燃氣鍋爐煙氣NID脫硫工藝設計及應用

梁 磊

(江蘇新中金低碳科技股份有限公司，江蘇 宜興 214200)

19世紀80年代，在噴霧干燥法煙氣脫硫技術的基礎上，半干法脫硫技術得到了改進和快速發展，常用的脫硫劑主要包括生石灰、熟石灰、電石渣等[1-3]。半干法脫硫技術，是把干態粉末狀吸收劑噴入脫硫塔內，與煙氣中SO2和噴入的水發生接觸傳質反應，脫除SO2。半干法脫硫實質上是氣、液、固三相發生接觸傳質反應[4-6]，包含了傳質、傳熱的物理過程和SO2溶解[7-10]、吸收等化學過程。吸收劑與煙氣中SO2反應，產物為固態。固態產物吸收煙氣中的熱量，最終反應產物為干粉狀態，在壓縮空氣作用下，具有較好的流動性，有利于吸收劑循環反復多次利用。

NID(novel integrated desulfurization)半干法煙氣脫硫技術，是在傳統半干法脫硫裝置的基礎上，經過不斷改進優化，研究開發出的新一代煙氣半干法脫硫技術。NID脫硫技術與傳統半干法脫硫技術原理相同，與傳統半干法脫硫技術相比，生石灰的消化和增濕在混合器中完成，省去了獨立分開的石灰漿液制備系統和噴射系統，避免了設備管道漏風、堵塞嚴重等問題[11-15]。脫硫反應停留時間短，設備占地面積小，適用于300 MW以下機組鍋爐煙氣低濃度SO2治理[16-18]。

2019年4月28日，國家五部委聯合發布《關于推進鋼鐵行業超低排放的意見》，要求煙氣SO2和顆粒物排放質量濃度小時均值分別不大于35 mg/m3和10 mg/m3(標態，干基，余同)。部分鋼鐵企業燃氣鍋爐排放煙氣，SO2質量濃度較低，選擇了NID脫硫技術。本文以490 t/h燃氣鍋爐煙氣SO2治理為例，介紹了NID脫硫工藝流程、脫硫塔、布袋除塵器、流化槽、混合器等核心設備設計要點和選型選材依據。出口SO2和顆粒物質量濃度均遠低于超低排放上限值，系統占地面積小，操作簡單，運行穩定，管理方便，可為今后同類工程設計及應用提供參考。

1 工程概況

上海某大型鋼鐵企業，發電機組新建490 t/h鍋爐，為亞臨界參數、單爐膛、平衡通風一次再熱汽包鍋爐。設計燃料為高爐煤氣BFG，混燒焦爐煤氣COG、天然氣NG，預留廢乳化液接口。積極響應環保要求，燃氣鍋爐煙氣增設NID脫硫設施，滿足SO2和顆粒物超低排放，煙氣參數如表1所示。脫硫劑為生石灰，目數為200～300目，純度不低于85%。綜合考慮鍋爐負荷變化以及NID脫硫最大處理煙氣量受到限制等因素，共設計4套NID脫硫系統，單套處理風量為260 000 m3/h。4套系統配置1套再循環煙道，確保進入NID脫硫系統的總煙氣量，不低于鍋爐滿負荷運行時煙氣量的70%，保證脫硫塔內建床煙氣流速，防止脫硫系統“塌床”。若鍋爐低負荷運行，可停運其中1套或多套NID脫硫系統。

表1 煙氣參數

2 工藝流程

NID脫硫工藝流程如圖1所示。鍋爐來煙氣進入脫硫塔，脫硫后煙氣進入布袋除塵器，除塵后凈煙氣由布袋除塵器出口進煙囪排放。布袋除塵器收集的循環灰經底部船型灰斗落入流化槽，再由循環灰給料機送至混合器。利用工藝水增濕循環灰和石灰粉，三者在混合器中混合均勻后，送至脫硫塔脫硫，循環往復，完成煙氣SO2的脫除。流化槽內設置高低料位計，循環灰到達高料位時，卸灰至倉泵，采用氣力輸灰送至灰庫，循環灰到達低料位時，卸灰停止，循環往復。布袋除塵器底部船型灰斗和流化槽均設蒸汽伴熱，防止物料結塊。流化槽、循環灰給料機、混合器底部均設流化風，使循環灰處于流化狀態，防止結塊堵塞。脫硫塔底部設螺旋輸送機、重錘式翻板閥和氣動插板閥，用于排出脫硫塔底部積聚的大顆粒物料。脫硫塔入口和布袋除塵器出口均設在線監測裝置，實時在線檢測煙氣溫度、壓力、流量及SO2、顆粒物、NOx、H2O和O2含量。

圖1 工藝流程

2.1 脫硫塔

脫硫塔設計為J型結構，如圖2所示，主要包括下部U型彎頭和上部矩形直段。煙氣由底部U型彎頭進入，上部矩形直段頂部排出，送至布袋除塵器。因機械設計原因，混合器長度一般不超過3 m，與脫硫塔采用法蘭連接。脫硫塔矩形直段設計為扁矩形，長3 m、寬1.6 m，煙氣流速約15 m/s。混合器接口至煙氣出口中心高差為15 m，脫硫反應停留時間為1 s。U型彎頭內彎和外彎曲率半徑分別為1.6 m和3.2 m，為矩形直段寬度的1倍和2倍。外彎和內彎圓心在同一水平線上，分別位于左側和右側，圓心距離為240 mm，為矩形直段寬度的15%。U型彎頭可避免底部煙氣形成渦流，降低阻力損失。U型彎頭截面積小于矩形直段，煙氣流速大于矩形直段，形成湍流，有利于氣、固兩相劇烈碰撞，增加接觸反應幾率，提高脫硫效率和脫硫劑利用率[19]。

圖2 脫硫塔結構示意圖

脫硫塔內循環灰質量濃度高達500～1400 g/m3，流速快，約15 m/s，與脫硫塔壁板劇烈摩擦，磨損較大，脫硫塔選用HARDOX 600鋼板制作，具有較高硬度、耐磨性能和耐沖擊韌性。脫硫塔頂部設導流板，有效避免高流速、高含固量煙氣垂直沖刷脫硫塔頂板。循環灰增濕結團可能會形成大顆粒，隨運行時間延長，脫硫塔壁板粘附積累形成塊狀物料，在重力作用下，均會落入脫硫塔底部。U型彎頭設壓差變送器，下方設螺旋輸送機，當壓差大于300 Pa時，螺旋輸送機開始排料，防止物料積聚堵塞U型彎頭?；旌掀鹘涌谇胺胶吐菪斔蜋C上方均設視鏡，用于觀察塔內物料情況。U型彎頭底部設檢修門，定期進行設備維護。脫硫塔矩形直段設壓差變送器，用于檢測床層阻力，床層阻力控制在1200 Pa以下。

2.2 布袋除塵器

布袋除塵器主要由底部灰斗、中箱體、上箱體三部分組成。布袋除塵器平面尺寸為11.6 m×12.6 m，總高度為11.3 m，其中底部船型灰斗高度2 m，中箱體高度8.5 m，上箱體高度0.8 m。布袋除塵器設計為6個倉室，3個倉室共用1個船型灰斗，6個倉室共2個船型灰斗[20]。單倉室設置濾袋294條，14行21列均布，相鄰濾袋中心間距225 mm。濾袋規格為直徑160 mm，長度8000 mm，PPS材質。布袋除塵器總濾袋數量為1764條，過濾面積約7090 m2，過濾風速約0.6 m/min。單倉室配置14個8.89 cm的脈沖噴吹閥，根據噴吹間隔時間或除塵器進出口壓差值，控制脈沖閥動作，完成濾袋清灰。清灰氣源為壓縮空氣，壓力約0.35 MPa。

2.3 流化槽

利用流態化輸送原理，達到干燥粉末狀物料水平輸送的裝置稱為流化槽，結構示意圖如圖3所示。流化槽上層為循環灰料層，下層為氣腔。流化槽主要由上槽體、透氣層、透氣層支架、下槽體、進料口、進氣口等組成。除塵器下部2個船型灰斗下部設置1個流化槽，流化槽設計為平面形狀U型結構，連接部分為圓環過渡。流化風量按照透氣層單位截面積3 m3/(m2·min)進行計算，流化風壓根據透氣層、物料層及附屬設備阻力進行設計。流化槽截面尺寸為長1.2 m，高2 m，透氣層總面積約32 m2，流化風量和風壓分別設計為100 m3/min和20 kPa。流化風采用100 ℃左右的熱風，避免物料遇到冷凝水結塊。流化槽相鄰2個進風口距離不大于9 m。透氣層選用聚酯纖維多層織物，耐溫150 ℃。

圖3 流化槽結構示意圖

2.4 混合器

混合器結構如圖4所示，上部為霧化區，下部為混合區。霧化區上方設3支雙流體噴槍，霧化用水、用氣壓力分別約為0.5 MPa和0.4 MPa，霧化液滴直徑約100 μm，將石灰粉和含水2%左右的循環灰增濕至5%左右，霧化后物料進入混合區。混合區底部設置6個流化風進口，循環灰、石灰粉和水在攪拌裝置和壓力20 kPa的流化風作用下，充分混合后進入脫硫塔?；旌掀魃a能力為100～675 m3/h，具有較大設計裕量?；旌衔锪蠈υO備磨損較大，攪拌裝置一般選用耐磨合金或復合陶瓷材料制作。

圖4 混合器結構示意圖

3 運行結果

查詢脫硫塔進口在線監測SO2質量濃度和布袋除塵器出口在線監測SO2和顆粒物質量濃度以及歷史數據曲線，記錄不同時間點進出口SO2質量濃度和出口顆粒物質量濃度，計算脫硫效率，數據見表2。進口SO2質量濃度為194.8～199.7 mg/m3，出口SO2質量濃度降低至5.3～6.8 mg/m3，脫硫效率為96.6%～97.3%，出口顆粒物質量濃度為0.5～1.2 mg/m3，出口SO2和顆粒物質量濃度均遠低于超低排放上限值。經計算，Ca/S摩爾比約1.5。

表2 運行數據

4 結論

a.NID脫硫工藝技術應用于燃氣鍋爐煙氣治理，系統連續進料，間歇排料，能夠滿足SO2超低排放需求。系統占地面積小，操作簡單，運行穩定，管理方便。

b.脫硫塔、布袋除塵器、流化槽、混合器等核心設備需遵循設計要點，合理選型選材。

c.進一步提高脫硫效率和脫硫劑利用率，降低脫硫Ca/S摩爾比，減少石灰用量，節省運行成本，應為未來研究的方向。