燃?xì)忮仩t煙氣NID脫硫工藝設(shè)計(jì)及應(yīng)用

梁 磊

(江蘇新中金低碳科技股份有限公司，江蘇 宜興 214200)

19世紀(jì)80年代，在噴霧干燥法煙氣脫硫技術(shù)的基礎(chǔ)上，半干法脫硫技術(shù)得到了改進(jìn)和快速發(fā)展，常用的脫硫劑主要包括生石灰、熟石灰、電石渣等[1-3]。半干法脫硫技術(shù)，是把干態(tài)粉末狀吸收劑噴入脫硫塔內(nèi)，與煙氣中SO2和噴入的水發(fā)生接觸傳質(zhì)反應(yīng)，脫除SO2。半干法脫硫?qū)嵸|(zhì)上是氣、液、固三相發(fā)生接觸傳質(zhì)反應(yīng)[4-6]，包含了傳質(zhì)、傳熱的物理過程和SO2溶解[7-10]、吸收等化學(xué)過程。吸收劑與煙氣中SO2反應(yīng)，產(chǎn)物為固態(tài)。固態(tài)產(chǎn)物吸收煙氣中的熱量，最終反應(yīng)產(chǎn)物為干粉狀態(tài)，在壓縮空氣作用下，具有較好的流動(dòng)性，有利于吸收劑循環(huán)反復(fù)多次利用。

NID(novel integrated desulfurization)半干法煙氣脫硫技術(shù)，是在傳統(tǒng)半干法脫硫裝置的基礎(chǔ)上，經(jīng)過不斷改進(jìn)優(yōu)化，研究開發(fā)出的新一代煙氣半干法脫硫技術(shù)。NID脫硫技術(shù)與傳統(tǒng)半干法脫硫技術(shù)原理相同，與傳統(tǒng)半干法脫硫技術(shù)相比，生石灰的消化和增濕在混合器中完成，省去了獨(dú)立分開的石灰漿液制備系統(tǒng)和噴射系統(tǒng)，避免了設(shè)備管道漏風(fēng)、堵塞嚴(yán)重等問題[11-15]。脫硫反應(yīng)停留時(shí)間短，設(shè)備占地面積小，適用于300 MW以下機(jī)組鍋爐煙氣低濃度SO2治理[16-18]。

2019年4月28日，國家五部委聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》，要求煙氣SO2和顆粒物排放質(zhì)量濃度小時(shí)均值分別不大于35 mg/m3和10 mg/m3(標(biāo)態(tài)，干基，余同)。部分鋼鐵企業(yè)燃?xì)忮仩t排放煙氣，SO2質(zhì)量濃度較低，選擇了NID脫硫技術(shù)。本文以490 t/h燃?xì)忮仩t煙氣SO2治理為例，介紹了NID脫硫工藝流程、脫硫塔、布袋除塵器、流化槽、混合器等核心設(shè)備設(shè)計(jì)要點(diǎn)和選型選材依據(jù)。出口SO2和顆粒物質(zhì)量濃度均遠(yuǎn)低于超低排放上限值，系統(tǒng)占地面積小，操作簡單，運(yùn)行穩(wěn)定，管理方便，可為今后同類工程設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供參考。

1 工程概況

上海某大型鋼鐵企業(yè)，發(fā)電機(jī)組新建490 t/h鍋爐，為亞臨界參數(shù)、單爐膛、平衡通風(fēng)一次再熱汽包鍋爐。設(shè)計(jì)燃料為高爐煤氣BFG，混燒焦?fàn)t煤氣COG、天然氣NG，預(yù)留廢乳化液接口。積極響應(yīng)環(huán)保要求，燃?xì)忮仩t煙氣增設(shè)NID脫硫設(shè)施，滿足SO2和顆粒物超低排放，煙氣參數(shù)如表1所示。脫硫劑為生石灰，目數(shù)為200～300目，純度不低于85%。綜合考慮鍋爐負(fù)荷變化以及NID脫硫最大處理煙氣量受到限制等因素，共設(shè)計(jì)4套NID脫硫系統(tǒng)，單套處理風(fēng)量為260 000 m3/h。4套系統(tǒng)配置1套再循環(huán)煙道，確保進(jìn)入NID脫硫系統(tǒng)的總煙氣量，不低于鍋爐滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)煙氣量的70%，保證脫硫塔內(nèi)建床煙氣流速，防止脫硫系統(tǒng)“塌床”。若鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行，可停運(yùn)其中1套或多套NID脫硫系統(tǒng)。

表1 煙氣參數(shù)

2 工藝流程

NID脫硫工藝流程如圖1所示。鍋爐來煙氣進(jìn)入脫硫塔，脫硫后煙氣進(jìn)入布袋除塵器，除塵后凈煙氣由布袋除塵器出口進(jìn)煙囪排放。布袋除塵器收集的循環(huán)灰經(jīng)底部船型灰斗落入流化槽，再由循環(huán)灰給料機(jī)送至混合器。利用工藝水增濕循環(huán)灰和石灰粉，三者在混合器中混合均勻后，送至脫硫塔脫硫，循環(huán)往復(fù)，完成煙氣SO2的脫除。流化槽內(nèi)設(shè)置高低料位計(jì)，循環(huán)灰到達(dá)高料位時(shí)，卸灰至倉泵，采用氣力輸灰送至灰?guī)欤h(huán)灰到達(dá)低料位時(shí)，卸灰停止，循環(huán)往復(fù)。布袋除塵器底部船型灰斗和流化槽均設(shè)蒸汽伴熱，防止物料結(jié)塊。流化槽、循環(huán)灰給料機(jī)、混合器底部均設(shè)流化風(fēng)，使循環(huán)灰處于流化狀態(tài)，防止結(jié)塊堵塞。脫硫塔底部設(shè)螺旋輸送機(jī)、重錘式翻板閥和氣動(dòng)插板閥，用于排出脫硫塔底部積聚的大顆粒物料。脫硫塔入口和布袋除塵器出口均設(shè)在線監(jiān)測裝置，實(shí)時(shí)在線檢測煙氣溫度、壓力、流量及SO2、顆粒物、NOx、H2O和O2含量。

圖1 工藝流程

2.1 脫硫塔

脫硫塔設(shè)計(jì)為J型結(jié)構(gòu)，如圖2所示，主要包括下部U型彎頭和上部矩形直段。煙氣由底部U型彎頭進(jìn)入，上部矩形直段頂部排出，送至布袋除塵器。因機(jī)械設(shè)計(jì)原因，混合器長度一般不超過3 m，與脫硫塔采用法蘭連接。脫硫塔矩形直段設(shè)計(jì)為扁矩形，長3 m、寬1.6 m，煙氣流速約15 m/s?；旌掀鹘涌谥翢煔獬隹谥行母卟顬?5 m，脫硫反應(yīng)停留時(shí)間為1 s。U型彎頭內(nèi)彎和外彎曲率半徑分別為1.6 m和3.2 m，為矩形直段寬度的1倍和2倍。外彎和內(nèi)彎圓心在同一水平線上，分別位于左側(cè)和右側(cè)，圓心距離為240 mm，為矩形直段寬度的15%。U型彎頭可避免底部煙氣形成渦流，降低阻力損失。U型彎頭截面積小于矩形直段，煙氣流速大于矩形直段，形成湍流，有利于氣、固兩相劇烈碰撞，增加接觸反應(yīng)幾率，提高脫硫效率和脫硫劑利用率[19]。

圖2 脫硫塔結(jié)構(gòu)示意圖

脫硫塔內(nèi)循環(huán)灰質(zhì)量濃度高達(dá)500～1400 g/m3，流速快，約15 m/s，與脫硫塔壁板劇烈摩擦，磨損較大，脫硫塔選用HARDOX 600鋼板制作，具有較高硬度、耐磨性能和耐沖擊韌性。脫硫塔頂部設(shè)導(dǎo)流板，有效避免高流速、高含固量煙氣垂直沖刷脫硫塔頂板。循環(huán)灰增濕結(jié)團(tuán)可能會(huì)形成大顆粒，隨運(yùn)行時(shí)間延長，脫硫塔壁板粘附積累形成塊狀物料，在重力作用下，均會(huì)落入脫硫塔底部。U型彎頭設(shè)壓差變送器，下方設(shè)螺旋輸送機(jī)，當(dāng)壓差大于300 Pa時(shí)，螺旋輸送機(jī)開始排料，防止物料積聚堵塞U型彎頭?；旌掀鹘涌谇胺胶吐菪斔蜋C(jī)上方均設(shè)視鏡，用于觀察塔內(nèi)物料情況。U型彎頭底部設(shè)檢修門，定期進(jìn)行設(shè)備維護(hù)。脫硫塔矩形直段設(shè)壓差變送器，用于檢測床層阻力，床層阻力控制在1200 Pa以下。

2.2 布袋除塵器

布袋除塵器主要由底部灰斗、中箱體、上箱體三部分組成。布袋除塵器平面尺寸為11.6 m×12.6 m，總高度為11.3 m，其中底部船型灰斗高度2 m，中箱體高度8.5 m，上箱體高度0.8 m。布袋除塵器設(shè)計(jì)為6個(gè)倉室，3個(gè)倉室共用1個(gè)船型灰斗，6個(gè)倉室共2個(gè)船型灰斗[20]。單倉室設(shè)置濾袋294條，14行21列均布，相鄰濾袋中心間距225 mm。濾袋規(guī)格為直徑160 mm，長度8000 mm，PPS材質(zhì)。布袋除塵器總濾袋數(shù)量為1764條，過濾面積約7090 m2，過濾風(fēng)速約0.6 m/min。單倉室配置14個(gè)8.89 cm的脈沖噴吹閥，根據(jù)噴吹間隔時(shí)間或除塵器進(jìn)出口壓差值，控制脈沖閥動(dòng)作，完成濾袋清灰。清灰氣源為壓縮空氣，壓力約0.35 MPa。

2.3 流化槽

利用流態(tài)化輸送原理，達(dá)到干燥粉末狀物料水平輸送的裝置稱為流化槽，結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。流化槽上層為循環(huán)灰料層，下層為氣腔。流化槽主要由上槽體、透氣層、透氣層支架、下槽體、進(jìn)料口、進(jìn)氣口等組成。除塵器下部2個(gè)船型灰斗下部設(shè)置1個(gè)流化槽，流化槽設(shè)計(jì)為平面形狀U型結(jié)構(gòu)，連接部分為圓環(huán)過渡。流化風(fēng)量按照透氣層單位截面積3 m3/(m2·min)進(jìn)行計(jì)算，流化風(fēng)壓根據(jù)透氣層、物料層及附屬設(shè)備阻力進(jìn)行設(shè)計(jì)。流化槽截面尺寸為長1.2 m，高2 m，透氣層總面積約32 m2，流化風(fēng)量和風(fēng)壓分別設(shè)計(jì)為100 m3/min和20 kPa。流化風(fēng)采用100 ℃左右的熱風(fēng)，避免物料遇到冷凝水結(jié)塊。流化槽相鄰2個(gè)進(jìn)風(fēng)口距離不大于9 m。透氣層選用聚酯纖維多層織物，耐溫150 ℃。

圖3 流化槽結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 混合器

混合器結(jié)構(gòu)如圖4所示，上部為霧化區(qū)，下部為混合區(qū)。霧化區(qū)上方設(shè)3支雙流體噴槍，霧化用水、用氣壓力分別約為0.5 MPa和0.4 MPa，霧化液滴直徑約100 μm，將石灰粉和含水2%左右的循環(huán)灰增濕至5%左右，霧化后物料進(jìn)入混合區(qū)?；旌蠀^(qū)底部設(shè)置6個(gè)流化風(fēng)進(jìn)口，循環(huán)灰、石灰粉和水在攪拌裝置和壓力20 kPa的流化風(fēng)作用下，充分混合后進(jìn)入脫硫塔?；旌掀魃a(chǎn)能力為100～675 m3/h，具有較大設(shè)計(jì)裕量。混合物料對設(shè)備磨損較大，攪拌裝置一般選用耐磨合金或復(fù)合陶瓷材料制作。

圖4 混合器結(jié)構(gòu)示意圖

3 運(yùn)行結(jié)果

查詢脫硫塔進(jìn)口在線監(jiān)測SO2質(zhì)量濃度和布袋除塵器出口在線監(jiān)測SO2和顆粒物質(zhì)量濃度以及歷史數(shù)據(jù)曲線，記錄不同時(shí)間點(diǎn)進(jìn)出口SO2質(zhì)量濃度和出口顆粒物質(zhì)量濃度，計(jì)算脫硫效率，數(shù)據(jù)見表2。進(jìn)口SO2質(zhì)量濃度為194.8～199.7 mg/m3，出口SO2質(zhì)量濃度降低至5.3～6.8 mg/m3，脫硫效率為96.6%～97.3%，出口顆粒物質(zhì)量濃度為0.5～1.2 mg/m3，出口SO2和顆粒物質(zhì)量濃度均遠(yuǎn)低于超低排放上限值。經(jīng)計(jì)算，Ca/S摩爾比約1.5。

表2 運(yùn)行數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

a.NID脫硫工藝技術(shù)應(yīng)用于燃?xì)忮仩t煙氣治理，系統(tǒng)連續(xù)進(jìn)料，間歇排料，能夠滿足SO2超低排放需求。系統(tǒng)占地面積小，操作簡單，運(yùn)行穩(wěn)定，管理方便。

b.脫硫塔、布袋除塵器、流化槽、混合器等核心設(shè)備需遵循設(shè)計(jì)要點(diǎn)，合理選型選材。

c.進(jìn)一步提高脫硫效率和脫硫劑利用率，降低脫硫Ca/S摩爾比，減少石灰用量，節(jié)省運(yùn)行成本，應(yīng)為未來研究的方向。