mg/m3。

(3)凈化后煙氣脫硫效率滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)達(dá)到的脫硫效率η=58.12%。

設(shè)計(jì)脫硫效率大于80%，滿足排放要求。

3.3.2 塔徑計(jì)算

設(shè)計(jì)塔內(nèi)煙氣流速3.5 m/s，則塔截面積：A=1.90 m2，計(jì)算塔徑D=1.55 m。

設(shè)計(jì)塔徑取1.6 m，實(shí)際空塔氣速V=3.32m/s。

3.3.3 噴嘴設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)氣/液比L/G=4.0 L/m3，則吸收煙氣中SO2所需的溶液流量：QL=L/G×Q=96m3/h。

為了使氣液有充分的接觸吸收時(shí)間，設(shè)置三層噴嘴。噴淋層由一臺(tái)脫硫循環(huán)泵(循環(huán)泵一用一備)供漿，每層設(shè)置電動(dòng)閥單獨(dú)控制。

噴嘴材質(zhì)為碳化硅，噴頭噴淋角度布置為 90°和 120°，采用均勻布置，噴淋層間距 1 m，相鄰上下兩層均勻錯(cuò)位布置。

3.3.4 除霧器設(shè)計(jì)

除霧器主要作用是減少煙氣帶水量，提高防腐性能，延長(zhǎng)使用壽命。

設(shè)計(jì)雙層除霧器，除霧器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用波紋型板材、波紋型葉片有煙氣阻力小、不宜結(jié)垢、易沖洗等優(yōu)點(diǎn)。除霧器材料采用 PPS。PPS 材質(zhì)耐溫：-25～240 ℃，能承受高速水流沖刷。除霧器設(shè)沖洗系統(tǒng)，可實(shí)行差壓自動(dòng)沖洗，也可人工沖洗。

3.3.5 塔高計(jì)算

根據(jù)上述各項(xiàng)匯總并考慮其他輔助裝置尺寸后，塔高定11.4 m，脫硫塔設(shè)備總圖詳見(jiàn)圖2。

圖2 脫硫塔設(shè)備設(shè)計(jì)示意

3.4 脫硫劑制備、再生及脫硫渣處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

脫硫劑制備、再生及脫硫渣處理系統(tǒng)包括石灰乳化箱，置換再生池，初沉池，二沉池，清液池，整體布置如圖3所示。

圖3 脫硫劑制備、再生及脫硫渣處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)示意

(1)石灰乳化罐。因石灰粉耗損量低，采用袋裝石灰粉直接投加至石灰乳化罐中。石灰乳化罐設(shè)置攪拌器一臺(tái)。石灰乳化罐采用上部溢流管將漿液供應(yīng)至置換再生池。石灰乳化罐容積5 m3，滿足系統(tǒng)8 h用量。

(2)置換再生池設(shè)計(jì)。將石灰粉配成石灰漿液，自流至再生置換再生池，置換再生池尾部設(shè)置氧化曝氣裝置。

(3)沉淀池設(shè)計(jì)。沉淀池分為兩座，初沉池和二沉池，并排布置。池頂采用溢流出水，二沉池溢流清液自流進(jìn)入清液池，供循環(huán)泵抽取并進(jìn)入噴淋系統(tǒng)脫硫利用。

初沉池和二沉池底部?jī)A斜設(shè)計(jì)，坡度不小于5%.尾部均設(shè)置沉泥坑，沉泥坑各設(shè)置一臺(tái)泥漿泵，將池底泥漿泵送出池。

(4)清液池。二沉池清液自流進(jìn)入清液池，循環(huán)泵從清液池取液供應(yīng)噴淋系統(tǒng)用。

(5)堿液罐。設(shè)置一座堿液箱，堿液設(shè)置攪拌器。碳酸鈉粉在堿液箱內(nèi)溶解后通過(guò)上部的溢流管道溢流入清液池補(bǔ)充脫硫所需。

3.5 工藝水系統(tǒng)

工藝水系統(tǒng)設(shè)置工藝水箱一座，一臺(tái)工藝水泵。用于系統(tǒng)內(nèi)部用水：包括石灰乳化用水、堿液溶解用水、系統(tǒng)補(bǔ)充用水、除霧器沖洗用水及設(shè)備冷卻用水。

3.6 總平面布置

現(xiàn)場(chǎng)布置條件極為不便，場(chǎng)地北側(cè)為煤礦裝車場(chǎng)地，東側(cè)、西側(cè)為護(hù)坡，其中北側(cè)護(hù)坡比現(xiàn)有選煤廠地形高15 m左右，西側(cè)護(hù)坡比現(xiàn)有選煤廠地形高2～15 m左右，護(hù)坡坡底據(jù)鍋爐房寬約6 m。

在設(shè)計(jì)中充分利用場(chǎng)地與護(hù)坡間的距離，其中布袋除塵器與風(fēng)機(jī)布置在鍋爐房后面，脫硫塔、綜合水池，布置在場(chǎng)區(qū)側(cè)面，為節(jié)約空間，同時(shí)為了減少開(kāi)挖對(duì)周邊邊坡的影響，水池設(shè)計(jì)為地上式，為了使循環(huán)漿液自流進(jìn)入沉淀池，設(shè)計(jì)對(duì)脫硫塔基礎(chǔ)加高。在水池頂設(shè)置堿液罐與碳酸鈉乳化罐，用于投加藥劑。綜合水箱布置在西南擋墻處。具體布置見(jiàn)圖4所示。

4 運(yùn)行費(fèi)用

運(yùn)行費(fèi)用主要包含電費(fèi)、CaO費(fèi)用、工藝補(bǔ)充水費(fèi)用等，6 t鏈條熱水鍋爐按年運(yùn)行180 d，每天運(yùn)行16 h計(jì)算，2 t常壓熱水鍋爐按年運(yùn)行365 d，每天運(yùn)行4 h計(jì)算。

(1)新增機(jī)電設(shè)備總負(fù)荷172 kW，綜合計(jì)算年新增耗電量為32.5萬(wàn)kW·h。

(2)生石灰消耗量按CaO純度80%，脫硫效率80%計(jì)算。年消耗生石灰15.5 t。

(3)整個(gè)系統(tǒng)反應(yīng)過(guò)程中Na2CO3并無(wú)消耗，但在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過(guò)程仍有少量會(huì)隨石膏排出系統(tǒng)，綜合估計(jì)年消耗純堿(純度99%工業(yè)碳酸鈉)1.37 t。

(4)本礦沒(méi)有考慮脫硫后石膏的壓濾處理，因此石膏排放會(huì)帶走部分水，同時(shí)煙氣也會(huì)帶走一部分水量，綜合年消耗水量933 t。

(5)運(yùn)行費(fèi)用僅包括增加脫硫除塵設(shè)施所增加的電費(fèi)，及消耗生石灰、Na2CO3及工藝水的費(fèi)用，未包括增加人員的工資及折舊等其他費(fèi)用。綜合見(jiàn)表2。

表2 年運(yùn)行費(fèi)用

5 技改綜合效果

采用布袋除塵器+雙堿法脫硫工藝脫硫除塵，其除塵效率達(dá)99%以上，脫硫效率達(dá)90%以上，同時(shí)其具備一次投資省、運(yùn)行成本低、國(guó)產(chǎn)化程度高等優(yōu)點(diǎn)已廣泛應(yīng)用于中小型燃煤鍋爐的脫硫除塵。

項(xiàng)目建成并調(diào)試整改后，委托專業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)二氧化硫、氮氧化物、顆粒物進(jìn)行檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表3，監(jiān)測(cè)結(jié)果表明，二氧化硫、氮氧化物、顆粒物排放值滿足《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》GB13271—2014中在用燃煤鍋爐限值的要求。

表3 煙氣檢測(cè)結(jié)果 mg/m3