蜂窩式脫硫劑用于小型燃煤爐具煙氣脫硫的實(shí)驗(yàn)研究

馮 強(qiáng)，盧曉明，司 碩，宋令坡，劉忠攀，楊曉輝，王海苗

(1.兗礦集團(tuán)潔凈煤技術(shù)工程研究中心，山東 濟(jì)寧 273599；2.兗礦科技有限公司，山東 濟(jì)南 250100)

我國是煤炭?jī)?chǔ)量豐富的國家，煤炭是我國主要能源。據(jù)預(yù)測(cè)，2030年前我國能源消費(fèi)需求仍將持續(xù)穩(wěn)定增長(zhǎng)，其中年煤炭消費(fèi)量仍將保持在 35億t，占能源消費(fèi)總量的 50% 左右[1]。傳統(tǒng)小型燃煤爐具所用燃料大部分為蘭炭、無煙煤、潔凈型煤，其原始SO2排放濃度根據(jù)煤種、爐型差異普遍大于100 mg/m3，遠(yuǎn)無法滿足當(dāng)前環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。通過“煤改電”、“煤改氣”，生物質(zhì)燃料替代等方式，雖然降低了供暖用煤比例，但是我國的能源結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了以煤為主的供暖方式在較長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)不會(huì)發(fā)生改變[2-3]，非煤能源無法完全填補(bǔ)北方地區(qū)的供暖缺口，在偏遠(yuǎn)及非煤資源緊缺的地區(qū)，小型燃煤供暖爐具仍占有較大市場(chǎng)份額。小型燃煤供暖爐具種類繁多，燃燒方式不一，如何通過有效管控手段對(duì)煙氣進(jìn)行環(huán)保處理已經(jīng)成為亟需解決的問題之一。

燃煤鍋爐燃燒產(chǎn)生的 SO2均來自燃料本身含有的硫，固可在燃料燃燒前、中、后分別脫硫[4]，小型燃煤爐具的煙氣脫硫研究熱點(diǎn)前期主要集中在高效固硫型煤領(lǐng)域。梁斌等[5]利用復(fù)合化學(xué)添加劑改性潔凈型煤，在解耦爐具中 SO2實(shí)際排放質(zhì)量濃度為 291 mg/m3，固硫效率可達(dá) 65% 以上。小型燃煤爐具單臺(tái)鍋爐容量較小，絕大多數(shù)爐具熱功率在10～150 kW，安裝污染控制系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)投入相對(duì)較高，目前真正安裝、運(yùn)行污染物減排系統(tǒng)的鍋爐很少[6]，通過查閱近年來相關(guān)文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，針對(duì)該類供暖方式的燃燒后深度脫硫研究已基本停滯，一方面受地區(qū)性煤炭使用政策影響，另一方面因現(xiàn)有脫硫技術(shù)尚無良好適配經(jīng)濟(jì)性工藝應(yīng)用，絕大多數(shù)都轉(zhuǎn)向非煤資源的高效應(yīng)用，某種程度來講造成了國內(nèi)技術(shù)的發(fā)展遲緩。

針對(duì)我國小型燃煤爐具量多面廣、煙氣治理技術(shù)薄弱的現(xiàn)狀，兗礦集團(tuán)潔凈煤技術(shù)工程研究中心通過分析當(dāng)今小型燃煤爐具煙氣脫硫技術(shù)特點(diǎn)和發(fā)展趨勢(shì)，利用蜂窩結(jié)構(gòu)的多孔性和阻力小的特點(diǎn)，采用鈉基吸收劑作為煙氣中SO2酸性氣體的吸收劑，制成具有較大表面積的蜂窩狀脫硫劑，并且進(jìn)行了75 kW燃煤爐具燃燒后脫硫試驗(yàn)研究，為小型燃燃煤鍋爐應(yīng)用蜂窩體脫硫技術(shù)提供技術(shù)參考和經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 試驗(yàn)部分

1.1 蜂窩式脫硫劑的制備

蜂窩式脫硫劑制備工藝流程如圖1所示。

圖1 脫硫劑制備工藝流程示意

將鈉基原料干粉、黏結(jié)劑、助擠劑等通過比例摻混、捏合等前期處理，其中鈉基粉體質(zhì)量組分為90%，其余輔料均為自制復(fù)合無機(jī)原料和少量有機(jī)原料，將捏合后的泥料放入練泥機(jī)練泥，泥料陳腐48 h后進(jìn)行成型擠壓成型，初步成型胚料進(jìn)行切割后放入恒溫烘箱中120 ℃烘干8 h，制得的單塊蜂窩脫硫劑。脫硫劑尺寸75mm×75mm×100mm，方形孔尺寸4.5mm×4.5，壁厚2 mm，開孔率48%。圖2所示為該蜂窩脫硫劑經(jīng)過熱激活機(jī)制[7]后的SEM圖，從圖2中可以看出，活潑的鈉基粉末與炙熱煙氣接觸后迅速熱解轉(zhuǎn)化成Na2CO3，極大提高了鈉基吸收劑的孔隙率和比表面積[8]，孔道結(jié)構(gòu)異常發(fā)達(dá)，從而促進(jìn)了SO2與脫硫劑的接觸，提高 SO2的脫除率。

圖2 蜂窩脫硫劑掃描電鏡圖示意

1.2 試驗(yàn)裝置

本次試驗(yàn)的爐具為75 kW小區(qū)域燃煤供暖爐具、脫硫反應(yīng)器、布袋除塵器及相關(guān)輔機(jī)構(gòu)成。其中脫硫反應(yīng)器內(nèi)部總高度800 mm，長(zhǎng)度及寬度均為690 mm，脫硫劑層總高度400 mm。該反應(yīng)器置于75 kW爐具之后、布袋除塵器之前，燃煤燃燒產(chǎn)生的高溫?zé)煔庾誀t膛受熱面尾部出口進(jìn)入反應(yīng)器中，通過氣-固反應(yīng)將煙氣中SO2脫除，最終生成Na2SO3/Na2SO4、CO2，凈化后的煙氣進(jìn)入布袋除塵后由引風(fēng)機(jī)排入大氣中。

數(shù)據(jù)檢測(cè)主要包括煙氣溫度、壓差、SO2濃度及煙塵濃度，其中煙氣溫度由測(cè)點(diǎn)熱電偶進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，壓差由歐億電子差壓計(jì)，SO2濃度由MRU-MGA5型紅外煙氣分析儀，煙塵濃度由嶗應(yīng)3012HD煙塵測(cè)量?jī)x分別完成檢測(cè)。

1.3 反應(yīng)器內(nèi)部設(shè)計(jì)及流場(chǎng)數(shù)值模擬

脫硫劑層裝填總高度為400 mm，剩余400 mm高度區(qū)域?yàn)榭涨?。脫硫劑裝填層可以視為簡(jiǎn)單、均質(zhì)的多孔介質(zhì)層以代替實(shí)際的規(guī)整蜂窩體進(jìn)行反應(yīng)器流場(chǎng)模擬。

該模型可以視為簡(jiǎn)單均質(zhì)的多孔介質(zhì)層，在數(shù)值模擬中，多孔介質(zhì)是在動(dòng)量方程中增加了源項(xiàng)Si[9]。

方程右側(cè)第1項(xiàng)為黏性損失項(xiàng)，又稱為達(dá)西公式，第2項(xiàng)為慣性損失項(xiàng)；α為多孔介質(zhì)滲透性系數(shù)；C2為慣性阻力因子；μ為流體黏性系數(shù)；ρ為流體密度；v為流體通過多孔介質(zhì)的流速vi為v的分速度。因?yàn)槟M對(duì)象是具有規(guī)整孔道的蜂窩體，所以可以消除滲透相，只考慮內(nèi)部損失項(xiàng)，動(dòng)量方程可以簡(jiǎn)化為：

其中，Δp是脫硫劑壓降；Δx是脫硫劑層厚，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試流速及壓力降即可擬合出參數(shù)C2。

反應(yīng)器直徑被蜂窩壁分隔開，很難對(duì)進(jìn)入到規(guī)整結(jié)構(gòu)脫硫劑的氣體流速進(jìn)行再分配，所以在進(jìn)入到規(guī)蜂窩層之前流速的均勻程度對(duì)裝有規(guī)整填料的反應(yīng)器非常重要。圖3是本次試驗(yàn)建立的3個(gè)模型，煙氣自上而下流入反應(yīng)器內(nèi)，模型(a)是脫硫劑緊密堆積成400 mm高的模型，模型(b)反應(yīng)器模型的相鄰兩層脫硫劑之間有100 mm的間距，模型(c)是在(b)的基礎(chǔ)上在煙氣入口處加裝四片導(dǎo)流片的模型。

圖3 反應(yīng)器模型

建立反應(yīng)器模型并劃分網(wǎng)格，對(duì)分布器附近流體區(qū)域進(jìn)行局部網(wǎng)格加密，導(dǎo)入Fluent軟件進(jìn)行流場(chǎng)模擬，煙氣進(jìn)入速度為2.2 m/s，入口溫度120 ℃，出口壓力-300 Pa，進(jìn)口煙氣雷諾數(shù)Re=3600，屬于高雷諾數(shù)的湍流，采用標(biāo)準(zhǔn)k-ε方程對(duì)流場(chǎng)進(jìn)行求解，該模型滿足一般工程計(jì)算精度及收斂性。其速度云如圖4所示。

圖4 速度流場(chǎng)云圖示意

根據(jù)圖4可知，模型(a)中煙氣主要流經(jīng)脫硫劑中間區(qū)域，邊壁附近通流量極低；模型(b)的流場(chǎng)得到改善，在后兩層脫硫劑處流場(chǎng)分布較均勻，但是在前兩層脫硫劑層也存在流場(chǎng)分布不均的情況；模型(c)加裝導(dǎo)流板后流場(chǎng)較好，煙氣較均勻的流經(jīng)脫硫劑層。根據(jù)模擬結(jié)果，按照模型(c)設(shè)計(jì)制作固定床作為脫硫反應(yīng)器。分別在脫硫反應(yīng)器入口、二三層之間及脫硫反應(yīng)器出口建立檢測(cè)口，測(cè)試SO2排放濃度及壓差。

1.4 燃料分析

試驗(yàn)所用燃料為濕法型煤和籽煤，兩種煤的工業(yè)分析結(jié)果如表1所示。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 試驗(yàn)工況

試驗(yàn)過程選用相同基本工況，將需要測(cè)試的參數(shù)作為單一變量。爐具及脫硫反應(yīng)器內(nèi)煙氣基本工況見表2，試驗(yàn)中各數(shù)據(jù)在穩(wěn)定工況下測(cè)定。

表1 濕法型煤與籽煤的工業(yè)分析及發(fā)熱量

2.2 不同空速對(duì)脫硫效率影響

燃用濕法型煤，分別在脫硫反應(yīng)器中間及尾部測(cè)試SO2排放濃度，圖5是不同空速條件下脫硫效率隨運(yùn)行時(shí)間的變化趨勢(shì)，可以看出，兩條曲線起始效率偏差較小，說明兩種空速條件下，蜂窩體氣-固反應(yīng)速率、效率均相近，在該節(jié)點(diǎn)，空速并非是影響脫硫效率的直接因素。隨著運(yùn)行時(shí)間延長(zhǎng)，效率衰減比例發(fā)生較大差異，低空速表現(xiàn)出較強(qiáng)的穩(wěn)定性，在96 h時(shí)，高空速效率降低至51%，而低空速依然保持了79.1%的較高效率。說明在本次實(shí)驗(yàn)中適宜的空速是保證穩(wěn)定SO2吸收能力的關(guān)鍵因素。

表2 爐具運(yùn)行參數(shù)

圖5 不同空速脫硫效率變化趨勢(shì)

2.3 不同特性飛灰對(duì)脫硫效率影響

隨著脫硫系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間的增加，煙氣中的飛灰會(huì)逐漸覆蓋脫硫劑表面，堵塞脫硫劑表面孔道結(jié)構(gòu)[10]，本次試驗(yàn)分別燃用濕法型煤及仔煤，考察飛灰特性對(duì)脫硫效率的影響，燃用濕法型煤和籽煤的煙塵排放狀況見表3，兩種型煤燃燒后脫硫效率曲線見圖6。由圖6中可以看到，飛灰特性對(duì)蜂窩體脫硫效率影響較大，燃用型煤的工況在96 h的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)的脫硫率均高于燃用籽煤的工況，這是因?yàn)樽衙旱膿]發(fā)分較高，燃燒生成的顆粒要高于型煤，而且生成的炭黑比例也高，而炭黑具有粘附性強(qiáng)、流動(dòng)性較差的特點(diǎn)，導(dǎo)致飛灰的邊壁滯留量高于濕法型煤，更易造成物料表面被包覆，影響SO2分子進(jìn)入脫硫劑內(nèi)部孔道。

表3 不同燃料燃燒時(shí)煙塵排放情況

圖6 型煤與籽煤燃燒后脫硫率隨時(shí)間變化趨勢(shì)

2.4 清灰對(duì)脫硫效率的影響

以籽煤作為燃料，爐具連續(xù)運(yùn)行96 h后對(duì)脫硫劑進(jìn)行熱態(tài)清掃吹灰，恢復(fù)工況后重新采集數(shù)據(jù)，脫硫效率隨時(shí)間變化趨勢(shì)見下圖7，96 h時(shí)脫硫率已降低至45%，經(jīng)簡(jiǎn)單吹灰后脫硫效率恢復(fù)至95.2%，之后96 h的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，其脫硫效率變化曲線與吹灰前基本一致。說明該蜂窩脫硫劑尚未完全失活，可以通過簡(jiǎn)單吹灰恢復(fù)其脫硫活性，但是因?yàn)轱w灰中的細(xì)粒徑顆粒特別是炭黑顆粒仍會(huì)侵入脫硫劑微孔結(jié)構(gòu)中，簡(jiǎn)單的熱態(tài)條件下吹灰不能完全清掃干凈，且脫硫劑作為吸收劑會(huì)不斷吸收SO2形成硫酸鹽，脫硫劑組分在不斷消耗，所以吹灰后的脫硫略率低于吹灰前的數(shù)據(jù)。

圖7 蜂窩體清灰對(duì)脫硫效率的影響

2.5 脫硫反應(yīng)器內(nèi)部阻力

對(duì)于燃煤鍋爐尾部煙氣凈化工藝來說，脫硫反應(yīng)器的內(nèi)部阻力影響著脫硫系統(tǒng)的安全性及運(yùn)行周期，分別在脫硫反應(yīng)器中裝填蜂窩脫硫劑及長(zhǎng)度20 mm、直徑6 mm的棒狀顆粒脫硫劑。圖8所示為燃用籽煤條件下蜂窩式脫硫劑床與顆粒床壓差變化趨勢(shì)?？梢钥闯?，蜂窩式脫硫劑床反應(yīng)器在192 h的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)的前后壓差長(zhǎng)期維持在15 Pa以下，反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定，而顆粒床初始?jí)翰罴催_(dá)到了131 Pa，運(yùn)行50 h后即快速升高，截至到65 h時(shí)，顆粒床壓差升高至633 Pa，被迫停爐處理。蜂窩式脫硫劑的抗塵能力優(yōu)于顆粒脫硫劑，是因?yàn)榉涓C體的孔道規(guī)整，且開孔率達(dá)到48%，煙氣中的顆粒物不易在反應(yīng)器孔道內(nèi)積聚堵塞煙氣流通面積。

圖8 不同類型反應(yīng)器壓差隨運(yùn)行時(shí)間變化趨勢(shì)

3 結(jié) 論

(1)與常規(guī)脫硫手段相比，蜂窩式脫硫劑屬于干法脫硫，無二次污染源。蜂窩成型工序簡(jiǎn)單，制成的蜂窩脫硫劑孔道結(jié)構(gòu)發(fā)達(dá)，在小型燃煤爐具煙氣脫硫中具有良好的脫硫效率表現(xiàn)。

(2)型煤燃料在燃燒過程中所產(chǎn)生的飛灰具有良好的流動(dòng)性和低粘滯性，無除塵裝置、未進(jìn)行清灰條件下可保證90%脫硫效率以上長(zhǎng)達(dá)40 h以上，較常規(guī)煤種具有更強(qiáng)的環(huán)保適配性。

(3)煙塵包覆是鈉基蜂窩體脫硫效率衰減的主要因素，隨著運(yùn)行工況延長(zhǎng)，煙氣中粉塵對(duì)脫硫劑表面及細(xì)孔道的堵塞逐步增加，蜂窩脫硫劑在效率降低至45%時(shí)通過簡(jiǎn)單的熱態(tài)清灰，可以使脫硫效率得到較大的提升；也可以加裝除塵裝置，進(jìn)一步提高脫硫所需空速，降低反應(yīng)器裝置占有空間。

(4)經(jīng)過192 h的長(zhǎng)周期試驗(yàn)結(jié)果表明，蜂窩脫硫劑可以在高塵條件下連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行，反應(yīng)器前后壓差在15 Pa以內(nèi)，安全運(yùn)行周期遠(yuǎn)高于顆粒床反應(yīng)器。