钢厂高炉煤气锅炉发电烟气脱硫技术特点及设计方案

摘要：近年来,随着钢厂节能减排和循环经济的大力发展,为了综合利用富余的高炉煤气,钢厂纷纷建设高炉煤气回收发电,把高炉煤气作为煤气锅炉的主要燃料,安装高炉煤气锅炉,配备汽轮发电机组。本文针对某钢厂40MW高温超高压中间再热煤气发电工程脱硫项目进行了系统分析和设计。

钢厂高炉煤气锅炉发电烟气的特点是含硫低、粉尘浓度低，一般情况下脱硫入口SO2含量为70~120 mg/m3，粉尘含量为3~5 mg/m3，如果采用传统的石灰-石膏法，势必会在脱硫的同时，由于石灰浆液和石膏夹带增加粉尘的排放浓度。文章重点介绍了节能环保新工艺技术——锅炉循水+(石灰-石膏)法，即以pH为8~9的锅炉循环水为主脱硫剂，石灰浆液为辅助脱硫剂。同时，采用塔外双循环池的方式，两个循环池可以同时使用，也可以互为备用，保证了脱硫系统与锅炉的同步运行率。该脱硫系统经过168 h的性能测试，系统稳定运行，保持高脱硫效率的同时，没有增加粉尘的排放浓度。

近年来，随着钢厂节能减排和循环经济的大力发展，为了综合利用富余的高炉煤气，钢厂纷纷建设高炉煤气回收发电，把高炉煤气作为煤气锅炉的主要燃料，安装高炉煤气锅炉，配备汽轮发电机组。本文针对某钢厂40 MW高温超高压中间再热煤气发电工程脱硫项目进行了系统分析和设计。

烟气脱硫方案设计要求

基本参数和技术要求

新建的130 T高温超高压高炉煤气锅炉排放的烟气含硫最高200 mg/m3，粉尘5 mg/m3。根据当前国家环保的排放限值是：SO2 30 mg/m3和粉尘5 mg/m3，因此需要对排放烟气设计脱硫方案(见表1)，使排放烟气SO2含量降到30 mg/m3以下，同时脱硫过程不得增加粉尘浓度，并且保证脱硫机组年稳定运行时间≥8400 h，除雾器出口机械水含量≤75 mg/m3。

总体设计原则

按照交钥匙工程进行整体设计；设计遵循“先进、实用、可靠、经济、环保”的原则，总图布置合理、工艺流程先进，节省用地，节约投资；在工艺设备的选择方面，采用先进的节能降耗技术，减少水、电、压缩空气等动力消耗，降低运行成本，以达到节能降耗的目的。

脱硫系统的特点

脱硫剂的选择

高炉煤气锅炉发电的烟气特点：含硫低、粉尘浓度低，一般情况下脱硫入口SO2含量为70~120 mg/m3，粉尘含量为3~5 mg/m3。如果采用传统的石灰-石膏法，势必会在脱硫的同时，由于石灰浆液和石膏夹带等原因增加粉尘浓度。所以，在本项目中脱硫剂就地取材，以锅炉循环水为主脱硫剂，锅炉循环水本身pH为8~9，这样就避免了传统石灰-石膏法由于脱硫浆液中石灰、石膏和杂质成分增加原本已经达标的粉尘浓度的可能性，另外省去了外购脱硫剂的成本，达到了节能降耗的目的。

因此，该脱硫工艺技术采用节能环保新工艺技术：锅炉循环水+(石灰-石膏)法，即以锅炉循环水为主脱硫剂，石灰为辅助脱硫剂。主脱硫剂锅炉循环水pH一般为8~9，辅助脱硫剂石灰粉理化指标为：ω(CaO)≥80%、ω(SiO2)为3.5%~5%，以及粒度≥200目。这样在入口SO2初始浓度不超过120 mg/m3的情况下，基本开启一层喷淋就可以把硫降到30 mg/m3以下，在入口SO2初始浓度超过120 mg/m3的情况下，启动辅助脱硫剂加入系统，把硫降到30 mg/m3以下。双脱硫剂的实施，可以消耗较少的石灰，优点是：避免石灰浆液和石膏夹带带来的粉尘增加，同时减少一层喷淋也减少了系统阻力。

循环方式的选择

脱硫工艺采用“塔外双循环池”的方式，即采用一座脱硫塔、两个外置循环池，其优点是：事故状态时，两个循环池互为备用，保证脱硫系统与锅炉的同步率；采用塔外双循环池，可实现脱硫塔离线检修，提高脱硫系统利用率；循环池采用半地下运行，停运循环泵时，进出管道内的循环浆液可倒流回循环池，实现自行排空，避免了泵和管道内的石膏沉积。

提高脱硫效率和降低雾滴排放的措施

在提高脱硫效率和降低雾滴排放方面采取了以下措施：吸收塔采用三层喷淋，三层烟气再分布环，三级平板式除雾器；脱硫塔内采用烟气再分布环技术，避免了烟气爬壁逃逸，提高了脱硫效率，同时设计喷淋层时，将外圈喷嘴的喷淋浆液直接喷射在烟气再分布环上，避免了直接喷射在塔壁上，减少了对塔壁冲刷；塔顶烟囱采用烟气冷凝水收集器技术，有效抑制雾滴排放；吸收塔采用碳钢+玻璃鳞片防腐处理，塔顶烟囱直排；优化烟道设计，降低风速，减少阻损；本脱硫系统阻力约450 Pa，不用考虑使用增压风机。

烟气脱硫设计方案

原理

发电锅炉烟气脱硫工程采用循环水+(石灰-石膏)湿法脱硫工艺，脱硫剂主要利用厂区内锅炉循环水作为脱硫介质，循环水经过与烟气接触反应，洗涤烟气中的SO2，返回双循环池循环使用，部分废水外排。在硫含量相对较高时，启动辅助脱硫剂石灰浆液，进行补充和调节循环池循环水的pH值。

工艺流程

采取“循环水+(石灰-石膏)法”对锅炉烟气中的SO2进行脱除，吸收塔采用空塔喷淋形式。锅炉产生的烟气经引风机进入喷淋塔，与喷淋层的脱硫液逆流接触，充分反应后去除烟气中的SO2。脱硫后烟气经喷淋塔上方的除雾器分离出净烟气中的雾滴，再经直排烟囱达标排放。设置氧化风机向循环池底部鼓入空气，对脱硫中间产物亚硫酸钙进行强制氧化，将浆液中未氧化的HSO3–和SO32–氧化成SO42–。

循环池内设有搅拌器，以保证混合均匀，防止浆液沉淀；石膏排出引出部分脱硫液，维持塔内浆液密度恒定。通过向循环池内不断加入循环水，当硫含量高时辅助加入石灰浆液，维持循环池浆液的pH值稳定，保证脱硫效率。

脱硫系统组成

脱硫系统包括：烟气系统、吸收塔系统、石灰脱硫剂制备系统、石膏外排系统、工艺水及辅助系统、疏放系统、电气及热控系统。

烟气系统

烟气经烟道进入吸收塔，经过吸收塔净化后由直排烟囱直接排放。

烟气入口烟道均采用不小于8 mm厚的优质碳素钢材质，并考虑留有足够的腐蚀裕量；塔顶净烟气烟道采用优质碳素钢+玻璃鳞片防腐材料，其中碳钢厚度为8 mm，玻璃鳞片厚度不小于2 mm。

吸收塔系统

吸收塔和整个浆液循环系统、氧化空气系统能适应脱硫系统负荷的变化，并保证脱硫效率及其他各项技术指标达到排放要求。吸收塔系统包括：吸收塔本体、吸收塔浆液循环及搅拌、石膏浆液排出、除雾和氧化空气系统等几个部分。

(1) 吸收塔采用喷淋塔。吸收塔本体包括：三层逆流喷淋装置和三级平板式除雾器，最多两层喷淋层投运可保证设计工况下≥85%的脱硫率。吸收塔壳体由碳钢制做，内表面采用内衬玻璃鳞片树脂。

(2) 吸收塔配有3台循环泵，采用单元制运行方式，每一台循环泵对应一层喷淋装置。循环泵将浆液从下部浆液池打到喷淋层，经过喷嘴喷淋，形成颗粒细小、反应活性很高的雾化液滴。采用国际先进的碳化硅空心锥喷嘴，在同等喷雾条件下，对泵的压力需求较低。喷淋层的布置增加了浆液与气体的接触面积和机率，保证吸收塔横截面能被完全布满，使SO2、SO3、HF、HCl等被充分去除。由于在吸收塔内吸收剂浆液通过循环泵反复循环与烟气接触，吸收剂利用率很高。当烟气含硫量较低时，可灵活调整喷淋装置投运的层数，以达到节能和经济运行的目的。

(3) 吸收塔配备1台氧化风机。提供将CaSO3氧化为CaSO4所需的空气，氧化系统采用喷管式系统。被吸收的SO2与脱硫剂反应生成CaSO3，在吸收塔循环池通过强制氧化作用被通入的空气氧化成石膏。

(4) 吸收塔循环池功能：完成酸性物质和脱硫剂的反应；提供脱硫剂足够的溶解时间。当锅炉原烟气通过吸收塔时，会蒸发带走一部分吸收塔内的水分，脱硫反应的反应热也会蒸发带走一定的水分，这样将导致液位下降，循环池中的浆液固体浓度增大，进而影响反应的正常进行，通过调节浆液排放量以及补充除雾器冲洗水来控制浆液的密度。

(5) 吸收塔浆液搅拌系统能防止浆液沉淀结块，合理的设计布置保证空气的最佳分布和浆液的充分氧化，氧化过程不需添加任何化学药剂。

(6) 除雾器安装在吸收塔上部，用以分离净烟气携带的雾滴。除雾器的除雾效率99%以上，除雾器出口雾滴含量不大于75 mg/m3(干基)。在一级和二级除雾器的上下表面和三级除雾器的下表面设置冲洗水系统，用于清洗除雾器。

石灰脱硫剂制备系统

通过外购的石灰粉，装入石灰储仓，通过下部星型给料机和螺旋输送机输入到石灰浆液箱中进行溶解。

石灰粉溶解水采用循环泵支路直接将循环浆液打入石灰浆液箱，采用循环浆液作为石灰粉溶解水。

石灰浆液箱安装有一根溢流管。通过溢流管上的调节阀调整向循环池供应石灰浆液量。石灰浆液箱装有顶进式搅拌器。

当主脱硫剂循环水无法满足脱硫要求时，需要启动辅助脱硫剂石灰浆液加入系统。加入循环系统石灰粉的多少将取决于预计的SO2脱除率、锅炉负荷及吸收塔浆液的pH值。石灰粉仓星型卸料器为变频控制，通过调整星型卸料器的频率满足吸收塔内浆液pH值的要求。

石膏外排系统

由于入口烟气硫含量低，生成石膏非常少，因此本工程不设置石膏脱水系统，而是定期通过罐车送至烧结机脱硫系统进行处理或定期定量外排至钢厂废水处理系统。

工艺水及辅助系统

系统的工艺水主要是用来补充废水系统排掉的、吸收塔内蒸发掉和排掉的水分。同时，循环水还用于冲洗浆液管道、浆液箱和浆液池等。

工艺水箱的水源为来自厂区处理的循环水。进水分为主给水管路和旁路给水管路，主管路上设置电动蝶阀，进行给水的供应和关断操作。蝶阀的开关通过工艺水箱液位的高低信号来自动控制。

工艺水箱水源主要用来作为除雾器的冲洗水，浆液箱、池的补充水及冲洗浆液管道水，由循环水总管道直接供给。

浆液循环泵的轴密封水由锅炉风机冷却水经阀门直接供给，经过浆液循环泵的轴密封水排入地沟进入地坑。

设备、管道及箱罐的冲洗水和设备的冷却水回收至循环池重复使用。

脱硫用氮气来自氮气罐出口管，用于除雾器冲洗气动阀门及CEMS的吹扫。

疏放系统

脱硫设置一个地坑，收集系统排水。地坑浆液通过地坑泵返回脱硫系统循环池。

系统运行主要技术参数

脱硫系统主要技术参数见表2。安装调试完成后，经过了168 h性能考核，系统运行稳定，各项指标完全达标排放。入口SO2初始浓度约70 mg/m3，粉尘初始浓度约4 mg/m3，出口SO2排放浓度基本在10 mg/m3左右，粉尘排放浓度基本维持在4 mg/m3。

结束语

对于钢厂高炉煤气锅炉发电烟气脱硫，烟气特点是含硫低、粉尘浓度低，本文采用节能环保新工艺技术：锅炉循环水+(石灰-石膏)法，即以pH为8~9的锅炉循环水为主脱硫剂，石灰为辅助脱硫剂。同时，采用塔外双循环池的方式，可以在事故状态下，两个循环池互为备用，保证了脱硫系统与锅炉的同步率。经过168 h的性能测试，系统稳定运行，保持高脱硫效率的同时，没有增加粉尘的排放浓度，完全满足环保排放要求。