燃煤工業鍋爐飛灰回用鼓泡(乳化)濕法脫硫除塵一體化系統研究

趙 雪，羅楠洋，韓枝宏，薛 瑜，黃成梠，張巧鈴，呂釗敏，譚厚章

(1.西安交通大學 能源與動力工程學院，陜西 西安 710049；2.福建永恒能源管理有限公司，福建 泉州 362200)

0 引 言

我國煤炭消費結構中，燃煤工業鍋爐每年煤炭消費占全國的1/3，是僅次于燃煤發電的第二大燃煤型污染源[1]。近年來，隨著國家環保標準日益嚴苛，部分重點地區對工業鍋爐執行超低排放標準[2]，SOx作為限排對象之一目前主要采用濕法煙氣脫硫技術脫除，該技術工藝成熟，脫硫效率高，一般選用石灰石作為脫硫吸收劑。但石灰石不易溶于水，電離度和溶解度低，實際運行中電廠通常采用增大循環漿液量來提高脫硫效率，但會導致溶液中CaSO4濃度過高，易造成噴頭、除霧器及管線結垢堵塞；同時固體顆粒的存在對管線及泵的磨損較嚴重，不利于設備長期穩定運行，投資、運行費用非常高[3-5]，因此開發新型煙氣脫硫技術一直是研究重點。

煤粉燃燒產物粉煤灰中氧化鈣平均含量為10%～20%，整體呈堿性[6]，理論上說，粉煤灰可用做脫硫劑與煙氣中酸性氣體SO2反應；同時粉煤灰的微觀結構表明其中的未燃盡碳具有疏松多孔結構，比表面積大，是很好的煙氣脫硫吸附劑。前人研究表明，粉煤灰脫硫過程中，常利用粉煤灰或灰渣作為一種載體，加入熟石灰或黏結劑造粒成型來替代純石灰脫硫劑直接噴入煙道。美國開發的ADVACATE工藝[7]以及日本北海道電力公司[8]運行結果表明，混合脫硫劑脫硫效率可達到90%左右，雖然脫硫效率較高但仍難以達到中國現行超低排放標準(SO2<35 mg/m3)，原因在于煙道脫硫本質是氣固反應，其反應速率無法與濕法脫硫媲美，同時粉煤灰往往只作為脫硫劑載體，企業仍需使用大量脫硫劑，導致粉煤灰利用效率不高，成本難以降低。若能粉煤灰制成漿液，實現濕法脫硫，其脫硫效率將會大幅增加，因此有必要研究粉煤灰濕法脫硫技術的可行性。

為節省環保成本投入，企業對污染物一體化脫除技術需求日益旺盛。研究表明傳統石灰石濕法脫硫工藝通常具有一定的粉塵協同脫除能力，但其粉塵脫除效率波動較大，研究結果差異明顯。如朱士蕓等[9]采用10.8 g/m3粉塵作為脫硫塔入口粉塵濃度時，脫硫效率可達到99%以上；朱杰等[10]研究了不同機組對粉塵的脫除效率，除塵效率最小為7.54%，最大為85.88%，差異較大。魏宏鴿等[11]研究了不同試驗機組WFGD的協同除塵效率在 18%～68%，且對39臺機組容量25～1 000 MW的濕法脫硫裝置進行除塵效率試驗，并分析除塵效率影響因素，結果表明，試驗機組脫硫裝置平均除塵效率為49%。郝強等[12]對國電太原第一熱電廠的50 MW機組的石灰石石膏濕法煙氣脫硫裝置進行除塵性能分析，總體除塵效率在40%～96%，以上研究表明，雖然傳統濕法脫硫塔具備一定的除塵能力，但仍難以實現粉塵超低濃度排放，因此本文主要研究如何更高效實現粉煤灰濕法脫硫裝置的粉塵協同脫除。

基于此，本文開發了一種燃煤工業鍋爐飛灰回用鼓泡(乳化)濕法脫硫除塵一體化系統，通過提純鍋爐燃料燃燒后粉煤灰溶解液中Ca2+以制備脫硫劑達到SOx超低排放目的(無需再使用其他脫硫劑)，同時煙氣可直接進入脫硫系統，省卻了前端布袋除塵器，實現了粉煤灰濕法脫硫及協同除塵，并在某14 MW熱水鍋爐應用，為工業鍋爐低成本實現SOx超低排放及協同除塵提供技術參考。

1 鍋爐概況

該項目原有4×7 MW鏈條鍋爐，技改前熱效率僅為70%；因供熱面積減少，實際運行為2開2備。鍋爐尾氣處理為傳統麻石水膜除塵器，無配套脫硫系統。項目地為沿海地帶，冬季海陸風較多，現場環境惡劣，鍋爐尾氣排放嚴重超標，為匹配實際供熱面積，對鍋爐機組進行技改，拆除原有4臺7 MW機組，采用一臺14 MW機組。鍋爐燃用煤種工業分析結果為Mad=4.12%，Aad=8.77%，Vad=31.59%，FCad=55.52%，Qnet,ad=26.70 MJ/kg。

2 新型脫硫系統開發與改造

2.1 粉煤灰脫硫劑提純及濕式脫硫可行性分析

為徹底改變粉煤灰氣固反應脫硫的傳統利用方式，實現粉煤灰濕法脫硫，不添加其他脫硫劑的情況下實現SOx超低排放，本文開發了一套粉煤灰Ca2+提純設備，通過溶解-澄清等方法，提取粉煤灰中Ca2+，使其溶于水后生成堿性漿液進入脫硫設備，通過提純工藝最大化利用粉煤灰。

漿液進入脫硫設備發生的化學反應為

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

從化學反應角度考慮，無論何種脫硫工藝，理論上只要一個鈣基吸收劑分子就可以吸收一個SO2分子。粉煤灰脫硫工藝總體在氣相、液相和固相之間進行，核心在液相中，反應條件非常理想[13]。

2.2 高效除塵脫硫一體化凈化塔

2.2.1乳化脫硫作用

通過提純粉煤灰制備出脫硫劑后還需要匹配對應的脫硫設備，從影響化學反應速率因素考慮，需發展一套可以增大煙氣和脫硫劑的反應面，延長脫硫反應時間的設備。傳統濕法脫硫工藝通常采用噴頭進行霧化加大液、氣反應面，同時漿液不斷循環達到提高脫硫效率的目的，但該工藝中漿液CaSO4濃度過飽和，致使噴頭堵塞，引發脫硫效率降低、壓力升高等問題，增加維護成本。

本文自主研發了一套“高效除塵脫硫一體化凈化塔”設備[14]。該設備在煙氣進入塔內時進行一道霧化除塵，同時不采用傳統噴頭霧化的方式，脫硫液直接進入除塵脫硫塔，通過設置“颶風旋流器”讓煙氣切割脫硫劑，形成乳化層達到增大反應面、延長反應時間的目的。“颶風旋流器”設計阻力500 Pa，一體化凈化塔整體設備設計阻力為1 000～1 500 Pa，略高于單塔脫硫系統阻力(1 000 Pa)。考慮到本文可以省卻前端布袋除塵器(阻力約1 000 Pa)，同時可以避免傳統石灰石濕法脫硫造成管線堵塞等帶來的壓力升高，綜合來看一體化凈化塔滿足現有送風-引風系統的負荷要求，進口流速為正常鍋爐煙風管道設計流速，進入颶風旋流器的設計流速為12～21 m/s。“颶風旋流器”的設計類似風扇葉片原理，通過調整葉片角度來改變旋切風壓(圖1)。

圖1 颶風旋流器示意Fig.1 Schematic diagram of hurricane cyclone

氣動乳化實現方式為在一圓形管狀容器中，經加速的含硫煙氣以一定角度從容器下端進入容器，與容器上端下流的不穩定循環液碰撞，煙氣高速旋切下流循環液，循環液被切碎，氣液相互持續碰撞旋切，液粒粉碎得更細，氣液充分混合，形成一層穩定的乳化液；煙氣量較大時，調大葉片角度增加通過面，反之調小角度，達到氣、液平衡。在乳化過程中，乳化液層逐漸增厚，當上升的氣動托力與乳化液重力平衡后，最早形成的乳化液被新形成的乳化液取代。

2.2.2協同除塵作用

本文開發的“高效除塵脫硫一體化凈化塔”與傳統工業鍋爐除塵系統(布袋除塵器-濕式脫硫塔-濕式靜電除塵器)相比有以下不同：

1)由于一體塔內不采用噴頭，而是通過“颶風旋流器”使煙氣切割脫硫劑的脫硫方式，因此允許爐膛出口煙氣直接進入一體塔，省卻了前端布袋除塵器的布置，降低了投資成本和維護成本。

2)省卻了布袋除塵器，便無需考慮布袋除塵器內低溫腐蝕問題，因此本文在鍋爐尾部進入凈化塔前增加一道余熱回收裝置，將煙氣溫度從150 ℃降至100 ℃左右，提高了鍋爐整體熱效率。

3)降溫后的煙氣進入凈化塔，體積收縮發生第1步沉降，同時在噴淋的作用下，噴淋漿液大量吸附煙氣中粉塵顆粒形成新的粉煤灰溶液，粉煤灰溶液再經后續固液分離器提純、澄清獲得較潔凈的脫硫漿液重新循環至噴淋管處。由于脫硫漿液較純凈，可以很好地對煙氣進行洗滌，同時配合一體塔氣動乳化原理形成的乳化層能汽水結合捕捉煙氣中的粉塵，實現較高的除塵效率。

2.2.3濕式靜電除塵器(WESP)

雖然“高效除塵脫硫一體化凈化塔”具有較好的粉塵協同脫除能力，但對于細小粒徑顆粒尤其是PM2.5及更小的亞微米顆粒去除作用非常有限，與傳統濕法脫硫系統較一致。細小粉塵很難在吸收塔內脫除，分級脫除效率隨粒徑減小明顯下降，對于亞微米顆粒工況不穩定時甚至出現逆增長現象。因此，“一體塔出口”的煙氣需進一步進入濕式靜電除塵(霧)器進行除塵、除霧處理[15]；濕式靜電除塵(霧)器能真正除去PM2.5～PM10微細粉塵、氣溶膠等污染物，減少PM2.5排放。由于粉煤灰脫硫塔后煙氣溫度較低，與大氣溫差較小，還可有效解決“白羽”問題。

2.2.4新型脫硫系統流程

新型脫硫系統流程如圖2所示。凈化塔的下端設有煙氣入口和下液口，凈化塔的上端設有煙氣出口和濕式靜電除塵(霧)器進口相連接，煙氣入口與煙氣出口之間形成處理腔室，煙氣入口與燃煤鍋爐煙氣管道連接，處理腔室中自下而上設有煙氣降溫沉降模塊、噴淋除塵模塊、乳化脫硫模塊以及煙氣除霧模塊。噴淋管設置在煙氣入口上方，乳化脫硫裝置設置在噴淋管上方，該系統還包括噴淋罐、循環罐、固液分離器和真空陶瓷脫水機，下液口用導管將凈化塔脫硫除塵后的漿液引至固液分離器。漿液在固液分離器中自然靜置分層，靜置分層過程中粉煤灰中Ca2+逐漸溶解到溶液中，完成Ca2+的提純，整個流程不添加任何藥劑。固液分離后上層澄清液通過溢流管連接至噴淋罐，噴淋罐通過第二溢流管連接至循環罐。系統還包括脫硫循環泵、噴淋泵和濃漿輸送泵，脫硫循環泵從循環底部抽取脫硫液送入凈化塔乳化脫硫裝置，噴淋泵從噴淋罐底部抽取送入凈化塔噴淋管，濃漿輸送泵從固液分離器底部抽取漿液送至真空陶瓷脫水機進行漿液脫水；漿液經脫水后濕灰含水率約15%，不易產生揚塵，雖然濕灰中含帶了脫硫后的二水石膏，但二水石膏的量相對濕灰量來說非常小，自然堆積不會形成結塊或硬化，可由濕灰輸送車(渣土車或農用斗車)拉運至回收站，如磚廠、水泥廠、農業耕地等[16]。

圖2 系統流程Fig.2 Schematic diagram of the system

3 現場試驗測量

3.1 測量依據及方法

改造完畢后，對SO2及煙塵取樣測量，SO2采用HJ/T 57—2017《固定污染源排氣中二氧化硫的測定 定點位電解法》，煙塵采用HJ 836—2017《固定污染源廢氣 低濃度顆粒物的測定 重量法》。一體化脫硫系統中，脫硫旋流管啟用1根大管(直徑Dn=800 mm)和1根小管(Dn=600 mm)，旋流開度為1/2，試驗選取高、中、低3種負荷(表1)。低負荷和中負荷脫硫塔旋流器開啟1根大管和1根小管，高負荷測試時因大管脫硫循環泵故障，只啟動1臺脫硫循環泵，但加大噴淋泵頻率到35 Hz，以降低脫硫塔出口粉塵濃度，保證濕電除塵器試驗準確性。

表1 脫硫系統開啟說明

3.2 脫硫塔入口煙氣溫度

新型脫硫除塵一體化系統不需考慮傳統布袋除塵器低溫腐蝕問題，允許回收熱量后的低溫煙氣直接進入，一體凈化塔入口煙氣溫度如圖3所示。可知鍋爐低負荷、中負荷和高負荷運行時入口煙氣平均溫度為100 ℃，極大提高了鍋爐熱效率。

圖3 一體凈化塔入口煙氣溫度Fig.3 Flue gas temperature at inlet of integral purification tower

3.3 粉塵及SO2測量結果

對一體凈化塔進出口以及煙囪出口的粉塵及SO2進行測量，煙塵測試數據見表2、3。可知一體凈化塔系統對粉塵具有較強的脫除能力，以中負荷、入口標桿煙氣流量8 802 Nm3/h工況為例，進入高效除塵脫硫一體化凈化塔前煙塵濃度為6 325.4 mg/m3，凈化塔除塵后煙塵濃度為67.2 mg/m3，除塵效率為98.94%。再經濕式靜電除塵(霧)器深度除塵后煙塵濃度為4.8 mg/m3，除塵效率為92.86%，與天然氣的煙塵排放濃度相當。說明高效除塵脫硫一體化凈化塔具有較高的粉塵協同脫除能力，但對于微細顆粒物仍需利用濕式靜電除塵器脫除。

表2 一體凈化塔煙塵測試數據

表3 煙囪出口煙塵測試數據

表4 除塵脫硫塔SO2測試數據

3.4 新型脫硫除塵一體化系統經濟性分析

不同脫硫工藝的成本對比見表6，可知新型脫硫除塵一體化系統由于不使用任何傳統脫硫劑，成本較低，本文系統可以直接省卻前端布袋除塵器，降低了除塵系統的建設和運行維護成本，進一步降低鍋爐出口煙溫，提高鍋爐熱效率，具有良好經濟性。

表5 煙囪出口SO2測試數據

表6 不同脫硫工藝成本對比

4 結 論

1)改變傳統粉煤灰脫硫僅作為脫硫劑載體直接噴入煙道的利用方式，通過提純粉煤灰中Ca2+離子制成堿性漿液實現粉煤灰濕法脫硫；新型脫硫系統完全利用鍋爐產生的粉煤灰即可實現SOx超低排放，不需使用其他脫硫劑；同時省卻前端布袋除塵器，回收煙氣余熱，提高鍋爐效率，降低運行成本。

2)新型脫硫系統不設噴頭裝置，脫硫液直接進入除塵脫硫塔，通過“颶風旋流器”使煙氣切割脫硫劑，形成乳化層達到增大反應面、延長反應時間的目的，解決了石灰石濕法脫硫噴頭裝置易堵塞問題。

3)中負荷、入口標桿煙氣流量8 802 Nm3/h工況下經新型脫硫系統脫硫后SO2含量為12.3 mg/m3，脫硫效率96.7%，除塵后煙塵濃度67.2 mg/m3，除塵效率為98.94%。再經濕式靜電除塵(霧)器深度除塵后煙塵濃度為4.8 mg/m3，達到超低排放標準。