- 技術(shù)文章
利用造紙白泥脫除煙氣中二氧化硫的技術(shù)研究
2015-12-11 15:16:09 來(lái)源：楊昆
摘要:文章介紹了利用造紙白泥脫除煙氣中二氧化硫的工藝流程、設備和技術(shù)設計特點(diǎn)，并對其應用前景進(jìn)行了分析。
關(guān)鍵詞:造紙白泥;煙氣脫硫;設計特點(diǎn)
我國每年由于酸雨和二氧化硫污染造成農作物、森林和人體健康等方面的經(jīng)濟損失達1100多億元。而火電廠(chǎng)的二氧化硫排放占全部二氧化硫排放的比重很高，因此火電廠(chǎng)脫硫是國家減排二氧化硫的重點(diǎn)之一。煙氣脫硫（Flue Gas Desulfurization，FGD）是控制酸雨和二氧化硫污染*為有效的技術(shù)手段。目前，世界各國對煙氣脫硫都非常重視，已開(kāi)發(fā)出數十種行之有效的脫硫技術(shù)。本文介紹了利用造紙白泥脫除鍋爐煙氣中二氧化硫的方法。
1 造紙白泥-石膏法煙氣脫硫技術(shù)
造紙白泥是造紙廠(chǎng)的廢棄物。造紙廠(chǎng)堿回收車(chē)間的黑液濃縮焚燒后，從燃燒爐底部流出的熔融物的主要成分是碳酸鈉和硫化鈉，溶于稀白液后，稱(chēng)為綠液。在苛化工段，往綠液中加消石灰，使碳酸鈉轉化為氫氧化鈉。澄清后的液體稱(chēng)為白液，即蒸煮用的堿液，沉淀出的碳酸鈣稱(chēng)為白泥�；瘜W(xué)反應式如下：
Na2CO3+Ca(OH)2→2NaOH+CaCO3↓
造紙白泥需要進(jìn)行洗滌以回收其中的殘堿，經(jīng)過(guò)濾、脫水后即產(chǎn)出白泥。草漿堿回收后的白泥因含硅量高，難以回收CaCO3，只能堆存填埋。
由于造紙白泥含堿達4.14％，排入江河后會(huì )對生態(tài)環(huán)境造成十分嚴重的危害和污染，國家從2000年起就限制其排放量。為解決這一難題，同時(shí)也為消除“白色污染”，利用造紙白泥脫除鍋爐煙氣中的二氧化硫，有利于充分利用國內大量的造紙白泥變廢為寶，降低產(chǎn)品成本，節約資金，實(shí)現可持續發(fā)展。
造紙白泥作為一種脫硫劑可有效脫除煙氣中的二氧化硫，具有以廢治廢、脫硫效率高、脫硫成本低的特點(diǎn)，同時(shí)又減少了白泥的堆存。造紙白泥可替代雙堿法中的氫氧化鈉和氧化鈣、氧法鎂法中的氧化鎂、石灰石-石膏法中的碳酸鈣，廣泛適用于工業(yè)鍋爐、電站鍋爐和工業(yè)窯爐中的二氧化硫脫除。脫硫效率可達到90%，由于在脫硫的同時(shí)也具有除塵作用，除塵效率可達到98%。利用白泥脫硫不需要特殊設備，在循環(huán)泵前加入到水池中攪拌一下即可。為了減少系統的結垢，在加入造紙白泥的同時(shí)加入少量的氧化鎂即可維持系統的穩定運行。
2 造紙白泥脫硫工藝流程
造紙白泥-石膏濕法脫硫工藝系統主要由煙氣除塵降溫系統、吸收氧化系統、漿液制備系統、石膏脫水系統、排放系統組成。其基本工藝流程見(jiàn)圖1。
鍋爐煙氣經(jīng)電除塵器除塵后，通過(guò)增壓風(fēng)機、氣-氣換熱器GGH（可選）降溫后進(jìn)入吸收塔。煙氣在吸收塔內向上流動(dòng)且被向下流動(dòng)的循環(huán)漿液以逆流方式洗滌。循環(huán)漿液則通過(guò)噴漿層內設置的噴嘴噴射到吸收塔中，以便脫除SO2、SO3、HCl和HF，與此同時(shí)采用強制氧化工藝，將反應的副產(chǎn)物氧化為石膏（CaSO4·2H2O）。循環(huán)漿液通過(guò)漿液循環(huán)泵向上輸送到噴淋層中，通過(guò)噴嘴進(jìn)行霧化，使氣體和液體得到充分接觸。每個(gè)泵通常都與其各自的噴淋層相連接，即通常采用單元制。
在吸收塔中，造紙白泥與二氧化硫反應并氧化生成石膏，這部分石膏漿液通過(guò)石膏漿液泵排出，進(jìn)入石膏脫水系統。石膏脫水系統主要包括石膏水力旋流器（作為一級脫水設備）、漿液分配器和真空皮帶脫水機。
經(jīng)過(guò)凈化處理的煙氣流經(jīng)兩級除霧器除霧，去除清潔煙氣中所攜帶的漿液霧滴。同時(shí)按特定程序不時(shí)地用工藝水對除霧器進(jìn)行沖洗，一是為了防止除霧器堵塞，二是可將沖洗水作為補充水以穩定吸收塔液位。
在吸收塔出口，煙氣溫度為55℃～65℃，且為水蒸汽所飽和。通過(guò)GGH將煙氣加熱到72℃以上，以提高煙氣的抬升高度和擴散能力。*后，潔凈的煙氣通過(guò)煙道進(jìn)入煙囪排向大氣。脫硫過(guò)程主反應為：
SO2+H2O→H2SO3（吸收）
CaCO3+H2SO3→CaSO3+CO2+H2O（中和）
CaSO3+1/2O2→CaSO4（氧化）
CaSO3+1/2H2O→CaSO3·1/2H2O（結晶）
CaSO4+2H2O→CaSO4·2H2O（結晶）
CaSO3+H2SO3→Ca(HSO3)2（pH控制）
同時(shí)煙氣中的HCl、HF與CaCO3反應，生成CaCl2或CaF2。吸收塔中的pH值通過(guò)注入造紙白泥漿液進(jìn)行調節與控制，一般pH值在5.2～6.5。
3 主要工藝系統設備及功能
3.1 煙氣系統
煙氣系統包括煙道、煙氣擋板、密封風(fēng)機和GGH等關(guān)鍵設備。吸收塔入口煙道及出口至擋板煙道的煙氣溫度較低且含濕量較大，容易對煙道產(chǎn)生腐蝕，需進(jìn)行防腐處理。
煙氣擋板是脫硫裝置進(jìn)入和退出運行的重要設備，分為FGD主煙道煙氣擋板和旁路煙氣擋板。前者安裝在FGD系統的進(jìn)出口，由雙層煙氣擋板組成，當關(guān)閉主煙道時(shí)，雙層煙氣擋板之間連接密封空氣，以保證FGD系統內的防腐襯膠等不受破壞。旁路擋板安裝在原鍋爐煙道的進(jìn)出口。當FGD系統運行時(shí)，旁路煙道關(guān)閉，這時(shí)煙道內連接密封空氣。旁路煙氣擋板設有快開(kāi)機構，保證在FGD系統發(fā)生故障時(shí)能迅速打開(kāi)旁路煙道，以確保鍋爐的正常運行。
經(jīng)濕法脫硫后的煙氣從吸收塔出來(lái)溫度一般在55℃～65℃，含有飽和水汽、殘余的SO2、SO3、HCl、HF、NOX，其攜帶的SO42-、SO32-鹽等會(huì )結露，如不經(jīng)過(guò)處理直接排放，易形成酸霧，且將影響煙氣的抬升高度和擴散。為此，濕法FGD系統通常配有GGH煙氣再熱裝置。GGH是蓄熱加熱工藝的一種，它用未脫硫的熱煙氣（130℃～150℃）加熱已脫硫的煙氣，一般加熱到72℃左右，然后排放，以避免低溫濕煙氣腐蝕煙道、煙囪內壁，并可提高煙氣抬升高度。GGH是濕法脫硫工藝的一項重要設備，由于熱端煙氣含硫量*高、溫度高，而冷端煙氣溫度低、含水率大，故GGH的煙氣進(jìn)出口均需采用耐腐蝕材料，如搪玻璃、柯登鋼等，傳熱區一般用搪瓷鋼。另外，從電除塵器出來(lái)的煙氣溫度高達130℃～150℃，因此進(jìn)入FGD前要經(jīng)過(guò)GGH降溫器降溫，避免煙氣溫度過(guò)高，損壞吸收塔的防腐材料和除霧器。
3.2 吸收系統
吸收系統的主要設備是吸收塔，它是FGD設備的核心裝置，系統在塔中完成對SO2、SO3等有害氣體的吸收。濕法脫硫吸收塔有許多種結構，如填料塔、湍球塔、噴射鼓泡塔、噴淋塔等等。其中噴淋塔因為具有脫硫效率高、阻力小、適應性強、可用率高等優(yōu)點(diǎn)而得到較廣泛的應用。因此目前噴淋塔是造紙白泥-石膏濕法煙氣脫硫工藝中的主導塔型。
噴淋層設在吸收塔的中上部，吸收塔漿液循環(huán)泵對應各自的噴淋層。每個(gè)噴淋層都是由一系列噴嘴組成，其作用是將循環(huán)漿液進(jìn)行細化噴霧。一個(gè)噴淋層包括母管和支管，母管的側向支管成對排列，噴嘴布置在其中。噴嘴的這種布置安排可在吸收塔斷面上實(shí)現均勻的噴淋效果。
吸收塔循環(huán)泵將塔內的漿液循環(huán)打入噴淋層，為防止塔內沉淀物吸入泵體造成泵的堵塞或損壞及噴嘴的堵塞，循環(huán)泵前都裝有網(wǎng)格狀不銹鋼濾網(wǎng)。單臺循環(huán)泵出故障時(shí)，FGD系統可正常運行，若全部循環(huán)泵均停運，FGD系統將保護性停運，煙氣走旁路。
氧化空氣系統是吸收系統內的一個(gè)重要部分，氧化空氣的功能是保證在吸收塔反應池內生成石膏。氧化空氣注入不充分將會(huì )引起石膏生成的不完善，還可能導致吸收塔內壁的結垢，因此，對該部分的優(yōu)化設置對提高系統的脫硫效率和石膏的品質(zhì)尤為重要。
吸收系統還包括除霧器及其沖洗設備，吸收塔內*上面的噴淋層上部設有二級除霧器，由阻燃聚丙烯材料制成，主要用于分離由煙氣攜帶的液滴。
3.3 漿液制備系統
堿回收車(chē)間提供合格的造紙白泥漿液。通常要求90%的粒度小于325目。
3.4 石膏脫水系統
石膏脫水系統包括水力旋流器和真空皮帶脫水機等關(guān)鍵設備。水力旋流器為石膏漿液的一級脫水設備，其利用了離心力加速沉淀分離的原理，漿液流切向進(jìn)入水力旋流器的入口，使其產(chǎn)生環(huán)形運動(dòng)。粗大顆粒富集在水力旋流器的周邊，細小顆粒則富集在中心。已澄清的液體從上部區域溢出（溢流），而增稠漿液則從底部流出（底流）。真空皮帶脫水機將已經(jīng)水力旋流器一級脫水后的石膏漿液進(jìn)一步脫水至含固率達到90%以上。
3.5 排放系統
排放系統主要由事故漿池、區域漿池及排放管路組成。
3.6 熱工自控系統
為了保證煙氣脫硫效果和煙氣脫硫設備的安全經(jīng)濟運行，系統裝備了完整的熱工測量、自動(dòng)調節、控制、保護及熱工信號報警裝置。其自動(dòng)化水平將使運行人員無(wú)需現場(chǎng)人員配合，在控制室內即可實(shí)現對煙氣脫硫設備及其附屬系統的啟、停及正常運行工況的監視、控制和調節，系統同時(shí)具備異常與事故工況時(shí)的報警、連鎖和保護功能。
4 脫硫吸收塔技術(shù)特點(diǎn)
（1）高速氣流設計增強了物質(zhì)傳遞能力，降低了系統的成本，標準設計煙氣流速達到4.0m/s。
（2）技術(shù)成熟可靠，系統可利用率達到95%。
（3）系統采用*優(yōu)的塔體尺寸，平衡了SO2去除與壓降的關(guān)系，使得資金投入和運行成本達到*低。
（4）吸收塔液體再分配裝置，可有效避免煙氣爬壁現象的產(chǎn)生，提高經(jīng)濟性，降低能耗。
5 系統技術(shù)性能
（1）脫硫效率高達95%以上，有利于地區和電廠(chǎng)實(shí)行總量控制。
（2）技術(shù)成熟，設備運行可靠性高。
（3）單塔處理煙氣量大，SO2脫除量大。
（4）適用于任何含硫量的煤種的煙氣脫硫。
（5）對鍋爐負荷變化的適應性強（30%～100%BMCR）。
（6）設備布置緊湊，減少了場(chǎng)地需求。
（7）處理后的煙氣含塵量大大減少。
（8）造紙白泥脫硫，以廢治廢，是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的有力舉措。
（9）脫硫副產(chǎn)物（石膏）便于綜合利用，經(jīng)濟效益顯著(zhù)。
6 造紙白泥脫硫技術(shù)的特點(diǎn)及應用
造紙白泥做為脫硫劑具有較高的脫硫效率，脫硫效率大于90%，可以滿(mǎn)足環(huán)保要求。
該技術(shù)項目結構由煙氣SO2吸收和吸收液再生循環(huán)使用兩部分裝置組成。吸收裝置可用花崗巖砌筑也可用鋼制，內裝吸收用的多層霧化噴頭和氣水分離用的組合部件。該技術(shù)利用造紙廢棄物白泥的脫硫原理（白泥的主要成分為碳酸鈣），利用清液中大量的水吸收煙氣中的SO2，吸收后將主要成分為亞硫酸的廢液排入再生池，用白泥與亞硫酸進(jìn)行中和反應生成亞硫酸鈣，然后通過(guò)對亞硫酸鈣進(jìn)行氧化使之生成硫酸鈣和帶結晶水的硫酸鈣沉淀而被去除。同時(shí)，亞硫酸溶液在與亞硫酸鈣中和的過(guò)程中，會(huì )在不同條件下生成亞硫酸氫鈣，從而使溶液的pH得到一定的調劑。該工藝可替代堿法脫硫的主要消耗物—氧化鈣，達到變廢為寶、以廢治廢、大幅降低運行成本的目的。如果裝置配置XZXL型高效噴霧脫硫除塵實(shí)用專(zhuān)利技術(shù)（200520096265.2），更可同時(shí)解決管系的結垢問(wèn)題并提高脫硫效率。簡(jiǎn)易濕法脫硫效率可達85%以上，有很好的推廣應用價(jià)值。脫硫程序如圖2所示。
2004年廣西國發(fā)林業(yè)造紙有限公司應用該技術(shù)對2臺20t/h鍋爐利用白泥簡(jiǎn)易脫硫，截至2008年8月，該系統已連續運行4年多，該公司脫硫效率達到70%，取得了較好的效果。山東華泰清河紙業(yè)25MW機組利用造紙白泥脫硫工程于2007年8月20日建成并投入運行，二氧化硫排放濃度＜150mg/Nm3，脫硫效率達到96%。
7 結語(yǔ)
（1）我國是世界上*大的煤炭消費國，絕大多數鍋爐都是以煤為燃料，鍋爐配置現狀為中小型居多、低效率或無(wú)配置環(huán)保裝置居多。一臺65t/h燃煤鍋爐運行一年產(chǎn)生的SO2總量為900～1200t。全國未配套脫硫除塵裝置的中小型鍋爐有幾十萬(wàn)臺，已成為大氣的主要污染源。據不完全統計，我國每年向大氣排放的SO2總量達2000多萬(wàn)噸，全國國土的酸雨面積已占1/3，而且還在增加，每年因此而造成的國民經(jīng)濟損失已超過(guò)1100億元。利用造紙白泥-石膏濕法脫除燃煤鍋爐二氧化硫工藝技術(shù)是根據市場(chǎng)主流需求而研發(fā)，其推廣應用，有利于加快大氣污染防治步伐。大幅度提高企業(yè)對社會(huì )的貢獻率。
（2）該裝置是國內*臺完全概念的造紙白泥脫硫裝置。該技術(shù)產(chǎn)品適用于10～220t/h各型燃煤鍋爐的脫硫除塵。根據目前國內現有鍋爐配置的基本情況和該產(chǎn)品技術(shù)具有的明顯優(yōu)勢，產(chǎn)品推廣應用前景廣闊，具有明顯的環(huán)境效益、社會(huì )效益和經(jīng)濟效益。
（3）造紙白泥-石膏法煙氣脫硫技術(shù)是一項成熟可靠、投資少、占地、系統簡(jiǎn)單、運行方便、脫硫效率高、無(wú)二次污染、運行費用低、完全資源化、副產(chǎn)物價(jià)值高的煙氣脫硫技術(shù)，經(jīng)濟、社會(huì )、環(huán)保效益明顯，特別適合我國國情，有很好的推廣應用價(jià)值。
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