一種高效除塵脫硫一體化設(shè)備的應(yīng)用研究
摘要：綜合噴淋洗滌、文丘里高效混合、旋風(fēng)分離、攔截除霧等功能結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研究開發(fā)出一種高效率的除塵脫硫一體化設(shè)備。實(shí)驗(yàn)和工程實(shí)例表明，該設(shè)備除塵脫硫效率高，投資運(yùn)行費(fèi)用低，除塵效率達(dá)98 %，脫硫效率大于80 %。高效除塵脫硫一體化設(shè)備適用于中小鍋爐的煙氣除塵脫硫處理。
關(guān)鍵詞：除塵,脫硫,一體化設(shè)備,高效率
鍋爐燃煤是造成大氣污染的根本原因之一, 煤中可燃性硫及硫化合物在燃燒時(shí)生成SO2 和SO3，是形成二氧化硫和酸雨的主要來源。目前,我國鍋爐約50 多萬臺(tái),其中:中小型鍋爐(1～35 t/h) 約占80 %，SO2 的排放量占鍋爐燃煤排放量的1/3。煙氣除塵脫硫則是現(xiàn)階段控制SO2 和煙塵排放量的主要方式[1-4]。
針對(duì)我國中小鍋爐較多的現(xiàn)狀，有多種濕法除塵脫硫一體化設(shè)備已經(jīng)投入使用，但幾乎都存在脫硫效率低，設(shè)備阻力大，投資運(yùn)行成本較高等缺點(diǎn)[4,5]。為此，研究和開發(fā)了一種高效除塵脫硫一體化設(shè)備。
1 高效除塵脫硫一體化設(shè)備研究目標(biāo)和內(nèi)容
高效除塵脫硫一體化設(shè)備應(yīng)適用于中小型鍋爐和相當(dāng)容量工業(yè)窯爐、垃圾焚燒爐的煙氣除塵、除SO2 和其他有毒有害氣體的一體化凈化裝置。要求設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，安裝操作方便，自動(dòng)化程度高。占地面積小，噴淋洗滌液能夠做到全封閉循環(huán)，沒有廢水排放，耗水量很少。系統(tǒng)阻力小，運(yùn)行工況適應(yīng)力強(qiáng)，煙氣凈化后沒有夾霧帶水現(xiàn)象，設(shè)備材質(zhì)具有耐腐蝕性、耐磨、耐高溫的性能，使用壽命長(zhǎng)。除塵效率能達(dá)98 %以上，煙塵濃度小于100 mg/m3，除SO2 效率能達(dá)80 %以上。設(shè)備價(jià)格適中，不高于現(xiàn)有除塵脫硫一體化設(shè)備的市場(chǎng)價(jià)格，有市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。在研制過程中必須解決如下幾個(gè)內(nèi)容：
(1) 除塵脫硫一體化設(shè)備的優(yōu)化設(shè)計(jì)； (2) 設(shè)備負(fù)荷穩(wěn)定性的研究； (3) 飄塵捕集效應(yīng)的研究； (4) 煙氣脫水的研究。
2 高效除塵脫硫一體化設(shè)備的研究和設(shè)計(jì)
2.1 工藝路線分析
中小型鍋爐煙氣是從鍋爐省煤器引出后的氣固混合物，組分一般包括N2、O2、CO2、SO2、NOX、水蒸氣等氣體并攜帶大量細(xì)微粉塵；狀態(tài)一般為：微負(fù)壓，溫度在150 ℃～250 ℃。濕法除塵脫硫的工藝路線多為如圖1 所示的流程順序。
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洗滌，這里是工藝過程中的核心步驟，完成對(duì)氣體的吸收和降溫，使氣- 固混合物變成氣- 液- 固三相混合物。吸收主要通過氣液混合傳質(zhì)和化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行，降溫主要通過氣液固混合傳熱，以噴淋液溫度的升高和水的蒸發(fā)來達(dá)到降溫目的，降溫有利于氣體的吸收。然后經(jīng)過噴淋洗滌后的氣液固三相混合物進(jìn)入氣液分離設(shè)備，完成氣液和氣固的分離操作，凈化后的煙氣經(jīng)煙囪排出，液固混合物加入吸收劑再生，并產(chǎn)生部分固體沉淀，然后進(jìn)入液固分離設(shè)備，分離后的液體用循環(huán)泵打入洗滌吸收設(shè)備。
2.2 除塵脫硫機(jī)理
煙氣中懸浮著的煙塵或液體微粒和氣體形成氣固非均相體系，粒徑小于10μm 時(shí)形成氣溶膠，煙塵凈化需在氣固非均相體系中研究，找出固體顆粒分離的規(guī)律，脫水問題研究需要在氣液非均相體系中研究，找出將液體顆粒分離的規(guī)律，而SO2 的凈化是氣氣分離，SO2 被小液滴表面的液膜吸收后溶解在小液滴中，這屬于氣液分離。同時(shí)SO2 也會(huì)被塵粒表面上的液膜吸收從而隨著煙氣顆粒一同被凈化分離出去，又屬于氣固分離。此外，SO2 也會(huì)與水蒸氣中的水分子反應(yīng)形成酸的蒸汽，在冷凝過程中形成小霧滴，霧滴的凈化又是氣液分離。
煙氣凈化過程首先是將氣固非均一體系，變成氣、液、固體系，如噴淋洗滌過程、組合文丘里過程，盡可能地將氣、液、固三態(tài)物質(zhì)混合，而在除去固體和液體顆粒時(shí)就需要體系的破壞。在體系的容量確定后，煙氣的體積在一定范圍內(nèi)確定，那么煙氣通過凈化設(shè)備的時(shí)間就確定了，所以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)就要考慮如何能夠在盡量短的時(shí)間內(nèi)使氣液、氣固非均一相體系盡快地形成，而又如何使其在盡量短的時(shí)間內(nèi)破壞、解體，如何延長(zhǎng)煙氣在設(shè)備中滯留的時(shí)間。
氣固分離的物理基礎(chǔ)之一是氣體對(duì)顆粒的曳力，曳力的大小取決于氣體的介質(zhì)的密度，氣體與顆粒間的相對(duì)速度，顆粒的形狀及顆粒在氣體介質(zhì)中的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。氣固分離的物理基礎(chǔ)之二是質(zhì)點(diǎn)沉降的基本原理，它包括：重力沉降、離心力沉降、慣性沉降、接觸效應(yīng)、電力沉降、擴(kuò)散沉降、熱斥力。氣液相非均一體系的荷電性、粘附性、濕潤(rùn)性等高于氣固非均一體系，而摩擦性、研磨性相對(duì)較低，因?yàn)橐后w的顆粒密度較小而粘度大，因而分離相對(duì)多選用濕潤(rùn)法、離心分離法。此外，慣性碰撞、擴(kuò)散、粘附、凝聚作用也利于分離。氣流中SO2 或其他有害氣體如NOx、HCl、H2S、NH3 等均為氣態(tài)物質(zhì)，將氣態(tài)物質(zhì)從氣態(tài)體系中分離出去，與氣固、氣液非均一相體系的分離方法完全不同，因?yàn)樗蔷囿w系，與固、液物質(zhì)的凈化原理不同，采用的方法也不同，以至于方法之間會(huì)出現(xiàn)矛盾，如固、液顆粒高速運(yùn)動(dòng)有利于分離，而氣態(tài)SO2 需要緩慢流速，以利于與吸收物質(zhì)有充分的接觸時(shí)間。
SO2 被吸收液吸收過程中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，因此系統(tǒng)中的溫度、壓力、洗滌液與煙氣的液、氣比例、煙氣流速以及在設(shè)備中滯留時(shí)間均影響著SO2 去除率。為了增加化學(xué)反應(yīng)，煙氣的運(yùn)動(dòng)要處于湍流狀態(tài)，因?yàn)橥牧鞯臄U(kuò)散作用比起層流來要大，能更有效地輸送動(dòng)量、熱量，而且耗散功能速度也要比層流快得多。
在高效除塵脫硫一體化設(shè)備中采用NaOH 和Ca(OH)2 雙堿水溶液作為脫硫劑，噴淋洗滌液做到全封閉循環(huán)，操作方法為：在開車時(shí)加入NaOH，加入量按每小時(shí)的燃煤量中的硫含量以及每小時(shí)的循環(huán)水量計(jì)算，并使其pH 值控制在7± 1。
脫硫反應(yīng)機(jī)理：
NaOH→Na+ +OH- 2 OH-+ SO2→SO3 2-+ H2O OH-+ SO2→HSO3-
按煤的硫含量加入Ca(OH)2，此時(shí)循環(huán)液中的SO3 2- 和HSO3- 變成CaSO3·2 H2O 沉淀出來，使循環(huán)液保持中性或弱堿性。
Ca(OH)2 + SO3 2-+2H2O→2OH- +CaSO3·2H2O↓ Ca(OH)2 + SO4 2- +2H2O→2OH- +CaSO4·2H2O↓ Ca(OH)2 + HSO3-→ SO3 2-+CaSO3·2H2O↓
循環(huán)液的pH 值控制在7±1，以上反應(yīng)順利進(jìn)行。在凈化器的出水處加入Ca(OH)2 溶液，經(jīng)過混合流動(dòng)生成CaSO3· 2H2O 沉淀，洗滌液流入沉淀池后很容易沉淀下來，再經(jīng)過 1-2 次的溢流沉降，洗滌液澄清，經(jīng)離心泵加壓后打入噴淋管道。采用雙堿法流程克服了石灰- 石灰石法容易結(jié)垢的弱點(diǎn)，提高了SO2 的去除率，運(yùn)行費(fèi)用也很低[7]。
2.3 除塵脫硫一體化設(shè)備工藝系統(tǒng)
提高脫硫效率的關(guān)鍵：一是氣液混合是否充分，二是氣體在吸收設(shè)備內(nèi)的停留時(shí)間，即氣液接觸反應(yīng)時(shí)間。除塵效率的關(guān)鍵是氣液分離的效率。綜合除塵和脫硫的關(guān)鍵因素，設(shè)計(jì)了如圖2 所示的高效率除塵脫硫一體化工藝系統(tǒng)。
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如圖所示，除塵脫硫一體化設(shè)備由噴淋管道、多通道組合文丘里滌氣器、上下導(dǎo)旋籠柵、除霧器和主體外殼等構(gòu)成。導(dǎo)旋芯管采用不銹鋼材質(zhì)，其他部位可根據(jù)用戶需要采用不銹鋼或碳鋼噴涂特種涂料。該設(shè)備根據(jù)氣液傳質(zhì)理論和流體力學(xué)理論，綜合了液相噴淋洗滌、組合文丘里、離心力分離、速度差捕集、粘附凝聚等作用，使氣液固三相接觸混合和分離脫水都達(dá)到比較高的效率。
煙氣在進(jìn)入高效除塵脫硫一體化設(shè)備之前的煙道中基本是處于層流運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，在進(jìn)入主體設(shè)備前端的噴淋管道和多通道組合文丘里后，設(shè)備的結(jié)構(gòu)使流體由層流狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橥牧鬟\(yùn)動(dòng)，因?yàn)橥牧魇且愿哳l擾動(dòng)旋渦為特征的三維運(yùn)動(dòng)，使固、液、氣三態(tài)物質(zhì)最大程度地混合，從而接近混沌狀態(tài)。這樣才能增大氣、液態(tài)物質(zhì)，即SO2、NOx 等有害氣體分子和 H2O 的碰撞機(jī)率，增大粉塵顆粒和水粒的撞擊、攔截以及凝聚的機(jī)率。多通道組合文丘里起到增大高頻渦旋的作用，而且阻力小，氣流沖擊著水滴在慣性和重力作用下猶如雪崩現(xiàn)象，因此在噴淋管道和組合文丘里中，微堿性洗滌液對(duì)煙氣進(jìn)行充分的洗滌。
煙氣經(jīng)過組合文丘里進(jìn)入水平噴淋管道，管道中分布著螺旋無堵塞噴咀，噴淋液體從噴咀出來后形成一個(gè)旋轉(zhuǎn)面進(jìn)而分散成小液滴，布滿在實(shí)心錐形的空間內(nèi)，每個(gè)小水滴都有一個(gè)初始速度，這與氣流的方向和速度都不一樣，就形成一個(gè)相對(duì)速度，使氣流再次受到外力作用，使已經(jīng)減弱了的湍流運(yùn)動(dòng)再次加強(qiáng)，氣流在水平管道中第二次被洗滌，小液滴將氣流中顆粒和氣態(tài)物質(zhì)再次捕獲。
煙氣通過水平管道第二次洗滌后，被加速進(jìn)入凈化器主體設(shè)備中，由于煙氣從筒體切向進(jìn)入，此時(shí)煙氣開始作圓周運(yùn)動(dòng)，由原來的湍流運(yùn)動(dòng)變?yōu)槎S的渦旋，大的固體顆粒和液滴碰到籠柵的柵葉上再次被捕獲，只有旋轉(zhuǎn)到與籠柵切線方向的縫隙位置時(shí)才能允許氣流通過。湍流運(yùn)動(dòng)在這種結(jié)構(gòu)下變?yōu)閷恿，這樣極為有利于液態(tài)和固態(tài)物質(zhì)分離出去，氣流進(jìn)入籠柵后，切向旋轉(zhuǎn)速度增大，從下筒體氣流中帶上來的水滴在這種離心力作用下，極有利于分離。SO2 氣體不斷地被吸收到固、液小顆粒和容器壁上，被吸收后的SO2 變成離子狀態(tài)，顯酸性，溶入液滴后就服從氣液非均一相體系的凈化規(guī)律，受到離心力、擴(kuò)散力，攔截作用等被捕獲下來。在設(shè)備上部還設(shè)有除霧器，再次將細(xì)小霧滴和部分凝結(jié)水脫去。
綜上所述，設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、參數(shù)確定的技術(shù)路線是從理論上研究清楚氣、液、固三態(tài)物質(zhì)混合相對(duì)運(yùn)動(dòng)和相對(duì)作用所必須遵循的流體力學(xué)規(guī)律，在設(shè)備的設(shè)計(jì)中特別強(qiáng)調(diào)了遵循理論規(guī)律和充分運(yùn)用這些規(guī)律，參數(shù)設(shè)計(jì)中參考多種學(xué)科已有成功設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，取其長(zhǎng)處，完善設(shè)計(jì)，使設(shè)備性能達(dá)到預(yù)期的效果。
2.4 高效除塵脫硫一體化設(shè)備的性能指標(biāo)
(1) 煙氣林格曼里度< 1 級(jí) (2) 除塵效率> 98 % 排塵濃度< 100 mg/m3 (3) 除二氧化硫效率>80 % (4) 凈化器主體阻力< 1500 Pa (5) 液氣比2～3 l/m3 (6) 耗水量< 0.013～0.018 l/m3 (7) 噴淋液PH 控制范圍7±1
3 工程實(shí)例及分析
該高效除塵脫硫一體化設(shè)備經(jīng)中試和放大后，已經(jīng)應(yīng)用于多個(gè)鍋爐煙氣脫硫工程，如某化工廠4 t/h 鍋爐除塵煙氣脫硫工程、某水務(wù)有限公司兩臺(tái)6 t/h 鍋爐煙氣除塵脫硫工程、天津某焊條有限公司2 t/h 窯爐煙氣除塵脫硫工程等。工程中，經(jīng)過凈化后的煙氣粉塵和SO2 濃度都遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于國家現(xiàn)有排放標(biāo)準(zhǔn)，且除塵脫硫效率都達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。表一和表二為某水務(wù)有限公司6 t/h 鍋爐煙氣凈化效率的測(cè)試數(shù)據(jù)，其中SO2 濃度、NOx 濃度的測(cè)定儀器是GA60(美國)。從表中測(cè)試數(shù)據(jù)來看，除塵效率大于98 %，脫硫效率達(dá)到90 %左右，脫氮效率大于50 %。
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4 結(jié)論
(1) 高效除塵脫硫一體化設(shè)備根據(jù)氣液傳質(zhì)理論和流體力學(xué)理論，綜合了液相噴淋洗滌、組合文丘里、離心力分離、速度差捕集、粘附凝聚等作用，使氣液固三相接觸混合和分離脫水都達(dá)到比較高的效率。
(2) 高效除塵脫硫一體化設(shè)備是集除塵、除SO2 多功能效果的一體化設(shè)備，除塵效率達(dá)98 %以上（除小于10μm 粒徑煙塵達(dá)90 %），除SO2 效率達(dá)80 %以上。
(3) 設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，耗水量少；循環(huán)洗滌液可以做到全封閉循環(huán)，無廢水排放。凈化后的煙氣不夾霧帶水，設(shè)備阻力小。設(shè)備運(yùn)行過程中沒有堵塞和積灰現(xiàn)象；設(shè)備負(fù)荷適應(yīng)范圍大，性能穩(wěn)定。
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