吳家禹，劉大華，許蕓，徐延忠

工藝與裝備

鍋爐煙氣中回收SO2制焦亞硫酸鈉技術(shù)的應(yīng)用

吳家禹1，劉大華2，3，許蕓4，徐延忠2，3

（1. 北京國(guó)電電力有限公司大連開(kāi)發(fā)區(qū)熱電廠， 遼寧 大連 116600； 2. 江蘇德義通環(huán)?？萍加邢薰荆?江蘇 南京 210000；3. 南京市硫資源化工程技術(shù)研究中心， 江蘇 南京 210000； 4. 國(guó)電環(huán)境保護(hù)研究院有限公司， 江蘇 南京 210000）

基于大連某燃煤鍋爐煙氣“干式炭基催化法”示范工程的SO2資源化制焦亞硫酸鈉項(xiàng)目，通過(guò)系統(tǒng)的工藝計(jì)算及優(yōu)化，完成了SO2資源化制焦亞硫酸鈉項(xiàng)目的工藝流程搭建和主要設(shè)備選型。工程應(yīng)用結(jié)果表明：產(chǎn)出的焦亞硫酸鈉純度為96.8%（第三方檢測(cè)結(jié)果），系統(tǒng)對(duì)SO2的吸收效率為99.9%（第三方檢測(cè)結(jié)果），純堿回收率約99.8%，尾氣中粉塵含量約為7.6 mg·Nm-3。該項(xiàng)目流程設(shè)計(jì)和設(shè)備選型合理，達(dá)到預(yù)期效果，值得在行業(yè)內(nèi)推廣。

焦亞硫酸鈉；燃煤鍋爐煙氣；SO2資源化；干式炭基催化法

隨著我國(guó)燃煤鍋爐煙氣排放和脫硫副產(chǎn)物固廢排放的要求越來(lái)越嚴(yán)格，以及從煙氣中回收硫資源具有較好的經(jīng)濟(jì)價(jià)值，在鍋爐煙氣脫硫工藝中選擇可回收煙氣中SO2的資源化工藝正在被研究和應(yīng)用[1-4]。其中，“干式炭基催化法”煙氣處理工藝可以多污染物協(xié)同控制[5-8]，并可以將煙氣中的SO2資源化回收用于生產(chǎn)焦亞硫酸鈉化工產(chǎn)品，該化工產(chǎn)品市場(chǎng)需求旺盛，應(yīng)用前景廣闊。

本文基于大連某燃煤鍋爐煙氣“干式炭基催化法”示范工程的SO2資源化制焦亞硫酸鈉項(xiàng)目，根據(jù)煙氣條件、高濃度SO2再生氣體條件和焦亞硫酸鈉產(chǎn)品品質(zhì)要求，通過(guò)系統(tǒng)的工藝計(jì)算及優(yōu)化，完成了SO2資源化制焦亞硫酸鈉項(xiàng)目的工藝流程搭建、主要設(shè)備選型與項(xiàng)目工程建設(shè)。實(shí)際工程投運(yùn)結(jié)果表明，該項(xiàng)目工程設(shè)計(jì)合理、設(shè)備選型得當(dāng)、SO2吸收利用效率和產(chǎn)品品質(zhì)優(yōu)于設(shè)計(jì)要求，可為燃煤鍋爐煙氣類似SO2資源化制焦亞硫酸鈉裝置的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 設(shè)計(jì)條件

大連某燃煤鍋爐“干式炭基催化法”煙氣處理示范工程，煙氣量約200 000 m3·h-1，煙氣中SO2含量約2 000 mg·Nm-3，經(jīng)過(guò)示范工程解吸產(chǎn)出的高濃度SO2再生氣體成分參數(shù)如表1。

本項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求：在正常工況下，SO2吸收利用效率大于98.5%，產(chǎn)品品質(zhì)達(dá)到HG/T 2826—2008《工業(yè)焦亞硫酸鈉》一等品質(zhì)量（純度不小于95.0%）。

2 反應(yīng)原理

焦亞硫酸鈉（Na2S2O5）為白色或微黃色結(jié)晶粉末，相對(duì)密度1.4，溶于水。受潮易分解，露置空氣中易氧化成硫酸鈉，加熱到150 ℃分解。作為化工原料或抗氧化劑，該產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、造紙、食品、印染、橡膠、冶金和廢水處理等工業(yè)和行業(yè)[9-13]，市場(chǎng)前景非常廣闊。

表1 高濃度SO2再生氣體成分參數(shù)表

注：氣體溫度約400 ℃，N2為惰性氣體。

焦亞硫酸鈉的基本生產(chǎn)原料為SO2氣體及工業(yè)純堿，本項(xiàng)目中SO2氣體來(lái)源于“干式炭基催化法”煙氣處理示范工程的炭基催化劑解吸的再生氣體，需要經(jīng)過(guò)凈化后才能用于生產(chǎn)。焦亞硫酸鈉的生產(chǎn)過(guò)程包括如下幾個(gè)步驟：將SO2氣體通入純堿漿液中產(chǎn)生亞硫酸鈉氫鈉，見(jiàn)化學(xué)反應(yīng)式（1）；亞硫酸氫鈉漿液中再加純堿生成亞硫酸鈉，見(jiàn)化學(xué)反應(yīng)式（2）；亞硫酸鈉再與SO2氣體反應(yīng)又生成亞硫酸氫鈉，見(jiàn)化學(xué)反應(yīng)式（3）；當(dāng)溶液中亞硫酸氫鈉含量達(dá)到飽和濃度時(shí)加合適的反應(yīng)條件，兩分子亞硫酸氫鈉縮合反應(yīng)減去一分子水，產(chǎn)生焦亞硫酸鈉晶體[12-14]，見(jiàn)化學(xué)反應(yīng)式（4）。通過(guò)離心機(jī)對(duì)含有焦亞硫酸鈉晶體的漿液進(jìn)行離心分離得到焦亞硫酸鈉濕料，在通過(guò)脈沖氣流干燥系統(tǒng)和包裝系統(tǒng)，得到焦亞硫酸鈉固體產(chǎn)品。

Na2CO3+ 2SO2+ H2O = 2NaHSO3+ CO2（1）

Na2CO3+ 2NaHSO3= 2Na2SO3+ CO2+ H2O （2）

Na2SO3+ SO2+ H2O = 2NaHSO3（3）

2NaHSO3= Na2S2O5+ H2O （4）

3 工藝流程

本項(xiàng)目工藝流程如圖1，整個(gè)工藝流程包括5個(gè)系統(tǒng)：再生氣體凈化系統(tǒng)、焦亞硫酸鈉反應(yīng)系統(tǒng)、離心分離干燥包裝系統(tǒng)、配堿系統(tǒng)和尾氣處理系統(tǒng)。

圖1 本項(xiàng)目工藝流程圖

3.1 再生氣體凈化系統(tǒng)

“干式炭基催化法”煙氣處理示范工程解吸的再生氣體溫度約400 ℃，主要用于焦亞硫酸鈉生產(chǎn)的成分為SO2，但再生氣體含有大量雜質(zhì)，包括CO2、NH3、SO3、HCl、HF和碳粉等，所以在再生氣體進(jìn)入焦亞硫酸鈉反應(yīng)系統(tǒng)之前必須凈化除雜。本項(xiàng)目采用“高效文丘里一級(jí)塔和增強(qiáng)填料二級(jí)塔”兩級(jí)凈化方式，將再生氣體中的雜質(zhì)去除，得到較為純凈的SO2氣體作為焦亞硫酸鈉的反應(yīng)原料。

3.2 焦亞硫酸鈉反應(yīng)系統(tǒng)

本項(xiàng)目采用江蘇南京某科技公司的“高效低阻三級(jí)反應(yīng)系統(tǒng)”技術(shù)（反應(yīng)器命名為：A、B和C）。SO2氣體與堿性漿液為多次逆流接觸，SO2氣體的流經(jīng)路線為：A→B→C，堿性漿液的路線為：C→B→A。另外，該反應(yīng)器的特點(diǎn)是：吸收效率高達(dá)99.5%以上，氣體阻力低至單臺(tái)反應(yīng)器3 kPa（傳統(tǒng)的反應(yīng)釜式阻力單臺(tái)約15～20 kPa），反應(yīng)系統(tǒng)的高效低阻特性保證了整個(gè)系統(tǒng)的高效平穩(wěn)運(yùn)行，反應(yīng)合成的帶有焦亞硫酸鈉晶體的漿液進(jìn)入離心分離干燥包裝系統(tǒng)。

3.3 離心分離干燥包裝系統(tǒng)

來(lái)自焦亞硫酸鈉反應(yīng)系統(tǒng)含有晶體的漿液首先進(jìn)入濃縮結(jié)晶器，經(jīng)過(guò)充分的提濃和養(yǎng)晶后進(jìn)入離心機(jī)，離心后的母液進(jìn)行配堿回用于焦亞硫酸鈉的生產(chǎn)系統(tǒng)，離心后的固體焦亞硫酸鈉（含水率約6%～8%）進(jìn)入氣流脈沖干燥機(jī)，將焦亞硫酸鈉固體干燥至含水率小于1.0%，然后通過(guò)包裝機(jī)包裝成袋裝焦亞硫酸鈉商品。

3.4 配堿系統(tǒng)

配堿系統(tǒng)用于給整個(gè)焦亞硫酸鈉的生產(chǎn)提供純堿漿液，以保證SO2的吸收利用效率。經(jīng)過(guò)離心機(jī)離心后的清液（母液）進(jìn)入配堿系統(tǒng)，通過(guò)再次加入純堿變成漿液，通過(guò)給料泵打入第三級(jí)反應(yīng)器，作為反應(yīng)系統(tǒng)的補(bǔ)液，同時(shí)，如果系統(tǒng)中水消耗變少，在配堿過(guò)程中也進(jìn)入適量的除鹽水以向系統(tǒng)補(bǔ)充水。

3.5 尾氣處理系統(tǒng)

焦亞硫酸鈉反應(yīng)系統(tǒng)的反應(yīng)尾氣和干燥焦亞硫酸鈉的干燥尾氣匯總后，通過(guò)布袋收塵器出去氣體中帶有的焦亞硫酸鈉粉，使尾氣中粉塵小于10 mg·Nm-3，該尾氣回至“干式炭基催化法”煙氣處理示范工程入口煙道或電廠現(xiàn)有的脫硫系統(tǒng)前，與原煙氣一起進(jìn)入煙氣處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，故焦亞硫酸鈉系統(tǒng)無(wú)廢氣排放。

4 工藝設(shè)備選型

4.1 工藝設(shè)計(jì)參數(shù)

本項(xiàng)目確定的主要工藝設(shè)計(jì)參數(shù)如表2，以該工藝設(shè)計(jì)參數(shù)為條件，通過(guò)工藝計(jì)算，確定優(yōu)化的工藝流程和主要設(shè)備選型。

表2 主要工藝設(shè)計(jì)參數(shù)表

4.2 設(shè)備選型

根據(jù)工藝參數(shù)和工藝計(jì)算，本項(xiàng)目焦亞硫酸鈉裝置的主要設(shè)備選型參數(shù)如表3。

5 工程應(yīng)用情況

該工程于2021年8月開(kāi)始設(shè)計(jì)，2022年2月底調(diào)試完成正式投運(yùn)，投運(yùn)后系統(tǒng)一直運(yùn)行穩(wěn)定可靠，運(yùn)行結(jié)果為：所生產(chǎn)的產(chǎn)品焦亞硫酸鈉品質(zhì)純度96.8%（第三方檢測(cè)結(jié)果），系統(tǒng)對(duì)SO2的吸收效率為99.9%（第三方檢測(cè)結(jié)果），純堿回收率約99.8%，尾氣SO2體積分?jǐn)?shù)濃度約0.02%，尾氣中粉塵含量（經(jīng)布袋除塵器后）約為7.6 mg·Nm-3，該項(xiàng)目運(yùn)行工藝指標(biāo)達(dá)到并優(yōu)于設(shè)計(jì)值，滿足協(xié)議規(guī)定的要求。

6 結(jié)論

基于大連某燃煤鍋爐煙氣“干式炭基催化法”示范工程的SO2資源化制焦亞硫酸鈉項(xiàng)目，通過(guò)系統(tǒng)的工藝計(jì)算及優(yōu)化，完成了SO2資源化制焦亞硫酸鈉項(xiàng)目的工藝流程搭建、主要設(shè)備選型與項(xiàng)目工程建設(shè)。

表3 主要設(shè)備選型規(guī)格表

裝置投運(yùn)后，產(chǎn)品品質(zhì)、對(duì)SO2的吸收率、純堿回收率、尾氣中SO2體積濃度和尾氣中粉塵含量等各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到或優(yōu)于設(shè)計(jì)要求，具有突出的環(huán)境價(jià)值和可觀的資源化回收經(jīng)濟(jì)價(jià)值，該項(xiàng)目的成功應(yīng)用給燃煤鍋爐煙氣中的SO2資源化利用提供了方向，值得在行業(yè)內(nèi)推廣。

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Application of Technology Using Recovered Sulfur Dioxide From Boiler Flue Gas to Produce Sodium Metabisulfite

1,2,3,4,2,3

(1. Beijing GD Power Dalian Development Area Co-Generation Power Plant, Dalian Liaoning 116600, China; 2. Jiangsu Deyitong Environmental Protection Technology Co., Ltd., Nanjing Jiangsu 210000, China; 3. Nanjing Sulfur Resource Recycling Engineering technology Research Center, Nanjing Jiangsu 210000, China; 4. Guodian Environmental Protection Research Institute Co.,Ltd., Nanjing Jiangsu 210000, China)

The project of using recovered sulfur dioxide to produce sodium metabisulfite was constructed based on the demonstration project of “dry carbon-based catalytic method” coal-fired boiler flue gas treatment in Dalian, through systematic process calculation and process optimization, the process construction and main equipment selection of sodium metabisulfite project were completed. The project application results show that, the purity of sodium metabisulfite is 96.8% (third-party detection), the absorption efficiency of sulfur dioxide is 99.9% (third-party detection), the recovery rate of soda ash is 99.8%, and the dust content in exhaust gas is 7.6mg·Nm-3. The project process design and equipment selection are reasonable, the process has achieved the desired effect and is worth promoting in the coal-fired flue gas industry.

Sodium metabisulfite; Coal-fired boiler flue gas; Sulfur dioxide resource utilization; Dry carbon-based catalytic method

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃資質(zhì)項(xiàng)目，燃煤電站多污染物協(xié)同控制與資源化技術(shù)及裝備(項(xiàng)目編號(hào)：2017YFC0210200)。

2021-07-26

吳家禹（1990-），男，吉林白城人，研究方向：電廠生產(chǎn)技術(shù)及管理工作。

劉大華（1983-），男，碩士，研究方向：大氣污染控制及污染物資源化技術(shù)。

TQ06；X701

A

1004-0935（2023）01-0041-04