利用氧化鎂進行脫硫脫硝工藝改進研究

宋文靜，張鑫洋，宋遠強，柳知非，孫好芬

(青島理工大學 環境與市政工程學院，山東 青島 266033)

作為一個煤炭資源豐富的大國，通過煤炭資源發熱發電的技術已經愈加成熟且廣泛，然而由于煤炭燃燒產生了大量空氣污染物，如二氧化硫、氮氧化物等，這些大氣污染物會破壞大氣層的生態結構，甚至會破壞臭氧層，致使紫外線不能被阻擋而危害人類。因此對于燃煤發電產生的二氧化硫及氮氧化物等空氣污染物的治理迫在眉睫，我們對現有的煙氣脫硫脫硝技術進行了解和對比，發現燃燒后煙氣脫硫技術(FGD)是世界上商業應用最廣泛的一種脫硫技術，而且是控制SO2最有效的工藝[1]。我們對FGD工藝(石灰-石膏法)進行了詳盡分析，在FGD工藝(石灰-石膏法)的基礎上，以提高脫硫脫硝效率為主要目的，并且在一定程度上優化和改善FGD工藝的脫硫過程中存在的易結垢、堵塞、腐蝕、耗水量大和回收利用率低等問題，提出了雙堿法脫硫工藝和SCR法脫硝工藝。氧化鎂脫硫脫硝工藝不僅可以有效地提高脫硫效率，比如在相同條件下，工藝中采用的雙堿法的脫硫效率要高于FGD(石灰石-石膏濕法)，脫硫效率能達到95%～98%[2]。而且SCR法脫硝效率高，氨逃逸率低，成本較低，技術也較為成熟。同時，氧化鎂脫硫脫硝工藝還提高脫硫脫硝產物利用率、優化泵的運行方式、設計錐體結構防止堵塞堆積等。

1 三倉式脫硫脫硝塔的設計

氧化鎂脫硫脫硝吸收塔與FGD工藝相似，都是作為煙氣通過的通道，進行煙氣的脫硫反應及脫氮反應。此工藝的脫硫塔設計為三倉式，分為上倉氣體換溫區，中倉氣體吸收劑洗滌區，下倉吸收劑漿液池；脫硫塔設計為三步式，第一步熱解尿素，第二步混合煙氣，第三步SCR除氮。脫硫脫硝塔的每個部分都具有相應的功能，提高整個系統的穩定性[3]。脫硫脫硝塔若分用兩套裝置分別脫硫脫硝，不但占地面積大， 而且投資及生產運行費用也很高[4]。所以我們將脫硫脫硝塔由煙道連接在一起，成為一體結構。而且為防止固體物的堆積與煙氣預冷水的倒流，我們把通常的水平煙氣入口設置成傾斜型式[5]，傾角為12～15°。

1.1 脫硫塔

脫硫塔從下到上可以分為三個倉：下倉-脫硫漿液池、中倉-洗滌區、上倉-氣體區。

1.1.1 中倉氣體脫硫洗滌區

煙氣通過除塵、增壓風機加壓、GGH換熱器降溫進入中倉，中倉上方設有吸收劑漿液噴淋裝置，煙氣被噴淋裝置噴出的吸收劑漿液(吸收劑吸收原理：氫氧化鈉溶液吸收煙氣中的二氧化硫，反應生成硫酸氫鈉和亞硫酸鈉[6])初步凈化，在中倉與下倉之間開設一個管道，并接入至吸收塔漿液池底部，使初步凈化后的煙氣可以通過管道進入下倉。中倉中的吸收劑與煙氣均匯入下倉。

1.1.2 下倉脫硫漿液池

初步凈化后的煙氣與中倉反應的吸收劑通過管道進入吸收劑漿液池底部，與吸收劑充分反應。為增大反應面積，提高反應效率，在下倉內設有循環泵(將脫硫漿液不斷循環)、鼓泡器(產生大量氣泡，鼓動漿液)和攪拌器(通過攪拌使反應物充分混合)；為防止損壞泵或堵塞噴頭，循環泵吸入口之前安裝過濾器[7]；為防止結垢，將下倉底部設為錐體結構；在下倉和上倉之間設連通器，深度凈化后的煙氣通過連通器飄入上倉。

1.1.3 上倉氣體換溫區

深度凈化后的煙氣通過連通器進入上倉氣體換溫區，上倉氣體換溫區是指吸收塔內噴淋裝置上部到煙氣出口。氧化鎂脫硫脫硝工藝與FGD系統中使用的除霧器相似，FGD系統中的除霧器通常由除霧器本體及沖洗系統兩部分組成[8]。除霧器本體的作用是通過離心力實現氣液分離，沖洗系統其作用是定期沖洗由除霧器葉片捕集的液滴、粉塵，保持葉片表面清潔，防止葉片結垢和堵塞[9]。在氧化鎂脫硫脫硝工藝中除霧器沖洗系統采用的是工業水，一是降低生產運行成本，二是可通過副產物回收處理得到的工業水循環。經過除霧器后的脫硫煙氣含水量大大降低，通過煙道進入脫硝塔脫硝。

1.2 脫硝塔

氧化鎂脫硫脫硝工藝采用SCR法進行脫硝。

1.2.1 尿素溶液熱解

本工藝采用濃度為50%左右的尿素溶液為還原劑，尿素溶液先進行霧化處理，變成小液滴后進入熱解爐進行高溫熱解，溫度在450℃到650℃之間[10]。凈空氣經增壓風機進入盤管式熱交換器，加熱到450～600℃[11]。后進入高溫熱解爐與濃度為50%左右的尿素溶液一起熱解，熱解得到氣態水、二氧化碳和氨氣，隨后進入緩沖罐中保溫經噴氨格柵噴出。脫硫后的煙氣通過增壓風機增壓進入脫硝塔，經GGH換熱器與省煤器后與噴氨格柵噴出的混合氣體混合，經過整流器進入SCR反應器，在SCR反應器中設置了三層催化劑：一般一層催化劑脫硝效率為40%，兩層催化劑脫硝效率可達70%，三層可達90%[12]。本工藝中選用V2O5，WO3和TIO2為催化劑進行催化脫硝，將煙氣中的氮氧化物氧化還原為沒有污染的氮氣和水，通過煙氣出口排放。由于煙氣通過催化劑進行反應，故煙塵易在催化劑表面堆積。為了避免堵塞，反應器和催化劑需要定期進行檢查和清洗，可用壓縮蒸汽或水蒸氣或真空吸塵器等清理[13]。

2 雙層漿液曝氣的設計

雙層建筑是指在脫硫塔下面設漿液曝氣設備。

2.1 雙層建筑設計目的

脫硫劑在經過脫硫塔之后產生的廢液中仍含有少量的亞硫酸鈣和亞硫酸氫鈣，為降低廢液中的COD，提高產物回收效率，故需進行曝氣處理。同時，為節省管材，故在脫硫塔下部直接設漿液曝氣設備。

2.2 擴大漿液曝氣的面積設計理念

經過在工廠的實地考察和在網上搜集資料，我們發現大多數工廠的漿液曝氣設備只有一層，而且需循環曝氣，耗時耗能。于是，我們擬將一層的漿液曝氣設備改為兩層，中間設有足夠的空間，使廢液在流過第一層后通過擋板引流至第二層曝氣，既合理利用了空間，又提高了漿液曝氣效率。而且在設置多層的同時減少廢液流量使液體在漿液曝氣設備上的厚度減小，即增加廢液與空氣接觸時間和面積，提高曝氣效率。

3 錐體結構

在脫硫塔底部設錐體結構，減少了漿液流動的死角，增加了反應物接觸面積，提高了反應效率，避免固體物堆積，防止阻塞塔底部的元件。而且還在脫硫塔錐體結構底部設鼓泡器、攪拌器和旋流板，四者相輔相成，不但提高了反應效率，還減少了

后期維修及機器使用壽命，達到了節能減排的效果。

4 總結

氧化鎂脫硫脫硝工藝在FGD脫硫脫硝工藝的基礎上進行了優化設計，將吸收塔煙氣入口設置為傾斜型式，可以防止固體物的堆積和煙氣預冷水的倒流；將脫硫脫硝塔設計為一體結構并將各部分功能具體化；在設脫硫塔底為錐形結構并增設旋流板和攪拌器，減少漿液流動死角，增加反應物的接觸面積，提高了脫硫效率，盡量避免結垢堵塞；采用SCR尿素熱解法進行脫硫，不但降低了運行成本還大大提高了脫硝效率；在回收產物上設計了雙層結構和優化漿液曝氣池，節約了能源也提高了反應的效率。