碳酸氢钠干法脱硫工程应用及脱硫性能研究_杜文韬.pdf

44碳酸氢钠干法脱硫工程应用及脱硫性能研究杜文韬1王伟明3银登国1庄原发1,2金黄1,2李灵均1,2陈倬11.东方电气集团东方锅炉股份有限公司，四川 自贡 643001；2.清洁燃烧与烟气净化四川省重点实验室，成都 611731；3.安阳钢铁集团有限公司，河南 安阳 455000摘要：为了降低工业企业中 SO2的排放量，通常在尾部设置脱硫系统，碳酸氢钠干法脱硫是一种低成本、高效率的脱硫系统，适用于烟气量不大、烟气中 SO2浓度不高的项目。以某钢铁厂 220 t/h 燃气锅炉为例，介绍了碳酸氢钠干法脱硫的工程应用，并在该项目中进行了试验，通过试验研究了温度、钠硫摩尔比和布袋除尘器对脱硫效率的影响。试验结果表明，在 120165 范围内，碳酸氢钠干法脱硫可实现超过 98%的脱硫效率和长期不超过 10 mg/Nm3的 SO2排放指标；在测试期间，呈现钠硫比越高、脱硫效率越高的趋势；在脱硫效率超过 95%时，钠硫摩尔比平均值为 2.41；且在长期运行中，脱硫剂（碳酸氢钠）的实际用量比理论用量多 11.5%；烟气中 SO2在布袋除尘器中的脱除效率与脱硫塔中效果相当，甚至略高，布袋除尘器有利于深度脱除烟气中的 SO2。关键词：碳酸氢钠；干法脱硫；工程应用；脱硫性能中图分类号：X773文献标志码：A文章编号：1001-9006（2022）04-0044-05Engineering Application and Performance Study on Dry Desulfurization ofSodium BicarbonateDU Wentao1,WANG Weimin3,YIN Dengguo1,ZHUANG Yuanfa1,2,JIN Huang1,2,LI Lingjun1,2,CHEN Zhuo1(1.Dongfang Boiler Co.,Ltd.,643001,Zigong,Sichuan,China;2.Clean Combustion and Flue Gas Purification Key Laboratory of Sichuan Province,611731,Chengdu,China;3.Anyang Iron and Steel Group Corporation,455000,Anyang,Henan,China)Abstract:Flue gas desulfurization is usually used to reduce SO2emission in industrial enterprises.Dry desulfurization ofsodium bicarbonate is a low-cost and high-efficiency system,which is more suitable for projects with small amount of fluegas and low SO2concentration in flue gas.In this paper,the engineering application for a 220 t/h Gas-fired Boiler in anIron&Steel Group using dry desulfurization of sodium bicarbonate is introduced,and the test was carried out in theproject.The test shows that how the factors of the system，such as temperature,the stoichiometric ratio of sodiumbicarbonate to sulfur(NSR)and bag filter affect the desulfurization efficiency.According to the results,in the range of120165,the removal efficiency approached more than 98%and the SO2emission concentration maintained less than10 mg/Nm3.During the test,the desulfurization efficiency became higher when the NSR got higher and when thedesulfurization efficiency exceeded 95%,the average NSR was 2.41.In long-term operation,the actual amount ofdesulfurizer(sodium bicarbonate)was 11.5%more than the theoretical amount.The test also shows that the SO2removal efficiency of bag filter was equivalent or even higher than the desulfurization tower,which means bag filter is apromoter for deep removal of SO2in flue gas.Key words:sodium bicarbonate;dry desulfurization;engineering application;desulfurization performance1收稿日期：2022-05-31作者简介：杜文韬（1988），男，2014 年毕业于华北电力大学热能工程专业，硕士研究生学历，中级工程师。现在在东方电气集团东方锅炉股份有限公司技术创新中心，从事大气污染物治理技术研发工作。DOI:10.13661/ki.issn1001-9006.2022.04.00945随着经济的发展，我国已成为 SO2排放大国1。SO2是一种酸性气体，容易引起酸雨等灾害性气象现象，危害生态环境、农业生产和人体健康2，因此往往需要控制 SO2的排放量。在我国，大气污染物排放量第一大行业（燃煤发电行业）、第二大行业（钢铁冶炼企业）分别在 2014 年和 2019 年开启了超低排放改造工作3，目前，我国的煤电和钢铁企业执行着号称全球最严格的环保标准，即在基准含氧量下，SO2的排放浓度不超过 35 mg/Nm3，有的区域甚至执行着更严格的地方标准。在工业企业中，通常采用源头控制和尾部处理两种方式来降低 SO2的排放量。所谓的源头控制，即在工业原料（如煤炭等）选择中，选用含硫量低的原料，从而减少 SO2生成；而尾部烟气处理是对已经产生的 SO2进行脱除和控制。由于受到工业原料生产、运输、价格等方面的限制，工业企业在选择工业原料时往往会选用本地生产或易于购买且经济性好的原料，因此往往难以兼顾到原料中的硫含量4。在这种情况下，就需要采用尾部烟气处理的方式来控制 SO2的排放量，尾部处理即采用烟气脱硫系统。1碳酸氢钠干法脱硫原理及技术特点根据脱硫剂和脱硫副产物的状态，烟气脱硫系统分为干法脱硫、半干法脱硫和湿法脱硫，脱硫剂和脱硫副产物均为干态的脱硫系统称为干法脱硫系统，脱硫剂为湿态、脱硫副产物为干态的脱硫系统称为半干法脱硫系统，脱硫剂和脱硫副产物均为湿态的脱硫系统称为湿法脱硫系统5。工业企业中常用的干法脱硫系统有活性炭法脱硫、碳酸氢钠（SDS）等干法脱硫；常用的半干法脱硫系统有循环流化床（CFB）半干法脱硫、旋转喷雾（SDA）等半干法脱硫；常用的湿法脱硫系统有石灰石石膏湿法脱硫、氨法脱硫、海水脱硫、碱金属（镁或钠）法脱硫等。通常，湿法脱硫系统具有系统复杂、脱硫效率高（可超过 99.5%）、投资和运行成本高等特点6，干法脱硫系统具有系统简单、脱硫效率较高（一般为 90%95%）、投资和运行成本低等特点，半干法系统的特点介于干法和湿法之间。碳酸氢钠（SDS）干法脱硫是采用碳酸氢钠（即小苏打）作为脱硫剂，利用碳酸氢钠在高温下的热解产生多孔结构的碳酸钠7，碳酸钠具有高比表面积和高活性，利用碳酸钠与烟气中的 SO2及酸性气体充分接触发生化学反应，从而脱除烟气中的 SO2等酸性气体。反应原理如下所示8：主要反应：2NaHCO3(s)=Na2CO3(s)+H2O(g)+CO2(g).(1)2SO2(g)+2Na2CO3(s)+O2=2Na2SO4(s)+2CO2(g).(2)副反应：SO3(g)+Na2CO3(s)=Na2SO4(s)+CO2(g)(3)2HCl(g)+Na2CO3(s)=2NaCl(s)+CO2(g).(4)通常，碳酸氢钠（SDS）干法脱硫系统脱硫效率可达 95%左右；无脱硫废水排放，不会造成二次污染；不会降低烟气温度，不会造成烟囱烟羽现象；系统简单，投资成本低、运行成本低；适合烟气量不大、烟气中 SO2浓度不高的项目9；为了同时满足 SO2和粉尘的排放指标，通常在碳酸氢钠（SDS）干法脱硫系统下游设置布袋除尘系统10。目前对碳酸氢钠干法脱硫的性能研究大多集中在实验室中，实验通过小型实验装置模拟烟气脱硫过程，研究干法脱硫的性能，但实验条件和实际工程相比还是有较大区别，因此实验室中得到的数据仅可作为设计参考。如图 1 所示，通常在实验室中 1-小型风机来提供实验气体，通过 2-电加热器来控制实验气体的温度，瓶装 SO2通过 3-流量控制器计量后加入到实验气体中，通过将研磨后的碳酸氢钠粉末喷入实验装置中脱除气体中的 SO2。参数检测在测试口进行，检测参数包括烟气温度、SO2浓度。李坚等通过多次实验可以得到11：碳酸氢钠脱硫的温度范围较宽，在 130 200 均有较高的脱硫效率，在温度 130 时，脱硫效率最高，温度继续升高时，脱硫效率先下降后逐渐稳定；碳酸氢钠粉末需要研磨，研磨过后的碳酸氢钠具有更大的比表面积和更小的特征长度，可以增加脱硫剂和 SO2等酸性气体的接触面积，加快脱硫反应速率；碳酸氢钠干法脱硫最高能实现 95%以上效率，脱硫效率90%以上时 NaHCO3:SO2（摩尔比）基本均大于 3.2。461-风机；2-电加热器；3-SO2流量控制器；4-SO2气瓶；5-脱硫剂喷入口；6-SO2反应器；7-测试口；8-布袋除尘器图 1 碳酸氢钠干法脱硫实验装置2碳酸氢钠干法脱硫系统在工程中的应用碳酸氢钠干法脱硫系统由于其系统简单、投资运行成本低等特点，在焦炉烟气脱硫、燃气锅炉烟气脱硫中有不少应用，下面以某钢铁厂 220 t/h 燃气锅炉为例说明碳酸氢钠干法脱硫系统在实际工程中的应用。为了满足当地工业企业超低排放深度治理实施方案的要求，某钢铁厂 220 t/h 燃气锅炉在 2020年进行了超低排放改造，在炉后增设了碳酸氢钠（SDS）干法脱硫系统和布袋除尘系统。该项目中，碳酸氢钠干法脱硫系统设置在锅炉空气预热器与锅炉引风机之间，空预器出口的原烟气经过碳酸氢钠干法脱硫后进入布袋除尘器，经布袋除尘器除尘后净烟气经引风机加压后送入烟囱进行排放。系统配置一台进口磨机，在脱硫剂 D90粒径小于 20 m 时，可保证脱硫剂最大供应量不小于 400 kg/h。本项目采用进口工业级碳酸氢钠作为脱硫剂。脱硫剂喷射口设置在脱硫反应区前，经磨机研磨后的碳酸氢钠粉末经喷射装置喷入烟道中，碳酸氢钠在反应器内高温脱氢生成碳酸钠，碳酸钠细粉颗粒与烟气中的二氧化硫反应生成硫酸钠。脱硫后粉状颗粒产物随气流进入布袋除尘器收尘，利用仓泵、压缩空气输送到灰库，灰库底部设有自动打包机。该项目烟气流程见图 2。1-燃气锅炉；2-烟气测试孔；3-脱硫剂喷射口；4-脱硫反应区；5-布袋除尘器；6-引风机；7-排放烟囱图 2220 t/h 燃气锅炉碳酸氢钠干法脱硫系统图根据锅炉设计资料，设计工况为 70%高炉煤气+30%转炉煤气，设计工况烟气量为 355 000 Nm3/h（湿标态