一種熱風(fēng)爐煙氣脫硫除塵工藝的研究與設(shè)計(jì)

◎ 肖彥民，賈 煜，梁國珍，秦 鋒

（鄭州中糧科研設(shè)計(jì)院有限公司，河南 鄭州 450053）

隨著國家對(duì)環(huán)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(lǐng)域中最主要的任務(wù)。糧食干燥是我國糧食儲(chǔ)運(yùn)中的主要耗能環(huán)節(jié)之一，是節(jié)能減排的重點(diǎn)對(duì)象。目前，糧食干燥領(lǐng)域的主要熱源之一是燃煤熱風(fēng)爐，提供熱源時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的塵和硫等污染物質(zhì)，因此對(duì)應(yīng)用于糧食烘干行業(yè)的熱風(fēng)爐煙氣進(jìn)行處理迫在眉睫。

傳統(tǒng)的糧食烘干系統(tǒng)中，燃煤熱風(fēng)爐煙氣處理一般采用的普通濕式脫硫除塵設(shè)備，脫硫、除塵效率低，運(yùn)行費(fèi)用高，且不易維護(hù)檢修，防腐難度大，脫硫除塵效果差，很難達(dá)到國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求。本項(xiàng)目開發(fā)的熱風(fēng)爐高效脫硫除塵技術(shù)，具有脫硫除塵脫水等多效作用，設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，占地省，運(yùn)行阻力小，無動(dòng)力配備，運(yùn)行安全可靠，檢修維護(hù)簡單，運(yùn)行成本低[1]。經(jīng)過行脫硫除塵處理后的煙氣可直接排放，可滿足國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求。

1 脫硫除塵原理

熱風(fēng)爐煙氣先采取高效多管除塵設(shè)備進(jìn)行第一級(jí)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(shè)備，進(jìn)一步脫除過細(xì)的粉塵，該除塵吸收主要是擴(kuò)散吸附，能使粉塵降低到30 mg·m-3以下，脫硫效率可以達(dá)到95%以上，格林曼黑度達(dá)到1級(jí)，完全達(dá)到國家環(huán)保要求[2]。

高效一體化工藝新技術(shù)和新裝置依靠渦輪增壓湍流技術(shù)和煙氣擴(kuò)散過程對(duì)吸收劑的吸收，使煙氣在裝備內(nèi)實(shí)現(xiàn)多相基元摻混，從而與吸收劑漿液充分接觸、洗滌、反應(yīng)，凈化后的煙氣上升至脫硫塔頂部，利用慣性凝并原理，對(duì)游離態(tài)水滴脫除，徹底脫水后進(jìn)入煙囪排入大氣，含有灰塵的循環(huán)漿液經(jīng)沉淀池沉淀后變?yōu)榍逅梢脲仩t出渣機(jī)進(jìn)行二次循環(huán)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(fēng)機(jī)→脫硫塔→（煙囪）→大氣。烘干系統(tǒng)中熱風(fēng)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(tǒng)熱風(fēng)爐煙氣流程示意圖

圖2 煙氣脫硫除塵系統(tǒng)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(shè)備，具有耐腐蝕、耐磨損、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，是燃煤熱風(fēng)爐配套的理想除塵設(shè)備。

多管旋風(fēng)除塵器內(nèi)的旋風(fēng)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(dāng)含塵氣體進(jìn)入除塵器時(shí)，通過陶瓷導(dǎo)向器，在旋風(fēng)子內(nèi)部高速旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，粉塵和氣體分離，粉塵降落在集塵箱內(nèi)，經(jīng)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(jīng)出口進(jìn)入脫硫除塵塔進(jìn)行二次除塵和脫硫處理[3]。

3 脫硫除塵塔

傳統(tǒng)濕法脫硫工藝一般是采用噴淋技術(shù)，即在塔內(nèi)將脫硫液噴射霧化，以達(dá)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(dá)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(dá)到90%。其特點(diǎn)是在鍋爐高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，循環(huán)泵功率消耗高，脫硫效率低而且不穩(wěn)定；在鍋爐中、低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，脫硫效率穩(wěn)定，但能耗比較高。

脫硫塔工作時(shí)因長期處于酸堿腐蝕環(huán)境中，塔內(nèi)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(jí)（≥2級(jí)）渦輪增壓湍流脫硫工藝+復(fù)合管束式除霧器，除塵、脫硫、一體化設(shè)計(jì)，高壓引風(fēng)機(jī)正壓運(yùn)行，放置于脫硫塔前。根據(jù)煙氣SO2含量變化，調(diào)整脫硫循環(huán)泵運(yùn)行數(shù)量，以便節(jié)約運(yùn)行費(fèi)用。該裝置克服了普通濕式脫硫除塵技術(shù)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(shù)

脫硫塔采用渦輪增壓湍流技術(shù)，脫硫塔原理如圖3所示。渦輪增壓湍流是根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)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(qiáng)氣流的擴(kuò)散，形成渦輪增壓湍流場，液體進(jìn)入強(qiáng)湍流場，被撞擊分散，氣體本身在撞擊液體時(shí)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(qiáng)了其與含硫、含塵煙氣的傳質(zhì)強(qiáng)度，脫硫除塵效率顯著提高[4-5]。

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

渦輪增壓渦扇湍流發(fā)生器和噴淋裝置連在一起使用后，使得其在鍋爐高中低負(fù)荷時(shí)均保持優(yōu)良的脫硫和除塵效率。液氣比等于2 L·m3時(shí)，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(fèi)了3～4倍的循環(huán)水量，其用電費(fèi)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(jù)使用方要求采用其他易容性堿性物質(zhì)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(qiáng)傳質(zhì)過程，所以反應(yīng)過程為：氣相主體中的SO2先迅速擴(kuò)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(jìn)行反應(yīng)，其簡化表達(dá)式如下：

（1）SO2的擴(kuò)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(shè)備選型影響因素

3.3.1 pH值對(duì)脫硫過程的影響

pH值對(duì)脫硫過程影響較大，當(dāng)pH值過高時(shí)，經(jīng)濟(jì)成本增加；但當(dāng)pH過低時(shí)會(huì)影響SO2在水中的溶解，甚至導(dǎo)致脫硫反應(yīng)的中止，從而影響脫硫效率，因此pH值的控制范圍根據(jù)燃煤含硫量和脫硫效率要求而不同。

3.3.2 溫度對(duì)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(yīng)速度變慢。溫度高可使反應(yīng)速度加快，但不利于SO2的溶解水合。因此應(yīng)控制溫度在45～55 ℃。

基于以上的理論分析，結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)中的數(shù)據(jù)，作為本次設(shè)計(jì)和主要設(shè)備選擇的依據(jù)。

4 實(shí)際應(yīng)用

本脫硫除塵設(shè)備在華糧康平糧庫得到實(shí)際應(yīng)用，現(xiàn)場設(shè)備如圖4所示。經(jīng)當(dāng)?shù)丨h(huán)保局檢測后，脫硫除塵設(shè)施進(jìn)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(shè)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(jīng)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(biāo)準(zhǔn)》中的要求。

圖4 脫硫除塵設(shè)備現(xiàn)場應(yīng)用圖

5 結(jié)論

本文主要介紹了一種新型脫硫除塵工藝，經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，脫硫除塵后的煙氣排放完全符合國家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)GB 13271-2014《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中的要求，可在烘干系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用。