燃煤工業(yè)鍋爐飛灰回用鼓泡(乳化)濕法脫硫除塵一體化系統(tǒng)研究

趙 雪，羅楠洋，韓枝宏，薛 瑜，黃成梠，張巧鈴，呂釗敏，譚厚章

(1.西安交通大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，陜西 西安 710049；2.福建永恒能源管理有限公司，福建 泉州 362200)

0 引 言

我國(guó)煤炭消費(fèi)結(jié)構(gòu)中，燃煤工業(yè)鍋爐每年煤炭消費(fèi)占全國(guó)的1/3，是僅次于燃煤發(fā)電的第二大燃煤型污染源[1]。近年來，隨著國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)日益嚴(yán)苛，部分重點(diǎn)地區(qū)對(duì)工業(yè)鍋爐執(zhí)行超低排放標(biāo)準(zhǔn)[2]，SOx作為限排對(duì)象之一目前主要采用濕法煙氣脫硫技術(shù)脫除，該技術(shù)工藝成熟，脫硫效率高，一般選用石灰石作為脫硫吸收劑。但石灰石不易溶于水，電離度和溶解度低，實(shí)際運(yùn)行中電廠通常采用增大循環(huán)漿液量來提高脫硫效率，但會(huì)導(dǎo)致溶液中CaSO4濃度過高，易造成噴頭、除霧器及管線結(jié)垢堵塞；同時(shí)固體顆粒的存在對(duì)管線及泵的磨損較嚴(yán)重，不利于設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，投資、運(yùn)行費(fèi)用非常高[3-5]，因此開發(fā)新型煙氣脫硫技術(shù)一直是研究重點(diǎn)。

煤粉燃燒產(chǎn)物粉煤灰中氧化鈣平均含量為10%～20%，整體呈堿性[6]，理論上說，粉煤灰可用做脫硫劑與煙氣中酸性氣體SO2反應(yīng)；同時(shí)粉煤灰的微觀結(jié)構(gòu)表明其中的未燃盡碳具有疏松多孔結(jié)構(gòu)，比表面積大，是很好的煙氣脫硫吸附劑。前人研究表明，粉煤灰脫硫過程中，常利用粉煤灰或灰渣作為一種載體，加入熟石灰或黏結(jié)劑造粒成型來替代純石灰脫硫劑直接噴入煙道。美國(guó)開發(fā)的ADVACATE工藝[7]以及日本北海道電力公司[8]運(yùn)行結(jié)果表明，混合脫硫劑脫硫效率可達(dá)到90%左右，雖然脫硫效率較高但仍難以達(dá)到中國(guó)現(xiàn)行超低排放標(biāo)準(zhǔn)(SO2<35 mg/m3)，原因在于煙道脫硫本質(zhì)是氣固反應(yīng)，其反應(yīng)速率無法與濕法脫硫媲美，同時(shí)粉煤灰往往只作為脫硫劑載體，企業(yè)仍需使用大量脫硫劑，導(dǎo)致粉煤灰利用效率不高，成本難以降低。若能粉煤灰制成漿液，實(shí)現(xiàn)濕法脫硫，其脫硫效率將會(huì)大幅增加，因此有必要研究粉煤灰濕法脫硫技術(shù)的可行性。

為節(jié)省環(huán)保成本投入，企業(yè)對(duì)污染物一體化脫除技術(shù)需求日益旺盛。研究表明傳統(tǒng)石灰石濕法脫硫工藝通常具有一定的粉塵協(xié)同脫除能力，但其粉塵脫除效率波動(dòng)較大，研究結(jié)果差異明顯。如朱士蕓等[9]采用10.8 g/m3粉塵作為脫硫塔入口粉塵濃度時(shí)，脫硫效率可達(dá)到99%以上；朱杰等[10]研究了不同機(jī)組對(duì)粉塵的脫除效率，除塵效率最小為7.54%，最大為85.88%，差異較大。魏宏鴿等[11]研究了不同試驗(yàn)機(jī)組WFGD的協(xié)同除塵效率在 18%～68%，且對(duì)39臺(tái)機(jī)組容量25～1 000 MW的濕法脫硫裝置進(jìn)行除塵效率試驗(yàn)，并分析除塵效率影響因素，結(jié)果表明，試驗(yàn)機(jī)組脫硫裝置平均除塵效率為49%。郝強(qiáng)等[12]對(duì)國(guó)電太原第一熱電廠的50 MW機(jī)組的石灰石石膏濕法煙氣脫硫裝置進(jìn)行除塵性能分析，總體除塵效率在40%～96%，以上研究表明，雖然傳統(tǒng)濕法脫硫塔具備一定的除塵能力，但仍難以實(shí)現(xiàn)粉塵超低濃度排放，因此本文主要研究如何更高效實(shí)現(xiàn)粉煤灰濕法脫硫裝置的粉塵協(xié)同脫除。

基于此，本文開發(fā)了一種燃煤工業(yè)鍋爐飛灰回用鼓泡(乳化)濕法脫硫除塵一體化系統(tǒng)，通過提純鍋爐燃料燃燒后粉煤灰溶解液中Ca2+以制備脫硫劑達(dá)到SOx超低排放目的(無需再使用其他脫硫劑)，同時(shí)煙氣可直接進(jìn)入脫硫系統(tǒng)，省卻了前端布袋除塵器，實(shí)現(xiàn)了粉煤灰濕法脫硫及協(xié)同除塵，并在某14 MW熱水鍋爐應(yīng)用，為工業(yè)鍋爐低成本實(shí)現(xiàn)SOx超低排放及協(xié)同除塵提供技術(shù)參考。

1 鍋爐概況

該項(xiàng)目原有4×7 MW鏈條鍋爐，技改前熱效率僅為70%；因供熱面積減少，實(shí)際運(yùn)行為2開2備。鍋爐尾氣處理為傳統(tǒng)麻石水膜除塵器，無配套脫硫系統(tǒng)。項(xiàng)目地為沿海地帶，冬季海陸風(fēng)較多，現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境惡劣，鍋爐尾氣排放嚴(yán)重超標(biāo)，為匹配實(shí)際供熱面積，對(duì)鍋爐機(jī)組進(jìn)行技改，拆除原有4臺(tái)7 MW機(jī)組，采用一臺(tái)14 MW機(jī)組。鍋爐燃用煤種工業(yè)分析結(jié)果為Mad=4.12%，Aad=8.77%，Vad=31.59%，F(xiàn)Cad=55.52%，Qnet,ad=26.70 MJ/kg。

2 新型脫硫系統(tǒng)開發(fā)與改造

2.1 粉煤灰脫硫劑提純及濕式脫硫可行性分析

為徹底改變粉煤灰氣固反應(yīng)脫硫的傳統(tǒng)利用方式，實(shí)現(xiàn)粉煤灰濕法脫硫，不添加其他脫硫劑的情況下實(shí)現(xiàn)SOx超低排放，本文開發(fā)了一套粉煤灰Ca2+提純?cè)O(shè)備，通過溶解-澄清等方法，提取粉煤灰中Ca2+，使其溶于水后生成堿性漿液進(jìn)入脫硫設(shè)備，通過提純工藝最大化利用粉煤灰。

漿液進(jìn)入脫硫設(shè)備發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

從化學(xué)反應(yīng)角度考慮，無論何種脫硫工藝，理論上只要一個(gè)鈣基吸收劑分子就可以吸收一個(gè)SO2分子。粉煤灰脫硫工藝總體在氣相、液相和固相之間進(jìn)行，核心在液相中，反應(yīng)條件非常理想[13]。

2.2 高效除塵脫硫一體化凈化塔

2.2.1乳化脫硫作用

通過提純粉煤灰制備出脫硫劑后還需要匹配對(duì)應(yīng)的脫硫設(shè)備，從影響化學(xué)反應(yīng)速率因素考慮，需發(fā)展一套可以增大煙氣和脫硫劑的反應(yīng)面，延長(zhǎng)脫硫反應(yīng)時(shí)間的設(shè)備。傳統(tǒng)濕法脫硫工藝通常采用噴頭進(jìn)行霧化加大液、氣反應(yīng)面，同時(shí)漿液不斷循環(huán)達(dá)到提高脫硫效率的目的，但該工藝中漿液CaSO4濃度過飽和，致使噴頭堵塞，引發(fā)脫硫效率降低、壓力升高等問題，增加維護(hù)成本。

本文自主研發(fā)了一套“高效除塵脫硫一體化凈化塔”設(shè)備[14]。該設(shè)備在煙氣進(jìn)入塔內(nèi)時(shí)進(jìn)行一道霧化除塵，同時(shí)不采用傳統(tǒng)噴頭霧化的方式，脫硫液直接進(jìn)入除塵脫硫塔，通過設(shè)置“颶風(fēng)旋流器”讓煙氣切割脫硫劑，形成乳化層達(dá)到增大反應(yīng)面、延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間的目的?！帮Z風(fēng)旋流器”設(shè)計(jì)阻力500 Pa，一體化凈化塔整體設(shè)備設(shè)計(jì)阻力為1 000～1 500 Pa，略高于單塔脫硫系統(tǒng)阻力(1 000 Pa)?？紤]到本文可以省卻前端布袋除塵器(阻力約1 000 Pa)，同時(shí)可以避免傳統(tǒng)石灰石濕法脫硫造成管線堵塞等帶來的壓力升高，綜合來看一體化凈化塔滿足現(xiàn)有送風(fēng)-引風(fēng)系統(tǒng)的負(fù)荷要求，進(jìn)口流速為正常鍋爐煙風(fēng)管道設(shè)計(jì)流速，進(jìn)入颶風(fēng)旋流器的設(shè)計(jì)流速為12～21 m/s?！帮Z風(fēng)旋流器”的設(shè)計(jì)類似風(fēng)扇葉片原理，通過調(diào)整葉片角度來改變旋切風(fēng)壓(圖1)。

圖1 颶風(fēng)旋流器示意Fig.1 Schematic diagram of hurricane cyclone

氣動(dòng)乳化實(shí)現(xiàn)方式為在一圓形管狀容器中，經(jīng)加速的含硫煙氣以一定角度從容器下端進(jìn)入容器，與容器上端下流的不穩(wěn)定循環(huán)液碰撞，煙氣高速旋切下流循環(huán)液，循環(huán)液被切碎，氣液相互持續(xù)碰撞旋切，液粒粉碎得更細(xì)，氣液充分混合，形成一層穩(wěn)定的乳化液；煙氣量較大時(shí)，調(diào)大葉片角度增加通過面，反之調(diào)小角度，達(dá)到氣、液平衡。在乳化過程中，乳化液層逐漸增厚，當(dāng)上升的氣動(dòng)托力與乳化液重力平衡后，最早形成的乳化液被新形成的乳化液取代。

2.2.2協(xié)同除塵作用

本文開發(fā)的“高效除塵脫硫一體化凈化塔”與傳統(tǒng)工業(yè)鍋爐除塵系統(tǒng)(布袋除塵器-濕式脫硫塔-濕式靜電除塵器)相比有以下不同：

1)由于一體塔內(nèi)不采用噴頭，而是通過“颶風(fēng)旋流器”使煙氣切割脫硫劑的脫硫方式，因此允許爐膛出口煙氣直接進(jìn)入一體塔，省卻了前端布袋除塵器的布置，降低了投資成本和維護(hù)成本。

2)省卻了布袋除塵器，便無需考慮布袋除塵器內(nèi)低溫腐蝕問題，因此本文在鍋爐尾部進(jìn)入凈化塔前增加一道余熱回收裝置，將煙氣溫度從150 ℃降至100 ℃左右，提高了鍋爐整體熱效率。

3)降溫后的煙氣進(jìn)入凈化塔，體積收縮發(fā)生第1步沉降，同時(shí)在噴淋的作用下，噴淋漿液大量吸附煙氣中粉塵顆粒形成新的粉煤灰溶液，粉煤灰溶液再經(jīng)后續(xù)固液分離器提純、澄清獲得較潔凈的脫硫漿液重新循環(huán)至噴淋管處。由于脫硫漿液較純凈，可以很好地對(duì)煙氣進(jìn)行洗滌，同時(shí)配合一體塔氣動(dòng)乳化原理形成的乳化層能汽水結(jié)合捕捉煙氣中的粉塵，實(shí)現(xiàn)較高的除塵效率。

2.2.3濕式靜電除塵器(WESP)

雖然“高效除塵脫硫一體化凈化塔”具有較好的粉塵協(xié)同脫除能力，但對(duì)于細(xì)小粒徑顆粒尤其是PM2.5及更小的亞微米顆粒去除作用非常有限，與傳統(tǒng)濕法脫硫系統(tǒng)較一致。細(xì)小粉塵很難在吸收塔內(nèi)脫除，分級(jí)脫除效率隨粒徑減小明顯下降，對(duì)于亞微米顆粒工況不穩(wěn)定時(shí)甚至出現(xiàn)逆增長(zhǎng)現(xiàn)象。因此，“一體塔出口”的煙氣需進(jìn)一步進(jìn)入濕式靜電除塵(霧)器進(jìn)行除塵、除霧處理[15]；濕式靜電除塵(霧)器能真正除去PM2.5～PM10微細(xì)粉塵、氣溶膠等污染物，減少PM2.5排放。由于粉煤灰脫硫塔后煙氣溫度較低，與大氣溫差較小，還可有效解決“白羽”問題。

2.2.4新型脫硫系統(tǒng)流程

新型脫硫系統(tǒng)流程如圖2所示。凈化塔的下端設(shè)有煙氣入口和下液口，凈化塔的上端設(shè)有煙氣出口和濕式靜電除塵(霧)器進(jìn)口相連接，煙氣入口與煙氣出口之間形成處理腔室，煙氣入口與燃煤鍋爐煙氣管道連接，處理腔室中自下而上設(shè)有煙氣降溫沉降模塊、噴淋除塵模塊、乳化脫硫模塊以及煙氣除霧模塊。噴淋管設(shè)置在煙氣入口上方，乳化脫硫裝置設(shè)置在噴淋管上方，該系統(tǒng)還包括噴淋罐、循環(huán)罐、固液分離器和真空陶瓷脫水機(jī)，下液口用導(dǎo)管將凈化塔脫硫除塵后的漿液引至固液分離器。漿液在固液分離器中自然靜置分層，靜置分層過程中粉煤灰中Ca2+逐漸溶解到溶液中，完成Ca2+的提純，整個(gè)流程不添加任何藥劑。固液分離后上層澄清液通過溢流管連接至噴淋罐，噴淋罐通過第二溢流管連接至循環(huán)罐。系統(tǒng)還包括脫硫循環(huán)泵、噴淋泵和濃漿輸送泵，脫硫循環(huán)泵從循環(huán)底部抽取脫硫液送入凈化塔乳化脫硫裝置，噴淋泵從噴淋罐底部抽取送入凈化塔噴淋管，濃漿輸送泵從固液分離器底部抽取漿液送至真空陶瓷脫水機(jī)進(jìn)行漿液脫水；漿液經(jīng)脫水后濕灰含水率約15%，不易產(chǎn)生揚(yáng)塵，雖然濕灰中含帶了脫硫后的二水石膏，但二水石膏的量相對(duì)濕灰量來說非常小，自然堆積不會(huì)形成結(jié)塊或硬化，可由濕灰輸送車(渣土車或農(nóng)用斗車)拉運(yùn)至回收站，如磚廠、水泥廠、農(nóng)業(yè)耕地等[16]。

圖2 系統(tǒng)流程Fig.2 Schematic diagram of the system

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)測(cè)量

3.1 測(cè)量依據(jù)及方法

改造完畢后，對(duì)SO2及煙塵取樣測(cè)量，SO2采用HJ/T 57—2017《固定污染源排氣中二氧化硫的測(cè)定 定點(diǎn)位電解法》，煙塵采用HJ 836—2017《固定污染源廢氣 低濃度顆粒物的測(cè)定 重量法》。一體化脫硫系統(tǒng)中，脫硫旋流管啟用1根大管(直徑Dn=800 mm)和1根小管(Dn=600 mm)，旋流開度為1/2，試驗(yàn)選取高、中、低3種負(fù)荷(表1)。低負(fù)荷和中負(fù)荷脫硫塔旋流器開啟1根大管和1根小管，高負(fù)荷測(cè)試時(shí)因大管脫硫循環(huán)泵故障，只啟動(dòng)1臺(tái)脫硫循環(huán)泵，但加大噴淋泵頻率到35 Hz，以降低脫硫塔出口粉塵濃度，保證濕電除塵器試驗(yàn)準(zhǔn)確性。

表1 脫硫系統(tǒng)開啟說明

3.2 脫硫塔入口煙氣溫度

新型脫硫除塵一體化系統(tǒng)不需考慮傳統(tǒng)布袋除塵器低溫腐蝕問題，允許回收熱量后的低溫?zé)煔庵苯舆M(jìn)入，一體凈化塔入口煙氣溫度如圖3所示?？芍仩t低負(fù)荷、中負(fù)荷和高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)入口煙氣平均溫度為100 ℃，極大提高了鍋爐熱效率。

圖3 一體凈化塔入口煙氣溫度Fig.3 Flue gas temperature at inlet of integral purification tower

3.3 粉塵及SO2測(cè)量結(jié)果

對(duì)一體凈化塔進(jìn)出口以及煙囪出口的粉塵及SO2進(jìn)行測(cè)量，煙塵測(cè)試數(shù)據(jù)見表2、3?？芍惑w凈化塔系統(tǒng)對(duì)粉塵具有較強(qiáng)的脫除能力，以中負(fù)荷、入口標(biāo)桿煙氣流量8 802 Nm3/h工況為例，進(jìn)入高效除塵脫硫一體化凈化塔前煙塵濃度為6 325.4 mg/m3，凈化塔除塵后煙塵濃度為67.2 mg/m3，除塵效率為98.94%。再經(jīng)濕式靜電除塵(霧)器深度除塵后煙塵濃度為4.8 mg/m3，除塵效率為92.86%，與天然氣的煙塵排放濃度相當(dāng)。說明高效除塵脫硫一體化凈化塔具有較高的粉塵協(xié)同脫除能力，但對(duì)于微細(xì)顆粒物仍需利用濕式靜電除塵器脫除。

表2 一體凈化塔煙塵測(cè)試數(shù)據(jù)

表3 煙囪出口煙塵測(cè)試數(shù)據(jù)

表4 除塵脫硫塔SO2測(cè)試數(shù)據(jù)

3.4 新型脫硫除塵一體化系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)性分析

不同脫硫工藝的成本對(duì)比見表6，可知新型脫硫除塵一體化系統(tǒng)由于不使用任何傳統(tǒng)脫硫劑，成本較低，本文系統(tǒng)可以直接省卻前端布袋除塵器，降低了除塵系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)成本，進(jìn)一步降低鍋爐出口煙溫，提高鍋爐熱效率，具有良好經(jīng)濟(jì)性。

表5 煙囪出口SO2測(cè)試數(shù)據(jù)

表6 不同脫硫工藝成本對(duì)比

4 結(jié) 論

1)改變傳統(tǒng)粉煤灰脫硫僅作為脫硫劑載體直接噴入煙道的利用方式，通過提純粉煤灰中Ca2+離子制成堿性漿液實(shí)現(xiàn)粉煤灰濕法脫硫；新型脫硫系統(tǒng)完全利用鍋爐產(chǎn)生的粉煤灰即可實(shí)現(xiàn)SOx超低排放，不需使用其他脫硫劑；同時(shí)省卻前端布袋除塵器，回收煙氣余熱，提高鍋爐效率，降低運(yùn)行成本。

2)新型脫硫系統(tǒng)不設(shè)噴頭裝置，脫硫液直接進(jìn)入除塵脫硫塔，通過“颶風(fēng)旋流器”使煙氣切割脫硫劑，形成乳化層達(dá)到增大反應(yīng)面、延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間的目的，解決了石灰石濕法脫硫噴頭裝置易堵塞問題。

3)中負(fù)荷、入口標(biāo)桿煙氣流量8 802 Nm3/h工況下經(jīng)新型脫硫系統(tǒng)脫硫后SO2含量為12.3 mg/m3，脫硫效率96.7%，除塵后煙塵濃度67.2 mg/m3，除塵效率為98.94%。再經(jīng)濕式靜電除塵(霧)器深度除塵后煙塵濃度為4.8 mg/m3，達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)。