鈉基干法脫硫在某鋼鐵廠燃?xì)忮仩t中的應(yīng)用

左松偉 丁勇山

(中冶京誠工程技術(shù)有限公司)

為貫徹落實黨的十九大關(guān)于“打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)”“提高污染排放標(biāo)準(zhǔn)”的要求，推動空氣質(zhì)量持續(xù)改善，項目所在地執(zhí)行大氣污染物特別排放限值。按照標(biāo)準(zhǔn)要求，鋼鐵企業(yè)自備電站以氣體為燃料的鍋爐或燃?xì)廨啓C組污染物超低排放標(biāo)準(zhǔn)：煙塵濃度≤5 mg/m3，SO2濃度≤35 mg/m3，NOx濃度≤50 mg/m3。

脫硫改造工程包括現(xiàn)有運行的80 MW 燃?xì)獍l(fā)電機組，以及1×265 t/h高溫超高壓燃?xì)忮仩t，為實現(xiàn)國家超低排放標(biāo)準(zhǔn)，新建鍋爐煙氣脫硫設(shè)施。工程采用鈉基干法脫硫工藝，煙氣經(jīng)引風(fēng)機引出，煙道作為脫硫反應(yīng)器，在適當(dāng)位置噴入NaHCO3，脫硫反應(yīng)后顆粒產(chǎn)物隨著氣流進入布袋除塵器進一步反應(yīng)并除塵，再經(jīng)過增壓風(fēng)機由原有煙囪排入大氣。工藝流程如圖1所示。

圖1 工藝流程

1 反應(yīng)原理及特點

1.1 反應(yīng)原理

鈉基干法脫硫，又稱為SDS(sodium-based dry desulfurization system)，是利用NaHCO3作為脫硫劑，經(jīng)過研磨成超細(xì)粉后，噴入煙氣中，與煙氣充分混合發(fā)生氣-固相反應(yīng)，從而脫除煙氣中SO2的一種技術(shù)。

NaHCO3超細(xì)粉被噴入反應(yīng)器后，在高溫?zé)煔獾淖饔孟掳l(fā)生化學(xué)反應(yīng)，分解出高活性的Na2CO3和CO2，迅速由粉末狀變成蓬松的爆米花狀，增加了表面積。活性強的Na2CO3與煙道內(nèi)的SO2及其他酸性介質(zhì)充分接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，被吸收凈化。

化學(xué)反應(yīng)方程式為[1]：

2NaHCO3= Na2CO3+CO2+H2ONa2CO3+SO2+1/2O2=Na2SO4+CO2Na2CO3+SO3=Na2SO4+CO2HCl+NaHCO3=NaCl+CO2+H2OHF+NaHCO3=NaF+CO2+H2O

當(dāng)煙氣溫度在140～250 ℃時，反應(yīng)充分，可以在2 s內(nèi)完成化學(xué)反應(yīng)。使用略微過量的NaHCO3，脫硫效率可大于95%[2]。

1.2 鈉基干法脫硫的特點

(1)NaHCO3是良好的SO2吸收劑，其吸收和反應(yīng)速率高于鈣基等吸收劑。用NaHCO3吸收煙氣中的SO2是氣—固相反應(yīng)，反應(yīng)速度快，脫硫效率高，吸收劑利用率高；

(2)鈉基干法脫硫?qū)煔饬髁?、SO2濃度等工況的變化適應(yīng)性較強；

(3)鈉基干法脫硫系統(tǒng)內(nèi)煙氣流速和停留時間考慮一定的余量，可以適應(yīng)鍋爐負(fù)荷的變化；

(4)系統(tǒng)設(shè)置布袋除塵器，實現(xiàn)SO2和煙塵的雙項脫除；

(5)系統(tǒng)投資省、占地少、建設(shè)快，且無廢水排放。

2 系統(tǒng)簡介

2.1 脫硫劑研磨系統(tǒng)

該系統(tǒng)是鈉基干法脫硫系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其選型及配置直接關(guān)系到系統(tǒng)的脫硫效率、脫硫劑的消耗量及系統(tǒng)達(dá)標(biāo)運行的穩(wěn)定性，工程選用了國外原裝進口磨機設(shè)備。

鈉基干法脫硫系統(tǒng)分為正壓輸送研磨系統(tǒng)和負(fù)壓輸送研磨系統(tǒng)。該工程采用正壓輸送研磨系統(tǒng)，工作流程為：脫硫劑物料經(jīng)過螺旋給料機均勻進入研磨機，研磨機的研磨盤和分級輪在電機帶動下高速旋轉(zhuǎn)，小蘇打物料在研磨盤內(nèi)撞擊破碎，符合要求的顆粒作為物料進入下游系統(tǒng)，其余大顆粒由氣流導(dǎo)向環(huán)導(dǎo)入研磨區(qū)再行破碎，直至粒徑達(dá)到設(shè)計要求，工程研磨后的粒徑選取范圍為800～1 000目(D90≤20 μm)。物料通過調(diào)整分級輪的速度來調(diào)節(jié)粒徑，經(jīng)送粉風(fēng)機噴入反應(yīng)器。

選用的原料脫硫劑推薦參數(shù)：純度≥98%；顆粒大小D50>150 μm (D50：累積分布百分?jǐn)?shù)達(dá)到50%時對應(yīng)的粒徑值)；顆粒形貌接近球狀而非片狀或針狀。

2.2 煙道及反應(yīng)器系統(tǒng)

煙道及反應(yīng)器系統(tǒng)主要包括反應(yīng)器、噴射裝置及相關(guān)連接煙道。脫硫劑被噴射到脫硫反應(yīng)器前的煙道中，在煙道中與SO2進行中和反應(yīng)，實現(xiàn)SO2的初步脫除。

在實際工程中，由于總圖布置的限制，煙道長度不能滿足NaHCO3與SO2反應(yīng)所需的時間要求，因此，需要設(shè)置單獨的脫硫反應(yīng)器。工程屬于改造項目，煙氣經(jīng)原引風(fēng)機引至布袋除塵器間的煙道較長，可以滿足NaHCO3和SO2反應(yīng)所需的時間要求，煙道即可作為反應(yīng)器，因此，不再單獨設(shè)置反應(yīng)器。工程的煙道直徑為4.4 m，為了使NaHCO3和煙氣混合更加均勻，單獨設(shè)計研發(fā)了一套NaHCO3噴射裝置，現(xiàn)場運行情況良好。

2.3 布袋除塵系統(tǒng)

鈉基干法脫硫系統(tǒng)需設(shè)置一套布袋除塵系統(tǒng)。NaHCO3與SO2反應(yīng)生成Na2SO4、Na2SO3等產(chǎn)物。這些干態(tài)產(chǎn)物隨著煙氣進入布袋除塵器，經(jīng)布袋脫除后達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。

布袋除塵器選型參數(shù)如表1。

表1 布袋除塵器參數(shù)

工程屬于改造項目，為克服新增脫硫除塵系統(tǒng)阻力，在布袋除塵器后，增設(shè)增壓風(fēng)機，增壓風(fēng)機根據(jù)系統(tǒng)參數(shù)進行選型。

對于新建項目，在引風(fēng)機選型時，需要考慮脫硫除塵系統(tǒng)的阻力。

2.4 氣力輸灰系統(tǒng)

布袋除塵器灰斗下方設(shè)置氣力輸灰系統(tǒng)，除塵器收灰采用正壓濃相氣力輸送系統(tǒng)密閉輸送，間斷運行。除塵器灰斗收灰經(jīng)進料閥均勻進入倉泵，來自廠區(qū)的壓縮空氣經(jīng)管道進入倉泵，在壓縮空氣作用下，灰經(jīng)輸灰管線進入灰?guī)??；規(guī)斐龌也捎梅忾]罐車或噸袋外運。

氣力輸灰系統(tǒng)由濃相氣力輸送倉泵系統(tǒng)、供氣系統(tǒng)、輸灰管道、氣化風(fēng)系統(tǒng)、灰?guī)旒翱刂葡到y(tǒng)組成。

鑒于輸灰特性，工程將灰?guī)觳贾糜诔龎m器附近，管線彎頭處選取了8倍彎曲半徑的彎頭，以減小輸送阻力；由于輸灰濃度高，管道流速低，輸送管道采用厚壁無縫鋼管，且彎頭和三通均采用耐磨陶瓷復(fù)合材質(zhì)，以提高管道的使用壽命。

3 設(shè)備選型

鈉基干法脫硫系統(tǒng)的設(shè)備選型計算主要包括：研磨系統(tǒng)出力計算；原料粉倉體積計算；布袋除塵器選型計算；增壓風(fēng)機選型計算；氣力輸灰系統(tǒng)選型計算。

對于電站鍋爐煙氣鈉基干法脫硫設(shè)計計算主要包括脫硫劑(小蘇打)的用量、Na2SO4產(chǎn)量、原料粉倉體積、灰倉體積、研磨機出力計算等相關(guān)計算。

(1)根據(jù)鍋爐煙氣參數(shù)、氧含量、基準(zhǔn)氧含量、SO2濃度，計算NaHCO3的用量，考慮適當(dāng)?shù)倪^量系數(shù)，進而確定研磨機的出力；

(2)根據(jù)NaHCO3的用量，根據(jù)存儲時間，計算原料粉倉體積；

(3)根據(jù)計算確定的Na2SO4產(chǎn)量，確定布袋除塵器的入口濃度，選取適當(dāng)?shù)倪^濾風(fēng)速和系統(tǒng)阻力，確定對布袋除塵器和氣力輸灰系統(tǒng)選型。布袋除塵器在線過濾風(fēng)速的選取，一方面影響除塵效果，另外一方面影響工程投資。工程中，布袋除塵器的在線過濾風(fēng)速按0.71 m/min考慮；

(4)根據(jù)計算確定的Na2SO4產(chǎn)量、存儲時間，計算灰倉的體積；

(5)對于改造項目，根據(jù)鍋爐的煙氣參數(shù)，系統(tǒng)增加的阻力，計算增壓風(fēng)機的參數(shù)。

工程中的設(shè)計原始參數(shù)見表2，設(shè)備設(shè)計選型結(jié)果見表3。

表2 原始參數(shù)

表3 設(shè)備選型

4 實際運行效果

工程自2019年建成投產(chǎn)以來，設(shè)備運行平穩(wěn)，主要污染物實際運行數(shù)據(jù)和物料平衡及經(jīng)濟分析分別如表4和表5。原煙氣經(jīng)過鈉基干法脫硫處理后，凈煙氣SO2濃度為26.66 mg/m3，低于排放限值35 mg/m3，脫硫效率達(dá)到76%；外排粉塵濃度為3.63 mg/m3，滿足超低排放指標(biāo)低于5 mg/m3的要求，布袋除塵器達(dá)到設(shè)計指標(biāo)；NOx(以NO2計)排放濃度14.25 mg/m3，低于50 mg/m3，脫硫系統(tǒng)對降低NOx排放也有一定的效果。從實際運行數(shù)據(jù)表中可以看出，各項排放指標(biāo)均滿足設(shè)計要求，鍋爐排放煙氣各污染物均滿足《火電廠大氣污染區(qū)排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223-2011)中規(guī)定的特別排放限值要求。

表4 實際運行污染物數(shù)據(jù)對比

表5 物料平衡及經(jīng)濟性分析表

從表5可以看出，工程增加一套鈉基干法脫硫系統(tǒng)，電力運行成本大約為0.011 8元/kWh(考慮副產(chǎn)物處理費用，未考慮人員成本)，年減排SO2約594 t，減排效果顯著。

5 需要注意的問題

在鈉基干法脫硫系統(tǒng)的設(shè)計選型中，需要注意如下幾個問題：

(1)鑒于小蘇打易潮解、易板結(jié)、價格貴等特性問題，原料粉倉的設(shè)計選型一般考慮24 h用量即可，不建議容積過大，儲存時間過長。

(2)對于研磨系統(tǒng)的設(shè)計，研磨機一般設(shè)置為兩臺，一用一備。建議兩臺研磨機交替使用，延長研磨機的使用壽命。

(3)布袋除塵器的選型計算中，應(yīng)根據(jù)最終的排放指標(biāo)選取適當(dāng)?shù)倪^濾風(fēng)速，確定布袋除塵器的過濾面積。

(4)灰?guī)斓娜莘e計算中，可按7 d儲存量設(shè)計，在灰?guī)毂倔w上應(yīng)考慮適當(dāng)?shù)牧骰到y(tǒng)和加熱系統(tǒng)，防止脫硫灰在內(nèi)部的板結(jié)。

(5)鈉基干法脫硫副產(chǎn)物的處理方法需進一步探討。