一種熱風爐煙氣脫硫除塵工藝的研究與設計

◎ 肖彥民，賈 煜，梁國珍，秦 鋒

（鄭州中糧科研設計院有限公司，河南 鄭州 450053）

隨著國家對環保問題的日益重視，燃煤煙氣中二氧化硫和氮氧化物的污染控制成為目前大氣污染控制領域中最主要的任務。糧食干燥是我國糧食儲運中的主要耗能環節之一，是節能減排的重點對象。目前，糧食干燥領域的主要熱源之一是燃煤熱風爐，提供熱源時會產生大量的塵和硫等污染物質，因此對應用于糧食烘干行業的熱風爐煙氣進行處理迫在眉睫。

傳統的糧食烘干系統中，燃煤熱風爐煙氣處理一般采用的普通濕式脫硫除塵設備，脫硫、除塵效率低，運行費用高，且不易維護檢修，防腐難度大，脫硫除塵效果差，很難達到國家環保標準要求。本項目開發的熱風爐高效脫硫除塵技術，具有脫硫除塵脫水等多效作用，設備結構緊湊，占地省，運行阻力小，無動力配備，運行安全可靠，檢修維護簡單，運行成本低[1]。經過行脫硫除塵處理后的煙氣可直接排放，可滿足國家環保標準要求。

1 脫硫除塵原理

熱風爐煙氣先采取高效多管除塵設備進行第一級初步處理，使粉塵降低到一定范圍，再通過渦輪增壓湍流除塵濕法設備，進一步脫除過細的粉塵，該除塵吸收主要是擴散吸附，能使粉塵降低到30 mg·m-3以下，脫硫效率可以達到95%以上，格林曼黑度達到1級，完全達到國家環保要求[2]。

高效一體化工藝新技術和新裝置依靠渦輪增壓湍流技術和煙氣擴散過程對吸收劑的吸收，使煙氣在裝備內實現多相基元摻混，從而與吸收劑漿液充分接觸、洗滌、反應，凈化后的煙氣上升至脫硫塔頂部，利用慣性凝并原理，對游離態水滴脫除，徹底脫水后進入煙囪排入大氣，含有灰塵的循環漿液經沉淀池沉淀后變為清水，可引入鍋爐出渣機進行二次循環使用，無二次污染。

煙氣的流程為：鍋爐出口原煙氣→煙道→多管除塵器→引風機→脫硫塔→（煙囪）→大氣。烘干系統中熱風爐煙氣流程示意圖如圖1所示，脫硫除塵工藝原理如圖2所示。

圖1 烘干系統熱風爐煙氣流程示意圖

圖2 煙氣脫硫除塵系統平面布置示意圖

2 陶瓷多管除塵器

陶瓷多管除塵器是新一代的高效低阻除塵設備，具有耐腐蝕、耐磨損、耐高溫等優點，是燃煤熱風爐配套的理想除塵設備。

多管旋風除塵器內的旋風子是采用鑄鐵或陶瓷制造的，厚度大于6 mm，因此具有良好的耐磨性能。當含塵氣體進入除塵器時，通過陶瓷導向器，在旋風子內部高速旋轉，在離心力的作用下，粉塵和氣體分離，粉塵降落在集塵箱內，經放灰閥排出，凈化的氣體形成上升的旋流，通過排氣管匯于集氣室，經出口進入脫硫除塵塔進行二次除塵和脫硫處理[3]。

3 脫硫除塵塔

傳統濕法脫硫工藝一般是采用噴淋技術，即在塔內將脫硫液噴射霧化，以達到脫硫液與含硫煙氣充分接觸，提高脫硫效率。通常氧化鈣法脫硫，液氣比達6～8 L·m3，即1 m3工況煙氣需要至少8 L脫硫液，才能保證脫硫效率達到90%。其特點是在鍋爐高負荷運行時，循環泵功率消耗高，脫硫效率低而且不穩定；在鍋爐中、低負荷運行時，脫硫效率穩定，但能耗比較高。

脫硫塔工作時因長期處于酸堿腐蝕環境中，塔內布置有各種噴頭以及洗滌器等，故此次選用316 L不銹鋼材料。脫硫工藝選用多級（≥2級）渦輪增壓湍流脫硫工藝+復合管束式除霧器，除塵、脫硫、一體化設計，高壓引風機正壓運行，放置于脫硫塔前。根據煙氣SO2含量變化，調整脫硫循環泵運行數量，以便節約運行費用。該裝置克服了普通濕式脫硫除塵技術氣液兩相接觸不充分，脫硫除塵效果差的難題。

3.1 渦輪增壓湍流技術

脫硫塔采用渦輪增壓湍流技術，脫硫塔原理如圖3所示。渦輪增壓湍流是根據空氣動力學原理，通過改變煙氣流道的大小和方向，加速（矢量加速）氣流速度和增強氣流的擴散，形成渦輪增壓湍流場，液體進入強湍流場，被撞擊分散，氣體本身在撞擊液體時也伴隨分散。在渦輪增壓湍流場中，脫硫液的比表面積比噴淋塔高出10倍，大大增強了其與含硫、含塵煙氣的傳質強度，脫硫除塵效率顯著提高[4-5]。

渦輪增壓湍流傳質脫硫技術具有顯著的特點：①脫硫除塵效率可達99%，遠高于單一空塔噴淋工藝。②液氣比僅為傳統噴淋塔的25%（2 L·m3），從而大大減小了循環泵電機功率，使脫硫直接成本明顯降低。

渦輪增壓渦扇湍流發生器和噴淋裝置連在一起使用后，使得其在鍋爐高中低負荷時均保持優良的脫硫和除塵效率。液氣比等于2 L·m3時，即可保證脫硫除塵效率均較高。如果采用單一空塔噴淋，除塵效果不好，且必須要求液氣比≥6 L·m3。在同等脫硫除塵效率要求下采用空塔噴淋工藝多耗費了3～4倍的循環水量，其用電費用也是原來的3～4倍。

圖3 脫硫塔原理圖

3.2 鈉法脫硫原理

脫硫工藝采碳酸鈉作為脫硫劑（或根據使用方要求采用其他易容性堿性物質如：燒堿、堿片等）。由于湍流塔的除塵脫硫過程是氣液接觸的強傳質過程，所以反應過程為：氣相主體中的SO2先迅速擴散到液體表面的氣膜，并穿透氣液界面快速溶入液相中，通過一系列的水合、離解過程，與液相中電離的碳酸鈉進行反應，其簡化表達式如下：

（1）SO2的擴散

SO2（氣相主體）→SO2（氣膜）

（2）SO2的溶解

SO2(g)→SO2(aq)

（3）SO2的水合

SO2(aq)＋H2O→H2SO3

（4）SO2的離解和氧化

H2SO3→H＋+HSO3

3.3 設備選型影響因素

3.3.1 pH值對脫硫過程的影響

pH值對脫硫過程影響較大，當pH值過高時，經濟成本增加；但當pH過低時會影響SO2在水中的溶解，甚至導致脫硫反應的中止，從而影響脫硫效率，因此pH值的控制范圍根據燃煤含硫量和脫硫效率要求而不同。

3.3.2 溫度對脫硫過程的影響

溫度低有利于SO2的吸收和水合，但使中和反應速度變慢。溫度高可使反應速度加快，但不利于SO2的溶解水合。因此應控制溫度在45～55 ℃。

基于以上的理論分析，結合實際生產中的數據，作為本次設計和主要設備選擇的依據。

4 實際應用

本脫硫除塵設備在華糧康平糧庫得到實際應用，現場設備如圖4所示。經當地環保局檢測后，脫硫除塵設施進口廢氣污染物排放濃度最大值分別為：煙塵505 mg·m3、二氧化硫754 mg·m3。平均排放速率分別為：煙塵2.61 kg·h-1、二氧化硫3.92 kg·h-1。脫硫除塵設施出口廢氣污染物排放濃度最大值分別為：煙塵30 mg·m3、二氧化硫88 mg·m3，林格曼黑度均＜1。平均排放速率分別為：煙塵 0.18 kg·h-1、二氧化硫 0.54 kg·h-1。經脫硫除塵裝置后煙塵、二氧化硫排放濃度均滿足GB 13271-2014《鍋爐大氣污染物排放標準》中的要求。

圖4 脫硫除塵設備現場應用圖

5 結論

本文主要介紹了一種新型脫硫除塵工藝，經實際應用，脫硫除塵后的煙氣排放完全符合國家環保標準GB 13271-2014《鍋爐大氣污染物排放標準》中的要求，可在烘干系統中廣泛應用。