低溫?zé)煔釹DS干法脫硫工藝設(shè)計研究

摘要：隨著環(huán)保形勢愈來愈嚴(yán)峻，工業(yè)窯爐脫硫超低排放已是大勢所趨。SDS干法脫硫技術(shù)針對140 ℃以上的低硫煙氣脫硫處理具有巨大優(yōu)勢。鑒于此，研究了低溫?zé)煔獠捎肧DS干法脫硫技術(shù)的可行性，拓寬了該技術(shù)的適用范圍。研究表明，設(shè)置合理的升溫裝置將煙氣溫度升至活性窗口溫度，在下游合理位置設(shè)置碳酸氫鈉噴射點，可以實現(xiàn)二氧化硫超低排放。通過CFD流場模擬技術(shù)對溫度流場和混合流場進行優(yōu)化，提升脫硫效率，對改進的SDS干法脫硫工藝設(shè)計起到了指導(dǎo)作用。

關(guān)鍵詞：低溫?zé)煔猓籗DS干法脫硫；活性窗口溫度；CFD技術(shù)

中圖分類號：X511" 文獻標(biāo)志碼：A" 文章編號：1671-0797（2023）07-0082-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.07.021

0" " 引言

國家環(huán)保形勢日益嚴(yán)峻，各地方相繼出臺了更加嚴(yán)格的大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，涵蓋的行業(yè)范圍也更加廣泛，對粉塵、二氧化硫、氮氧化物等污染物的排放限值要求更加嚴(yán)苛。

目前，國內(nèi)煙氣脫硫技術(shù)繁多，需根據(jù)脫硫劑、副產(chǎn)物種類、脫硫效率高低、場地情況、投資運行費用及系統(tǒng)匹配性等多種因素合理選擇。針對煙氣量較小，二氧化硫初始濃度在1 000 mg/Nm3左右的工業(yè)窯爐，采用SDS干法脫硫工藝技術(shù)具有系統(tǒng)簡單、脫硫效率高，無廢水廢氣等二次污染物排放，投資少、占地小，不消耗水資源，無白色煙羽污染等優(yōu)勢。

由于SDS脫硫技術(shù)對煙氣溫度有一定要求，如果采用該工藝處理溫度較低或有低溫?zé)煔獠⑷牖旌系臒煔庀到y(tǒng)，則需要對原煙氣進行升溫。本文以鞍山某鋼廠雙膛石灰窯SDS脫硫項目為依托，研究了相關(guān)設(shè)計思路和方法，可為類似工程的設(shè)計提供參考依據(jù)。

1" " 脫硫原理及工藝設(shè)計方案

1.1" " SDS脫硫原理

SDS干法脫硫?qū)⑻妓釟溻c（NaHCO3）超細粉作為脫硫劑，通過噴射系統(tǒng)噴入煙氣并與之充分混合接觸，在高溫?zé)煔猓ā?40 ℃）作用下分解出高活性Na2CO3和CO2，活性強的Na2CO3與煙氣中的SO2及其他酸性介質(zhì)充分接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)生成Na2SO4。其脫硫機理比較復(fù)雜，主要反應(yīng)為[1]：

1.2" " SDS脫硫劑活性溫度

在SDS工藝脫硫過程中，對脫硫效率起決定性影響因素的是煙氣溫度。有研究表明，碳酸氫鈉的分解反應(yīng)為體積收縮吸熱反應(yīng)[2]，其在50 ℃以上開始逐漸分解，在80 ℃開始生成碳酸鈉、二氧化碳和水，在185 ℃時分解反應(yīng)基本結(jié)束[3]。在140 ℃時，碳酸氫鈉轉(zhuǎn)化率達到50%，分解速率達到最大；在185 ℃時，最大轉(zhuǎn)化率超過95%，其平均分解速率為14%/min。碳酸氫鈉超細粉在煙氣溫度140～250 ℃窗口區(qū)間具有高度活性[4]，通常略微過量的碳酸氫鈉就能自發(fā)完全地與煙氣中的酸性污染物進行化學(xué)反應(yīng)。當(dāng)煙氣溫度上升到140 ℃以上時，脫硫效率達到96%[5]；當(dāng)溫度小于140 ℃時，脫硫效率下降明顯。溫度引起脫硫效果不同的原因主要是：高溫可以使碳酸氫鈉細顆粒粉加熱激活，發(fā)生爆米花效應(yīng)的爆漲，體積增大，生成活性強的海綿樣多孔結(jié)構(gòu)，具有很強的反應(yīng)活性和吸附活性。其分解產(chǎn)生的碳酸鈉在生成瞬間有較高的反應(yīng)活性，可以高效吸收煙氣中的SO2、HCl等酸性氣體，提高脫硫效率。

1.3" " 低溫?zé)煔釹DS脫硫工藝方案

根據(jù)上述碳酸氫鈉分解和脫硫反應(yīng)機理判斷，碳酸鈉反應(yīng)活性不但需要溫度在140～250 ℃窗口區(qū)間，而且還有時效性，其生成瞬間有較高的反應(yīng)活性，隨著時間推移其活性降低。當(dāng)煙氣溫度在140 ℃時，脫硫效率達到96%，因為在該溫度下碳酸氫鈉分解速率更快，內(nèi)部生成更多的縫隙，內(nèi)擴散阻力變小，形成了更大的內(nèi)部表面積。

綜上所述，如煙氣溫度達不到高活性的溫度窗口，則需要對原煙氣進行升溫，且脫硫劑噴射位置應(yīng)選擇在升溫后，脫硫效率更高。

煙氣升溫采用的方法比較多樣，應(yīng)盡可能根據(jù)項目所在廠區(qū)實際情況選擇。如廠內(nèi)有高溫蒸汽或其他高溫?zé)嵩矗瑑?yōu)先考慮熱交換方式升溫，設(shè)置結(jié)構(gòu)合理的換熱器；如廠內(nèi)有富余能源（高爐煤氣、焦?fàn)t煤氣、天然氣等），可考慮混合加熱升溫方式，設(shè)置燃燒器，用燃燒后的高溫?zé)釤煔馀c原低溫?zé)煔饣旌希蕴嵘郎囟取Ｈ紵餍褪接袃?nèi)置式和外置式，同樣根據(jù)實際情況合理選擇。此外，在混合點后適當(dāng)位置設(shè)置混合器，可有效增強混合傳熱，提高溫度均勻性，縮短混合時間和路徑，保證混合升溫的效果。

脫硫劑碳酸氫鈉超細粉通過干式噴射口噴入煙道內(nèi)，位置選擇需保證反應(yīng)時間不少于2 s。在噴入點后設(shè)置混合器，既能保證碳酸氫鈉與煙氣均勻混合，又能促使煙道內(nèi)的氣流劇烈運動，分子和顆粒物的運動加快，加劇碳酸氫鈉顆粒之間的碰撞，提升其分解速率，提高脫硫效率。

2" " 系統(tǒng)工藝設(shè)計

2.1" " 項目概況

本項目為鞍山某鋼廠2×600 t/d雙膛石灰窯SDS干法脫硫，煙氣具體參數(shù)如表1所示。按兩條線分別設(shè)計，主工藝流程為：SDS脫硫+布袋除塵+引風(fēng)機。目前單臺石灰窯已配置有一套布袋除塵器，需新建一套脫硫劑供料及反應(yīng)裝置。本次設(shè)計還需考慮接入一路噴煤煙氣，進行同步脫硫。煙氣經(jīng)過凈化處理后，二氧化硫排放濃度≤35 mg/Nm3（標(biāo)干，8%O2），脫硫效率保證值為82.5%，滿足不同負荷要求下上述煙氣排放值。

2.2" " 設(shè)計方案及工藝流程

從窯頂部出來的煙氣與接入的噴煤煙氣混合，進入SDS脫硫除塵系統(tǒng)。脫硫反應(yīng)器采用煙道式，需改造原布袋除塵器入口煙道段，具體為：三通閥后彎頭出口原直徑為1.52 m的豎直圓煙道（約27 m）改造為直徑2.2 m的煙道，核算煙氣流速約13 m/s，能有效保證2 s的脫硫反應(yīng)時間。由于煙氣溫度較低，為保證SDS脫硫的活性溫度窗口，需升溫80 ℃（最大時）并能精準(zhǔn)可靠地調(diào)節(jié)控制。因現(xiàn)場可提供轉(zhuǎn)爐煤氣，參數(shù)為：熱值1 400 kcal/Nm3、壓力8～16 kPa，所以本次升溫采用燃燒轉(zhuǎn)爐煤氣產(chǎn)生高溫?zé)煔馀c需處理煙氣混合，從而保證混合后煙氣溫度gt;140 ℃。采用煙道直燃式燃燒器（選型參數(shù)如表2所示）安裝在三通閥后彎頭處，轉(zhuǎn)爐煤氣在煙道內(nèi)燃燒時，燃燒器自帶的消焰快混裝置使火焰長度大大縮短并迅速混合燃燒高溫?zé)煔馀c待加熱煙氣。燃燒器噴口置于煙道正中，與煙氣流向一致，煙道可直接使用碳鋼板制作的同時最大限度縮短了混合段長度，待加溫?zé)煔庠跇O短的距離內(nèi)跟燃燒器產(chǎn)生的高溫?zé)煔饣旌暇鶆颉?/p>

需處理煙氣經(jīng)過混合升溫后，在距混合位置3.5 m處設(shè)置脫硫劑噴射器，向SDS反應(yīng)煙道內(nèi)噴入NaHCO3超細粉，NaHCO3超細粉在高溫?zé)煔庾饔孟路纸獬龈呋钚訬a2CO3和CO2，隨后Na2CO3與煙氣中SO2及其他酸性介質(zhì)充分接觸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，被吸收凈化。脫硫后粉狀顆粒產(chǎn)物隨氣流進入布袋除塵器進一步除塵。整套脫硫除塵系統(tǒng)工藝流程如圖1所示。

3" " CFD模擬分析及優(yōu)化

3.1" " 模擬分析的目的

本次模擬對象為鞍山某鋼廠2×600 t/d雙膛石灰窯SDS干法脫硫系統(tǒng)。本次模擬主要有兩個目的：

（1）由于石灰窯出口煙氣溫度在冬季較低（約70 ℃），并且還要考慮混入的噴煤煙氣（約57 ℃），因此待處理煙氣溫度將會遠低于SDS脫硫需要的活性窗口溫度。本次設(shè)計通過設(shè)置燃燒器將煙氣升溫至約150 ℃，則需對燃燒器后的溫度場進行模擬，設(shè)置合適的導(dǎo)流形式，以保證在短距離內(nèi)實現(xiàn)溫度的均布。

（2）碳酸氫鈉通過干式噴射口沿?zé)煹缽较虼怪鄙钊氩㈨槦煔夥较驀娙耄瑸楸ＷC均勻噴射，對噴射點及后續(xù)流場進行模擬，分析SDS反應(yīng)器內(nèi)碳酸氫鈉顆粒的分布狀態(tài)，并設(shè)置相應(yīng)的擾流措施來確保碳酸氫鈉快速強烈地與煙氣混合均勻，提升脫硫效率。

3.2" " 模型建立及計算結(jié)果

按照系統(tǒng)配置及相關(guān)設(shè)計圖紙，以1：1建立三維模型，模型如圖2所示。圖中in1為溫度場監(jiān)測面，i1～i3為碳酸氫鈉顆粒分布監(jiān)測面。

計算參數(shù)：q1煙氣量為113 077 m3/h，煙氣溫度為70 ℃，進口邊界條件為速度進口，進口速度為26.88 m/s；q2煙氣量為25 385 m3/h，煙氣溫度為57 ℃，進口邊界條件為速度進口，進口速度為14.59 m/s；熱風(fēng)爐出口熱煙氣量約為22 317 m3/h，出口速度為42.71 m/s；碳酸氫鈉耗量為63 kg/h；出口邊界條件為壓力出口，壓力值為0 Pa。湍流模型采用LES模型，壁面函數(shù)為標(biāo)準(zhǔn)壁面函數(shù)，固壁面設(shè)置為無滑移壁面。

由于q2進口垂直于q1進口，兩處低溫?zé)煔饬鹘?jīng)彎頭后會產(chǎn)生旋流，攜帶熱煙氣沿反應(yīng)器四周螺旋向下擴散。設(shè)置擾流板并不斷優(yōu)化得出最佳方案：在上部彎頭后約1 100 mm位置處添加50°的1/2個圓環(huán)擾流板及4塊200 mm高的筋板，在碳酸氫鈉噴射口下游1 700 mm和3 700 mm的位置處添加兩個圓盤擾流，減弱煙氣旋流現(xiàn)象，碳酸氫鈉顆粒混合及分布更加均勻。通過出口監(jiān)測面顆粒濃度分析，碳酸氫鈉顆粒在煙道內(nèi)停留時間達到了2.3 s，滿足SDS脫硫反應(yīng)時間的要求。流場模擬結(jié)果如圖3～圖8所示。

4" " 結(jié)論

在工業(yè)煙氣脫硫除塵超低排放治理方面，SDS干法脫硫工藝具有突出優(yōu)勢，為使其能夠推廣應(yīng)用到更多工業(yè)窯爐上，通過以上研究分析，找到了適用的工藝方法。

通過設(shè)置升溫裝置，將低溫?zé)煔馍郎刂?40 ℃以上，達到SDS脫硫工藝的活性窗口溫度。考慮到碳酸氫鈉在低溫時表面低速率分解產(chǎn)生的碳酸鈉會包裹住內(nèi)部顆粒，影響脫硫反應(yīng)，因此碳酸氫鈉噴射口位置應(yīng)設(shè)置在升溫后，此時碳酸氫鈉遇到高溫?zé)煔馑查g激活，反應(yīng)活性強，脫硫效率最高。

采用流場仿真計算，合理設(shè)置導(dǎo)流及擾流裝置，可以有效控制煙氣溫度偏差，提高脫硫劑與煙氣混合均勻性，提升脫硫效率，對SDS脫硫工藝設(shè)計起到相對準(zhǔn)確的指導(dǎo)作用。

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收稿日期：2022-12-30

作者簡介：劉超（1988—），男，陜西人，工程師，研究方向：工業(yè)煙氣脫硫。