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河北闊海環保工程有限公司
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一、概述:某公司現有一臺4噸鍋爐，由于鍋爐燃煤主要以煙煤為主，燃燒灰份大、發熱量低且含硫高，所以鍋爐出口煙氣中，煙塵及二氧化硫的初始濃度都比較高，為滿足國家環保對鍋爐煙氣排放的要求，需要對煙氣進行高效率的除塵脫硫處理
一、概述:
某公司現有一臺4噸鍋爐，由于鍋爐燃煤主要以煙煤為主，燃燒灰份大、發熱量低且含硫高，所以鍋爐出口煙氣中，煙塵及二氧化硫的初始濃度都比較高，為滿足國家環保對鍋爐煙氣排放的要求，需要對煙氣進行高效率的除塵脫硫處理。本方案目的即為探求治理高濃度煙氣的合理、經濟、可靠的環保工藝。
本著貴單位意見結合我公司治理經驗，在鍋爐出口安裝高效除塵脫硫器，除塵效率達到90%以上，除塵器本體阻力小于1000Pa,處理后煙氣的煙塵濃度可達到30mg/Nm3以下，能滿足的環保排放要求。
二、燃煤鍋爐煙氣脫硫技術比較
鍋爐脫硫方法多種多樣，但煙氣脫硫(FGD)是世界上惟一大規模商業應用的、的脫硫方法，而這其中濕法脫硫又是高、脫硫劑的，同時濕法脫硫由于用在除塵器后，不但不增加除塵器負荷，而且具有相當的除塵效率，可以適當減少除塵器的效率，并在除塵器故障時，起到彌補除塵的作用，確保煙氣99%達標排放。由于濕法脫硫具有很多特點，使得它在世界脫硫工藝中具有很重要的位置，據統計，運行脫硫設備中，濕法脫硫占到了90%以上的比例。對于濕式脫硫，按脫硫劑的不同，應用較多的主要有石灰（石灰石）法、鈉堿法、氧化鎂法、氨法、雙堿法等，
①石灰（石灰石）法FGD是一種低成本、高效率的脫硫方法，但由于石灰（石灰石）難溶于水、與SO2反應過程較慢，在脫硫中需要極大的持液量，當要求達到90%以上的脫硫效率時，其氣液比至少需達到8以上，這樣導致的結果是增加設備成本和消耗大量的能源，不適合小型鍋爐使用。
由于常規的石灰（石灰石）法投資及運行費用一般廠家無法忍受，所以在我國的中小型鍋爐采用的都是簡易石灰法，即省去了常規石灰法中的很大一部份設備。這樣的石灰法的脫硫效率會有所下降，一般在70%左右，另外更易出現結垢現象，影響了設備的正常運行，甚至堵塞設備，直至導致鍋爐停運。
②鈉堿法是一種高效率的脫硫方法，同時還具有反應速度快，氣液比小等優勢，但是由于鈉堿價格比較貴，市場價格是生石灰的10倍以上，用在小型工業鍋爐還差不多，對于貴公司則將大規模提高脫硫成本，據測算，這種脫硫方法的成本較雙堿法高出5~8倍，且由于脫硫生成為易溶于水，對環境有害的物質，必須對脫硫水進行處理，增加運行成本。
③氨法脫硫與鈉堿法一樣具有許多優點，但價格同樣高，市場上液氨價格在3000元/噸以上，是生石灰的30多倍，同時液氨需用壓力容器運輸，大規格應用時，極不方便，而且氨法脫硫產物亞硫酸銨會造成二次污染，必需建立包含氧化、二次蒸發、結晶、濃縮、過濾、干燥等復雜的脫硫產物處理系統，設備投資大，可以說氨法脫硫的工藝流程就是一個化工廠，因此，除非特殊場合，人們一般不用氨法脫硫。
④為解決石灰法投資大、運行成本高易堵塞設備的問題，人們開發出了雙堿法，即直接參與吸收塔內脫硫反應的是溶解度高、反應速度快的NaOH和Na2CO3，但其生成物Na2SO3和NaHSO3又通過苛化反應，再生成了NaOH。因此最終消耗的是廉價的石灰。濕式雙堿法脫硫是一種低成本、高效率的脫硫方法。在本工藝中，由于消耗的是石灰，與使用價格高出幾倍的氧化鎂、氨水相比，運行成本大大降低，同時由于直接反生反應的是NaOH和Na2CO3，提高了反應速度與效率，大大減少了持液量，同時，由于直接脫硫劑是堿性強、反應活性好的NaOH，因此據相關資料和我公司經驗，脫硫高可達95%甚至更高。
經過上述對比，可以看到，雙堿法不但脫硫效率高和運行可靠性高，而且在一次性投資和運行費用方面也有很大的優勢，也不會造成二次污染，因而是更加適合我國國情的一種成熟工藝。結合離柳公司的具體情況，在該煙氣脫硫項目中采用雙堿法脫硫工藝。
表2-1：中小型鍋爐幾種典型脫硫方法的簡單比較：
| 脫硫方法 | 脫硫效率 | 氣液比 | 能耗 | 脫硫成本 | 運行狀態 | 脫硫產物 |
| 簡易石灰法 | ＜75% | 2 | 很大 | 低 | 易堵塞 | 易處理 |
| 鈉堿法 | 90% | ≤1 | 較小 | 高 | 良好 | 難處理 |
| 氨法 | ＞90% | ≤1 | 較小 | 高 | 良好 | 難處理 |
| 雙堿法 | 90% | ≤1 | 較小 | 較低 | 良好 | 易處理 |
2.2雙堿法濕法脫硫介紹
雙堿法脫硫工藝是為了克服石灰／石灰石法煙氣脫硫容易結垢、需要循環水量大、能耗高的缺點而發展起來的，鈉鈣雙堿法（Na2C03-Ca(OH)2）用純堿啟動、鈉堿吸收S02、石灰再生，再生后吸收液循環使用.
本方案的鈉鈣雙堿法脫硫是在一玻璃鋼圓筒形反應器中，以含Na2CO3的循環水為吸收劑，根據煤的全硫分含量及煙氣中SO2濃度，通過特殊的噴頭，使吸收劑霧化，煙氣和霧化后的吸收劑在反應板上充分混合、接觸，SO2與Na2CO3發生化學反應，生成易溶于水的Na2SO3及NaHSO3，完成脫硫反應。吸收SO2后的吸收液，經過加入Ca（OH）2乳液后，發生再生反應，完成鈉堿再生，同時生成脫硫最終反應物;CaSO3·1/2H2O沉淀，然后CaSO3·1/2H2O沉淀與循環水經壓濾機壓濾分離，清液經補充Na2CO3后，用于循環吸收，脫硫產物與除塵器中未分離的煙塵一起形成固體濾餅后，可以繼續氧化并制成石膏或直接送到填埋場填埋。
三、方案依據和方案原則
3.1方案編制的依據
3.1.1鍋爐參數
⑴鍋爐額定蒸發量：4t/h
⑵鍋爐數量：1臺
⑶鍋爐年運行時間：6000小時
⑷鍋爐煙氣量：16000m3/h
⑸除塵器類型：濕式除塵脫硫器
⑹排煙溫度：1700C
3.1.2燃煤參數
⑴鍋爐煤耗： t/h
⑵燃煤全硫分： %
3.1.3大氣污染物排放標準
根據GB13271-2001《大氣污染物排放標準》大氣污染物允許排放濃度為：
煙塵： 30mg/Nm3 SO2：200mg/Nm3
3.2方案編制的原則
⑴適用于4噸鍋爐煙氣濕法脫硫項目。
⑵本技術方案采用我公司的濕式雙堿法脫硫的專有技術。
⑶技術成熟可靠，經濟合理。
⑷技術有較大的適用性，可根據不同工況條件進行調整。
⑸濕法脫硫過程同時有相當的除塵效率，因此可適當降低除塵器的除塵要求，并在除塵器故障時起到輔助除塵作用。
第二章、濕法脫硫系統
一、脫硫機理說明
1.1雙堿法濕法脫硫技術原理
1.1.1脫硫原理
雙堿法脫硫工藝是為了克服石灰／石灰石法煙氣脫硫容易結垢、需要循環水量大、能耗高的缺點而發展起來的，鈉鈣雙堿法（Na2C03-Ca(OH)2）用純堿啟動、鈉堿吸收S02、石灰再生，再生后吸收液循環使用。
本方案中雙堿法脫硫基本化學原理可用下列反應式表示：
a、脫硫反應
Na2CO3+ SO2 →Na2SO3+CO2 ⑴
NaOH+ SO2 →Na2SO3+H2O ⑵
Na2SO3+ SO2+H2O→NaHSO3 ⑶
以上三個反應中，⑴式為啟動反應，在正常反應中，脫硫吸收液堿性較高時，⑵式為主要反應式；堿性降低到中性甚至弱酸性時，則按⑶式發生反應。
b、再生過程
Na2CO3+ SO2 →Na2SO3+CO2 ⑴
NaOH+ SO2 →Na2SO3+H2O ⑵
Na2SO3+ SO2+H2O→NaHSO3 ⑶
以上三個反應中，⑴式為啟動反應，在正常反應中，脫硫吸收液堿性較高時，⑵式為主要反應式；堿性降低到中性甚至弱酸性時，則按⑶式發生反應。
b、再生過程
NaHSO3+ Ca（OH）2→Na2SO3+ CaSO3↓+H2O
Na2SO3+ Ca（OH）2→NaOH+ CaSO3↓
在再生池內，當往酸性吸收水中加入石灰乳液后，NaHSO3很快跟石灰反應釋放出Na+，隨后生成的SO32-又繼續跟石灰反應，生成的產物以半水合物CaSO3·1/2H2O的形式沉淀下來，從而達到鈉堿再生的目的。
1.1.2具體工藝選擇
對于雙堿法脫硫，可分為濃堿法和稀堿法。在本方案中，因煙氣含硫較高，SO32-氧化率高，易出現結垢，因此采用濃堿法，采取軟化措施降低循環吸收液中CaSO4的含量，以降低結垢風險。
1.1.3雙堿法優點
較之石灰石法等其它脫硫工藝，雙堿法脫硫有以下優點：
⑴鈉堿吸收劑反應活性高、吸收速度快，在液氣比一定的情況下，脫硫達到較高的脫硫效率；
⑵塔內和循環管道內的液相為鈉基清液，吸收劑、吸收產物的溶解度大，再生和沉淀分離在塔外，可大大降低塔內和管道內的結垢機會；
⑶吸收速度快，可降低液氣比（液氣比不超過1l/m3），從而降低運行費用；
⑷脫硫渣無毒，溶解度小，無二次污染，可綜合利用；
⑸石灰作再生劑（實際消耗物），安全可靠，來源廣泛，價格低；
⑹操作簡便，系統可長期穩定運行。
1.2輔助除塵機理
脫硫設備在濕法脫硫的同時，具有一定的除塵功能，在除塵器故障時，可起到輔助除塵的作用。
脫硫塔內部的主要除塵結構為PS型無溢流篩板，當煙氣通過時，高度分散并通過塔板上的1200余個篩孔，并與板上方噴淋下來的循環水發生劇烈接觸，水被氣流沖激撕裂，從而霧化而產生許多粒徑百微米級的小小滴，并在篩板上方形成一層幾十厘米高的三相流化層，從而使得煙氣與噴淋水的接觸成幾何級增加。工業試驗得到的規律認為：只要
Do≤100d（式中Do指水滴直徑，d代表塵粒直徑）
同時它們間存在足夠的相對速度，固體微粒就能穿過水滴表面的液膜而粘結在一起。這樣，由于煙氣與噴淋水的劇烈碰撞，煙氣中的粒子基本被除去，剩余的極少數的煙塵粒子則在上面的旋流板上得到進一步凈化，從而達到凈化效果。
二、系統設計說明
結合公司多年從事除塵脫硫的經驗，在本方案中，我們摒棄了脫硫效率不太高、運行中易出現堵塞等現象的石灰法，采用的是脫硫效率高，運行平穩的雙堿法。經過我們在北京等環保要求嚴格的城市對脫硫情況的調查和實際應用，對于高效率簡易濕法脫硫中，應用的基本上都是雙堿法，其脫硫效率都達到了90%以上，且運行可靠性好。
2.1吸收設備：
除脫硫工藝的選擇外，我們的主吸收塔采用的是傳質性能好、脫硫效率高的篩板塔。由于主吸收板-無溢流篩的開孔率較低，開孔數多達數千個，煙氣分散性遠遠高于旋流板，煙氣經過時，對板上布水產生強烈沖擊和撕裂，二次霧化效果好，噴淋水粒徑更小，水滴與煙氣的接觸大大增加，因而脫硫效率更高，同時由于提高了傳質效率，降低了液氣比，減少了運行費用。在材料上，脫硫設備主吸收塔筒體采用耐磨耐腐性特別好的碳鋼材料，增加一層防腐層。
2.2脫硫劑的加入：
由于采用了雙堿法的工藝，脫硫劑有兩種：生石灰和Na2CO3。這二者中Na2CO3每班定量連續添加的方法進行加入脫硫設備附近的循環池中，以補充脫硫系統運行中損失的Na2CO3；生石灰則儲藏在倉庫中，通過庫底的螺旋給料機加入石灰乳生成罐中，并被制成5%的石灰乳后加入。
2.3循環水：
經脫硫設備吸收SO2后的酸性循環水，出脫硫塔，在塔附近循環池系統集中，其中80%吸收水再回脫硫塔，只有20%的吸收液去再生，在再生池內，加入5%石灰乳液后，發生再生反應：
NaHSO3+ Ca（OH）2→Na2SO3+ CaSO3↓+H2O
Na2SO3+ Ca（OH）2→NaOH+ CaSO3↓
NaOH得到再生，同時產生難溶于水，對環境無害的CaSO3半水合物的沉淀，經沉淀池濃縮后，打撈出去，再生的NaOH溶液則由再生泵打回脫硫塔再利用。
2.4防結垢措施：
采用雙堿法脫硫的目的就是防止結垢，但若控制不當，也有結垢的風險，主要原因為運行中，由于煙氣中存在氧氣，脫硫吸收液中生成的SO32-會被部份氧化成SO42-，在低硫煤、空氣過剩系數大的情況下，氧化率尤其大。
當脫硫吸收液中存在一定濃度的SO42-時，在脫硫液的再生程序，加入石灰乳（Ca（OH）2）后，由于Ca SO4的溶解度是Ca SO3的10倍，不但影響鈉堿的再生，而且會使得進脫硫塔吸收液中含有大量的CaSO4。在我公司的雙堿法脫硫工藝中，為防止出現結垢，除了在吸收設備上采取措施外，對于系統運行參數的選定上，也采取了降低進脫硫塔吸收液中Ca2+的濃度：①在再生時加入稍過量的石灰，利用同離子效應降低CaSO4的溶解度；②在再生后加入Na2CO3，由于它能與Ca2+反應生成溶解度極小的CaCO3，起到類似軟化循環水的作用，這樣經過這些處理后，進入脫硫塔的吸收水中Ca2+濃度保持在極低的水平，因而不會出現結垢現象。
2.5脫硫渣的處理：
在雙堿法脫硫工藝中，最終的脫硫產物為CaSO3的半水合物，它難溶于水，對環境無害，可直接去填埋，也可以繼續氧化并干燥制成石膏以達到廢物利用的目的。
三、脫硫工藝及設備
3.1工藝流程設計
結合4t鍋爐運行的特點，從工程投資、設備運行、資源利用等方面綜合考慮，本方案脫硫吸收設備采用篩板塔的形式。
鍋爐來高含塵含硫煙氣首先在塔板上篩孔的作用下，煙氣加速并被分散成數千份，與篩板上方噴淋下來的吸收液猛烈碰撞，將脫硫液霧化成更小的液滴，形成良好的霧化吸收區，煙氣中的SO2與脫硫液中的堿性脫硫劑在霧化區內充分接觸反應，含有的絕大部分SO2被除去，煙氣得凈化。經脫硫后的煙氣向上通過塔頂的除霧板，利用煙氣本身的旋轉作用與旋流除霧板的導向作用，產生強大的離心作用，將煙氣中的液滴甩向塔壁，從而有效地除去煙氣中的水滴。脫硫并除去水霧后的煙氣可直接進入煙道并由煙囪排放。脫硫塔設有旁路，當脫硫系統內故障或其他原理需停用脫硫系統時，可直接打開旁路煙道，讓煙氣在短時間內不經脫硫直接排放。
脫硫液采用內循環吸收方式。吸收了SO2的脫硫液流入脫硫塔旁的循環池后，由循環泵打回塔內，完成下一循環。同時，為了保持脫流液中脫硫劑濃度的相對穩定，從塔釜分出脫硫液20％的循環液量進入再生池，與脫硫劑制備系統輸送過來的石灰漿液充分混合再生，再生后的漿液進入沉淀池沉淀，上層清液由再生泵打回循環池，并由循環泵打回塔內。
再生池、沉淀池和泵前池下部的脫硫渣以及少量的灰渣等沉淀物，由渣漿泵打到水力旋流器中進一步濃縮，上層清液返回沉淀池，下層渣水混合物送入廂式壓慮機壓濾。壓濾之后的灰渣送至灰場堆放，達到一定數量之后統一外運，慮液則返回泵前池循環利用。沉淀池的設置主要為濃縮脫硫產物，因此，也可利用濃縮器代替沉淀池。
脫硫劑制備系統包括斗式提升機、石灰儲倉、螺旋加料機、石灰乳罐、石灰漿液儲罐、石灰漿液泵等設備。斗式提升機將生石灰提升到石灰儲倉內儲存，白螺旋加料機輸送至石灰乳罐中，配制一定濃度的石灰漿液。化灰完畢后由石灰漿液泵根據脫硫的pH值定量的將石灰漿液送至再生池與塔釜溢流出來的脫硫液混合再生，從而間接控制脫硫液PH值，保證脫硫效率。
另外，由于渣帶水會使脫硫液損失一部分鈉離子，故需在再生池補充少量純堿。外購純堿儲藏在倉內，每班用純堿定量一次性加入溶堿罐中，制成10%純堿液后，連續加入循環池內，以補充系統內損耗掉的純堿。
3.2 系統主要工藝參數
| 項 目 | 參數 | 備注 |
| 設計處理煙氣量（m3/h） | 16000 | |
| 設計脫硫效率（%） | 90 | |
| 總SO2吸收率（kg/h） | 30 | |
| SO2實際排放濃度（mg/Nm3） | ＜200 | |
| 脫硫塔循環水量（m3/h） | 18 | 1塔/1爐 |
| 總石灰消耗速率（kg/h） | Ca/S=1.02，純度85% | |
| 總純堿消耗速率（kg/h） | ||
| 循環池容積（m3） | ||
| 再生池容積（m3） | ||
| 沉淀池容積（m3） | ||
| 石灰倉容積（m3） |
3.3濕法脫硫設備
濕法脫硫設備是脫硫系統的核心設備，它采用的是篩板加旋流板板的形式，塔體材質為FRP復合材料主題為上維901#樹脂，塔板玻璃纖維編制網板，在酸、堿以及其它腐蝕介質中均具有高度的化學穩定性，耐酸堿率在95％以上。除霧板除霧效率在99％以上。1臺鍋爐用1臺脫硫塔。
脫硫塔主要技術參數如下：
型號： SCT-4
塔體內徑：塔體內徑：1800mm
塔體高度：塔體高度：6000mm
煙氣入口尺寸：φ800mm
煙氣出口尺寸：φ800mm
脫硫塔臺數：1臺
3.4脫硫劑添加設備
脫硫劑添加系統包括溶堿罐等設備。
一個班用純堿一次性加入溶堿罐內加入工業水，通過攪拌，制成10%的純堿液，再定量加入再生池后，起到補充純堿和軟化吸收水和作用。
3.5脫硫液循環設備
循環設備包括循環池、循環泵及循環管路。循環泵選用渣污泵，一用一備，共2臺。為保證脫硫除塵吸收液循環池中不發生沉淀，在循環池內設置攪拌器。
3.6脫硫液再生設備
脫硫劑再生設備包括石灰倉、石灰乳罐、再生池、軟化池、沉淀池等設備。
石灰倉容積鍋爐運行時3天的用量。外購生石灰加入石灰倉內儲藏，使用時通過給料機定量加到石灰乳罐中溶解，再通過石灰乳泵加入循環水中。
脫硫除塵器出來的脫硫除塵吸收液含有脫硫產物Na2SO3、NaHSO3、少量煙塵等物質，其中Na2SO3仍具有脫硫能力，為提高脫硫劑的利用率和減少吸收液的處理量，吸收液大部份在脫硫塔附近循環池集中后再次由循環泵打回脫硫塔循環利用，只有20%左右去脫硫液再生池。在再生池內加入5%石灰乳液后，發生再生反應：
NaHSO3+ Ca（OH）2→Na2SO3+ CaSO3↓+H2O
Na2SO3+ Ca（OH）2→NaOH+ CaSO3↓
由于煙氣中存在部分氧化反應：
SO32-+O2→SO42-
脫硫液進入再生池后，由于CaSO4溶解度較CaSO3大約10倍，因此導致脫硫液中含有大量的SO42-，為此，在再生時加入稍過量的石灰，以利用同離子效應，降低CaSO4的溶解度，使它沉淀下來。
加入過量石灰乳再生后的脫硫液中，由于石灰及CaSO4的溶解度都較大，含有較高濃度的Ca2+，若不除去將導致在脫硫設備內增加結垢風險。為此我們在脫硫液再生后增加了一道軟化工序，加入Na2CO3：
CO32-+ Ca2+=CaCO3↓
由于CaCO3溶解度和CaSO3基本相同，都屬于極難溶于水，因此使得進入脫硫塔的吸收液中Ca2+含量很低，不致于引起結垢。
再生并軟化后的脫硫液進入沉淀池中，上部澄清液返回循環池，池底濃縮漿液經灰水分離器分離后，進一步濃縮的漿液再去壓濾機壓濾，濾渣最后去填埋。
回水管路選用高壓FRP管，不但可解決腐蝕問題，因FRP管內壁比鋼管光滑，還可有效防止結垢。
3.7系統阻力和溫降
系統阻力：根據我公司實際測算，濕法脫硫設備阻力小于1000Pa。
溫降：經過濕法除塵脫硫后，煙氣溫降小于90℃。
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