煙氣脫硫技術(shù)在首鋼遷鋼360m2燒結(jié)工程中的研究與應(yīng)用
首鋼國(guó)際工程公司燒結(jié)設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)不斷總結(jié)和吸取燒結(jié)工程設(shè)計(jì)、生產(chǎn)中的經(jīng)驗(yàn)及技術(shù)成果，形成了豐富的技術(shù)積淀，打造出了多項(xiàng)燒結(jié)工藝的核心技術(shù)。燒結(jié)生產(chǎn)過(guò)程產(chǎn)生大量含SO2煙氣，排放量約占鋼鐵企業(yè)年排放量的40%~60%，控制燒結(jié)生產(chǎn)過(guò)程中SO2的排放，已成為鋼鐵企業(yè)SO2排放控制的重點(diǎn)。面對(duì)當(dāng)前脫硫形勢(shì)，首鋼國(guó)際工程公司聯(lián)合首鋼環(huán)保產(chǎn)業(yè)事業(yè)部、北科大環(huán)境工程中心組建北京首科興業(yè)工程技術(shù)有限公司，專(zhuān)門(mén)承攬燒結(jié)脫硫工程。技術(shù)團(tuán)隊(duì)針對(duì)首鋼遷鋼360m2燒結(jié)機(jī)脫硫工程，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)幾種脫硫工藝進(jìn)行全面考察、綜合分析后，確定采取密相干塔脫硫工藝；脫硫設(shè)施投產(chǎn)后運(yùn)行穩(wěn)定，脫硫效率達(dá)95%，每年可以節(jié)省SO2排污成本約648萬(wàn)元，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益。
1 煙氣脫硫研發(fā)背景
目前，我國(guó)燒結(jié)煙氣SO2脫硫處于起步階段，僅少數(shù)幾個(gè)燒結(jié)廠(chǎng)上了脫硫設(shè)施；首鋼國(guó)際工程公司燒結(jié)技術(shù)團(tuán)隊(duì)在調(diào)研后發(fā)現(xiàn)國(guó)內(nèi)的燒結(jié)脫硫設(shè)施均不夠理想。
當(dāng)前采用的幾種脫硫塔存在以下不足之處：
(1) 噴淋塔，廣泛應(yīng)用于工業(yè)煙氣脫硫；國(guó)內(nèi)火力發(fā)電廠(chǎng)已建脫硫設(shè)施基本上采取該技術(shù)。塔中空、不易結(jié)垢、阻力小，突出缺點(diǎn)是傳質(zhì)系數(shù)低、相界面積小，噴淋塔龐大，投資高。
(2) 填料塔，傳質(zhì)系數(shù)比噴霧塔稍大；流體阻力較大，且氣液相界面積較；易結(jié)垢，積垢清理困難；投資高。
(3) 旋流板塔，流體阻力大，塔內(nèi)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、易結(jié)垢；水平度要求很髙，大型裝置制造安裝困難；投資高。
(4) 噴射吸收塔，工作性能與噴淋塔相近；采用的吸收劑比表面積小，塔體相比于其他三種更龐大，投資高。
2 脫硫工藝的確定
2.1 工藝流程的確定原則
脫硫工程方案的確定，需遵循以下原則：安全、可靠、經(jīng)濟(jì)、適用并符合國(guó)情；技術(shù)成熟、先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、有工業(yè)化業(yè)績(jī)的工藝系統(tǒng)；控制工程造價(jià)，盡量考慮設(shè)備的國(guó)產(chǎn)化；節(jié)約用水；燃燒設(shè)備的能力要適應(yīng)負(fù)荷變化的要求；考慮燃煤含硫量、工藝過(guò)程的原料含硫量、SO2控制規(guī)劃以及環(huán)境要求；考慮脫硫劑供應(yīng)條件；考慮脫硫副產(chǎn)品、脫硫灰、飛灰的綜合再利用；充分考慮廢水、廢渣的排放；充分考慮廠(chǎng)址、布置條件等因素。
首鋼遷鋼燒結(jié)脫硫工程為老廠(chǎng)增新環(huán)保項(xiàng)目，借鑒國(guó)內(nèi)外成熟的煙氣脫硫工藝；根據(jù)煙氣特點(diǎn)以及對(duì)脫硫除塵系統(tǒng)的實(shí)際要求，對(duì)常用的濕法及幾種(半)干法煙氣工藝的特點(diǎn)和技術(shù)經(jīng)濟(jì)性做了分析比較，最后確定采取密相干塔處理工藝。
2.2 密相干塔工藝的特點(diǎn)
2.2.1 密相干塔的脫硫原理
密相干塔煙氣脫硫技術(shù)是由德國(guó)福漢燃燒技術(shù)股份有限公司和北京科技大學(xué)環(huán)境工程中心針對(duì)中國(guó)國(guó)情開(kāi)發(fā)的一種先進(jìn)技術(shù)。具有脫硫效率高、投資運(yùn)行費(fèi)用低、可靠性高、能耗低、維護(hù)量小、占地面積小、系統(tǒng)壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，主要用于各種火電廠(chǎng)鍋爐、工業(yè)鍋爐以及工業(yè)窯爐排放煙氣的脫硫凈化處理。主要原理利用經(jīng)水選提純后的脫硫劑漿液，與布袋除塵器下的大量循環(huán)灰一起進(jìn)入加濕器內(nèi)進(jìn)行均化，使混合灰的水分含量保持在3%~5%之間，由于含3%~5% 水分的循環(huán)灰有極好的流動(dòng)性，反應(yīng)塔中設(shè)有攪拌器，不但能克服粘壁問(wèn)題而且還能增強(qiáng)傳質(zhì)作用。加濕后的大量循環(huán)灰由干塔上部的布料器進(jìn)入塔內(nèi)，與上部進(jìn)入的含SO2煙氣進(jìn)行反應(yīng)。脫硫劑不斷循環(huán)，脫硫效率可達(dá)95%。最終脫硫副產(chǎn)物由灰倉(cāng)排出循環(huán)系統(tǒng)，通過(guò)輸送裝置送入廢料倉(cāng)。整個(gè)工藝流程包括SO2的吸收和吸收劑的循環(huán)利用兩個(gè)過(guò)程：
(1) SO2的吸收：煙氣由干塔上部入口進(jìn)入塔內(nèi)，在塔內(nèi)與吸收劑進(jìn)行反應(yīng)，反應(yīng)后的煙氣由塔下部煙道出口排出，經(jīng)布袋除塵器除塵后排放至大氣中。
(2) 吸收劑的循環(huán)利用：密相干塔內(nèi)落下的反應(yīng)產(chǎn)物、布袋除塵器收集的循環(huán)灰和新吸收劑漿液一起由提升機(jī)提升到塔上部布料器內(nèi)，再次進(jìn)入密相干塔進(jìn)行一系列脫硫物化反應(yīng)。
2.2.2 密相干塔的主要特點(diǎn)
(1) 脫硫劑用量少利用率高，循環(huán)過(guò)程中脫硫劑顆粒在攪拌器的作用下，不斷裸露出新表面，使脫硫反應(yīng)不斷充分地進(jìn)行，SO2脫除效率達(dá)95%，同時(shí)可以去除HCl、HF等；
(2) 耗水量低，脫硫劑通過(guò)加濕來(lái)提高其活性所用的水少，通常循環(huán)脫硫劑的含濕量為3%~ 5%；
(3) 反應(yīng)塔內(nèi)的攪拌器強(qiáng)化了均質(zhì)過(guò)程，延長(zhǎng)了脫硫反應(yīng)的時(shí)間，保證系統(tǒng)的運(yùn)行質(zhì)量；
(4) 系統(tǒng)對(duì)不同SO2濃度的煙氣及負(fù)荷變化的適應(yīng)能力極強(qiáng)，是該技術(shù)的顯著優(yōu)點(diǎn)；
(5) 脫硫劑在整個(gè)脫硫過(guò)程中都處于干燥狀態(tài)，操作溫度高于露點(diǎn)，不會(huì)發(fā)生腐蝕或冷凝，無(wú)廢水產(chǎn)生；
(6) 密相干塔用普通鋼材制作，而且無(wú)需合金、涂料和橡膠襯里等特殊防腐措施；
(7) 煙氣無(wú)需再加熱即可排放。
(8) 脫硫副產(chǎn)物主要成分：
CaSO4·2H2O占61.7%，CaCO3占21.9%，CaSO3·1/2H2O占1.1%，CaCl2·4H2O占1.3%，Ca (OH)2占0.2%，F(xiàn)e2O3占1.7%，Al2O3及SiO2均占1.5% ，MgO占0.8%，P2O5占0.5%。
2.2.3 密相干塔脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行方式
燒結(jié)生產(chǎn)與脫硫系統(tǒng)同時(shí)運(yùn)行，在特殊情況及出現(xiàn)故障時(shí)允許煙氣從旁路煙道排放。正常運(yùn)行時(shí)，無(wú)論脫硫裝置處于何種工況都不會(huì)對(duì)燒結(jié)生產(chǎn)產(chǎn)生任何影響。脫硫系統(tǒng)投運(yùn)時(shí)，脫硫系統(tǒng)的進(jìn)、出口擋板門(mén)打開(kāi)，旁路煙道擋板門(mén)關(guān)閉。密相干塔負(fù)荷變化時(shí)，應(yīng)按干塔運(yùn)行特性來(lái)調(diào)節(jié)加料裝置的進(jìn)料量，以改變干塔內(nèi)循環(huán)灰的密度，來(lái)適應(yīng)負(fù)荷的變化。
在燒結(jié)機(jī)啟動(dòng)過(guò)程中或脫硫系統(tǒng)解列、需要檢修時(shí)，應(yīng)將脫硫系統(tǒng)進(jìn)、出口擋板門(mén)關(guān)閉，旁路煙道擋板門(mén)打開(kāi)，煙氣經(jīng)引風(fēng)機(jī)和旁路煙道直接進(jìn)入煙囪排出。其工藝原理如圖1。
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3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
3.1 煙氣工況
首鋼遷鋼360m2燒結(jié)機(jī)，機(jī)頭配有兩室四電場(chǎng)電除塵器一臺(tái)，煙氣量216萬(wàn)m3/h(工況)，燒結(jié)機(jī)煙氣工況相關(guān)數(shù)據(jù)列于表1。
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密相干塔煙氣脫硫系統(tǒng)的脫硫效率設(shè)計(jì)為92.3%~97.5%，反應(yīng)系統(tǒng)出口溫度為82℃，脫硫除塵島總壓力降為2300Pa，出口煙氣煙塵濃度小于50mg/Nm3，出口煙氣SO2濃度小于100mg/Nm3。
3.2 工藝流程
脫硫系統(tǒng)由煙氣系統(tǒng)、密相塔、加濕系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、灰循環(huán)系統(tǒng)、增壓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)等組成。干粉狀的鈣基脫硫劑與密相塔及布袋除塵器搜集的大量循環(huán)灰一起進(jìn)入加濕器內(nèi)進(jìn)行增濕消化，使混合灰的水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)保持在3 %~5 %之間，加濕后的循環(huán)灰由塔上部進(jìn)料口進(jìn)入塔內(nèi)，工藝流程見(jiàn)圖2所示。
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含少量水分的循環(huán)灰有極好的反應(yīng)活性和流動(dòng)性，與由塔上部進(jìn)入的煙氣發(fā)生反應(yīng)，密相塔中安裝的攪拌裝置，不但克服了普通半干法煙氣脫硫中可能出現(xiàn)的粘壁問(wèn)題，而且增強(qiáng)了傳質(zhì)，使脫硫效率達(dá)95%。脫硫劑循環(huán)利用，最終脫硫副產(chǎn)物由灰倉(cāng)溢流出循環(huán)系統(tǒng)，通過(guò)氣力輸送裝置送入廢料倉(cāng)，副產(chǎn)物作為建筑材料進(jìn)行綜合利用。
3.3 脫硫劑儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)
脫硫劑通過(guò)密封罐車(chē)運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場(chǎng)，經(jīng)壓縮空氣輸送到脫硫劑儲(chǔ)倉(cāng)內(nèi)，儲(chǔ)倉(cāng)容積可滿(mǎn)足3天的連續(xù)供給量。
脫硫劑儲(chǔ)存有脫硫劑儲(chǔ)倉(cāng)、一套脈沖式倉(cāng)頂布袋除塵器和料位計(jì)，以保證罐車(chē)打入脫硫劑時(shí)外排粉塵濃度小于30mg/Nm3。需要向脫硫塔加入新脫硫劑時(shí)，石灰通過(guò)原料儲(chǔ)倉(cāng)下部的電動(dòng)閥進(jìn)入輸送泵，輸送到物料循環(huán)系統(tǒng)的機(jī)械輸送裝置。
3.4 煙氣系統(tǒng)
燒結(jié)煙氣由燒結(jié)機(jī)的原煙道引出，爬升到原煙道上部1.5m處，經(jīng)脫硫系統(tǒng)煙道進(jìn)入本系統(tǒng)脫硫塔上部的煙氣入口，經(jīng)過(guò)脫硫后的含塵煙氣從脫硫塔下部的煙氣出口引出，進(jìn)入布袋除塵器，經(jīng)分離凈化后的凈煙氣由增壓風(fēng)機(jī)送至煙囪排放。
增壓風(fēng)機(jī)主要用以克服脫硫系統(tǒng)阻力，包含煙道阻力、脫硫塔阻力、除塵器阻力等。在增壓風(fēng)機(jī)的出口設(shè)置消聲器，風(fēng)機(jī)殼體貼隔聲材料，以減少風(fēng)機(jī)出口噪音，將風(fēng)機(jī)噪音控制在85dB以下。
3.5 密相塔系統(tǒng)
燒結(jié)煙氣在密相塔內(nèi)與加濕的脫硫劑從上到下并流充分接觸、反應(yīng)，為了保證脫硫劑的充分利用，脫硫塔內(nèi)設(shè)置攪拌裝置，此裝置能夠強(qiáng)力攪拌破碎脫硫劑顆粒，使其不斷裸露出新表面，提高脫硫劑的反應(yīng)能力。此時(shí)，部分脫硫灰落入脫硫塔底部的集灰斗，通過(guò)斗式提升機(jī)不斷輸送至脫硫塔頂部的加濕機(jī)內(nèi)，使脫硫灰不斷與SO2反應(yīng)，直至脫硫灰失效。
3.6 灰循環(huán)系統(tǒng)
脫硫循環(huán)灰在脫硫過(guò)程中，不斷與SO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，保證物料充分利用。煙氣經(jīng)吸收塔后通過(guò)中間倉(cāng)(圖2未示出)、布袋除塵器繼續(xù)反應(yīng)，落入灰斗的脫硫灰然后通過(guò)刮板機(jī)和斗式提升機(jī)及加濕混勻機(jī)加濕后，進(jìn)入脫硫塔繼續(xù)循環(huán)反應(yīng)，完成脫硫循環(huán)灰的一個(gè)循環(huán)周期，直至脫硫循環(huán)灰失效。
4 系統(tǒng)運(yùn)行
脫硫工程包括工程設(shè)計(jì)、設(shè)備采購(gòu)、設(shè)備安裝及系統(tǒng)調(diào)試等部分，工期8個(gè)月。工程建設(shè)完成后，進(jìn)入調(diào)試階段。整個(gè)調(diào)試過(guò)程分為3部分：分部調(diào)試、冷態(tài)調(diào)試和熱態(tài)調(diào)試。
在分部調(diào)試中，主要是對(duì)各設(shè)備、電氣及儀表進(jìn)行檢查與校訂，并對(duì)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行空轉(zhuǎn)試驗(yàn)。在設(shè)備具備運(yùn)轉(zhuǎn)條件后，對(duì)主要設(shè)備如增壓風(fēng)機(jī)、脫硫塔攪拌器等進(jìn)行連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，檢查其運(yùn)行工況。檢查過(guò)程中，各設(shè)備運(yùn)行正常。
在冷態(tài)試驗(yàn)中，主要檢查FGD系統(tǒng)的控制邏輯。在程序啟動(dòng)控制邏輯檢查核對(duì)完好后，進(jìn)行緊急跳閘試驗(yàn)，檢驗(yàn)系統(tǒng)在事故狀態(tài)時(shí)是否按預(yù)定的方式動(dòng)作。試驗(yàn)中各項(xiàng)內(nèi)容符合設(shè)計(jì)要求。
系統(tǒng)在負(fù)荷下進(jìn)行熱態(tài)調(diào)試試驗(yàn)，其主要目的是進(jìn)一步檢測(cè)系統(tǒng)的脫硫效率、設(shè)備運(yùn)行性能等。
系統(tǒng)調(diào)試完畢，整個(gè)系統(tǒng)即進(jìn)入連續(xù)運(yùn)行，運(yùn)行穩(wěn)定，脫硫效率達(dá)95%，對(duì)脫硫后煙氣檢測(cè)結(jié)果如下表2。
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5 工程效益分析
首鋼遷鋼燒結(jié)脫硫系統(tǒng)建成后，360m2燒結(jié)機(jī)年運(yùn)行按7920h計(jì)算，利用系數(shù)1.3t/(m2·h)，燒結(jié)礦產(chǎn)量為370萬(wàn)t。為分析每噸燒結(jié)礦增加的成本，將脫硫系統(tǒng)各項(xiàng)費(fèi)用列于下表3 。
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每噸燒結(jié)礦的脫硫成本約增加1982.9/370＝5.4元/t。年減少SO2排放約5400t，同時(shí)年減少粉塵排放約360t。SO2排污費(fèi)按現(xiàn)行的1.2元/kg計(jì)算，年SO2排污費(fèi)減少648萬(wàn)元。
6 脫硫研發(fā)團(tuán)隊(duì)
首鋼國(guó)際工程公司多年從事燒結(jié)工程咨詢(xún)、設(shè)計(jì)和總承包業(yè)務(wù)，積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。為充分發(fā)揮此優(yōu)勢(shì)，公司燒結(jié)設(shè)計(jì)室成立了以燒結(jié)室主任、高級(jí)工程師李長(zhǎng)興為組長(zhǎng)，主管設(shè)計(jì)師、高級(jí)工程師李文武為副組長(zhǎng)的脫硫研究小組，以劉永言等專(zhuān)家為核心，以研究生王代軍、呂新鵬等為骨干力量的脫硫研發(fā)團(tuán)隊(duì)已日臻成熟。首鋼國(guó)際工程公司煙氣脫硫技術(shù)團(tuán)隊(duì)將會(huì)繼續(xù)深入研究、不斷探索，為煙氣脫硫的發(fā)展、為冶金環(huán)保事業(yè)做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。
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