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河北阔海环保工程设备有限公司
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一、概述:某公司现有一台4吨锅炉，由于锅炉燃煤主要以烟煤为主，燃烧灰份大、发热量低且含硫高，所以锅炉出口烟气中，烟尘及二氧化硫的初始浓度都比较高，为满足国家环保对锅炉烟气排放的要求，需要对烟气进行高效率的除尘脱硫处理
一、概述:
某公司现有一台4吨锅炉，由于锅炉燃煤主要以烟煤为主，燃烧灰份大、发热量低且含硫高，所以锅炉出口烟气中，烟尘及二氧化硫的初始浓度都比较高，为满足国家环保对锅炉烟气排放的要求，需要对烟气进行高效率的除尘脱硫处理。本方案目的即为探求治理高浓度烟气的合理、经济、可靠的环保工艺。
本着贵单位意见结合我公司治理经验，在锅炉出口安装高效除尘脱硫器，除尘效率达到90%以上，除尘器本体阻力小于1000Pa,处理后烟气的烟尘浓度可达到30mg/Nm3以下，能满足的环保排放要求。
二、燃煤锅炉烟气脱硫技术比较
锅炉脱硫方法多种多样，但烟气脱硫(FGD)是世界上惟一大规模商业应用的、效的脱硫方法，而这其中湿法脱硫又是高、脱硫剂的，同时湿法脱硫由于用在除尘器后，不但不增加除尘器负荷，而且具有相当的除尘效率，可以适当减少除尘器的效率，并在除尘器故障时，起到弥补除尘的作用，确保烟气99%达标排放。由于湿法脱硫具有很多特点，使得它在世界脱硫工艺中具有很重要的位置，据统计，运行脱硫设备中，湿法脱硫占到了90%以上的比例。对于湿式脱硫，按脱硫剂的不同，应用较多的主要有石灰（石灰石）法、钠碱法、氧化镁法、氨法、双碱法等，
①石灰（石灰石）法FGD是一种低成本、高效率的脱硫方法，但由于石灰（石灰石）难溶于水、与SO2反应过程较慢，在脱硫中需要极大的持液量，当要求达到90%以上的脱硫效率时，其气液比至少需达到8以上，这样导致的结果是增加设备成本和消耗大量的能源，不适合小型锅炉使用。
由于常规的石灰（石灰石）法投资及运行费用一般厂家无法忍受，所以在我国的中小型锅炉采用的都是简易石灰法，即省去了常规石灰法中的很大一部份设备。这样的石灰法的脱硫效率会有所下降，一般在70%左右，另外更易出现结垢现象，影响了设备的正常运行，甚至堵塞设备，直至导致锅炉停运。
②钠碱法是一种高效率的脱硫方法，同时还具有反应速度快，气液比小等优势，但是由于钠碱价格比较贵，市场价格是生石灰的10倍以上，用在小型工业锅炉还差不多，对于贵公司则将大规模提高脱硫成本，据测算，这种脱硫方法的成本较双碱法高出5~8倍，且由于脱硫生成为易溶于水，对环境有害的物质，必须对脱硫水进行处理，增加运行成本。
③氨法脱硫与钠碱法一样具有许多优点，但价格同样高，市场上液氨价格在3000元/吨以上，是生石灰的30多倍，同时液氨需用压力容器运输，大规格应用时，极不方便，而且氨法脱硫产物亚硫酸铵会造成二次污染，必需建立包含氧化、二次蒸发、结晶、浓缩、过滤、干燥等复杂的脱硫产物处理系统，设备投资大，可以说氨法脱硫的工艺流程就是一个化工厂，因此，除非特殊场合，人们一般不用氨法脱硫。
④为解决石灰法投资大、运行成本高易堵塞设备的问题，人们开发出了双碱法，即直接参与吸收塔内脱硫反应的是溶解度高、反应速度快的NaOH和Na2CO3，但其生成物Na2SO3和NaHSO3又通过苛化反应，再生成了NaOH。因此最终消耗的是廉价的石灰。湿式双碱法脱硫是一种低成本、高效率的脱硫方法。在本工艺中，由于消耗的是石灰，与使用价格高出几倍的氧化镁、氨水相比，运行成本大大降低，同时由于直接反生反应的是NaOH和Na2CO3，提高了反应速度与效率，大大减少了持液量，同时，由于直接脱硫剂是碱性强、反应活性好的NaOH，因此据相关资料和我公司经验，脱硫高可达95%甚至更高。
经过上述对比，可以看到，双碱法不但脱硫效率高和运行可靠性高，而且在一次性投资和运行费用方面也有很大的优势，也不会造成二次污染，因而是更加适合我国国情的一种成熟工艺。结合离柳公司的具体情况，在该烟气脱硫项目中采用双碱法脱硫工艺。
表2-1：中小型锅炉几种典型脱硫方法的简单比较：
| 脱硫方法 | 脱硫效率 | 气液比 | 能耗 | 脱硫成本 | 运行状态 | 脱硫产物 |
| 简易石灰法 | ＜75% | 2 | 很大 | 低 | 易堵塞 | 易处理 |
| 钠碱法 | 90% | ≤1 | 较小 | 高 | 良好 | 难处理 |
| 氨法 | ＞90% | ≤1 | 较小 | 高 | 良好 | 难处理 |
| 双碱法 | 90% | ≤1 | 较小 | 较低 | 良好 | 易处理 |
2.2双碱法湿法脱硫介绍
双碱法脱硫工艺是为了克服石灰／石灰石法烟气脱硫容易结垢、需要循环水量大、能耗高的缺点而发展起来的，钠钙双碱法（Na2C03-Ca(OH)2）用纯碱启动、钠碱吸收S02、石灰再生，再生后吸收液循环使用.
本方案的钠钙双碱法脱硫是在一玻璃钢圆筒形反应器中，以含Na2CO3的循环水为吸收剂，根据煤的全硫分含量及烟气中SO2浓度，通过特殊的喷头，使吸收剂雾化，烟气和雾化后的吸收剂在反应板上充分混合、接触，SO2与Na2CO3发生化学反应，生成易溶于水的Na2SO3及NaHSO3，完成脱硫反应。吸收SO2后的吸收液，经过加入Ca（OH）2乳液后，发生再生反应，完成钠碱再生，同时生成脱硫最终反应物;CaSO3·1/2H2O沉淀，然后CaSO3·1/2H2O沉淀与循环水经压滤机压滤分离，清液经补充Na2CO3后，用于循环吸收，脱硫产物与除尘器中未分离的烟尘一起形成固体滤饼后，可以继续氧化并制成石膏或直接送到填埋场填埋。
三、方案依据和方案原则
3.1方案编制的依据
3.1.1锅炉参数
⑴锅炉额定蒸发量：4t/h
⑵锅炉数量：1台
⑶锅炉年运行时间：6000小时
⑷锅炉烟气量：16000m3/h
⑸除尘器类型：湿式除尘脱硫器
⑹排烟温度：1700C
3.1.2燃煤参数
⑴锅炉煤耗： t/h
⑵燃煤全硫分： %
3.1.3大气污染物排放标准
根据GB13271-2001《大气污染物排放标准》大气污染物允许排放浓度为：
烟尘： 30mg/Nm3 SO2：200mg/Nm3
3.2方案编制的原则
⑴适用于4吨锅炉烟气湿法脱硫项目。
⑵本技术方案采用我公司的湿式双碱法脱硫的专有技术。
⑶技术成熟可靠，经济合理。
⑷技术有较大的适用性，可根据不同工况条件进行调整。
⑸湿法脱硫过程同时有相当的除尘效率，因此可适当降低除尘器的除尘要求，并在除尘器故障时起到辅助除尘作用。
第二章、湿法脱硫系统
一、脱硫机理说明
1.1双碱法湿法脱硫技术原理
1.1.1脱硫原理
双碱法脱硫工艺是为了克服石灰／石灰石法烟气脱硫容易结垢、需要循环水量大、能耗高的缺点而发展起来的，钠钙双碱法（Na2C03-Ca(OH)2）用纯碱启动、钠碱吸收S02、石灰再生，再生后吸收液循环使用。
本方案中双碱法脱硫基本化学原理可用下列反应式表示：
a、脱硫反应
Na2CO3+ SO2 →Na2SO3+CO2 ⑴
NaOH+ SO2 →Na2SO3+H2O ⑵
Na2SO3+ SO2+H2O→NaHSO3 ⑶
以上三个反应中，⑴式为启动反应，在正常反应中，脱硫吸收液碱性较高时，⑵式为主要反应式；碱性降低到中性甚至弱酸性时，则按⑶式发生反应。
b、再生过程
Na2CO3+ SO2 →Na2SO3+CO2 ⑴
NaOH+ SO2 →Na2SO3+H2O ⑵
Na2SO3+ SO2+H2O→NaHSO3 ⑶
以上三个反应中，⑴式为启动反应，在正常反应中，脱硫吸收液碱性较高时，⑵式为主要反应式；碱性降低到中性甚至弱酸性时，则按⑶式发生反应。
b、再生过程
NaHSO3+ Ca（OH）2→Na2SO3+ CaSO3↓+H2O
Na2SO3+ Ca（OH）2→NaOH+ CaSO3↓
在再生池内，当往酸性吸收水中加入石灰乳液后，NaHSO3很快跟石灰反应释放出Na+，随后生成的SO32-又继续跟石灰反应，生成的产物以半水合物CaSO3·1/2H2O的形式沉淀下来，从而达到钠碱再生的目的。
1.1.2具体工艺选择
对于双碱法脱硫，可分为浓碱法和稀碱法。在本方案中，因烟气含硫较高，SO32-氧化率高，易出现结垢，因此采用浓碱法，采取软化措施降低循环吸收液中CaSO4的含量，以降低结垢风险。
1.1.3双碱法优点
较之石灰石法等其它脱硫工艺，双碱法脱硫有以下优点：
⑴钠碱吸收剂反应活性高、吸收速度快，在液气比一定的情况下，脱硫达到较高的脱硫效率；
⑵塔内和循环管道内的液相为钠基清液，吸收剂、吸收产物的溶解度大，再生和沉淀分离在塔外，可大大降低塔内和管道内的结垢机会；
⑶吸收速度快，可降低液气比（液气比不超过1l/m3），从而降低运行费用；
⑷脱硫渣无毒，溶解度小，无二次污染，可综合利用；
⑸石灰作再生剂（实际消耗物），安全可靠，来源广泛，价格低；
⑹操作简便，系统可长期稳定运行。
1.2辅助除尘机理
脱硫设备在湿法脱硫的同时，具有一定的除尘功能，在除尘器故障时，可起到辅助除尘的作用。
脱硫塔内部的主要除尘结构为PS型无溢流筛板，当烟气通过时，高度分散并通过塔板上的1200余个筛孔，并与板上方喷淋下来的循环水发生剧烈接触，水被气流冲激撕裂，从而雾化而产生许多粒径百微米级的小小滴，并在筛板上方形成一层几十厘米高的三相流化层，从而使得烟气与喷淋水的接触成几何级增加。工业试验得到的规律认为：只要
Do≤100d（式中Do指水滴直径，d代表尘粒直径）
同时它们间存在足够的相对速度，固体微粒就能穿过水滴表面的液膜而粘结在一起。这样，由于烟气与喷淋水的剧烈碰撞，烟气中的粒子基本被除去，剩余的极少数的烟尘粒子则在上面的旋流板上得到进一步净化，从而达到净化效果。
二、系统设计说明
结合公司多年从事除尘脱硫的经验，在本方案中，我们摒弃了脱硫效率不太高、运行中易出现堵塞等现象的石灰法，采用的是脱硫效率高，运行平稳的双碱法。经过我们在北京等环保要求严格的城市对脱硫情况的调查和实际应用，对于高效率简易湿法脱硫中，应用的基本上都是双碱法，其脱硫效率都达到了90%以上，且运行可靠性好。
2.1吸收设备：
除脱硫工艺的选择外，我们的主吸收塔采用的是传质性能好、脱硫效率高的筛板塔。由于主吸收板-无溢流筛的开孔率较低，开孔数多达数千个，烟气分散性远远高于旋流板，烟气经过时，对板上布水产生强烈冲击和撕裂，二次雾化效果好，喷淋水粒径更小，水滴与烟气的接触大大增加，因而脱硫效率更高，同时由于提高了传质效率，降低了液气比，减少了运行费用。在材料上，脱硫设备主吸收塔筒体采用耐磨耐腐性特别好的碳钢材料，增加一层防腐层。
2.2脱硫剂的加入：
由于采用了双碱法的工艺，脱硫剂有两种：生石灰和Na2CO3。这二者中Na2CO3每班定量连续添加的方法进行加入脱硫设备附近的循环池中，以补充脱硫系统运行中损失的Na2CO3；生石灰则储藏在仓库中，通过库底的螺旋给料机加入石灰乳生成罐中，并被制成5%的石灰乳后加入。
2.3循环水：
经脱硫设备吸收SO2后的酸性循环水，出脱硫塔，在塔附近循环池系统集中，其中80%吸收水再回脱硫塔，只有20%的吸收液去再生，在再生池内，加入5%石灰乳液后，发生再生反应：
NaHSO3+ Ca（OH）2→Na2SO3+ CaSO3↓+H2O
Na2SO3+ Ca（OH）2→NaOH+ CaSO3↓
NaOH得到再生，同时产生难溶于水，对环境无害的CaSO3半水合物的沉淀，经沉淀池浓缩后，打捞出去，再生的NaOH溶液则由再生泵打回脱硫塔再利用。
2.4防结垢措施：
采用双碱法脱硫的目的就是防止结垢，但若控制不当，也有结垢的风险，主要原因为运行中，由于烟气中存在氧气，脱硫吸收液中生成的SO32-会被部份氧化成SO42-，在低硫煤、空气过剩系数大的情况下，氧化率尤其大。
当脱硫吸收液中存在一定浓度的SO42-时，在脱硫液的再生程序，加入石灰乳（Ca（OH）2）后，由于Ca SO4的溶解度是Ca SO3的10倍，不但影响钠碱的再生，而且会使得进脱硫塔吸收液中含有大量的CaSO4。在我公司的双碱法脱硫工艺中，为防止出现结垢，除了在吸收设备上采取措施外，对于系统运行参数的选定上，也采取了降低进脱硫塔吸收液中Ca2+的浓度：①在再生时加入稍过量的石灰，利用同离子效应降低CaSO4的溶解度；②在再生后加入Na2CO3，由于它能与Ca2+反应生成溶解度极小的CaCO3，起到类似软化循环水的作用，这样经过这些处理后，进入脱硫塔的吸收水中Ca2+浓度保持在极低的水平，因而不会出现结垢现象。
2.5脱硫渣的处理：
在双碱法脱硫工艺中，最终的脱硫产物为CaSO3的半水合物，它难溶于水，对环境无害，可直接去填埋，也可以继续氧化并干燥制成石膏以达到废物利用的目的。
三、脱硫工艺及设备
3.1工艺流程设计
结合4t锅炉运行的特点，从工程投资、设备运行、资源利用等方面综合考虑，本方案脱硫吸收设备采用筛板塔的形式。
锅炉来高含尘含硫烟气首先在塔板上筛孔的作用下，烟气加速并被分散成数千份，与筛板上方喷淋下来的吸收液猛烈碰撞，将脱硫液雾化成更小的液滴，形成良好的雾化吸收区，烟气中的SO2与脱硫液中的碱性脱硫剂在雾化区内充分接触反应，含有的绝大部分SO2被除去，烟气得净化。经脱硫后的烟气向上通过塔顶的除雾板，利用烟气本身的旋转作用与旋流除雾板的导向作用，产生强大的离心作用，将烟气中的液滴甩向塔壁，从而有效地除去烟气中的水滴。脱硫并除去水雾后的烟气可直接进入烟道并由烟囱排放。脱硫塔设有旁路，当脱硫系统内故障或其他原理需停用脱硫系统时，可直接打开旁路烟道，让烟气在短时间内不经脱硫直接排放。
脱硫液采用内循环吸收方式。吸收了SO2的脱硫液流入脱硫塔旁的循环池后，由循环泵打回塔内，完成下一循环。同时，为了保持脱流液中脱硫剂浓度的相对稳定，从塔釜分出脱硫液20％的循环液量进入再生池，与脱硫剂制备系统输送过来的石灰浆液充分混合再生，再生后的浆液进入沉淀池沉淀，上层清液由再生泵打回循环池，并由循环泵打回塔内。
再生池、沉淀池和泵前池下部的脱硫渣以及少量的灰渣等沉淀物，由渣浆泵打到水力旋流器中进一步浓缩，上层清液返回沉淀池，下层渣水混合物送入厢式压虑机压滤。压滤之后的灰渣送至灰场堆放，达到一定数量之后统一外运，虑液则返回泵前池循环利用。沉淀池的设置主要为浓缩脱硫产物，因此，也可利用浓缩器代替沉淀池。
脱硫剂制备系统包括斗式提升机、石灰储仓、螺旋加料机、石灰乳罐、石灰浆液储罐、石灰浆液泵等设备。斗式提升机将生石灰提升到石灰储仓内储存，白螺旋加料机输送至石灰乳罐中，配制一定浓度的石灰浆液。化灰完毕后由石灰浆液泵根据脱硫的pH值定量的将石灰浆液送至再生池与塔釜溢流出来的脱硫液混合再生，从而间接控制脱硫液PH值，保证脱硫效率。
另外，由于渣带水会使脱硫液损失一部分钠离子，故需在再生池补充少量纯碱。外购纯碱储藏在仓内，每班用纯碱定量一次性加入溶碱罐中，制成10%纯碱液后，连续加入循环池内，以补充系统内损耗掉的纯碱。
3.2 系统主要工艺参数
| 项 目 | 参数 | 备注 |
| 设计处理烟气量（m3/h） | 16000 | |
| 设计脱硫效率（%） | 90 | |
| 总SO2吸收率（kg/h） | 30 | |
| SO2实际排放浓度（mg/Nm3） | ＜200 | |
| 脱硫塔循环水量（m3/h） | 18 | 1塔/1炉 |
| 总石灰消耗速率（kg/h） | Ca/S=1.02，纯度85% | |
| 总纯碱消耗速率（kg/h） | ||
| 循环池容积（m3） | ||
| 再生池容积（m3） | ||
| 沉淀池容积（m3） | ||
| 石灰仓容积（m3） |
3.3湿法脱硫设备
湿法脱硫设备是脱硫系统的核心设备，它采用的是筛板加旋流板板的形式，塔体材质为FRP复合材料主题为上维901#树脂，塔板玻璃纤维编制网板，在酸、碱以及其它腐蚀介质中均具有高度的化学稳定性，耐酸碱率在95％以上。除雾板除雾效率在99％以上。1台锅炉用1台脱硫塔。
脱硫塔主要技术参数如下：
型号： SCT-4
塔体内径：塔体内径：1800mm
塔体高度：塔体高度：6000mm
烟气入口尺寸：φ800mm
烟气出口尺寸：φ800mm
脱硫塔台数：1台
3.4脱硫剂添加设备
脱硫剂添加系统包括溶碱罐等设备。
一个班用纯碱一次性加入溶碱罐内加入工业水，通过搅拌，制成10%的纯碱液，再定量加入再生池后，起到补充纯碱和软化吸收水和作用。
3.5脱硫液循环设备
循环设备包括循环池、循环泵及循环管路。循环泵选用渣污泵，一用一备，共2台。为保证脱硫除尘吸收液循环池中不发生沉淀，在循环池内设置搅拌器。
3.6脱硫液再生设备
脱硫剂再生设备包括石灰仓、石灰乳罐、再生池、软化池、沉淀池等设备。
石灰仓容积锅炉运行时3天的用量。外购生石灰加入石灰仓内储藏，使用时通过给料机定量加到石灰乳罐中溶解，再通过石灰乳泵加入循环水中。
脱硫除尘器出来的脱硫除尘吸收液含有脱硫产物Na2SO3、NaHSO3、少量烟尘等物质，其中Na2SO3仍具有脱硫能力，为提高脱硫剂的利用率和减少吸收液的处理量，吸收液大部份在脱硫塔附近循环池集中后再次由循环泵打回脱硫塔循环利用，只有20%左右去脱硫液再生池。在再生池内加入5%石灰乳液后，发生再生反应：
NaHSO3+ Ca（OH）2→Na2SO3+ CaSO3↓+H2O
Na2SO3+ Ca（OH）2→NaOH+ CaSO3↓
由于烟气中存在部分氧化反应：
SO32-+O2→SO42-
脱硫液进入再生池后，由于CaSO4溶解度较CaSO3大约10倍，因此导致脱硫液中含有大量的SO42-，为此，在再生时加入稍过量的石灰，以利用同离子效应，降低CaSO4的溶解度，使它沉淀下来。
加入过量石灰乳再生后的脱硫液中，由于石灰及CaSO4的溶解度都较大，含有较高浓度的Ca2+，若不除去将导致在脱硫设备内增加结垢风险。为此我们在脱硫液再生后增加了一道软化工序，加入Na2CO3：
CO32-+ Ca2+=CaCO3↓
由于CaCO3溶解度和CaSO3基本相同，都属于极难溶于水，因此使得进入脱硫塔的吸收液中Ca2+含量很低，不致于引起结垢。
再生并软化后的脱硫液进入沉淀池中，上部澄清液返回循环池，池底浓缩浆液经灰水分离器分离后，进一步浓缩的浆液再去压滤机压滤，滤渣最后去填埋。
回水管路选用高压FRP管，不但可解决腐蚀问题，因FRP管内壁比钢管光滑，还可有效防止结垢。
3.7系统阻力和温降
系统阻力：根据我公司实际测算，湿法脱硫设备阻力小于1000Pa。
温降：经过湿法除尘脱硫后，烟气温降小于90℃。
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