朱玉琴 魏昕 張馨予 付毅

1.西安石油大學(xué) 2.陜西延長(zhǎng)石油集團(tuán)延安石油化工廠

我國(guó)以煤炭為主要能源，并且高硫煤的儲(chǔ)量占我國(guó)煤炭總儲(chǔ)量的20%～25%，導(dǎo)致SO2為主要的大氣污染物之一[1-2]，所以控制SO2的排放依然是我國(guó)亟待解決的問(wèn)題[3-4]。煙氣脫硫(flue gas desulfurization，以下簡(jiǎn)稱FGD)是滿足國(guó)家新的排放標(biāo)準(zhǔn)的主要技術(shù)手段[5-6]。

FGD技術(shù)主要是利用堿性的脫硫劑(如石灰漿等)轉(zhuǎn)化或吸附煙氣中的SO2，生成亞硫酸鹽、硫酸鹽，使之從氣態(tài)轉(zhuǎn)化為固態(tài)，達(dá)到去除SO2的目的。煙氣脫硫分為濕法、半干法及干法等[7-8]。相對(duì)傳統(tǒng)的濕法脫硫，半干法煙氣脫硫技術(shù)具有無(wú)含酸污水排出、投資低、設(shè)備腐蝕小、脫硫過(guò)程溫度降幅小、無(wú)二次污染和終端產(chǎn)物易于處理等優(yōu)點(diǎn)[7]，但脫硫劑的利用效率和脫硫率低于濕法脫硫。為此，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于提高其脫硫劑的利用率與脫硫效率進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究[9-14]。

半干法煙氣脫硫工藝是以循環(huán)流化床工作原理為基礎(chǔ)，通過(guò)改變相關(guān)系統(tǒng)裝置，增加物料循環(huán)，使脫硫劑進(jìn)行多次循環(huán)；并在脫硫系統(tǒng)中設(shè)置噴水系統(tǒng)，使高速霧化水更好地參與脫硫反應(yīng)，從而提高脫硫劑的利用效率與脫硫效率[12]。

某石油化工廠75 t/h循環(huán)流化床鍋爐在爐內(nèi)噴鈣劑脫硫，本研究針對(duì)其排煙氣體中SO2質(zhì)量濃度(0 ℃，101.325 kPa，下同)為300 mg/m3，達(dá)不到國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)的問(wèn)題，利用循環(huán)流化床半干法煙氣脫硫工藝，分別研究煙氣溫度、煙氣流速、噴水量及脫硫劑濃度等因素對(duì)半干法煙氣脫硫性能的影響，以期得到最佳運(yùn)行參數(shù)、達(dá)到提高脫硫率、減小SO2排放量的目的。此研究對(duì)于減少石油化工廠循環(huán)流化床(circulating fluidized bed, 以下簡(jiǎn)稱CFB)鍋爐的SO2排放量、減少大氣污染和環(huán)境保護(hù)具有重要的實(shí)際意義。

1 煙氣循環(huán)流化床側(cè)線脫硫?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)

圖1為75 t/h煙氣循環(huán)流化床脫硫側(cè)線實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)圖。主要包括煙氣供給系統(tǒng)、脫硫劑制取與供漿系統(tǒng)、除塵與物料循環(huán)系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)、數(shù)據(jù)測(cè)量與采集系統(tǒng)等。該系統(tǒng)屬于半干法煙氣脫硫工藝，可以滿足煙氣溫度、煙氣流速、噴水量及脫硫劑濃度等運(yùn)行參數(shù)改變對(duì)脫硫效率影響的實(shí)驗(yàn)要求。

煙氣循環(huán)流化床整體采用外部循環(huán)方式，其外部有一物料循環(huán)口，使部分未參加反應(yīng)的脫硫劑通過(guò)循環(huán)口再次反應(yīng)，從而有效提高脫硫劑的使用效率。在流化床上設(shè)有溫度、濕度等監(jiān)測(cè)孔；在煙氣進(jìn)口處連接氣體流量計(jì)，用于觀測(cè)進(jìn)口煙氣流速。為了減少散熱損失，整個(gè)流化床主體及其管道均敷設(shè)有保溫層。

煙氣加熱裝置內(nèi)部安裝3個(gè)18 kW的電加熱棒，加熱箱外接HYTB-200型溫控儀，加熱箱煙氣出口溫度可控制在90～250 ℃。

攪拌倉(cāng)分別連接石灰粉倉(cāng)、水箱、壓縮空氣瓶。共有兩個(gè)倉(cāng)室，一個(gè)用于攪拌壓縮空氣與生石灰粉，使其具有更好的流動(dòng)性；另一個(gè)用于攪拌壓縮空氣與水，使其更易被噴嘴霧化。攪拌倉(cāng)出口處分別外接兩個(gè)JN型雙流體霧化噴嘴，一個(gè)用于脫硫劑的噴灑，增大脫硫劑的反應(yīng)活性，從而提高脫硫反應(yīng)效率；另一個(gè)用于噴灑空氣與生石灰的混合物。

旋風(fēng)除塵器與副產(chǎn)物倉(cāng)搭配使用，通過(guò)副產(chǎn)物倉(cāng)排出廢料，將脫硫劑重新送回循環(huán)流化床。另外，在旋風(fēng)除塵器之后外接HC-HA型布袋除塵器，用以吸附粒徑微小的固體顆粒，減少粉塵對(duì)大氣的污染。

試驗(yàn)裝置的測(cè)量和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要包括煙氣參數(shù)(煙氣溫度、入口流速、入口和出口煙氣中SO2質(zhì)量濃度)、增濕水的噴水量及石灰漿液濃度等參數(shù)的測(cè)量和采集。

用空氣袋采集若干份入口與出口煙氣樣本，利用TH-990S型便攜式煙氣分析儀測(cè)量煙氣樣本的組成(硫含量)。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

根據(jù)某石油化工廠實(shí)際運(yùn)行情況，分別選取SO2質(zhì)量濃度為1 457 mg/m3、1 782 mg/m3和2 419 mg/m3的3種煙氣作為實(shí)驗(yàn)煙氣。其中，SO2質(zhì)量濃度為1 782 mg/m3的煙氣是石油化工廠的原始出廠煙氣。研究煙氣入口溫度和入口流速、噴水量及脫硫劑濃度(即鈣硫物質(zhì)的量之比，以下簡(jiǎn)稱鈣硫比)等運(yùn)行參數(shù)對(duì)脫硫效率的影響[15]。

2.1 煙氣溫度對(duì)脫硫效率的影響

在煙氣流速2.2 m/s、噴水量占系統(tǒng)總水量30%、鈣硫比1.5的條件下，在入口溫度為90～180 ℃的范圍內(nèi)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。脫硫效率與煙氣入口溫度的關(guān)系如圖2所示。

由圖2可知，硫含量不同的煙氣在入口溫度不同的情況下，遵循相似的規(guī)律，其脫硫效率均隨入口溫度的升高而降低。這一方面是由于煙氣脫硫反應(yīng)的實(shí)質(zhì)是酸堿中和反應(yīng)，屬于放熱反應(yīng)。因此，當(dāng)溫度升高時(shí)，化學(xué)平衡向反方向移動(dòng)；另一方面，溫度的升高影響了SO2氣體的溶解過(guò)程，SO2的溶解度隨煙氣溫度的升高而降低。此外，較高的煙氣溫度也導(dǎo)致流化床內(nèi)水分的蒸發(fā)，從而導(dǎo)致煙氣脫硫效率的降低。

2.2 煙氣入口流速對(duì)脫硫效率的影響

在煙氣入口溫度90 ℃、噴水量占系統(tǒng)總水量30%、鈣硫比1.5的條件下，分別選取煙氣入口流速為1.02 m/s、1.38 m/s、1.82 m/s、2.19 m/s、2.43 m/s、2.73 m/s和2.95 m/s的情況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖3為3種不同含硫量煙氣的脫硫效率隨煙氣入口流速的變化關(guān)系。

由圖3可知，對(duì)于3種不同硫含量的煙氣，煙氣入口流速在2.19 ～ 2.43 m/s范圍內(nèi)時(shí)，脫硫效果最好。當(dāng)煙氣入口流速大于2.43 m/s時(shí)，雖然氣流紊動(dòng)性好，但由于煙氣入口流速過(guò)快，使得煙氣與脫硫劑的接觸時(shí)間迅速減小，從而導(dǎo)致脫硫效率下降。當(dāng)煙氣入口流速小于2.19 m/s時(shí)，雖然煙氣與脫硫劑的接觸時(shí)間增加了，但流化效果大大降低，導(dǎo)致脫硫效率下降。因此，要想獲得良好的脫硫效率，必須保證氣流紊動(dòng)性與接觸時(shí)間同時(shí)處于最佳流速范圍內(nèi)。

2.3 噴水量對(duì)脫硫效率的影響

在煙氣入口溫度90 ℃、煙氣流速2.2 m/s、鈣硫比1.5的條件下，煙氣脫硫效率隨噴水量占系統(tǒng)總水量百分率的變化關(guān)系如圖4所示。

由圖4可知，當(dāng)噴水量占比較低時(shí)，脫硫效率隨噴水量占比的增加而增加，當(dāng)噴水量占系統(tǒng)總水量的30%～40%時(shí)，脫硫效率處于較高的水平。之后，隨著噴水量占比的增加，脫硫效率呈下降趨勢(shì)。這是因?yàn)殡S著噴水量占比的增加，脫硫劑固體顆粒表面吸附的水分增多，延長(zhǎng)了液相水的蒸發(fā)時(shí)間，使得反應(yīng)更加完全，脫硫效率得到提高。然而由于流化床內(nèi)總水量不變，當(dāng)噴水量占比超過(guò)40%之后，則會(huì)影響脫硫劑內(nèi)的水含量，脫硫劑內(nèi)水含量的降低會(huì)使脫硫劑的干燥時(shí)間減少，從而導(dǎo)致脫硫效率下降。

2.4 鈣硫比對(duì)脫硫效率的影響

在煙氣入口溫度90 ℃、煙氣流速2.2 m/s、噴水量占系統(tǒng)總水量30%的條件下，鈣硫比對(duì)脫硫效率的影響如圖5所示。

由圖5可知，硫含量不同的煙氣隨著鈣硫比的增加，脫硫效率呈上升趨勢(shì)。但當(dāng)鈣硫比增加到一定值后(約1.9)，脫硫效率的增加變得緩慢。

由煙氣與脫硫劑的反應(yīng)機(jī)理可知，若想盡可能使SO2參加反應(yīng)，則鈣硫比要大于1。因此，實(shí)驗(yàn)選取的鈣硫比為1.1～2.3。雖然脫硫效率隨著鈣硫比的增大而上升，但考慮到脫硫劑的成本等經(jīng)濟(jì)因素，鈣硫比建議選擇1.5～1.9為宜。

鈣硫比增大，表明脫硫劑即石灰漿液中Ca2+的濃度增大。因此，脫硫過(guò)程中液相傳質(zhì)阻力減小，使液膜傳質(zhì)系數(shù)增大，反應(yīng)推動(dòng)力也增加，煙氣中的SO2反應(yīng)更加充分，使脫硫效率提高。

3 結(jié)論

(1) 溫度對(duì)脫硫效率有較大的影響，過(guò)高的煙氣溫度會(huì)導(dǎo)致脫硫效率下降。由于煙氣出裝置時(shí)溫度較高，因此若采取適當(dāng)?shù)拇胧?，在不影響脫硫成本的情況下，使煙氣入口溫度降低，則會(huì)提高脫硫效率。當(dāng)入口煙氣溫度為90 ℃時(shí)，SO2質(zhì)量濃度為1 782 mg/m3的煙氣脫硫效率高達(dá)92%。

(2) 煙氣入口流速的大小既影響煙氣內(nèi)SO2與脫硫劑的反應(yīng)時(shí)間，也影響流化床內(nèi)氣流的紊動(dòng)性。因此，必須使氣流紊動(dòng)性與接觸時(shí)間同時(shí)處于最佳范圍之內(nèi)，才能保證脫硫效率達(dá)到較高的水平。煙氣入口流速在2.19～2.43 m/s的范圍內(nèi)，脫硫效率最高，可達(dá)到90.1%～91.9%。

(3) 噴水量有益于脫硫效率的提高，當(dāng)噴水量占系統(tǒng)總水量的30%～40%時(shí)，煙氣脫硫效率達(dá)到最佳值。

(4) 脫硫效率隨著脫硫劑濃度(鈣硫比)的增大而增加；考慮到脫硫劑的成本，當(dāng)鈣硫比在1.5～1.9時(shí)，具有較高的脫硫效率。

(5) 在經(jīng)濟(jì)許可的運(yùn)行參數(shù)范圍內(nèi)，煙氣脫硫效率高達(dá)91%，使某石油化工廠CFB煙氣中SO2質(zhì)量濃度達(dá)到大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。