雙堿法脫硫技術在內蒙古某礦燃煤鍋爐改造中的應用效果分析

田向勤，宮國卓

(1.泰戈特(北京)工程技術有限公司，北京 100022；2.北京市勞動保護科學研究所，北京 100054)

近年來，隨著我國環保法規的日趨嚴格以及人們環保意識的不斷增強，我國對于大氣污染排放要求日益提高。部分產煤礦，如內蒙古某煤礦，在其建設時，其配套采暖燃煤鍋爐未采取相應的脫硫設施，存在外排煙氣中SO2指標不定期超標的現象，其面臨的環保壓力越來越大。本文介紹了內蒙古某礦燃煤鍋爐脫硫除塵改造工程，包括脫硫除塵原理、工程設計及運行情況。

1 設計參數

內蒙古某煤礦鍋爐房為礦井配套鍋爐房，主要為礦井、選煤廠以及生產輔助系統提供采暖服務。鍋爐房安裝2臺6 t鏈條熱水鍋爐(1用1備)，型號為DZL4.2-1.0/115/70-AII；1臺2 t熱水鍋爐，型號為CLSG-85/60-AII。其中，2 t常壓熱水爐主要為浴室提供洗澡熱水服務。

燃煤種類為煙煤，含硫量0.6%，灰分7.8%。系統煙氣參數及排放要求見表1。

表1 系統煙氣參數及排放要求

2 脫硫除塵原理

2.1 除塵原理

設計采用(多管除塵+布袋除塵)結合的除塵工藝。

多管除塵器利用離心分離的原理進行工作，當含塵氣體經除塵器入口進入按等高排列的旋風子的切口入口，顆粒在旋風子內受離心力的作用被分離出來，經灰斗排出，被凈化的氣體經芯管排出，達到凈化煙氣的目的。

布袋除塵器利用濾料對含塵氣體進行過濾，達到除塵的目的。含塵氣體由除塵器進氣總管通過進氣支管的風量調節閥，均勻地分布到各單元濾袋室，氣流中一部分大顆粒粉塵因慣性而落入灰斗，顆粒小的粉塵通過篩分，慣性，粘附，擴散和靜電等作用被阻留在濾袋外側，凈化后的氣體則進入袋內，匯集到凈氣室，經排氣管排出。

多管除塵器維護成本低，幾乎不用維護。在布袋除塵器前采用多管除塵器除塵，一方面可以避免當煙氣溫度過高時，將煙氣直接進入布袋除塵器，對布袋除塵器除塵布袋的損壞；另一方面對煙塵中顆粒物進行有效截留，有效降低后續布袋除塵器顆粒物的脫除量，降低布袋除塵器的維護。

2.2 脫硫原理

雙堿法是中小型鍋爐應用較廣的煙氣脫硫技術，是為了克服石灰法容易結垢的缺點而發展起來的。國內在用的雙堿法種類較多，最常用的是鈉鈣雙堿法。雙堿法具有“三高、二低、一小”的特點。即：脫硫效率高、可利用率高、可靠性高；投資成本低、運行費用低；占地面積小。

2.2.1 吸收原理

吸收液通過噴嘴霧化噴入吸收塔，分散成細小的液滴覆蓋吸收塔的整個斷面。這些液滴與塔內煙氣接觸，發生傳質與吸收反應，煙氣中的SO2、SO3及HCl 、HF被吸收。SO2吸收產物經氧化和中和反應，最終形成硫酸鈉。

2.2.2 反應原理

基本化學原理可分為脫硫過程和再生過程兩部分。

(1)吸收反應。在塔內吸收SO2：煙氣與循環漿液在吸收塔內有效接觸，循環漿液吸收大部分SO2，反應如下：

2NaOH+SO2=Na2SO3+H2O

(1)

Na2SO3+SO2+H2O=2NaHSO3

(2)

Na2CO3+SO2=Na2SO3+ CO2

(3)

脫硫液pH小于9時以(1)式為主要反應，降到中性甚至酸性時則按(2)式反應。反應(3)只在系統啟動是發生。

(2)再生反應。脫硫后的反應產物進入再生池內用另一種堿，一般是 Ca(OH)2進行再生，再生反應過程如下：

Ca(OH)2+Na2SO3=2NaOH+CaSO3

Ca(OH)2+2NaHSO3=Na2SO3+

CaSO3· H2O↓+ H2O

脫硫塔脫除的硫以亞硫酸鈣、硫酸鈣的形式析出，然后將其用泵打入石膏脫水處理系統或直接堆放、拋棄。再生的NaOH可以循環使用。

(4)其他副反應。煙氣中的其他污染物如SO3、Cl、F和塵都被循環漿液吸收和捕集。SO3、HCl和HF與循環液中的NaOH(或NaCO3)反應。

3 工程設計

3.1 工藝流程

本工程采用(多管+布袋除塵器)除塵，鈉鈣雙堿法濕法煙氣脫硫工藝系統詳見圖1。

圖1 工藝系統流程示意

煙氣經多管除塵器及布袋除塵器除塵后，經鍋爐引風機進入脫硫塔脫硫，與噴淋裝置的脫硫漿液進行充分的傳質，吸收煙氣中的大部分SO2，煙氣經除霧器脫水除霧后經煙囪排放。 脫硫過程生成的亞硫酸鈉和硫酸鈉漿液進入置換再生池，置換再生池內加入石灰漿液(Ca(OH)2溶液)并在其中進行曝氣氧化之后，大部分漿液經循環泵循環用于脫硫，當循環液pH小于設計值時，排除部分漿液，并加入新的碳酸鈉溶液。

整套脫硫系統設計由煙氣除塵系統、SO2吸收系統、脫硫劑制備再生及渣處理系統、工藝水系統四個分系統構成。

3.2 煙氣除塵系統設計

煙氣除塵系統主要由多管除塵器及布袋除塵器組成。多管除塵器利用原有設施，本次新增2 t、6 t布袋除塵器各一臺，設計過濾風速0.8 m/min，過濾面積分別為128 m2、384 m2。

3.3 SO2 吸收系統設計

系統主要包括脫硫循環泵、脫硫塔(除霧器)。脫硫塔設計過程如下。

3.3.1 主要技術參數(按冬季負荷計算)

(1)煙氣量Q=24000 m3/h=6.67m3/s；

(2)脫硫前煙氣SO2含量：MSO2=2KWSar=7.14kg；

式中：K——燃后煤中硫分SO2轉換率，一般取0.8～0.85；

W——單位小時燃煤消耗量：t/h；

Sar——燃煤硫分，%。

則脫硫前SO2質量濃度為：460.87 mg/m3。

(3)凈化后煙氣脫硫效率滿足排放標準，應達到的脫硫效率η=58.12%。

設計脫硫效率大于80%，滿足排放要求。

3.3.2 塔徑計算

設計塔內煙氣流速3.5 m/s，則塔截面積：A=1.90 m2，計算塔徑D=1.55 m。

設計塔徑取1.6 m，實際空塔氣速V=3.32m/s。

3.3.3 噴嘴設計

設計氣/液比L/G=4.0 L/m3，則吸收煙氣中SO2所需的溶液流量：QL=L/G×Q=96m3/h。

為了使氣液有充分的接觸吸收時間，設置三層噴嘴。噴淋層由一臺脫硫循環泵(循環泵一用一備)供漿，每層設置電動閥單獨控制。

噴嘴材質為碳化硅，噴頭噴淋角度布置為 90°和 120°，采用均勻布置，噴淋層間距 1 m，相鄰上下兩層均勻錯位布置。

3.3.4 除霧器設計

除霧器主要作用是減少煙氣帶水量，提高防腐性能，延長使用壽命。

設計雙層除霧器，除霧器系統的設計采用波紋型板材、波紋型葉片有煙氣阻力小、不宜結垢、易沖洗等優點。除霧器材料采用 PPS。PPS 材質耐溫：-25～240 ℃，能承受高速水流沖刷。除霧器設沖洗系統，可實行差壓自動沖洗，也可人工沖洗。

3.3.5 塔高計算

根據上述各項匯總并考慮其他輔助裝置尺寸后，塔高定11.4 m，脫硫塔設備總圖詳見圖2。

圖2 脫硫塔設備設計示意

3.4 脫硫劑制備、再生及脫硫渣處理系統設計

脫硫劑制備、再生及脫硫渣處理系統包括石灰乳化箱，置換再生池，初沉池，二沉池，清液池，整體布置如圖3所示。

圖3 脫硫劑制備、再生及脫硫渣處理系統設計示意

(1)石灰乳化罐。因石灰粉耗損量低，采用袋裝石灰粉直接投加至石灰乳化罐中。石灰乳化罐設置攪拌器一臺。石灰乳化罐采用上部溢流管將漿液供應至置換再生池。石灰乳化罐容積5 m3，滿足系統8 h用量。

(2)置換再生池設計。將石灰粉配成石灰漿液，自流至再生置換再生池，置換再生池尾部設置氧化曝氣裝置。

(3)沉淀池設計。沉淀池分為兩座，初沉池和二沉池，并排布置。池頂采用溢流出水，二沉池溢流清液自流進入清液池，供循環泵抽取并進入噴淋系統脫硫利用。

初沉池和二沉池底部傾斜設計，坡度不小于5%.尾部均設置沉泥坑，沉泥坑各設置一臺泥漿泵，將池底泥漿泵送出池。

(4)清液池。二沉池清液自流進入清液池，循環泵從清液池取液供應噴淋系統用。

(5)堿液罐。設置一座堿液箱，堿液設置攪拌器。碳酸鈉粉在堿液箱內溶解后通過上部的溢流管道溢流入清液池補充脫硫所需。

3.5 工藝水系統

工藝水系統設置工藝水箱一座，一臺工藝水泵。用于系統內部用水：包括石灰乳化用水、堿液溶解用水、系統補充用水、除霧器沖洗用水及設備冷卻用水。

3.6 總平面布置

現場布置條件極為不便，場地北側為煤礦裝車場地，東側、西側為護坡，其中北側護坡比現有選煤廠地形高15 m左右，西側護坡比現有選煤廠地形高2～15 m左右，護坡坡底據鍋爐房寬約6 m。

在設計中充分利用場地與護坡間的距離，其中布袋除塵器與風機布置在鍋爐房后面，脫硫塔、綜合水池，布置在場區側面，為節約空間，同時為了減少開挖對周邊邊坡的影響，水池設計為地上式，為了使循環漿液自流進入沉淀池，設計對脫硫塔基礎加高。在水池頂設置堿液罐與碳酸鈉乳化罐，用于投加藥劑。綜合水箱布置在西南擋墻處。具體布置見圖4所示。

4 運行費用

運行費用主要包含電費、CaO費用、工藝補充水費用等，6 t鏈條熱水鍋爐按年運行180 d，每天運行16 h計算，2 t常壓熱水鍋爐按年運行365 d，每天運行4 h計算。

(1)新增機電設備總負荷172 kW，綜合計算年新增耗電量為32.5萬kW·h。

(2)生石灰消耗量按CaO純度80%，脫硫效率80%計算。年消耗生石灰15.5 t。

(3)整個系統反應過程中Na2CO3并無消耗，但在系統實際運行過程仍有少量會隨石膏排出系統，綜合估計年消耗純堿(純度99%工業碳酸鈉)1.37 t。

(4)本礦沒有考慮脫硫后石膏的壓濾處理，因此石膏排放會帶走部分水，同時煙氣也會帶走一部分水量，綜合年消耗水量933 t。

(5)運行費用僅包括增加脫硫除塵設施所增加的電費，及消耗生石灰、Na2CO3及工藝水的費用，未包括增加人員的工資及折舊等其他費用。綜合見表2。

表2 年運行費用

5 技改綜合效果

采用布袋除塵器+雙堿法脫硫工藝脫硫除塵，其除塵效率達99%以上，脫硫效率達90%以上，同時其具備一次投資省、運行成本低、國產化程度高等優點已廣泛應用于中小型燃煤鍋爐的脫硫除塵。

項目建成并調試整改后，委托專業機構對二氧化硫、氮氧化物、顆粒物進行檢測，檢測結果見表3，監測結果表明，二氧化硫、氮氧化物、顆粒物排放值滿足《鍋爐大氣污染物排放標準》GB13271—2014中在用燃煤鍋爐限值的要求。

表3 煙氣檢測結果 mg/m3