生物质锅炉烟气钠基高温干法脱硫工艺的设计及应用

卢能国，吴炜彬，刘 颖

（福建龙净环保股份有限公司，福建 龙岩 364000）

0 引言

随着国家对大气污染物的环保排放要求越来越严格，相关企业治理污染物排放的力度也不断加大。对于生物质锅炉烟气超低排放治理，高温复合滤筒脱硫除尘脱硝一体化技术近年得到较大推广和应用，其中脱硫工艺环节多采用钙基[Ca（OH）2]干法脱硫或钠基（NaHCO3）干法脱硫。本文主要阐述了钠基高温干法脱硫工艺在某生物质锅炉烟气治理项目上的设计应用。

1 生物质锅炉烟气特性

某项目生物质锅炉为振动炉排炉，主要燃料为玉米秸秆、小麦秸秆、花生壳，产生的烟气具有以下特点：一是由于该锅炉炉排大约每隔4 min 振动一次，存在短时局部燃料燃烧不均匀的情况，导致烟气粉尘、SO2、NOx含量呈周期性波动，且短时峰值较高。二是燃料含水率高达20%～30%，烟气中的酸性物质会加速省煤器及下游设备的腐蚀。三是烟气粉尘浓度高，且含有砂石等高磨蚀性强的颗粒以及末燃尽火星[1]。

2 钠基高温脱硫工艺原理

钠基高温干法脱硫工艺原理为：以超细NaHCO3颗粒为脱硫剂原料，将颗粒喷入高温烟气中，NaHCO3在烟气热量的作用下分解生成Na2CO3和CO2，CO2从体相逸出后能提供大量微孔结构，碳酸氢钠颗粒发生爆米花效应的爆涨，体积增加，生成活性强的像海绵一样的多孔结构，具有很高的反应活性和吸附活性。新产生的碳酸钠Na2CO3可自发地与烟气中的酸性污染物进行式（1）～式（6）反应[2]：

部分反应：

副反应：

在常见报道中，钠基干法脱硫多使用在140～220 ℃的烟气条件下，也有研究表明，温度越高，碳酸氢钠的反应活性就越高，当反应温度为240～390 ℃时，脱硫效率更高[3]。

3 项目概况及工艺设计

3.1 项目概况

某项目1 台130 t/h 高温高压生物质燃料自然循环汽包水冷振动炉排锅炉，配套建设脱硫、脱硝和除尘设施。锅炉设计燃料为小麦秸秆、玉米秸秆、花生秸秆和林木剩余物，其中农作物秸秆占43%，烟气参数见表1。

表1 锅炉烟气参数

要求烟气经净化处理后的出口SO2排放质量浓度≤35 mg/m3，出口粉尘排放质量浓度≤10 mg/m3，满足超低排放要求。

3.2 工艺设计

该项目采用钠基高温干法脱硫+高温复合滤筒尘硝一体化处理工艺，从锅炉一级省煤器引出300～320 ℃左右的高温烟气，依次进入脱硫塔内脱硫和尘硝反应器内完成除尘、脱硝反应，净化后的烟气再返回锅炉进行剩余热量回收[4]。

在脱硫剂喷入口之前设置烟气均流及旋流混合装置，使得脱硫剂进脱硫塔之前完成脱硫剂细颗粒粉与烟气的充分均匀混合。进入脱硫塔反应器后，受热激活活性和比表面积均增强的脱硫剂碳酸氢钠与烟气充分接触，发生物理吸附和化学反应，烟气中的SO2，HCl 等酸性气体被高效吸收净化。反应后的脱硫剂副产物与烟气一起进入复合滤筒式尘硝一体设备脱硝除尘净化，黏附在滤筒上的含有脱硫剂的副产物颗粒可进一步发生脱硫反应。其整套脱硫工艺流程如图1 所示。

图1 钠基高温干法脱硫工艺流程

干法烟气脱硫系统中所用的脱硫剂原料为进料粒径为80～100 目（0.154～0.178 mm）的碳酸氢钠颗粒料，由原料仓给料进入称重给料仓，称重给料螺旋输送机定量送入超细研磨机的主机腔进行研磨。物料经粉碎和研磨，一次性加工成大于400 目（38 μm）的微粉，再通过高压风机输送至脱硫塔内。脱硫剂给料系统设计最大用量为300 kg/h。

脱硫设备构成包括如下：

1）碳酸氢钠给料研磨系统：碳酸氢钠原料仓、星型给料器、称重粉仓、螺旋输送计量装置、高效研磨机、高压风机、气力输送管道等。

2）碳酸氢钠喷射装置：喷射管、导流板。

3）脱硫烟气系统：烟道、均布装置、混合装置、文丘里段、脱硫反应器、复合滤筒除尘脱硝一体反应器等。

4 结构设计和技术特点

4.1 碳酸氢钠给料结构

碳酸氢钠给料研磨系统设置备用系统。碳酸氢钠被磨成细粉后，在磨机及高压风机内易积灰，长时间运行后磨机负荷加大，出口温度升高。当温度升高至50 ℃以上，碳酸氢钠开始分解，过早分解的碳酸氢钠无法在脱硫塔形成爆米花效应，脱硫效率下降。一般情况下，研磨机在运行10～15 d 后要停机清理。为避免给料研磨设备定期停机清理影响脱硫排放，碳酸氢钠系统设置一路称重给料、研磨机、高压风机备用。当运行中的一路给料研磨设备需要清理或故障检修时，系统可以切换至另一路。

4.2 脱硫剂喷入结构

碳酸氢钠脱硫剂喷入采用多点喷入结构。为使喷入的碳酸氢钠和烟气有较好的混合效果，根据气流模拟情况，喷入口采用多点喷入并且在喷入点对应位置设置挡流板。若不设挡流板，喷入的脱硫剂在烟气气流作用下无法深入烟道内部，如图2 所示。设置挡流板后，脱硫可以深入烟道内部，在烟气气流夹带作用下，脱硫剂覆盖面大大增强。如图3 所示。脱硫剂喷入管由一根三叉管及三根软管组成，三叉管为钢管，由一根主管分为三根支管，后端设软管以利于输送管转弯过渡。每个喷入口内部对应下部设置一根导流三角板，以使脱硫剂喷入深入内部，每处喷入点分布在烟气方向错开布置。如图4 所示。

图2 无挡流板喷入结构的气流示意图

图3 有导流板喷入结构的气流示意图

图4 有导流板喷入结构平面布置图

4.3 混合器结构

为进一步增强脱硫剂与烟气混合效果，脱硫塔底部设置旋流混合装置，混合装置由导流板、旋流叶片组成；旋流叶片由若干导流叶片和中间锥形体组合而成焊接固定在竖直烟道内，旋流叶片倾斜布置，与烟气流向呈一定夹角，角度为50°。混合器结构如图5所示。烟气通过旋流板导流作用形成旋转气流，旋转气流与喷入的脱硫剂混合后进入脱硫塔进一步混合反应。

图5 混合器结构

4.4 脱硫控制技术

因生物质锅炉振动炉排炉周期性振动，进口烟气SO2浓度也呈现周期性波动。针对SO2周期性波动的烟气，相应控制脱硫剂给料也进行周期性变动给料。当进口烟气SO2浓度高时，脱硫剂给料量高，反之则低。在实际控制中，为及时响应调节脱硫剂给料量，脱硫剂给料时机可与锅炉振动信号连锁，当振动炉排开始振动，一般振动时间20 s，生物质燃料燃烧充分，进口SO2增高。既当开始振动后，加大脱硫剂给料量，当停止振动后，延时一段时间再降低脱硫给料量，如此反复。每个时间段给料量和延时时间可调，在运行中调整各参数找到对应设定数值以满足各相对配合比稳定的燃料条件下脱硫要求。

5 运行效果分析

5.1 烟气温度对脱硫的影响

碳酸氢钠在50 ℃以上开始逐渐分解，生成碳酸钠、二氧化碳和水，270 ℃时完全分解，烟气温度在140～250 ℃具有高度活性。温度越高，碳酸氢钠的反应活性就越高，碳酸氢钠就能自发完全地与烟气中的酸性污染物进行化学反应，所以在碳酸氢钠进入脱硫塔前碳酸氢钠温度不宜超过50 ℃。目前碳酸氢钠在300 ℃以上烟气脱硫应用很少，经过本项目的实际使用证明，在烟气温度300～320 ℃时，碳酸氢钠仍然有较高脱硫效率，碳酸氢钠过量吸收基本在1.05 以下。

5.2 烟气含尘量对脱硫的影响

烟气中高浓度粉尘会抑制脱硫剂和二氧化硫混合反应。烟气中含尘量过大，等效于喷入的脱硫剂有效成分降低。脱硫剂在烟气中以一种多孔性固体颗粒形式存在，其比表面积和孔容越高，吸附脱硫的能力则越强。而在高粉尘烟气中，较细的粉尘堵塞了脱硫剂孔洞，阻碍二氧化硫被吸附到脱硫剂颗粒内部；大量粉尘围绕在脱硫剂颗粒周边，也增大了固气传质的阻力，脱硫剂起不到较高效率的脱硫作用，难以达到超低排放的脱硫要求。如本项目，在实际运行过程中，烟气原始粉尘质量浓度为15 g/m3，喷入碳酸氢钠粉300 kg/h，单位空间内粉尘占比70%～90%，碳酸氢钠粉占比10%～ 30%，无效粉尘占用混合空间，阻碍碳酸氢钠粉扩散。针对烟气中高浓度粉尘对脱硫剂的干扰，通常措施为是先除尘后脱硫。本项目采用强化脱硫剂和烟气混合的方式，激烈的湍动增大了脱硫剂颗粒与二氧化硫接触的机率，有效降低了高浓度粉尘对脱硫的不利影响。

5.3 脱硫剂不同喷射位置对脱硫的影响

本项目在未安装混合器的情况下试验各个位置喷入脱硫剂对脱硫效率的影响。喷入位置分别为离脱硫塔30 m，离脱硫塔15 m，及在脱硫塔底位置。试验表明，不管在哪个位置，脱硫效率相差不大，而且并不能有效控制住SO2排放。经分析，应是受烟气中粉尘影响。一旦加了混合器，解决烟气和脱硫剂有效混合问题，脱硫效果明显提升。脱硫剂喷入点设置在脱硫塔和混合器之间，充分利用碳酸氢钠的爆米花效应。当碳酸氢钠喷入受热分解时，碳酸氢钠同时与烟气强烈充分混合，新分解的碳酸钠多孔介质在未被烟气中粉尘堵塞前即在混流中更大概率接触吸收SO2，较大提高脱硫效率。

6 结语

生物质锅炉干法烟气脱硫在脱硫塔底入口烟道设置旋流混合装置，脱硫剂采用多喷点导流装置，使脱硫剂和烟气充分混合，克服了烟气中高浓度粉尘干扰，有效提升脱硫效率，得出以下结论：

1）脱硫效率高，能够满足目前的超低排放限值要求[ρ（SO2）≤35 mg/m3]。

2）在高含尘烟气条件下，高浓度粉尘阻碍碳酸氢钠脱硫。设置旋流混合器和多喷点脱硫剂喷入装置强化脱硫剂和烟气混合，可以克服高浓度粉尘不利影响，达到较高脱硫效率。

3）脱硫剂在300 ℃以上，碳酸氢钠脱硫效率高。

4）脱硫剂加料口最佳位置在脱硫塔文丘里入口烟道设置。