低溫?zé)煔釹DS干法脫硫工藝設(shè)計(jì)研究

摘要：隨著環(huán)保形勢(shì)愈來(lái)愈嚴(yán)峻，工業(yè)窯爐脫硫超低排放已是大勢(shì)所趨。SDS干法脫硫技術(shù)針對(duì)140 ℃以上的低硫煙氣脫硫處理具有巨大優(yōu)勢(shì)。鑒于此，研究了低溫?zé)煔獠捎肧DS干法脫硫技術(shù)的可行性，拓寬了該技術(shù)的適用范圍。研究表明，設(shè)置合理的升溫裝置將煙氣溫度升至活性窗口溫度，在下游合理位置設(shè)置碳酸氫鈉噴射點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)二氧化硫超低排放。通過(guò)CFD流場(chǎng)模擬技術(shù)對(duì)溫度流場(chǎng)和混合流場(chǎng)進(jìn)行優(yōu)化，提升脫硫效率，對(duì)改進(jìn)的SDS干法脫硫工藝設(shè)計(jì)起到了指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：低溫?zé)煔猓籗DS干法脫硫；活性窗口溫度；CFD技術(shù)

中圖分類號(hào)：X511" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" 文章編號(hào)：1671-0797（2023）07-0082-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.07.021

0" " 引言

國(guó)家環(huán)保形勢(shì)日益嚴(yán)峻，各地方相繼出臺(tái)了更加嚴(yán)格的大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋的行業(yè)范圍也更加廣泛，對(duì)粉塵、二氧化硫、氮氧化物等污染物的排放限值要求更加嚴(yán)苛。

目前，國(guó)內(nèi)煙氣脫硫技術(shù)繁多，需根據(jù)脫硫劑、副產(chǎn)物種類、脫硫效率高低、場(chǎng)地情況、投資運(yùn)行費(fèi)用及系統(tǒng)匹配性等多種因素合理選擇。針對(duì)煙氣量較小，二氧化硫初始濃度在1 000 mg/Nm3左右的工業(yè)窯爐，采用SDS干法脫硫工藝技術(shù)具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、脫硫效率高，無(wú)廢水廢氣等二次污染物排放，投資少、占地小，不消耗水資源，無(wú)白色煙羽污染等優(yōu)勢(shì)。

由于SDS脫硫技術(shù)對(duì)煙氣溫度有一定要求，如果采用該工藝處理溫度較低或有低溫?zé)煔獠⑷牖旌系臒煔庀到y(tǒng)，則需要對(duì)原煙氣進(jìn)行升溫。本文以鞍山某鋼廠雙膛石灰窯SDS脫硫項(xiàng)目為依托，研究了相關(guān)設(shè)計(jì)思路和方法，可為類似工程的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

1" " 脫硫原理及工藝設(shè)計(jì)方案

1.1" " SDS脫硫原理

SDS干法脫硫?qū)⑻妓釟溻c（NaHCO3）超細(xì)粉作為脫硫劑，通過(guò)噴射系統(tǒng)噴入煙氣并與之充分混合接觸，在高溫?zé)煔猓ā?40 ℃）作用下分解出高活性Na2CO3和CO2，活性強(qiáng)的Na2CO3與煙氣中的SO2及其他酸性介質(zhì)充分接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)生成Na2SO4。其脫硫機(jī)理比較復(fù)雜，主要反應(yīng)為[1]：

1.2" " SDS脫硫劑活性溫度

在SDS工藝脫硫過(guò)程中，對(duì)脫硫效率起決定性影響因素的是煙氣溫度。有研究表明，碳酸氫鈉的分解反應(yīng)為體積收縮吸熱反應(yīng)[2]，其在50 ℃以上開(kāi)始逐漸分解，在80 ℃開(kāi)始生成碳酸鈉、二氧化碳和水，在185 ℃時(shí)分解反應(yīng)基本結(jié)束[3]。在140 ℃時(shí)，碳酸氫鈉轉(zhuǎn)化率達(dá)到50%，分解速率達(dá)到最大；在185 ℃時(shí)，最大轉(zhuǎn)化率超過(guò)95%，其平均分解速率為14%/min。碳酸氫鈉超細(xì)粉在煙氣溫度140～250 ℃窗口區(qū)間具有高度活性[4]，通常略微過(guò)量的碳酸氫鈉就能自發(fā)完全地與煙氣中的酸性污染物進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)煙氣溫度上升到140 ℃以上時(shí)，脫硫效率達(dá)到96%[5]；當(dāng)溫度小于140 ℃時(shí)，脫硫效率下降明顯。溫度引起脫硫效果不同的原因主要是：高溫可以使碳酸氫鈉細(xì)顆粒粉加熱激活，發(fā)生爆米花效應(yīng)的爆漲，體積增大，生成活性強(qiáng)的海綿樣多孔結(jié)構(gòu)，具有很強(qiáng)的反應(yīng)活性和吸附活性。其分解產(chǎn)生的碳酸鈉在生成瞬間有較高的反應(yīng)活性，可以高效吸收煙氣中的SO2、HCl等酸性氣體，提高脫硫效率。

1.3" " 低溫?zé)煔釹DS脫硫工藝方案

根據(jù)上述碳酸氫鈉分解和脫硫反應(yīng)機(jī)理判斷，碳酸鈉反應(yīng)活性不但需要溫度在140～250 ℃窗口區(qū)間，而且還有時(shí)效性，其生成瞬間有較高的反應(yīng)活性，隨著時(shí)間推移其活性降低。當(dāng)煙氣溫度在140 ℃時(shí)，脫硫效率達(dá)到96%，因?yàn)樵谠摐囟认绿妓釟溻c分解速率更快，內(nèi)部生成更多的縫隙，內(nèi)擴(kuò)散阻力變小，形成了更大的內(nèi)部表面積。

綜上所述，如煙氣溫度達(dá)不到高活性的溫度窗口，則需要對(duì)原煙氣進(jìn)行升溫，且脫硫劑噴射位置應(yīng)選擇在升溫后，脫硫效率更高。

煙氣升溫采用的方法比較多樣，應(yīng)盡可能根據(jù)項(xiàng)目所在廠區(qū)實(shí)際情況選擇。如廠內(nèi)有高溫蒸汽或其他高溫?zé)嵩?，?yōu)先考慮熱交換方式升溫，設(shè)置結(jié)構(gòu)合理的換熱器；如廠內(nèi)有富余能源（高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、天然氣等），可考慮混合加熱升溫方式，設(shè)置燃燒器，用燃燒后的高溫?zé)釤煔馀c原低溫?zé)煔饣旌?，以提升溫度。燃燒器型式有?nèi)置式和外置式，同樣根據(jù)實(shí)際情況合理選擇。此外，在混合點(diǎn)后適當(dāng)位置設(shè)置混合器，可有效增強(qiáng)混合傳熱，提高溫度均勻性，縮短混合時(shí)間和路徑，保證混合升溫的效果。

脫硫劑碳酸氫鈉超細(xì)粉通過(guò)干式噴射口噴入煙道內(nèi)，位置選擇需保證反應(yīng)時(shí)間不少于2 s。在噴入點(diǎn)后設(shè)置混合器，既能保證碳酸氫鈉與煙氣均勻混合，又能促使煙道內(nèi)的氣流劇烈運(yùn)動(dòng)，分子和顆粒物的運(yùn)動(dòng)加快，加劇碳酸氫鈉顆粒之間的碰撞，提升其分解速率，提高脫硫效率。

2" " 系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)

2.1" " 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目為鞍山某鋼廠2×600 t/d雙膛石灰窯SDS干法脫硫，煙氣具體參數(shù)如表1所示。按兩條線分別設(shè)計(jì)，主工藝流程為：SDS脫硫+布袋除塵+引風(fēng)機(jī)。目前單臺(tái)石灰窯已配置有一套布袋除塵器，需新建一套脫硫劑供料及反應(yīng)裝置。本次設(shè)計(jì)還需考慮接入一路噴煤煙氣，進(jìn)行同步脫硫。煙氣經(jīng)過(guò)凈化處理后，二氧化硫排放濃度≤35 mg/Nm3（標(biāo)干，8%O2），脫硫效率保證值為82.5%，滿足不同負(fù)荷要求下上述煙氣排放值。

2.2" " 設(shè)計(jì)方案及工藝流程

從窯頂部出來(lái)的煙氣與接入的噴煤煙氣混合，進(jìn)入SDS脫硫除塵系統(tǒng)。脫硫反應(yīng)器采用煙道式，需改造原布袋除塵器入口煙道段，具體為：三通閥后彎頭出口原直徑為1.52 m的豎直圓煙道（約27 m）改造為直徑2.2 m的煙道，核算煙氣流速約13 m/s，能有效保證2 s的脫硫反應(yīng)時(shí)間。由于煙氣溫度較低，為保證SDS脫硫的活性溫度窗口，需升溫80 ℃（最大時(shí)）并能精準(zhǔn)可靠地調(diào)節(jié)控制。因現(xiàn)場(chǎng)可提供轉(zhuǎn)爐煤氣，參數(shù)為：熱值1 400 kcal/Nm3、壓力8～16 kPa，所以本次升溫采用燃燒轉(zhuǎn)爐煤氣產(chǎn)生高溫?zé)煔馀c需處理煙氣混合，從而保證混合后煙氣溫度gt;140 ℃。采用煙道直燃式燃燒器（選型參數(shù)如表2所示）安裝在三通閥后彎頭處，轉(zhuǎn)爐煤氣在煙道內(nèi)燃燒時(shí)，燃燒器自帶的消焰快混裝置使火焰長(zhǎng)度大大縮短并迅速混合燃燒高溫?zé)煔馀c待加熱煙氣。燃燒器噴口置于煙道正中，與煙氣流向一致，煙道可直接使用碳鋼板制作的同時(shí)最大限度縮短了混合段長(zhǎng)度，待加溫?zé)煔庠跇O短的距離內(nèi)跟燃燒器產(chǎn)生的高溫?zé)煔饣旌暇鶆颉?/p>

需處理煙氣經(jīng)過(guò)混合升溫后，在距混合位置3.5 m處設(shè)置脫硫劑噴射器，向SDS反應(yīng)煙道內(nèi)噴入NaHCO3超細(xì)粉，NaHCO3超細(xì)粉在高溫?zé)煔庾饔孟路纸獬龈呋钚訬a2CO3和CO2，隨后Na2CO3與煙氣中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。脫硫后粉狀顆粒產(chǎn)物隨氣流進(jìn)入布袋除塵器進(jìn)一步除塵。整套脫硫除塵系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

3" " CFD模擬分析及優(yōu)化

3.1" " 模擬分析的目的

本次模擬對(duì)象為鞍山某鋼廠2×600 t/d雙膛石灰窯SDS干法脫硫系統(tǒng)。本次模擬主要有兩個(gè)目的：

（1）由于石灰窯出口煙氣溫度在冬季較低（約70 ℃），并且還要考慮混入的噴煤煙氣（約57 ℃），因此待處理煙氣溫度將會(huì)遠(yuǎn)低于SDS脫硫需要的活性窗口溫度。本次設(shè)計(jì)通過(guò)設(shè)置燃燒器將煙氣升溫至約150 ℃，則需對(duì)燃燒器后的溫度場(chǎng)進(jìn)行模擬，設(shè)置合適的導(dǎo)流形式，以保證在短距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)溫度的均布。

（2）碳酸氫鈉通過(guò)干式噴射口沿?zé)煹缽较虼怪鄙钊氩㈨槦煔夥较驀娙?，為保證均勻噴射，對(duì)噴射點(diǎn)及后續(xù)流場(chǎng)進(jìn)行模擬，分析SDS反應(yīng)器內(nèi)碳酸氫鈉顆粒的分布狀態(tài)，并設(shè)置相應(yīng)的擾流措施來(lái)確保碳酸氫鈉快速?gòu)?qiáng)烈地與煙氣混合均勻，提升脫硫效率。

3.2" " 模型建立及計(jì)算結(jié)果

按照系統(tǒng)配置及相關(guān)設(shè)計(jì)圖紙，以1：1建立三維模型，模型如圖2所示。圖中in1為溫度場(chǎng)監(jiān)測(cè)面，i1～i3為碳酸氫鈉顆粒分布監(jiān)測(cè)面。

計(jì)算參數(shù)：q1煙氣量為113 077 m3/h，煙氣溫度為70 ℃，進(jìn)口邊界條件為速度進(jìn)口，進(jìn)口速度為26.88 m/s；q2煙氣量為25 385 m3/h，煙氣溫度為57 ℃，進(jìn)口邊界條件為速度進(jìn)口，進(jìn)口速度為14.59 m/s；熱風(fēng)爐出口熱煙氣量約為22 317 m3/h，出口速度為42.71 m/s；碳酸氫鈉耗量為63 kg/h；出口邊界條件為壓力出口，壓力值為0 Pa。湍流模型采用LES模型，壁面函數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，固壁面設(shè)置為無(wú)滑移壁面。

由于q2進(jìn)口垂直于q1進(jìn)口，兩處低溫?zé)煔饬鹘?jīng)彎頭后會(huì)產(chǎn)生旋流，攜帶熱煙氣沿反應(yīng)器四周螺旋向下擴(kuò)散。設(shè)置擾流板并不斷優(yōu)化得出最佳方案：在上部彎頭后約1 100 mm位置處添加50°的1/2個(gè)圓環(huán)擾流板及4塊200 mm高的筋板，在碳酸氫鈉噴射口下游1 700 mm和3 700 mm的位置處添加兩個(gè)圓盤擾流，減弱煙氣旋流現(xiàn)象，碳酸氫鈉顆粒混合及分布更加均勻。通過(guò)出口監(jiān)測(cè)面顆粒濃度分析，碳酸氫鈉顆粒在煙道內(nèi)停留時(shí)間達(dá)到了2.3 s，滿足SDS脫硫反應(yīng)時(shí)間的要求。流場(chǎng)模擬結(jié)果如圖3～圖8所示。

4" " 結(jié)論

在工業(yè)煙氣脫硫除塵超低排放治理方面，SDS干法脫硫工藝具有突出優(yōu)勢(shì)，為使其能夠推廣應(yīng)用到更多工業(yè)窯爐上，通過(guò)以上研究分析，找到了適用的工藝方法。

通過(guò)設(shè)置升溫裝置，將低溫?zé)煔馍郎刂?40 ℃以上，達(dá)到SDS脫硫工藝的活性窗口溫度。考慮到碳酸氫鈉在低溫時(shí)表面低速率分解產(chǎn)生的碳酸鈉會(huì)包裹住內(nèi)部顆粒，影響脫硫反應(yīng)，因此碳酸氫鈉噴射口位置應(yīng)設(shè)置在升溫后，此時(shí)碳酸氫鈉遇到高溫?zé)煔馑查g激活，反應(yīng)活性強(qiáng)，脫硫效率最高。

采用流場(chǎng)仿真計(jì)算，合理設(shè)置導(dǎo)流及擾流裝置，可以有效控制煙氣溫度偏差，提高脫硫劑與煙氣混合均勻性，提升脫硫效率，對(duì)SDS脫硫工藝設(shè)計(jì)起到相對(duì)準(zhǔn)確的指導(dǎo)作用。

[參考文獻(xiàn)]

[1] 李堅(jiān)，呂瑞彤，王川.碳酸氫鈉干法脫硫的實(shí)驗(yàn)研究[J].北京工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2020，46（4）：353-359.

[2] 王德義.碳酸氫鈉熱分解的動(dòng)力學(xué)模型與研究[J].天津化工，1990（4）：32-35.

[3] 趙傳文，陳曉平，趙長(zhǎng)遂.碳酸氫鈉分解的熱重分析研究[J].燃燒科學(xué)與技術(shù)，2009，15（2）：135-140.

[4] 徐廷萬(wàn).焦?fàn)t煙氣SDS脫硫與余熱回收的一體化應(yīng)用[J].四川化工，2019，22（2）：25-27.

[5] 周英貴.回轉(zhuǎn)窯窯尾煙氣SDS干法脫硫除塵的優(yōu)化分析[J].耐火與石灰，2021，46（3）：5-9.

收稿日期：2022-12-30

作者簡(jiǎn)介：劉超（1988—），男，陜西人，工程師，研究方向：工業(yè)煙氣脫硫。