利用氧化镁进行脱硫脱硝工艺改进研究

宋文静，张鑫洋，宋远强，柳知非，孙好芬

(青岛理工大学 环境与市政工程学院，山东 青岛 266033)

作为一个煤炭资源丰富的大国，通过煤炭资源发热发电的技术已经愈加成熟且广泛，然而由于煤炭燃烧产生了大量空气污染物，如二氧化硫、氮氧化物等，这些大气污染物会破坏大气层的生态结构，甚至会破坏臭氧层，致使紫外线不能被阻挡而危害人类。因此对于燃煤发电产生的二氧化硫及氮氧化物等空气污染物的治理迫在眉睫，我们对现有的烟气脱硫脱硝技术进行了解和对比，发现燃烧后烟气脱硫技术(FGD)是世界上商业应用最广泛的一种脱硫技术，而且是控制SO2最有效的工艺[1]。我们对FGD工艺(石灰-石膏法)进行了详尽分析，在FGD工艺(石灰-石膏法)的基础上，以提高脱硫脱硝效率为主要目的，并且在一定程度上优化和改善FGD工艺的脱硫过程中存在的易结垢、堵塞、腐蚀、耗水量大和回收利用率低等问题，提出了双碱法脱硫工艺和SCR法脱硝工艺。氧化镁脱硫脱硝工艺不仅可以有效地提高脱硫效率，比如在相同条件下，工艺中采用的双碱法的脱硫效率要高于FGD(石灰石-石膏湿法)，脱硫效率能达到95%～98%[2]。而且SCR法脱硝效率高，氨逃逸率低，成本较低，技术也较为成熟。同时，氧化镁脱硫脱硝工艺还提高脱硫脱硝产物利用率、优化泵的运行方式、设计锥体结构防止堵塞堆积等。

1 三仓式脱硫脱硝塔的设计

氧化镁脱硫脱硝吸收塔与FGD工艺相似，都是作为烟气通过的通道，进行烟气的脱硫反应及脱氮反应。此工艺的脱硫塔设计为三仓式，分为上仓气体换温区，中仓气体吸收剂洗涤区，下仓吸收剂浆液池；脱硫塔设计为三步式，第一步热解尿素，第二步混合烟气，第三步SCR除氮。脱硫脱硝塔的每个部分都具有相应的功能，提高整个系统的稳定性[3]。脱硫脱硝塔若分用两套装置分别脱硫脱硝，不但占地面积大， 而且投资及生产运行费用也很高[4]。所以我们将脱硫脱硝塔由烟道连接在一起，成为一体结构。而且为防止固体物的堆积与烟气预冷水的倒流，我们把通常的水平烟气入口设置成倾斜型式[5]，倾角为12～15°。

1.1 脱硫塔

脱硫塔从下到上可以分为三个仓：下仓-脱硫浆液池、中仓-洗涤区、上仓-气体区。

1.1.1 中仓气体脱硫洗涤区

烟气通过除尘、增压风机加压、GGH换热器降温进入中仓，中仓上方设有吸收剂浆液喷淋装置，烟气被喷淋装置喷出的吸收剂浆液(吸收剂吸收原理：氢氧化钠溶液吸收烟气中的二氧化硫，反应生成硫酸氢钠和亚硫酸钠[6])初步净化，在中仓与下仓之间开设一个管道，并接入至吸收塔浆液池底部，使初步净化后的烟气可以通过管道进入下仓。中仓中的吸收剂与烟气均汇入下仓。

1.1.2 下仓脱硫浆液池

初步净化后的烟气与中仓反应的吸收剂通过管道进入吸收剂浆液池底部，与吸收剂充分反应。为增大反应面积，提高反应效率，在下仓内设有循环泵(将脱硫浆液不断循环)、鼓泡器(产生大量气泡，鼓动浆液)和搅拌器(通过搅拌使反应物充分混合)；为防止损坏泵或堵塞喷头，循环泵吸入口之前安装过滤器[7]；为防止结垢，将下仓底部设为锥体结构；在下仓和上仓之间设连通器，深度净化后的烟气通过连通器飘入上仓。

1.1.3 上仓气体换温区

深度净化后的烟气通过连通器进入上仓气体换温区，上仓气体换温区是指吸收塔内喷淋装置上部到烟气出口。氧化镁脱硫脱硝工艺与FGD系统中使用的除雾器相似，FGD系统中的除雾器通常由除雾器本体及冲洗系统两部分组成[8]。除雾器本体的作用是通过离心力实现气液分离，冲洗系统其作用是定期冲洗由除雾器叶片捕集的液滴、粉尘，保持叶片表面清洁，防止叶片结垢和堵塞[9]。在氧化镁脱硫脱硝工艺中除雾器冲洗系统采用的是工业水，一是降低生产运行成本，二是可通过副产物回收处理得到的工业水循环。经过除雾器后的脱硫烟气含水量大大降低，通过烟道进入脱硝塔脱硝。

1.2 脱硝塔

氧化镁脱硫脱硝工艺采用SCR法进行脱硝。

1.2.1 尿素溶液热解

本工艺采用浓度为50%左右的尿素溶液为还原剂，尿素溶液先进行雾化处理，变成小液滴后进入热解炉进行高温热解，温度在450℃到650℃之间[10]。净空气经增压风机进入盘管式热交换器，加热到450～600℃[11]。后进入高温热解炉与浓度为50%左右的尿素溶液一起热解，热解得到气态水、二氧化碳和氨气，随后进入缓冲罐中保温经喷氨格栅喷出。脱硫后的烟气通过增压风机增压进入脱硝塔，经GGH换热器与省煤器后与喷氨格栅喷出的混合气体混合，经过整流器进入SCR反应器，在SCR反应器中设置了三层催化剂：一般一层催化剂脱硝效率为40%，两层催化剂脱硝效率可达70%，三层可达90%[12]。本工艺中选用V2O5，WO3和TIO2为催化剂进行催化脱硝，将烟气中的氮氧化物氧化还原为没有污染的氮气和水，通过烟气出口排放。由于烟气通过催化剂进行反应，故烟尘易在催化剂表面堆积。为了避免堵塞，反应器和催化剂需要定期进行检查和清洗，可用压缩蒸汽或水蒸气或真空吸尘器等清理[13]。

2 双层浆液曝气的设计

双层建筑是指在脱硫塔下面设浆液曝气设备。

2.1 双层建筑设计目的

脱硫剂在经过脱硫塔之后产生的废液中仍含有少量的亚硫酸钙和亚硫酸氢钙，为降低废液中的COD，提高产物回收效率，故需进行曝气处理。同时，为节省管材，故在脱硫塔下部直接设浆液曝气设备。

2.2 扩大浆液曝气的面积设计理念

经过在工厂的实地考察和在网上搜集资料，我们发现大多数工厂的浆液曝气设备只有一层，而且需循环曝气，耗时耗能。于是，我们拟将一层的浆液曝气设备改为两层，中间设有足够的空间，使废液在流过第一层后通过挡板引流至第二层曝气，既合理利用了空间，又提高了浆液曝气效率。而且在设置多层的同时减少废液流量使液体在浆液曝气设备上的厚度减小，即增加废液与空气接触时间和面积，提高曝气效率。

3 锥体结构

在脱硫塔底部设锥体结构，减少了浆液流动的死角，增加了反应物接触面积，提高了反应效率，避免固体物堆积，防止阻塞塔底部的元件。而且还在脱硫塔锥体结构底部设鼓泡器、搅拌器和旋流板，四者相辅相成，不但提高了反应效率，还减少了

后期维修及机器使用寿命，达到了节能减排的效果。

4 总结

氧化镁脱硫脱硝工艺在FGD脱硫脱硝工艺的基础上进行了优化设计，将吸收塔烟气入口设置为倾斜型式，可以防止固体物的堆积和烟气预冷水的倒流；将脱硫脱硝塔设计为一体结构并将各部分功能具体化；在设脱硫塔底为锥形结构并增设旋流板和搅拌器，减少浆液流动死角，增加反应物的接触面积，提高了脱硫效率，尽量避免结垢堵塞；采用SCR尿素热解法进行脱硫，不但降低了运行成本还大大提高了脱硝效率；在回收产物上设计了双层结构和优化浆液曝气池，节约了能源也提高了反应的效率。