工业锅炉脱硫试验与性能考核*

2011-09-24王志成张伟君

化学工程师 2011年1期

关键词：脱硫剂工业锅炉回归方程

王志成，张伟君，张宇

（黑龙江省能源环境研究院，黑龙江哈尔滨 150027）

（Energy and Environmental Research Institute of Heilongjiang Province，Harbin 150027,China）

环境工程

工业锅炉脱硫试验与性能考核*

王志成，张伟君，张宇

（黑龙江省能源环境研究院，黑龙江哈尔滨 150027）

采用高效脱硫剂及脱硫工艺对工业锅炉烟气进行脱硫试验与性能考核。研究试验过程包括脱硫剂的研制，脱硫试验曲线的绘制、工业试验及考核等。

工业锅炉；脱硫；试验；考核

Industrial boiler desulphurization test and performance test*

WANG Zhi-cheng，ZHANGWei-jun，ZHANG Yu

（Energy and Environmental Research Institute of Heilongjiang Province，Harbin 150027,China）

Abstract:It is about the desulphurization test and the performance test on flue gas of industrial boiler by using highly efficient desulphurizing agents.The process includes themanufacture of the desulphurizing agents,the curve drawing of desulfurization test,industrial testand evaluation and so on.

Key words:industrial boiler；desulphurization；experiment；evaluation

国家环保总局统计指出：2007年全国煤耗25.8亿t，SO2排放总量为2468万t，全国工业锅炉约50万台左右，其中96%是燃煤的，年耗煤4.3亿t，排放SO2约640万t。正是由于SO2排放量超出大气环境容量的80%，位居世界第一，使“十一五”环保减排计划无法按期完成。

环境保护是我国的一项基本国策，为迎接2008年北京奥运会，创建环保城市，国家“十一五”期间设立了“清洁能源”技术攻关项目，不仅对烟气SO2排放浓度提出高标准，也对SO2排放总量提出要求。我院承担了工业锅炉脱硫技术攻关课题。

1 烟气净化机理

工业锅炉脱硫技术属于湿法脱硫，液体烟气脱硫剂对烟气洗涤，发生氧化还原反应，达到固硫的目的。煤中硫分为有机硫和无机硫两种形式。煤中硫的存在形式主要以无机硫为主，大约占70%左右。无机硫又主要以FeS2形式存在。

FeS2在燃烧过程中发生如下反应：

在富氧以及500℃以上的条件下，

煤中有机硫大约占煤中硫的30%，大致可分为以下几种形态：

硫醇类（R-SH）：苯硫酚

硫化物类（R-S-R'）：硫醚

二硫化物类（R-S-S-R'）：二硫醚

噻吩类：噻吩、二苯并噻吩、硫茚[1]。

有机硫与氧的反应按温度的高低可分两个阶段进行。低温下带有C-S、S-H链式键的硫化合物发生分解，再与O2反应生成SO2；高温下多环噻吩类化合物发生分解，与O2反应生成SO2。H2S氧化反应按下列过程进行：

工业锅炉炉膛温度属于高温[2]。

从煤的燃烧机理上看，硫在燃烧后主要以SO2形式排放到大气中。我们应用氧化还原反应理论，在除尘器后加一套烟气净化装置，把有害气体SO2转化为硫酸盐类沉降，从而减少SO2排放量，达到国家SO2排放标准要求。

其反应过程如下：

首先，SO2溶解于水中，生成H2SO3，

其次，H2SO3与脱硫剂中元素X反应

H2SO3+X→XSO3+H2O

由于烟气中SO2过剩，故继续与生成的亚硫酸盐反应：

由于亚硫酸盐和亚硫酸氢盐不稳定，一部分被O2氧化：

XHSO3、XSO3、XHSO4和 XSO4颗粒沉降后，未被利用的净化剂被送回净化装置中循环使用。

2 脱硫剂的研究与实验

脱硫剂原料是常规化工原料，加工工艺简单易行，脱硫剂溶解度大，对SO2亲和力强，反应产物不结垢，吸收SOx后生成固体的硫酸盐，沉积在烟气脱硫装置底部，便于回收。

脱硫剂中有Fe、Mg等化学元素，在烟气脱硫过程中进行化学反应，有下列反应：

为了检测脱硫剂的脱硫效果，我们对不同含硫量原煤进行脱硫试验，测得脱硫剂与固硫量之间的比例关系。

表1 剂硫比测试结果Tab.1 The testing data table of the sorbentwith sulfur ratio

从表1中可以得出,剂硫比为1.5∶1，求得直线方程：x-1.5y=0。

图1 剂硫比测试图Fig.1 The ratio of the sorbentwith sulfur

剂硫比是衡量脱硫效果的重要指标，同时也是考核脱硫成本的依据，我们通过不同的剂硫比检验了烟气排放的SO2浓度，收集、整理数据见表2、图2。

表2剂硫比与SO2测试表Tab.2 The ratio of the sorbentwith sulfurand testing data of SO2

图2 SO2排放浓度曲线图Fig.2 The emission concentration curve of SO2

从图2、表2中可以看出，剂硫比越高，脱硫效果越好。通过比较，确定剂硫比1.5∶1为最佳，即用最低的剂硫比达到最佳的脱硫效果，且经济性最佳。

确定剂硫比后，通过实验，确定了加剂量与SO2排放浓度的曲线回归方程见表3。

表3 回归方程计算统计表Tab.3 Regression equation table

计算曲线回归方程：U=u0e-cv

得出直线回归方程：ln u=9.59－0.197v；

变换曲线回归方程：U=14618e-0.197v。

3 工业试验

3.1 烟气净化装置

烟气净化装置是实现工业锅炉脱硫的重要设备。我们通过计算机仿真系统模拟烟气流场情况，经过分析、设计、试验，确定采用喷淋式烟气洗涤装置。脱硫剂通过喷淋头雾化后，与流经的烟气充分接触，对烟气进行洗涤脱硫，射流方向与烟气流动方向相同的有4个喷淋头，相反的有4个喷淋头，这样既保证脱硫剂与烟气接触时间充足，又减少了对烟气的阻力，有利于烟气的排放。喷淋头的作用是把液体脱硫剂分割成许多微小滴群，增大其表面积，促进脱硫剂与烟气最大面积接触，在流出净化装置之前，完成化学反应。直径1mm的液滴被分割成直径10μm均匀的液滴群后，其个数增加1百万倍，表面积增加100倍。喷雾液滴与气体相比密度高，具有一定的穿透气体的能力，有利于与SO2充分反应，达到脱硫的目的，烟气净化装置脱硫塔见图3。

图3 烟气净化装置脱硫塔Fig.3 Flue gas desulfurization tower

烟气净化装置还包括固液分离器，它能使喷淋后的脱硫剂（含固体硫酸盐，脱硫剂粘度随着喷淋时间的加长而增大），通过固液分离器将硫酸盐从脱硫剂中沉降、分离出来。脱硫剂可重复使用。在烟气净化装置的设计中我们充分考虑了烟气出入口的位置、喷淋头的大小、位置及个数，同时还根据烟气的流量，脱硫剂喷淋时对烟气的阻力，选择了合理的脱硫剂循环泵，以满足喷淋的要求，保证脱硫效率。

烟气净化装置的进出口和允许的最大烟气流量与试验用工业锅炉相匹配，为此，课题组专程前往山西太原测取工业锅炉的基础数据。

3.2 工业试验及性能考核

工业锅炉脱硫试验选择在全国清洁能源城市、SO2污染严重的山西省太原市进行，在太原市煤气化有限公司4t·h-1工业锅炉上完成。锅炉型号CMML2.8-60/85-A，使用日期为2004年11月，燃料消耗量为900kg·h-1，排气烟筒高35m，大气压力935kPa，环境温度－7℃。

脱硫考核由太原市环境监测中心站负责。该站监测人员根据定电位电解法，采用KM900手持式烟气分析仪，监测SO2、O2的数据，我院应用碘量法，同时监测SO2，两个结果误差仅为0.9%～1.1%。

工业试验首先对未经脱硫处理的烟气进行SO2排放浓度监测，太原市环境监测中心监测结果为3096mg·m-3(平均值)，我院科研人员监测结果为3123mg·m-3（平均值），试验误差0.9%。

图5 脱硫后烟气监测点示意图Fig.5 Schematic diagram ofmonitoring pointson flue gasafter desulfurization

试验人员启动脱硫剂泵，烟气经烟气净化装置，被脱硫剂洗涤，系统稳定运行30min后，开始监测脱硫后烟气SO2排放浓度。太原市环境监测中心站监测结果 SO2排放浓度为 175mg·m-3(平均值)，我院科研人员监测结果为173mg·m-3(平均值)，试验误差1.1%，最终监测结果均以太原市环境监测中心站数据为准，脱硫效率高达94.3%。国标锅炉大气污染物排放标准（GB13271-2001）规定，燃煤锅炉II时段最新标准SO2允许排放浓度为900mg·m-3，脱硫后SO2排放浓度175mg·m-3，仅为国家标准SO2排放限值的20%。课题组圆满完成脱硫试验及性能考核任务。