【技术汇】回转窑窑尾烟气SDS干法脱硫除尘的优化分析

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江苏世清环保科技有限公司

关键词：回转窑;SDS干法脱硫;布袋除尘;超低排放;

1 前言

随着国家对大气污染的环保排放要求越来越严格，烟气治理污染物排放力度也不断加大，钢铁冶金行业的烟气治理越来越受到重视。为减少烟气中二氧化硫、粉尘等有害物质的排放量，使其排放指标满足环保标准要求，同时为改善当地大气环境，很多高效的脱硫除尘技术已被应用。

目前国内外烟气脱硫技术种类较多，根据脱硫剂和脱硫副产物的物理形态不同，烟气脱硫技术可以分为干法脱硫、半干法脱硫和湿法脱硫三大类。其中湿法脱硫主要有石灰石-石膏湿法、氨法脱硫、镁法脱硫、海水脱硫以及双碱法脱硫等;半干法烟气脱硫主要有循环流化床脱硫、旋转喷雾干燥脱硫、NID脱硫等;干法脱硫主要有炉内喷钙尾部烟道增湿活化脱硫工艺、电子束干法脱硫、活性炭吸附脱硫等常规方法。为减少回转窑窑尾烟气中的二氧化硫和粉尘污染物的排放，并满足国家环保政策的要求，更好改善当地大气环境质量，太钢集团在镁钙砂回转窑烟气环保处理项目上应用高效的SDS(Sodium bicarbonate dry powder spray)碳酸氢钠干粉喷射脱硫技术，该工艺无废气、废水排放，且不消耗水资源，也不增加系统能耗，脱硫后的烟气进入高效布袋除尘器，除尘器出口粉尘排放浓度达到超低排放指标。

本项目设计的脱硫除尘工艺是利用SDS碳酸氢钠干粉喷射脱硫工艺对1条镁钙砂Φ2.5 m×110 m回转窑生产线的窑尾烟气进行脱硫除尘超低排放处理，通过脱硫工艺净化后，窑尾烟气二氧化硫排放浓度≤35 mg/m3，粉尘颗粒排放浓度≤10 mg/m3。

2 脱硫原理及流程

2.1 SDS脱硫原理

SDS干法脱硫技术在20世纪80年代由比利时索尔维公司开发，通过在干式脱硫反应塔内喷入高活性的超细颗粒粉状脱硫剂(碳酸氢钠)，进入脱硫塔的回转窑窑尾烟气温度为180～220℃，喷入的碳酸氢钠超细粉在添加剂的促进作用下被高温烟气激活，碳酸氢钠颗粒发生爆米花效应的爆涨，体积增加，生成活性强的像海绵一样的多孔结构，同时分解成Na2CO3、CO2和水，具有很高的反应活性和吸附活性。激活前后的颗粒物尺寸变化如图1所示。

图1 碳酸氢钠加热激活后的对比示意图

新产生的碳酸钠Na2CO3在生成瞬间有高度的反应活性，可自发地与烟气中的酸性污染物进行下列反应:

部分反应:

副反应:

SDS干法脱硫技术系统简单、操作方便、故障率低，同步运行率达100%。脱硫系统启动运行后，为全干态运行，脱硫反应器和下游设备均不需防腐，实现无废水“零”排放，没有湿法烟囱拖尾和冒白烟现象，同时脱硫系统不需要雾化喷水增湿，节约水资源，排烟温度高，基本与脱硫塔入口烟气温度一致。高温干烟气的排放杜绝了烟气气溶胶产生的条件，同时SDS脱硫工艺具有良好的机组负荷调节适应性，可保证脱硫系统可靠和稳定的连续运行。

2.2 SDS工艺流程

镁钙砂回转窑窑尾排出的高温烟气，经过原SCR脱硝反应器和降温塔后，从降温塔出口烟道引出，经原烟气管道阀门和新增系统入口管道阀门切换汇合后，进入SDS脱硫反应器进口烟道。在SDS脱硫塔进口水平总烟道上，通过干式喷射器将碳酸氢钠超细粉颗粒喷入总烟道内，在脱硫剂喷射器和脱硫塔体之间设置了碳酸氢钠颗粒均布装置，使得脱硫剂碳酸氢钠迅速加热活化激活，脱硫剂进脱硫塔之前同时完成了脱硫剂细颗粒粉与烟气的充分均匀混合。进入脱硫塔反应器后，受热激活后活性和比表面积均增强的脱硫剂碳酸氢钠与回转窑窑尾烟气充分接触，发生物理吸附和化学反应，烟气中的SO2、HCl等酸性气体被高效吸收净化。反应后的脱硫剂副产物与烟气一起进入布袋除尘器脱除净化，粘附在布袋上的含有脱硫剂的副产物颗粒进行进一步的脱硫反应和烟尘净化。其整套脱硫除尘系统流程如图2所示。

2.3 脱硫灰渣的特点

干法脱硫工艺产生的脱硫副产物与烟气中的粉尘一起进入布袋除尘器过滤净化，由布袋除尘器灰斗收集后转运至储仓。对SDS脱硫灰渣进行测试，脱硫灰中的SO42-离子含量高，而CO32-、SO32-含量很少，说明SDS脱硫塔及后续反应过程中脱硫剂转化高。除尘器收集的脱硫灰渣可与燃煤锅炉的粉煤灰混合，作为水泥的添加剂，使得脱硫灰得到有效利用。

图2 SDS干法脱硫除尘系统流程

3 系统设计及参数

3.1 项目概况

项目中的镁钙砂回转窑窑尾烟气参数如表1所列。单套回转窑系统配置一套SDS脱硫反应器装置，脱硫装置的窑尾烟气处理能力达到60000 m3/h，按照120%满负荷进行设计。镁钙砂回转窑窑尾烟气经净化处理后的二氧化硫排放浓度不高于35 mg/m3，粉尘浓度不大于10 mg/m3，满足超低排放要求。

表1 镁钙砂窑尾烟气参数条件

3.2 SDS脱硫除尘系统组成

脱硫设备组成如下。

(1)高效研磨系统:碳酸氢钠储仓、星型给料器、中间粉仓、螺旋输送计量装置、高效研磨器、离心风机、气力输送管道等;

(2)脱硫烟气系统:烟道、 丘里喷射段、导流板、脱硫反应器、布袋除尘器等;

(3)碳酸氢钠喷射装置:喷射器、均布器;

(4)压缩空气系统:压缩空气管道、减压阀、阀门等;

(5)烟道、布袋除尘器、灰斗、气力输灰管路、储灰仓等;

(6)仪表组件:观察窗、塔进口温度计、塔进口压力变送器、塔出口温度计、塔出口压力变送器、塔进口SO2监测仪表、布袋除尘器出口SO2监测仪表、布袋除尘器出口粉尘浓度监测仪表等。

SDS干法烟气脱硫系统中所用的脱硫剂原料为进料粒度

脱硫后粉状颗粒产物随气流进入超净布袋除尘器进一步脱硫和除尘，烟气和脱硫剂超细粉的速度降低到0.7 m/min以下。在布袋除尘器内，吸附在滤料表面的脱硫剂继续同烟气中的酸性物质发生反应，烟气中的酸性物质含量进一步降低。最后，经过布袋除尘过滤后的净烟气被引风机引出，送入烟囱排放。

4 运行效果分析

4.1 烟气温度对脱硫的影响

在窑尾烟气脱硫过程中，烟气温度是一个重要的影响因素。一般情况下，碳酸氢钠在50℃以上开始逐渐分解，生成碳酸钠、二氧化碳和水，270℃时完全分解，烟气温度在140℃和250℃窗口区间具有高度活性，通常略微过量的碳酸氢钠就能自发完全地与烟气中的酸性污染物进行化学反应。当窑尾烟气温度上升到140℃以上时，脱硫效率达到96%;烟气温度在200℃左右时，脱硫效率达到97%以上;当温度小于140℃，脱硫效率下降明显，仅80%左右。温度引起脱硫效果不同的原因主要是:高温可以使碳酸氢钠细颗粒粉加热激活，发生爆米花效应的爆涨，体积增大，生成活性强的像海绵一样的多孔结构，同时分解成Na2CO3、CO2和水，具有很高的反应活性和吸附活性。新产生的碳酸钠(Na2CO3)在生成瞬间有较高的反应活性，可以高效的吸收烟气中的SO2、HCl等酸性气体，提高脱硫效率。

4.2 烟气负荷对脱硫的影响

脱硫塔反应器尺寸要根据镁钙砂回转窑满负荷工况烟气量设计。当回转窑工作负荷降低时，其窑尾烟气流量降低，进入脱硫塔反应器的烟气量也随之降低，脱硫塔反应器内的烟气流速降低，脱硫剂碳酸氢钠颗粒粉在反应器内的停留时间延长，强化了低负荷工况下烟气中二氧化硫的脱硫反应效果，脱硫效率相对提高。根据数据分析可知，在回转窑烟气负荷为55%时，脱硫效率接近98%;在回转窑烟气负荷为82%时，脱硫效率接近97.2%;在回转窑烟气负荷为100%时，脱硫效率接近97%。

4.3 脱硫剂不同喷射位置对脱硫的影响

脱硫剂碳酸氢钠颗粒粉末是通过气力输送方式送至脱硫剂喷射器喷入烟道内，在均布装置的湍流混合作用下，脱硫剂与烟气均匀混合，使得脱硫塔反应器截面上的颗粒浓度分布偏差在合理范围内。同时为了对比在脱硫塔体上喷射加入脱硫剂的脱硫效果，本项目脱硫塔装置在脱硫塔体的 丘里扩散出口段设计脱硫剂加料接口，如图3所示。

图3 不同脱硫剂加料位置示意图

图3中列出3种方案:(a)在脱硫塔入口水平烟道设置加料口和均布器;(b)在脱硫塔入口水平烟道设置加料口，未设置均布器;(c)在脱硫塔 丘里出口段塔体上设置加料口。在回转窑窑尾烟气负荷接近100%时，3种不同布置方式时工况的脱硫效率分别为98.1%、95.5%和78%。结果表明，在脱硫塔体上加入碳酸氢钠颗粒粉，脱硫效率低;在脱硫塔入口烟道上加入脱硫剂，脱硫效率高;在脱硫塔入口水平烟道加入脱硫剂，且加装均布器后，脱硫效率最高。产生此结果的主要原因是:在脱硫塔入口水平烟道加入脱硫剂，通过脱硫塔底部的弯头、 丘里段的紊流和喷射作用，脱硫剂与烟气已达到较好的均匀混合状态，所以表现出较好的脱硫效率。此工况下，在脱硫剂加料口下游再加装均布器，进一步强化脱硫剂与烟气的湍流和强混作用，提升了在脱硫塔截面上脱硫剂颗粒的均匀分布，脱硫效率更高。而在脱硫塔体上喷入脱硫剂碳酸氢钠，脱硫剂粉进入脱硫塔后，在烟气的携带力和扩散作用下，仅在脱硫塔截面上的部分区域分布，即使出脱硫塔后，未反应完的脱硫剂颗粒在布袋除尘器的不同区域布袋上，沉积的灰分中脱硫剂含量也有差异性，这就导致了脱硫效率的降低。

4.4 布袋除尘器对脱硫的影响

脱硫后干粉状颗粒副产物随烟气流进入超净布袋除尘器，烟气和脱硫剂超细粉的速度降低到0.7 m/min以下，大量的粉尘聚集粘附在布袋上，形成一层粉尘层。粉尘层中含有未反应完的脱硫剂，烟气在经布袋除尘器过滤的过程中，吸附在滤料表面的脱硫剂继续同烟气中的酸性物质发生反应，烟气中的酸性物质含量进一步降低。

5 项目实施问题分析

5.1 脱硫剂研磨

SDS干法脱硫系统要保证较高的脱硫效率，碳酸氢钠的颗粒粒径是关键，研磨细度d90

5.2 脱硫剂的均匀分布

由4.3节可知，脱硫剂在脱硫塔入口水平烟道段喷入，且在其下游段设置均布装置，脱硫效果最好。脱硫剂颗粒在脱硫塔截面上的均匀分布与喷射器、均布装置有关，为了获得较好的效果，借鉴了专利号CN 201949798设计思路，并进行了优化，开发了多组分布X型涡流混合器，如图4所示。

5.3 脱硫灰的有效处理

SDS碳酸氢钠干粉喷射工艺的脱硫剂用量很少，因此与其他干法脱硫方法相比，该方案脱硫副产物少。副产物中Na2SO4所占比例很高，便于综合利用。副产物为干态粉状料，其中，Na2SO4约占总质量的80%～90%,Na2CO3约占总质量的10%～20%。可应用的范围包括:(1)掺入水泥中作添加剂;(2)在玻璃工业用以代替纯碱;(3)用作矿山尾矿固化剂的生产原料;(4)在造纸工业中用于制造硫酸盐纸浆时的蒸煮剂;(5)在化学工业中用作制造硫化钠的原料;(6)在纺织工业中用于调配维尼纶纺丝凝固剂等。这些应用中，除(1)(3)项对纯度要求不高，其他各项应用均需要较高的脱硫副产物纯度，因此进入SDS脱硫塔反应器入口的烟气粉尘浓度越低，脱硫副产物利用价值越高。

图4 多组分布X型涡流混合器示意图

6 结论

SDS碳酸氢钠干粉喷射烟气脱硫在脱硫塔底入口烟道设置均布器，在保证了脱硫剂碳酸氢钠在高温烟气中加热分解激活的同时，有利于提高碳酸氢钠颗粒粉与烟气混合后在脱硫塔截面上的浓度分布均匀性，提高脱硫效率;同时布袋除尘器布袋的粉尘层有大量未反应的脱硫剂，烟气在经布袋除尘器过滤的过程中，吸附在滤料表面的脱硫剂继续同烟气中的酸性物质发生反应，脱硫效率进一步提高。得到的结论如下:

(1) SDS脱硫工艺脱硫效率高，能够满足目前的超低排放限值要求(SO2≤35 mg/m3)。

(2)脱硫系统全干态运行，无需防腐，没有废水处理和排放问题，烟气没有气溶胶产生的条件。

(3)烟气温度对脱硫效率有直接影响，当温度低于140℃，脱硫效率下降明显，当温度上升到200℃左右时，脱硫效率高。

(4)脱硫剂加料口最佳位置应设置在脱硫塔底入口烟道处，加料口下游烟道安装均布器，脱硫效率高。

(5)吸附在布袋除尘器滤料表面的未反应的脱硫剂继续同烟气中的酸性物质发生反应，脱硫效率进一步提高。

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