燃气锅炉烟气NID脱硫工艺设计及应用

梁 磊

(江苏新中金低碳科技股份有限公司，江苏 宜兴 214200)

19世纪80年代，在喷雾干燥法烟气脱硫技术的基础上，半干法脱硫技术得到了改进和快速发展，常用的脱硫剂主要包括生石灰、熟石灰、电石渣等[1-3]。半干法脱硫技术，是把干态粉末状吸收剂喷入脱硫塔内，与烟气中SO2和喷入的水发生接触传质反应，脱除SO2。半干法脱硫实质上是气、液、固三相发生接触传质反应[4-6]，包含了传质、传热的物理过程和SO2溶解[7-10]、吸收等化学过程。吸收剂与烟气中SO2反应，产物为固态。固态产物吸收烟气中的热量，最终反应产物为干粉状态，在压缩空气作用下，具有较好的流动性，有利于吸收剂循环反复多次利用。

NID(novel integrated desulfurization)半干法烟气脱硫技术，是在传统半干法脱硫装置的基础上，经过不断改进优化，研究开发出的新一代烟气半干法脱硫技术。NID脱硫技术与传统半干法脱硫技术原理相同，与传统半干法脱硫技术相比，生石灰的消化和增湿在混合器中完成，省去了独立分开的石灰浆液制备系统和喷射系统，避免了设备管道漏风、堵塞严重等问题[11-15]。脱硫反应停留时间短，设备占地面积小，适用于300 MW以下机组锅炉烟气低浓度SO2治理[16-18]。

2019年4月28日，国家五部委联合发布《关于推进钢铁行业超低排放的意见》，要求烟气SO2和颗粒物排放质量浓度小时均值分别不大于35 mg/m3和10 mg/m3(标态，干基，余同)。部分钢铁企业燃气锅炉排放烟气，SO2质量浓度较低，选择了NID脱硫技术。本文以490 t/h燃气锅炉烟气SO2治理为例，介绍了NID脱硫工艺流程、脱硫塔、布袋除尘器、流化槽、混合器等核心设备设计要点和选型选材依据。出口SO2和颗粒物质量浓度均远低于超低排放上限值，系统占地面积小，操作简单，运行稳定，管理方便，可为今后同类工程设计及应用提供参考。

上海某大型钢铁企业，发电机组新建490 t/h锅炉，为亚临界参数、单炉膛、平衡通风一次再热汽包锅炉。设计燃料为高炉煤气BFG，混烧焦炉煤气COG、天然气NG，预留废乳化液接口。积极响应环保要求，燃气锅炉烟气增设NID脱硫设施，满足SO2和颗粒物超低排放，烟气参数如表1所示。脱硫剂为生石灰，目数为200～300目，纯度不低于85%。综合考虑锅炉负荷变化以及NID脱硫最大处理烟气量受到限制等因素，共设计4套NID脱硫系统，单套处理风量为260 000 m3/h。4套系统配置1套再循环烟道，确保进入NID脱硫系统的总烟气量，不低于锅炉满负荷运行时烟气量的70%，保证脱硫塔内建床烟气流速，防止脱硫系统“塌床”。若锅炉低负荷运行，可停运其中1套或多套NID脱硫系统。

表1 烟气参数

NID脱硫工艺流程如图1所示。锅炉来烟气进入脱硫塔，脱硫后烟气进入布袋除尘器，除尘后净烟气由布袋除尘器出口进烟囱排放。布袋除尘器收集的循环灰经底部船型灰斗落入流化槽，再由循环灰给料机送至混合器。利用工艺水增湿循环灰和石灰粉，三者在混合器中混合均匀后，送至脱硫塔脱硫，循环往复，完成烟气SO2的脱除。流化槽内设置高低料位计，循环灰到达高料位时，卸灰至仓泵，采用气力输灰送至灰库，循环灰到达低料位时，卸灰停止，循环往复。布袋除尘器底部船型灰斗和流化槽均设蒸汽伴热，防止物料结块。流化槽、循环灰给料机、混合器底部均设流化风，使循环灰处于流化状态，防止结块堵塞。脱硫塔底部设螺旋输送机、重锤式翻板阀和气动插板阀，用于排出脱硫塔底部积聚的大颗粒物料。脱硫塔入口和布袋除尘器出口均设在线监测装置，实时在线检测烟气温度、压力、流量及SO2、颗粒物、NOx、H2O和O2含量。

图1 工艺流程

2.1 脱硫塔

脱硫塔设计为J型结构，如图2所示，主要包括下部U型弯头和上部矩形直段。烟气由底部U型弯头进入，上部矩形直段顶部排出，送至布袋除尘器。因机械设计原因，混合器长度一般不超过3 m，与脱硫塔采用法兰连接。脱硫塔矩形直段设计为扁矩形，长3 m、宽1.6 m，烟气流速约15 m/s。混合器接口至烟气出口中心高差为15 m，脱硫反应停留时间为1 s。U型弯头内弯和外弯曲率半径分别为1.6 m和3.2 m，为矩形直段宽度的1倍和2倍。外弯和内弯圆心在同一水平线上，分别位于左侧和右侧，圆心距离为240 mm，为矩形直段宽度的15%。U型弯头可避免底部烟气形成涡流，降低阻力损失。U型弯头截面积小于矩形直段，烟气流速大于矩形直段，形成湍流，有利于气、固两相剧烈碰撞，增加接触反应几率，提高脱硫效率和脱硫剂利用率[19]。

图2 脱硫塔结构示意图

脱硫塔内循环灰质量浓度高达500～1400 g/m3，流速快，约15 m/s，与脱硫塔壁板剧烈摩擦，磨损较大，脱硫塔选用HARDOX 600钢板制作，具有较高硬度、耐磨性能和耐冲击韧性。脱硫塔顶部设导流板，有效避免高流速、高含固量烟气垂直冲刷脱硫塔顶板。循环灰增湿结团可能会形成大颗粒，随运行时间延长，脱硫塔壁板粘附积累形成块状物料，在重力作用下，均会落入脱硫塔底部。U型弯头设压差变送器，下方设螺旋输送机，当压差大于300 Pa时，螺旋输送机开始排料，防止物料积聚堵塞U型弯头。混合器接口前方和螺旋输送机上方均设视镜，用于观察塔内物料情况。U型弯头底部设检修门，定期进行设备维护。脱硫塔矩形直段设压差变送器，用于检测床层阻力，床层阻力控制在1200 Pa以下。

2.2 布袋除尘器

布袋除尘器主要由底部灰斗、中箱体、上箱体三部分组成。布袋除尘器平面尺寸为11.6 m×12.6 m，总高度为11.3 m，其中底部船型灰斗高度2 m，中箱体高度8.5 m，上箱体高度0.8 m。布袋除尘器设计为6个仓室，3个仓室共用1个船型灰斗，6个仓室共2个船型灰斗[20]。单仓室设置滤袋294条，14行21列均布，相邻滤袋中心间距225 mm。滤袋规格为直径160 mm，长度8000 mm，PPS材质。布袋除尘器总滤袋数量为1764条，过滤面积约7090 m2，过滤风速约0.6 m/min。单仓室配置14个8.89 cm的脉冲喷吹阀，根据喷吹间隔时间或除尘器进出口压差值，控制脉冲阀动作，完成滤袋清灰。清灰气源为压缩空气，压力约0.35 MPa。

2.3 流化槽

利用流态化输送原理，达到干燥粉末状物料水平输送的装置称为流化槽，结构示意图如图3所示。流化槽上层为循环灰料层，下层为气腔。流化槽主要由上槽体、透气层、透气层支架、下槽体、进料口、进气口等组成。除尘器下部2个船型灰斗下部设置1个流化槽，流化槽设计为平面形状U型结构，连接部分为圆环过渡。流化风量按照透气层单位截面积3 m3/(m2·min)进行计算，流化风压根据透气层、物料层及附属设备阻力进行设计。流化槽截面尺寸为长1.2 m，高2 m，透气层总面积约32 m2，流化风量和风压分别设计为100 m3/min和20 kPa。流化风采用100 ℃左右的热风，避免物料遇到冷凝水结块。流化槽相邻2个进风口距离不大于9 m。透气层选用聚酯纤维多层织物，耐温150 ℃。

图3 流化槽结构示意图

2.4 混合器

混合器结构如图4所示，上部为雾化区，下部为混合区。雾化区上方设3支双流体喷枪，雾化用水、用气压力分别约为0.5 MPa和0.4 MPa，雾化液滴直径约100 μm，将石灰粉和含水2%左右的循环灰增湿至5%左右，雾化后物料进入混合区。混合区底部设置6个流化风进口，循环灰、石灰粉和水在搅拌装置和压力20 kPa的流化风作用下，充分混合后进入脱硫塔。混合器生产能力为100～675 m3/h，具有较大设计裕量。混合物料对设备磨损较大，搅拌装置一般选用耐磨合金或复合陶瓷材料制作。

图4 混合器结构示意图

查询脱硫塔进口在线监测SO2质量浓度和布袋除尘器出口在线监测SO2和颗粒物质量浓度以及历史数据曲线，记录不同时间点进出口SO2质量浓度和出口颗粒物质量浓度，计算脱硫效率，数据见表2。进口SO2质量浓度为194.8～199.7 mg/m3，出口SO2质量浓度降低至5.3～6.8 mg/m3，脱硫效率为96.6%～97.3%，出口颗粒物质量浓度为0.5～1.2 mg/m3，出口SO2和颗粒物质量浓度均远低于超低排放上限值。经计算，Ca/S摩尔比约1.5。

表2 运行数据

a.NID脱硫工艺技术应用于燃气锅炉烟气治理，系统连续进料，间歇排料，能够满足SO2超低排放需求。系统占地面积小，操作简单，运行稳定，管理方便。

b.脱硫塔、布袋除尘器、流化槽、混合器等核心设备需遵循设计要点，合理选型选材。

c.进一步提高脱硫效率和脱硫剂利用率，降低脱硫Ca/S摩尔比，减少石灰用量，节省运行成本，应为未来研究的方向。

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