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
首鋼國際工程公司燒結(jié)設(shè)計專業(yè)不斷總結(jié)和吸取燒結(jié)工程設(shè)計、生產(chǎn)中的經(jīng)驗及技術(shù)成果，形成了豐富的技術(shù)積淀，打造出了多項燒結(jié)工藝的核心技術(shù)。燒結(jié)生產(chǎn)過程產(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)過程中SO2的排放，已成為鋼鐵企業(yè)SO2排放控制的重點。面對當(dāng)前脫硫形勢，首鋼國際工程公司聯(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，專門承攬燒結(jié)脫硫工程。技術(shù)團隊針對首鋼遷鋼360m2燒結(jié)機脫硫工程，通過對國內(nèi)幾種脫硫工藝進行全面考察、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)后運行穩(wěn)定，脫硫效率達95%，每年可以節(jié)省SO2排污成本約648萬元，具有較好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益。
1 煙氣脫硫研發(fā)背景
目前，我國燒結(jié)煙氣SO2脫硫處于起步階段，僅少數(shù)幾個燒結(jié)廠上了脫硫設(shè)施；首鋼國際工程公司燒結(jié)技術(shù)團隊在調(diào)研后發(fā)現(xiàn)國內(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；國內(nèi)火力發(fā)電廠已建脫硫設(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，且氣液相界面積較小；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、適用并符合國情；技術(shù)成熟、先進、經(jīng)濟合理、有工業(yè)化業(yè)績的工藝系統(tǒng)；控制工程造價，盡量考慮設(shè)備的國產(chǎn)化；節(jié)約用水；燃燒設(shè)備的能力要適應(yīng)負荷變化的要求；考慮燃煤含硫量、工藝過程的原料含硫量、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；充分考慮廠址、布置條件等因素。
首鋼遷鋼燒結(jié)脫硫工程為老廠增新環(huán)保項目，借鑒國內(nèi)外成熟的煙氣脫硫工藝；根據(jù)煙氣特點以及對脫硫除塵系統(tǒng)的實際要求，對常用的濕法及幾種(半)干法煙氣工藝的特點和技術(shù)經(jīng)濟性做了分析比較，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
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)境工程中心針對中國國情開發(fā)的一種先進技術(shù)。具有脫硫效率高、投資運行費用低、可靠性高、能耗低、維護量小、占地面積小、系統(tǒng)壽命長等優(yōu)點，主要用于各種火電廠鍋爐、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)灰一起進入加濕器內(nèi)進行均化，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)灰有極好的流動性，反應(yīng)塔中設(shè)有攪拌器，不但能克服粘壁問題而且還能增強傳質(zhì)作用。加濕后的大量循環(huán)灰由干塔上部的布料器進入塔內(nèi)，與上部進入的含SO2煙氣進行反應(yīng)。脫硫劑不斷循環(huán)，脫硫效率可達95%。最終脫硫副產(chǎn)物由灰倉排出循環(huán)系統(tǒng)，通過輸送裝置送入廢料倉。整個工藝流程包括SO2的吸收和吸收劑的循環(huán)利用兩個過程：
(1) SO2的吸收：煙氣由干塔上部入口進入塔內(nèi)，在塔內(nèi)與吸收劑進行反應(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提升到塔上部布料器內(nèi)，再次進入密相干塔進行一系列脫硫物化反應(yīng)。
2.2.2 密相干塔的主要特點
(1) 脫硫劑用量少利用率高，循環(huán)過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)不斷充分地進行，SO2脫除效率達95%，同時可以去除HCl、HF等；
(2) 耗水量低，脫硫劑通過加濕來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)的攪拌器強化了均質(zhì)過程，延長了脫硫反應(yīng)的時間，保證系統(tǒng)的運行質(zhì)量；
(4) 系統(tǒng)對不同SO2濃度的煙氣及負荷變化的適應(yīng)能力極強，是該技術(shù)的顯著優(yōu)點；
(5) 脫硫劑在整個脫硫過程中都處于干燥狀態(tài)，操作溫度高于露點，不會發(fā)生腐蝕或冷凝，無廢水產(chǎn)生；
(6) 密相干塔用普通鋼材制作，而且無需合金、涂料和橡膠襯里等特殊防腐措施；
(7) 煙氣無需再加熱即可排放。
(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)的運行方式
燒結(jié)生產(chǎn)與脫硫系統(tǒng)同時運行，在特殊情況及出現(xiàn)故障時允許煙氣從旁路煙道排放。正常運行時，無論脫硫裝置處于何種工況都不會對燒結(jié)生產(chǎn)產(chǎn)生任何影響。脫硫系統(tǒng)投運時，脫硫系統(tǒng)的進、出口擋板門打開，旁路煙道擋板門關(guān)閉。密相干塔負荷變化時，應(yīng)按干塔運行特性來調(diào)節(jié)加料裝置的進料量，以改變干塔內(nèi)循環(huán)灰的密度，來適應(yīng)負荷的變化。
在燒結(jié)機啟動過程中或脫硫系統(tǒng)解列、需要檢修時，應(yīng)將脫硫系統(tǒng)進、出口擋板門關(guān)閉，旁路煙道擋板門打開，煙氣經(jīng)引風(fēng)機和旁路煙道直接進入煙囪排出。其工藝原理如圖1。
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3 系統(tǒng)設(shè)計
3.1 煙氣工況
首鋼遷鋼360m2燒結(jié)機，機頭配有兩室四電場電除塵器一臺，煙氣量216萬m3/h(工況)，燒結(jié)機煙氣工況相關(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)灰一起進入加濕器內(nèi)進行增濕消化，使混合灰的水的質(zhì)量分數(shù)保持在3 %~5 %之間，加濕后的循環(huán)灰由塔上部進料口進入塔內(nèi)，工藝流程見圖2所示。
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含少量水分的循環(huán)灰有極好的反應(yīng)活性和流動性，與由塔上部進入的煙氣發(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)的粘壁問題，而且增強了傳質(zhì)，使脫硫效率達95%。脫硫劑循環(huán)利用，最終脫硫副產(chǎn)物由灰倉溢流出循環(huán)系統(tǒng)，通過氣力輸送裝置送入廢料倉，副產(chǎn)物作為建筑材料進行綜合利用。
3.3 脫硫劑儲運系統(tǒng)
脫硫劑通過密封罐車運輸?shù)浆F(xiàn)場，經(jīng)壓縮空氣輸送到脫硫劑儲倉內(nèi)，儲倉容積可滿足3天的連續(xù)供給量。
脫硫劑儲存有脫硫劑儲倉、一套脈沖式倉頂布袋除塵器和料位計，以保證罐車打入脫硫劑時外排粉塵濃度小于30mg/Nm3。需要向脫硫塔加入新脫硫劑時，石灰通過原料儲倉下部的電動閥進入輸送泵，輸送到物料循環(huán)系統(tǒng)的機械輸送裝置。
3.4 煙氣系統(tǒng)
燒結(jié)煙氣由燒結(jié)機的原煙道引出，爬升到原煙道上部1.5m處，經(jīng)脫硫系統(tǒng)煙道進入本系統(tǒng)脫硫塔上部的煙氣入口，經(jīng)過脫硫后的含塵煙氣從脫硫塔下部的煙氣出口引出，進入布袋除塵器，經(jīng)分離凈化后的凈煙氣由增壓風(fēng)機送至煙囪排放。
增壓風(fēng)機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)機的出口設(shè)置消聲器，風(fēng)機殼體貼隔聲材料，以減少風(fēng)機出口噪音，將風(fēng)機噪音控制在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，部分脫硫灰落入脫硫塔底部的集灰斗，通過斗式提升機不斷輸送至脫硫塔頂部的加濕機內(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)吸收塔后通過中間倉(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刮板機和斗式提升機及加濕混勻機加濕后，進入脫硫塔繼續(xù)循環(huán)反應(yīng)，完成脫硫循環(huán)灰的一個循環(huán)周期，直至脫硫循環(huán)灰失效。
4 系統(tǒng)運行
脫硫工程包括工程設(shè)計、設(shè)備采購、設(shè)備安裝及系統(tǒng)調(diào)試等部分，工期8個月。工程建設(shè)完成后，進入調(diào)試階段。整個調(diào)試過程分為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，主要是對各設(shè)備、電氣及儀表進行檢查與校訂，并對機電設(shè)備進行空轉(zhuǎn)試驗。在設(shè)備具備運轉(zhuǎn)條件后，對主要設(shè)備如增壓風(fēng)機、脫硫塔攪拌器等進行連續(xù)運轉(zhuǎn)試驗，檢查其運行工況。檢查過程中，各設(shè)備運行正常。
在冷態(tài)試驗中，主要檢查FGD系統(tǒng)的控制邏輯。在程序啟動控制邏輯檢查核對完好后，進行緊急跳閘試驗，檢驗系統(tǒng)在事故狀態(tài)時是否按預(yù)定的方式動作。試驗中各項內(nèi)容符合設(shè)計要求。
系統(tǒng)在負荷下進行熱態(tài)調(diào)試試驗，其主要目的是進一步檢測系統(tǒng)的脫硫效率、設(shè)備運行性能等。
系統(tǒng)調(diào)試完畢，整個系統(tǒng)即進入連續(xù)運行，運行穩(wěn)定，脫硫效率達95%，對脫硫后煙氣檢測結(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)機年運行按7920h計算，利用系數(shù)1.3t/(m2·h)，燒結(jié)礦產(chǎn)量為370萬t。為分析每噸燒結(jié)礦增加的成本，將脫硫系統(tǒng)各項費用列于下表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，同時年減少粉塵排放約360t。SO2排污費按現(xiàn)行的1.2元/kg計算，年SO2排污費減少648萬元。
6 脫硫研發(fā)團隊
首鋼國際工程公司多年從事燒結(jié)工程咨詢、設(shè)計和總承包業(yè)務(wù)，積累了豐富經(jīng)驗。為充分發(fā)揮此優(yōu)勢，公司燒結(jié)設(shè)計室成立了以燒結(jié)室主任、高級工程師李長興為組長，主管設(shè)計師、高級工程師李文武為副組長的脫硫研究小組，以劉永言等專家為核心，以研究生王代軍、呂新鵬等為骨干力量的脫硫研發(fā)團隊已日臻成熟。首鋼國際工程公司煙氣脫硫技術(shù)團隊將會繼續(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。
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