鈉基干法脫硫工藝在高爐熱風爐煙氣脫硫中的應用

額爾德木吐，辛 鋮，高秋廷

（北京利德衡環保工程有限公司，北京 100000）

以唐山某鋼廠一座高爐熱風爐的完整的工程設計為例。工藝分為布袋除塵系統、煙氣系統、制粉及噴射脫硫系統、后產物處理系統等，對各系統的設備參數進行了具體設計選型。

在系統投運后，對影響脫硫效率的因素進行了研究，n（Na）/n（S）為1.05～1.1、脫硫劑粒徑30～40μm、溫度在160℃以上時脫硫效果較好。當溫度較高時，脫硫反應區可以采用空塔形式，以提高運行的經濟性。

1 高爐熱風爐煙氣特點

1）煙氣量波動大，在高爐加熱過程中通常需要換向，造成煙氣量大幅度波動。

2）煙氣污染物成分復雜，如SO2、H2S、有機物等，處理難度大。

3）煙氣溫度低且波動大，煙氣溫度通常為100～200℃。

4）煙氣濕度大，通常為10%以上，對煙氣凈化設備要求較高。

5）污染物濃度波動范圍大，受煤氣中H2S脫除效率影響。

2 常見的煙氣脫硫工藝及其特點

針對高爐熱風爐煙氣特點和治理要求，選擇碳酸氫鈉干法脫硫工藝作為高爐熱風爐煙氣脫硫治理技術。

1）在脫硫裝置后加裝布袋除塵器，滿足系統的粉塵排放要求，使煙囪排放的煙氣顆粒物濃度實現＜5mg/m3超低排放。

2）碳酸氫鈉干法脫硫為鈉基反應，有較好的反應效果[1]，能適應煙氣量及SO2含量的波動。

3）與傳統濕法及半干法脫硫相比，碳酸氫鈉干法脫硫溫度降最小，從而保證煙囪長期處于良好的熱備狀態。

4）碳酸氫鈉干法脫硫占地小，反應器設置在煙道內部，無需占地，滿足現有高爐熱風爐的改造。

5）碳酸氫鈉干法脫硫不使用水，產生的產物為硫酸鈉，廣泛用與玻璃及水泥行業，真正實現資源循環利用。

3 高爐熱風爐煙氣對凈化工藝的要求

3.1 運行穩定性要求高

一般投運后，在其使用壽命周期內，高爐熱風爐不能熄火。因此，要求新增煙氣處理設備能常年穩定運行。

3.2 安全性要求高

高爐熱風爐加熱中一般不設引風機，利用煙囪拔力抽出燃燒廢氣，因此必須保證煙氣排放負壓在300Pa以上，否則容易引起安全事故，因此，新增煙氣處理設備的同時，必須保證外排煙囪的熱備狀態和事故工況下的快速響應，排煙溫度不能大幅度降低。

3.3 性價比要求高

大部分運行的高爐熱風爐在原始設計中很少考慮煙氣的凈化處理，無預留凈化設備占地，導致場地十分狹窄，要求治理設施占地面積小，布置緊湊。

3.4 技術要求高

雖然處理煙氣量較小，SO2濃度低，但成分復雜，處理難度大，技術要求高。因此，必須創新工藝設計，優化工藝流程，合理進行設備選型，以適合鋼鐵行業目前利潤率低的現實情況。

4 SDS鈉基干法脫硫反應機理

4.1 反應機理

主要反應：

部分：

副反應：

4.2 SDS鈉基干法脫硫工藝流程

熱風爐煙氣進入SDS脫硫除塵系統。煙氣首先進入SDS反應器，在SDS反應器內噴入碳酸氫鈉超細粉，碳酸氫鈉超細粉在高溫煙氣的作用下分解出高活性碳酸鈉和二氧化碳，活性強的Na2CO3與煙道內煙氣中的SO2及其他酸性介質充分接觸發生化學反應，被吸收凈化。脫硫后粉狀顆粒產物隨氣流進入布袋除塵器進一步除塵。脫硫及粉塵排放達標后返回煙囪排放。

5 影響脫硫效率因素及其分析

5.1 脫硫劑投加量對脫硫效率的影響

為研究脫硫劑的投加量對脫硫劑的影響，定義碳酸氫鈉和SO2摩爾比為n（Na）/n（S）。在煙氣量為14萬m3/h，煙氣溫度250℃，SO2含量為600mg/m3，粒徑為30μm，通過調節定量給料機調節進入磨機的脫硫劑的量，考察n（Na）/n（S）=0.5、0.8、1.1、1.5、2.0對脫硫效率的影響。效果如圖1所示。

圖1 n（Na）/n（S）對脫硫效率的影響

由圖1可以看出，在n（Na）/n（S）=0.5、0.8時，脫硫效率分別接近50%、80%，在n（Na）/n（S）＞1脫硫效率為100%，說明在合適的溫度下，碳酸氫鈉幾乎充分反應，實際經濟運行n（Na）/n（S）為1.05-1.1。

5.2 脫硫劑粒徑對脫硫系統的影響

通過調節磨機分級電機的頻率可以控制進入脫硫反應器的脫硫劑粒徑，在煙氣量14萬m3/h，煙氣溫度為250℃，SO2含量為600mg/m3，n（Na）/n（S）= 1.1，考察了脫硫劑粒徑為200μm、100μm、50μm、30μm、20μm對脫硫效率的影響。效果如圖2所示。

圖2 脫硫劑粒徑對脫硫效率的影響

由圖2可以看出，粒徑對脫硫效率影響較為明顯，粒徑越小脫硫效率越高。說明，脫硫劑粒徑較小，脫硫劑在溫度的作用下水和CO2從脫硫劑內部釋放更充分，由此造成脫硫劑比表面積更大，脫硫反應的更迅速。通過磨機得更小的粒徑，會帶來運行電耗的增加。通過試驗，在運行過程中，磨粒徑在一般在30～40μm。

5.3 溫度對脫硫系統的影響

為測試不同溫度下脫硫效率，在進入脫硫系統的入口煙道設計一套野風閥，在高溫情況下通過開啟野風閥向系統補加冷空氣，調整脫硫反應的溫度。分別測試了SO2含量600mg/m3，n（Na）/n（S）=1.1，粒徑為30μm條件下，反應溫度為100℃、120℃、160℃、200℃、和250℃的脫硫效率。效果如圖3所示。

圖3 反應溫度對脫硫效率的影響

由圖3可知，隨著溫度的升高，脫硫效率明顯提高，在高于160℃時，脫硫效率一直維持在90%以上。說明溫度對脫硫效率的影響明顯。研究表明，這主要是由于溫度升高，碳酸氫鈉分解較為徹底，生成CO2和水形成蒸汽從碳酸氫鈉固體內部釋放出來，在固體內部及表面形成蜂窩狀結構，大幅增加了固體物碳酸鈉的比表面積，使其與SO2反應更加充分，有利于脫硫反應的進行。表明參與反應的本質還是碳酸鈉，由于溫度的影響，在由碳酸氫鈉轉變為碳酸鈉過程中，碳酸鈉結構發生改變，提高了脫硫效率。

5.4 擾流裝置對脫硫系統的影響

利用碳酸氫鈉進行的脫硫反應實際是一種氣固相的反應，一般而言，為增加反應效果，在脫硫反應器內部設置擾流部件，在煙氣量14萬m3/h，煙氣溫度為250℃，n（Na）/n（S）=1.1，粒徑為30μm，考察脫硫反應器內空塔和塔內布置擾流部件兩種方式對脫硫效果的影響。

由圖4可知，通過部件的設置，提高了脫硫劑與煙氣中的SO2傳質效率，從而在一定程度上提高了反應效率。但是脫硫反應器內部安裝的擾流部件，脫硫系統阻力會增加300～400Pa，由此增加風機的運行電耗。在實際運行中，運行溫度在160℃以上時，脫硫反應比較充分，脫硫塔內部可不增加擾流部件。

圖4 反應器擾流裝置脫硫效率的影響

6 運行案例效果分析

6.1 運行案例概況

唐山市某鋼廠高爐熱風爐煙氣脫硫除塵提標改造工程采用SDS鈉基干法脫硫，設計煙氣量36萬m3/h， 進口SO2排放濃度約為200mg/m3。煙氣治理目標：廢氣顆粒物≤ 10mg/m3（干基），二氧化硫排放濃度≤15mg/m3（干基），脫硫后排煙溫降10～20℃以內，含濕量不增加，其運行成本詳見表1。

表1 SDS鈉基干法脫硫運行成本分析

該項目于2019年6月開工，2019年10月竣工后，邀請唐山市環保局對該裝置進行了檢測。結果顯示，在現有鍋爐負荷下（70%），經脫硫后的煙氣SO2濃度為10mg/m3，脫硫效率達到98%，達到了設計指標。

系統運行至今，在線監測結果顯示，該脫硫系統可連續、穩定地滿足SO2排放濃度≤15mg/m3的要求，且無結垢、堵塞問題，亦無任何廢水產生，各項經濟、技術指標均達到甚至優于設計指標。

6.2 運行案例分析總結

（1）性價比高。該工藝系統簡單，投資相對較低，特別是相比于SDA工藝。運行費用較低。雖然脫硫劑的單價有所提高，但其運行阻力低，無需補燃加熱，無需工藝水，電耗低，能源利用率高。

（2）排放指標的保證。SDS脫硫效率高達99%以上，脫硫后SO2排放濃度在15mg以下。SDS脫硫配有高效布袋除塵系統，顆粒物排放能達到10mg/m3以下。

（3）運行的穩定性好。簡單的設備和簡單的控制。特別是SDS全干法脫硫系統，僅通過控制脫硫劑的用量，就可以快速響應SO2濃度的變化。

（4）與熱風爐生產最為適應。排煙溫度與以前沒有大的變化，煙氣可直接回原煙囪排放，完全能保證生產所需負壓，安全性有保證，對原工藝生產的改動少。

7 結論

1）分析了高爐熱風爐煙氣的特點，并根據特點選擇了碳酸氫鈉干法脫硫工藝作為高爐熱風爐煙氣SO2治理的技術。系統分為煙氣系統、制粉及噴射脫硫系統、布袋除塵系統和后產物處理系統，并對各系統進行了設計和主要設備參數進行選型。通過河北某焦化廠脫硫裝置運行，碳酸氫鈉干法脫硫技術能較好適應高爐熱風爐煙氣特點。

2）對影響碳酸氫鈉干法脫硫效率的因素進行了研究，n（Na）/n（S）為1.05～1.1、脫硫劑粒徑在30～40μm之間、溫度在160℃以上時脫硫效果較好，當溫度較高時，脫硫反應器采用空塔形式，可以提高運行的經濟性。