生物質鍋爐煙氣鈉基高溫干法脫硫工藝的設計及應用

盧能國，吳煒彬，劉 穎

（福建龍凈環保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

0 引言

隨著國家對大氣污染物的環保排放要求越來越嚴格，相關企業治理污染物排放的力度也不斷加大。對于生物質鍋爐煙氣超低排放治理，高溫復合濾筒脫硫除塵脫硝一體化技術近年得到較大推廣和應用，其中脫硫工藝環節多采用鈣基[Ca（OH）2]干法脫硫或鈉基（NaHCO3）干法脫硫。本文主要闡述了鈉基高溫干法脫硫工藝在某生物質鍋爐煙氣治理項目上的設計應用。

1 生物質鍋爐煙氣特性

某項目生物質鍋爐為振動爐排爐，主要燃料為玉米秸稈、小麥秸稈、花生殼，產生的煙氣具有以下特點：一是由于該鍋爐爐排大約每隔4 min 振動一次，存在短時局部燃料燃燒不均勻的情況，導致煙氣粉塵、SO2、NOx含量呈周期性波動，且短時峰值較高。二是燃料含水率高達20%～30%，煙氣中的酸性物質會加速省煤器及下游設備的腐蝕。三是煙氣粉塵濃度高，且含有砂石等高磨蝕性強的顆粒以及末燃盡火星[1]。

2 鈉基高溫脫硫工藝原理

鈉基高溫干法脫硫工藝原理為：以超細NaHCO3顆粒為脫硫劑原料，將顆粒噴入高溫煙氣中，NaHCO3在煙氣熱量的作用下分解生成Na2CO3和CO2，CO2從體相逸出后能提供大量微孔結構，碳酸氫鈉顆粒發生爆米花效應的爆漲，體積增加，生成活性強的像海綿一樣的多孔結構，具有很高的反應活性和吸附活性。新產生的碳酸鈉Na2CO3可自發地與煙氣中的酸性污染物進行式（1）～式（6）反應[2]：

部分反應：

副反應：

在常見報道中，鈉基干法脫硫多使用在140～220 ℃的煙氣條件下，也有研究表明，溫度越高，碳酸氫鈉的反應活性就越高，當反應溫度為240～390 ℃時，脫硫效率更高[3]。

3 項目概況及工藝設計

3.1 項目概況

某項目1 臺130 t/h 高溫高壓生物質燃料自然循環汽包水冷振動爐排鍋爐，配套建設脫硫、脫硝和除塵設施。鍋爐設計燃料為小麥秸稈、玉米秸稈、花生秸稈和林木剩余物，其中農作物秸稈占43%，煙氣參數見表1。

表1 鍋爐煙氣參數

要求煙氣經凈化處理后的出口SO2排放質量濃度≤35 mg/m3，出口粉塵排放質量濃度≤10 mg/m3，滿足超低排放要求。

3.2 工藝設計

該項目采用鈉基高溫干法脫硫+高溫復合濾筒塵硝一體化處理工藝，從鍋爐一級省煤器引出300～320 ℃左右的高溫煙氣，依次進入脫硫塔內脫硫和塵硝反應器內完成除塵、脫硝反應，凈化后的煙氣再返回鍋爐進行剩余熱量回收[4]。

在脫硫劑噴入口之前設置煙氣均流及旋流混合裝置，使得脫硫劑進脫硫塔之前完成脫硫劑細顆粒粉與煙氣的充分均勻混合。進入脫硫塔反應器后，受熱激活活性和比表面積均增強的脫硫劑碳酸氫鈉與煙氣充分接觸，發生物理吸附和化學反應，煙氣中的SO2，HCl 等酸性氣體被高效吸收凈化。反應后的脫硫劑副產物與煙氣一起進入復合濾筒式塵硝一體設備脫硝除塵凈化，黏附在濾筒上的含有脫硫劑的副產物顆粒可進一步發生脫硫反應。其整套脫硫工藝流程如圖1 所示。

圖1 鈉基高溫干法脫硫工藝流程

干法煙氣脫硫系統中所用的脫硫劑原料為進料粒徑為80～100 目（0.154～0.178 mm）的碳酸氫鈉顆粒料，由原料倉給料進入稱重給料倉，稱重給料螺旋輸送機定量送入超細研磨機的主機腔進行研磨。物料經粉碎和研磨，一次性加工成大于400 目（38 μm）的微粉，再通過高壓風機輸送至脫硫塔內。脫硫劑給料系統設計最大用量為300 kg/h。

脫硫設備構成包括如下：

1）碳酸氫鈉給料研磨系統：碳酸氫鈉原料倉、星型給料器、稱重粉倉、螺旋輸送計量裝置、高效研磨機、高壓風機、氣力輸送管道等。

2）碳酸氫鈉噴射裝置：噴射管、導流板。

3）脫硫煙氣系統：煙道、均布裝置、混合裝置、文丘里段、脫硫反應器、復合濾筒除塵脫硝一體反應器等。

4 結構設計和技術特點

4.1 碳酸氫鈉給料結構

碳酸氫鈉給料研磨系統設置備用系統。碳酸氫鈉被磨成細粉后，在磨機及高壓風機內易積灰，長時間運行后磨機負荷加大，出口溫度升高。當溫度升高至50 ℃以上，碳酸氫鈉開始分解，過早分解的碳酸氫鈉無法在脫硫塔形成爆米花效應，脫硫效率下降。一般情況下，研磨機在運行10～15 d 后要停機清理。為避免給料研磨設備定期停機清理影響脫硫排放，碳酸氫鈉系統設置一路稱重給料、研磨機、高壓風機備用。當運行中的一路給料研磨設備需要清理或故障檢修時，系統可以切換至另一路。

4.2 脫硫劑噴入結構

碳酸氫鈉脫硫劑噴入采用多點噴入結構。為使噴入的碳酸氫鈉和煙氣有較好的混合效果，根據氣流模擬情況，噴入口采用多點噴入并且在噴入點對應位置設置擋流板。若不設擋流板，噴入的脫硫劑在煙氣氣流作用下無法深入煙道內部，如圖2 所示。設置擋流板后，脫硫可以深入煙道內部，在煙氣氣流夾帶作用下，脫硫劑覆蓋面大大增強。如圖3 所示。脫硫劑噴入管由一根三叉管及三根軟管組成，三叉管為鋼管，由一根主管分為三根支管，后端設軟管以利于輸送管轉彎過渡。每個噴入口內部對應下部設置一根導流三角板，以使脫硫劑噴入深入內部，每處噴入點分布在煙氣方向錯開布置。如圖4 所示。

圖2 無擋流板噴入結構的氣流示意圖

圖3 有導流板噴入結構的氣流示意圖

圖4 有導流板噴入結構平面布置圖

4.3 混合器結構

為進一步增強脫硫劑與煙氣混合效果，脫硫塔底部設置旋流混合裝置，混合裝置由導流板、旋流葉片組成；旋流葉片由若干導流葉片和中間錐形體組合而成焊接固定在豎直煙道內，旋流葉片傾斜布置，與煙氣流向呈一定夾角，角度為50°。混合器結構如圖5所示。煙氣通過旋流板導流作用形成旋轉氣流，旋轉氣流與噴入的脫硫劑混合后進入脫硫塔進一步混合反應。

圖5 混合器結構

4.4 脫硫控制技術

因生物質鍋爐振動爐排爐周期性振動，進口煙氣SO2濃度也呈現周期性波動。針對SO2周期性波動的煙氣，相應控制脫硫劑給料也進行周期性變動給料。當進口煙氣SO2濃度高時，脫硫劑給料量高，反之則低。在實際控制中，為及時響應調節脫硫劑給料量，脫硫劑給料時機可與鍋爐振動信號連鎖，當振動爐排開始振動，一般振動時間20 s，生物質燃料燃燒充分，進口SO2增高。既當開始振動后，加大脫硫劑給料量，當停止振動后，延時一段時間再降低脫硫給料量，如此反復。每個時間段給料量和延時時間可調，在運行中調整各參數找到對應設定數值以滿足各相對配合比穩定的燃料條件下脫硫要求。

5 運行效果分析

5.1 煙氣溫度對脫硫的影響

碳酸氫鈉在50 ℃以上開始逐漸分解，生成碳酸鈉、二氧化碳和水，270 ℃時完全分解，煙氣溫度在140～250 ℃具有高度活性。溫度越高，碳酸氫鈉的反應活性就越高，碳酸氫鈉就能自發完全地與煙氣中的酸性污染物進行化學反應，所以在碳酸氫鈉進入脫硫塔前碳酸氫鈉溫度不宜超過50 ℃。目前碳酸氫鈉在300 ℃以上煙氣脫硫應用很少，經過本項目的實際使用證明，在煙氣溫度300～320 ℃時，碳酸氫鈉仍然有較高脫硫效率，碳酸氫鈉過量吸收基本在1.05 以下。

5.2 煙氣含塵量對脫硫的影響

煙氣中高濃度粉塵會抑制脫硫劑和二氧化硫混合反應。煙氣中含塵量過大，等效于噴入的脫硫劑有效成分降低。脫硫劑在煙氣中以一種多孔性固體顆粒形式存在，其比表面積和孔容越高，吸附脫硫的能力則越強。而在高粉塵煙氣中，較細的粉塵堵塞了脫硫劑孔洞，阻礙二氧化硫被吸附到脫硫劑顆粒內部；大量粉塵圍繞在脫硫劑顆粒周邊，也增大了固氣傳質的阻力，脫硫劑起不到較高效率的脫硫作用，難以達到超低排放的脫硫要求。如本項目，在實際運行過程中，煙氣原始粉塵質量濃度為15 g/m3，噴入碳酸氫鈉粉300 kg/h，單位空間內粉塵占比70%～90%，碳酸氫鈉粉占比10%～ 30%，無效粉塵占用混合空間，阻礙碳酸氫鈉粉擴散。針對煙氣中高濃度粉塵對脫硫劑的干擾，通常措施為是先除塵后脫硫。本項目采用強化脫硫劑和煙氣混合的方式，激烈的湍動增大了脫硫劑顆粒與二氧化硫接觸的機率，有效降低了高濃度粉塵對脫硫的不利影響。

5.3 脫硫劑不同噴射位置對脫硫的影響

本項目在未安裝混合器的情況下試驗各個位置噴入脫硫劑對脫硫效率的影響。噴入位置分別為離脫硫塔30 m，離脫硫塔15 m，及在脫硫塔底位置。試驗表明，不管在哪個位置，脫硫效率相差不大，而且并不能有效控制住SO2排放。經分析，應是受煙氣中粉塵影響。一旦加了混合器，解決煙氣和脫硫劑有效混合問題，脫硫效果明顯提升。脫硫劑噴入點設置在脫硫塔和混合器之間，充分利用碳酸氫鈉的爆米花效應。當碳酸氫鈉噴入受熱分解時，碳酸氫鈉同時與煙氣強烈充分混合，新分解的碳酸鈉多孔介質在未被煙氣中粉塵堵塞前即在混流中更大概率接觸吸收SO2，較大提高脫硫效率。

6 結語

生物質鍋爐干法煙氣脫硫在脫硫塔底入口煙道設置旋流混合裝置，脫硫劑采用多噴點導流裝置，使脫硫劑和煙氣充分混合，克服了煙氣中高濃度粉塵干擾，有效提升脫硫效率，得出以下結論：

1）脫硫效率高，能夠滿足目前的超低排放限值要求[ρ（SO2）≤35 mg/m3]。

2）在高含塵煙氣條件下，高濃度粉塵阻礙碳酸氫鈉脫硫。設置旋流混合器和多噴點脫硫劑噴入裝置強化脫硫劑和煙氣混合，可以克服高濃度粉塵不利影響，達到較高脫硫效率。

3）脫硫劑在300 ℃以上，碳酸氫鈉脫硫效率高。

4）脫硫劑加料口最佳位置在脫硫塔文丘里入口煙道設置。