130 t/h燃氣鍋爐煙氣活性焦脫硫裝置構建及系統性能研究

梁 磊，徐大勇，吳桂香，錢星星

(1.安徽工程大學化學與環境學院，安徽 蕪湖 241000；2.江蘇新中金環保科技股份有限公司，江蘇 宜興 214200)

活性焦與活性炭類似，具有吸附、催化特性，再生后可重復利用，機械強度和耐磨性能優于活性炭?；钚越固厥獾目紫逗捅砻婊瘜W結構具有脫除SO2、NOx、粉塵、二噁英、重金屬等多種污染物的功能?；钚越褂糜跓煔庵卫砟軌驅崿F多種污染物寬譜凈化[1-5]。煉焦是在高溫、缺氧環境下，煤干餾碳化的過程，產生廢氣含有SO2、NOx、粉塵等污染物。2012年，國家制訂了GB 16171—2012《煉焦化學工業污染物排放標準》，要求綜合治理焦爐煙氣。結合年產130 t/h燃氣鍋爐煙氣SO2治理，構建活性焦干法脫硫裝置，研究系統性能，為今后工程設計及實際應用提供參考。

1 概述

某大型鋼鐵企業現有1座130 t/h燃氣鍋爐，煙氣參數如表1所示。應環保要求，需配套煙氣脫硫裝置。由表1可知，標況煙氣量為250 000 m3/h，原煙氣溫度為180～200 ℃，含水率(體積分數)為8%～12%，含氧量(體積分數)為3%～5%，原煙氣SO2質量濃度為120 mg/Nm3以下，脫硫后凈煙氣SO2質量濃度需降至15 mg/Nm3以下，脫硫效率不低于87.5%。

表1 煙氣參數

2 脫硫裝置構建

根據燃氣鍋爐煙氣的特點，構建活性焦干法脫硫裝置，如圖1所示。180～200 ℃燃氣鍋爐煙氣經GGH煙氣換熱器及調質系統后，溫度降低至140 ℃，并聯進入6臺脫硫塔。脫硫塔內溫度高于140 ℃時，啟動調質系統噴水降溫。脫硫塔進出口均設有煙氣擋板門[6]，脫硫塔出口煙氣匯入主煙道后，進入GGH煙氣換熱器，脫硫后煙氣與脫硫前的煙氣進行換熱，降低脫硫塔入口煙氣溫度，脫硫后煙氣經引風機送煙囪排放。

圖1 活性焦脫硫工藝流程

2.1 GGH換熱系統

GGH換熱系統主要由外部殼體和內部轉子2部分組成，內部轉子作為蓄熱載體，旋轉速度設定為0.75～1 r/min，蓄熱部件交替通過原煙氣和脫硫后煙氣通道。通過原煙氣通道時，蓄熱部件吸收了高溫側原煙氣熱量，溫度上升，轉到脫硫后低溫側煙氣通道時，蓄熱部件放熱，加熱脫硫后煙氣。如此循環，依靠轉子蓄熱部件的熱容作用，實現高溫側原煙氣與脫硫后低溫側煙氣之間的連續熱交換。經過熱工計算，選擇合理換熱面積，換熱元件高度和換熱原件波形來提高脫硫后煙氣溫度。

2.2 調質系統

調質系統主要作用是降低煙氣溫度，確保進入脫硫塔煙氣溫度低于140 ℃，系統流程如圖2所示。調質系統主要包括調質水箱、調質水泵、噴槍及配套的管道、閥門、儀表等。廠區除鹽水由DN50的304不銹鋼管道輸送，經電動閥送至調質水箱，調質水箱有效容積為2 m3，規格為Φ1.2 m×2 m，304不銹鋼材質。調質水箱底部設有壓力式液位計，用于實時在線監測水箱液位。除鹽水經調質水泵送至噴槍，噴入原煙氣煙道中。調質水泵采用立式多級離心泵，流量為1 m3/h，揚程為100 m，304不銹鋼材質，共2臺，1用1備。水泵進口由DN25的304不銹鋼管道連接調質水箱，管道上設Y型過濾器、手動球閥；水泵出口由DN20的304不銹鋼管道連接噴槍，管道上設有單向閥、手動球閥、壓力表、電動調節閥，電動調節閥配有旁路檢修閥。噴槍為雙流體噴槍，316L不銹鋼材質，0.6 MPa的壓縮空氣分2路進入噴槍，對除鹽水進行霧化和冷卻。除鹽水經噴嘴霧化為100～150 μm的霧滴后，以50～60 m/s的速度噴入原煙氣煙道，將脫硫塔前煙氣溫度降至140 ℃以下。

圖2 調質系統流程

2.3 脫硫塔

脫硫塔結構如圖3所示，空塔煙氣流速設計為0.36 m/s，塔體直徑為9 m，高度為6 m。燃氣鍋爐煙氣由底部入口M1切向進入，均勻分配到中部活性焦床層。活性焦孔隙率高、比表面積大，選擇性吸附煙氣中的SO2。在活性焦表面有缺陷的碳原子、含氧官能團及極性表面氧化物作用下，SO2與煙氣中的H2O、O2發生催化氧化反應，生成H2SO4，固定于活性焦內表面[7-10]，脫硫后煙氣由出口M2排出。脫硫塔頂部設噴淋層，由接口N1連接水洗泵，用于活性焦吸附性能下降不能滿足脫硫效率時，水洗再生活性焦床層，恢復脫硫效率。SO2吸附為放熱過程，煙氣分布嚴重不均時，局部床溫可能蓄熱升高，活性焦氧化加劇，甚至自燃。活性焦床層中部均布N3-N11共9個溫度計，實時在線監測床層溫度。溫度超過200 ℃時，水洗泵及對應管路閥門依次開啟，噴淋降溫，防止活性焦床層高溫自燃。脫硫塔下部和上部設有N12和N13溫度計接口，分別監測脫硫塔底部和上部煙氣溫度，活性焦床層上部和下部設有N14、N15差壓變送器接口，用于檢測床層阻力，脫硫塔上部設有N16流速計接口，用于檢測塔內煙氣流速。脫硫塔下部和上部設有M3、M4檢修孔，用于檢修塔內件及更換活性焦?；钚越篂閳A柱狀，規格為Φ4 mm×6 mm，床層由下至上分別為支撐梁、濾網、鵝卵石及活性焦。一方面，焦爐煙氣含水率較高，具有一定腐蝕性；另一方面，水洗形成硫酸溶液具有較強腐蝕性，脫硫塔殼體、支撐梁、濾網、煙道等均選用2205雙相不銹鋼材質。脫硫塔進出口煙道均設在線監測裝置，用于監測SO2、煙氣流量、溫度、壓力、含氧量、含水率。

圖3 脫硫塔結構

2.4 水洗再生系統

活性焦床層脫硫能力下降至SO2接近環保排放標準時，采用除鹽水水洗再生活性焦使其恢復較高脫硫性能，水洗再生系統流程如圖4所示。

圖4 水洗再生系統流程

由圖4可見，水洗再生系統采用3個洗罐，洗罐規格為6.5 m×3.5 m×4 m，有效容積為90 m3，玻璃鋼材質。水洗泵進口分別連通三級洗罐，DN250管道設有電動閥、單向閥、提籃式過濾器和軟連接；出口管道設有軟連接、壓力表、單向閥和進入每個塔的電動切斷閥。水洗泵共2臺，1用1備，流量為240 m3/h，揚程為50 m，葉輪和泵殼過流部件選用2205雙相不銹鋼材質。脫硫塔共6臺，并聯設置，采用5塔運行，1塔再生的運行方式。脫硫塔水洗時，關閉進出口煙氣擋板門，啟動水洗泵及對應的管路電動閥門進行水洗，先采用一級洗罐進行水洗，回水落入一級洗罐，接著采用二級洗罐水洗，回水落入二級洗罐，最后用三級洗罐水洗，回水落入三級洗罐，每級洗罐水洗時間均為20 min。一級、二級和三級洗罐得到稀硫酸溶液的質量分數依次降低，硫酸溶液質量分數達到10%時，送至硫銨工段，用氨水中和，經蒸發、結晶、離心、干燥、包裝等工序形成袋裝硫酸銨化肥。廠區除鹽水來水經DN50的304不銹鋼管道送至三級洗罐，打開3個洗罐底部電動閥，3個洗罐形成連通器，洗罐補充除鹽水。

2.5 膜過濾系統

活性焦吸附煙氣中的粉塵，水洗進入稀硫酸溶液；活性焦床層長期受煙氣沖刷及水洗再生時水力沖刷，活性焦受到磨損產生細碎顆粒進入稀硫酸溶液，采用納濾膜過濾，去除稀硫酸溶液中細碎顆粒，確保稀硫酸溶液品質，系統流程如圖5所示。

圖5 膜過濾系統流程

由圖5可見，一級、二級洗罐連接硫酸供應泵，待一級洗罐或二級洗罐水洗結束后，對一級洗罐或二級洗罐內硫酸溶液進行一次膜過濾，回水至對應的洗罐。當一級洗罐硫酸質量分數達到10%時，啟動硫酸供應泵將稀硫酸溶液膜過濾后送至硫酸緩沖罐。硫酸供應泵設2臺，1用1備，流量為10 m3/h，揚程為15 m，泵殼和葉輪等過流部件選用2205雙相不銹鋼材質。膜材料選用聚四氟乙烯，對強酸具有較好的耐受性能。膜過濾精度為50 nm，最大過濾壓力0.15 MPa。膜過濾一定時間后，濾孔會堵塞，采用0.2 MPa的壓縮空氣對膜組件進行反洗，反洗結束后，打開過濾器底部電動閥將雜質排至地坑。

3 試驗結果

3.1 脫硫效率、床層高度及床層阻力關系曲線

標況煙氣量為250 000 m3/h、煙氣溫度為140 ℃左右、含水率(體積分數)8%～12%、含氧量(體積分數)為3%～5%、SO2質量濃度為120 mg/Nm3左右條件下，增加活性焦床層高度，記錄進出口SO2質量濃度，計算脫硫效率，記錄活性焦床層差壓變送器數據，繪制脫硫效率、床層高度及床層阻力關系曲線，如圖6所示。

圖6 脫硫效率、床層高度及床層阻力關系曲線

由圖6可見，脫硫效率和床層阻力與活性焦床層高度呈遞增趨勢，即床層越高，脫硫效率越高，對應的阻力也越大。床層高度為0.5～1.1 m時，脫硫效率由44.5%增至99.5%，床層阻力由260 Pa增至506 Pa。床層高度為1.0 m時，脫硫效率約90%左右，能夠滿足設計要求，考慮一定裕量，床層高度設計為1.1 m。

3.2 空塔煙氣流速與床層阻力方程

煙氣流經活性焦床層時不斷分流匯合，煙氣與活性焦顆粒及吸附塔塔壁差生的摩擦阻力，會形成一定的壓降，稱為床層阻力。吸附塔直徑、活性焦床層高度一定的情況下，阻力大小受空塔煙氣流速影響較大。變頻器調節引風機，控制空塔煙氣流速，記錄不同空塔煙氣流速條件下對應的床層差壓變送器讀數，試驗分3組進行，測得數據取平均值。用Excel軟件得出床層阻力與空塔氣速之間的線性回歸方程為y=2931x-92.389，如圖7所示，其中R2值為0.9934，接近1，方程擬合程度較好。

圖7 床層阻力與空塔煙氣流速線性回歸方程

由圖7可見，床層阻力隨空塔氣速增大而增大，試驗得到的線性回歸方程可用于床層阻力計算，為引風機設計選型提供計算依據。

3.3 溫度與脫硫效率關系曲線

標況煙氣量約250 000 m3/h、含水率(體積分數)為8%～12%、含氧量(體積分數)為3%～5%、SO2質量濃度為120 mg/Nm3左右、床層高度為1.1 m條件下，通過調質系統噴水降溫，控制煙氣溫度，記錄進出口SO2質量濃度，計算脫硫效率，記錄脫硫塔床層溫度，得出溫度與脫硫效率關系曲線，如圖8所示。

圖8 溫度與脫硫效率關系曲線

由圖8可見，床層溫度由50～140 ℃逐步遞增，脫硫效率逐步下降?；钚越估脧姶蟮奈⒖捉Y構，吸附煙氣中的SO2，發生物理吸附；然后SO2與煙氣中的H2O和O2在活性焦表面官能團作用下，發生催化氧化反應生成H2SO4，固定于活性焦微孔內部，發生化學吸附。較高床層溫度降低了SO2的物理吸附，進而降低向化學吸附轉變的推動力，脫硫效率下降。綜合分析，床層溫度為50～140 ℃范圍內，脫硫效率下降趨勢較為平緩，且能夠保持95%～99.5%的較高脫硫效率，滿足SO2穩定達標排放標準。

3.4 再生周期及使用壽命

活性焦再生周期和使用壽命是活性焦脫硫技術評價的2項重要指標。標況煙氣量約為250 000 m3/h、煙氣溫度為140 ℃左右、含水率(體積分數)為8%～12%、含氧量(體積分數)為3%～5%、SO2質量濃度為120 mg/Nm3左右、床層高度為1.1 m條件下，記錄進出口SO2質量濃度，計算脫硫效率，繪制活性焦水洗后運行時間與脫硫效率的關系曲線及活性焦服役時間與脫硫效率的關系曲線，如圖9(a)和圖9(b)所示。

(a) 活性焦水洗后運行時間與脫硫效率關系曲線

(b) 活性焦服役時間與脫硫效率關系曲線圖9 活性焦再生周期及使用壽命

由圖9(a)可見，脫硫效率隨活性焦水洗后運行時間增加呈下降趨勢，活性焦水洗后運行時間為200～350 h，脫硫效率維持在較高水平，下降趨勢較為平緩?；钚越顾春筮\行時間為350～600 h，脫硫效率下降趨勢十分顯著，活性焦水洗后運行時間為550 h時，出口SO2質量濃度接近15 mg/Nm3。以上分析，活性焦床層水洗再生周期應控制在550 h內，適宜選取再生周期為500 h，確保SO2穩定達標，水洗再生后的活性焦能夠恢復脫硫活性。

活性焦服役時間對脫硫效率影響較大，由圖9(b)可見，脫硫效率隨活性焦服役時間增加呈遞減趨勢，活性焦服役時間2000～16 000 h，脫硫效率由99.5%下降至80%左右。活性焦服役時間為16 000 h，出口SO2質量濃度大于15 mg/Nm3，不能達標排放，活性焦已達使用壽命極限。

3.5 新鮮活性焦與服役時間16 000 h活性焦性能對比

新鮮活性焦與服役時間16 000 h活性焦性能差異較大，取樣檢測吸水率、堆密度、比表面積。

活性焦吸水率測定方法：稱取一定量干燥活性焦，放入水中連續浸泡20 min后，取出放置15 min后稱重。

吸水率=吸水前活性焦質量/(吸水后活性焦質量-吸水前活性焦質量)

比表面積采用BET比表面積檢測法檢測。

新鮮活性焦與服役時間16 000 h活性焦相比，床層阻力由625 Pa上升至1020 Pa，吸水率由0.32 g活性焦/g水下降至0.26 g活性焦/g水，堆密度由656 g/L下降至587 g/L，比表面積由256 m2/g下降至198 m2/g。新鮮活性焦外觀規整，強度好，服役時間16 000 h活性焦已斷裂粉化，強度差。

4 結語

活性焦應用于燃氣鍋爐煙氣低質量濃度SO2脫除具有較好的適用性，采用水洗再生工藝能夠回收稀硫酸溶液，符合循環經濟發展理念，具有廣闊的應用前景。但目前仍面臨活性焦使用壽命短、系統設備龐大、設備腐蝕嚴重、對高質量濃度SO2的脫除效率低等問題，如何提高活性焦使用壽命、降低設備投資、減輕設備腐蝕、提高對高質量濃度SO2的去除效率將成為未來研究的熱點。