低温烟气SDS干法脱硫工艺设计研究

刘超谭栋栋

陈勇岳琳王勇刚

西安龙净环保科技有限公司

摘 要：

随着环保形势愈来愈严峻，工业窑炉脱硫超低排放已是大势所趋。SDS干法脱硫技术针对140℃以上的低硫烟气脱硫处理具有巨大优势。鉴于此，研究了低温烟气采用SDS干法脱硫技术的可行性，拓宽了该技术的适用范围。研究表明，设置合理的升温装置将烟气温度升至活性窗口温度，在下游合理位置设置碳酸氢钠喷射点，可以实现二氧化硫超低排放。通过CFD流场模拟技术对温度流场和混合流场进行优化，提升脱硫效率，对改进的SDS干法脱硫工艺设计起到了指导作用。

中图分类号：X511

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引言

JI DIAN XIN XI

国家环保形势日益严峻，各地方相继出台了更加严格的大气污染物排放标准，涵盖的行业范围也更加广泛，对粉尘、二氧化硫、氮氧化物等污染物的排放限值要求更加严苛。

目前，国内烟气脱硫技术繁多，需根据脱硫剂、副产物种类、脱硫效率高低、场地情况、投资运行费用及系统匹配性等多种因素合理选择。针对烟气量较小，二氧化硫初始浓度在1 000 mg/Nm³左右的工业窑炉，采用SDS干法脱硫工艺技术具有系统简单、脱硫效率高，无废水废气等二次污染物排放，投资少、占地小，不消耗水资源，无白色烟羽污染等优势。

由于SDS脱硫技术对烟气温度有一定要求，如果采用该工艺处理温度较低或有低温烟气并入混合的烟气系统，则需要对原烟气进行升温。本文以鞍山某钢厂双膛石灰窑SDS脱硫项目为依托，研究了相关设计思路和方法，可为类似工程的设计提供参考依据。

1

脱硫原理及工艺设计方案

JI DIAN XIN XI

1.1

SDS脱硫原理

SDS干法脱硫将碳酸氢钠（NaHCO3）超细粉作为脱硫剂，通过喷射系统喷入烟气并与之充分混合接触，在高温烟气（≥140℃）作用下分解出高活性Na2CO3和CO2，活性强的Na2CO3与烟气中的SO2及其他酸性介质充分接触发生化学反应，反应生成Na2SO4。其脱硫机理比较复杂，主要反应为[1]：

2NaHCO3+SO2=Na2SO3+H2O+2CO2

2NaHCO3=Na2CO3+H2O+CO2

Na2CO3+SO2=Na2SO3+CO2

Na2SO3+1/2O2=Na2SO4

1.2

SDS脱硫剂活性温度

在SDS工艺脱硫过程中，对脱硫效率起决定性影响因素的是烟气温度。有研究表明，碳酸氢钠的分解反应为体积收缩吸热反应[2]，其在50℃以上开始逐渐分解，在80℃开始生成碳酸钠、二氧化碳和水，在185℃时分解反应基本结束[3]。在140℃时，碳酸氢钠转化率达到50%，分解速率达到最大；在185 ℃时，最大转化率超过95%，其平均分解速率为14%/min。碳酸氢钠超细粉在烟气温度140～250℃窗口区间具有高度活性[4]，通常略微过量的碳酸氢钠就能自发完全地与烟气中的酸性污染物进行化学反应。当烟气温度上升到140℃以上时，脱硫效率达到96%[5]；当温度小于140℃时，脱硫效率下降明显。温度引起脱硫效果不同的原因主要是：高温可以使碳酸氢钠细颗粒粉加热激活，发生爆米花效应的爆涨，体积增大，生成活性强的海绵样多孔结构，具有很强的反应活性和吸附活性。其分解产生的碳酸钠在生成瞬间有较高的反应活性，可以高效吸收烟气中的SO2、HCl等酸性气体，提高脱硫效率。

1.3

低温烟气SDS脱硫工艺方案

根据上述碳酸氢钠分解和脱硫反应机理判断，碳酸钠反应活性不但需要温度在140～250℃窗口区间，而且还有时效性，其生成瞬间有较高的反应活性，随着时间推移其活性降低。当烟气温度在140℃时，脱硫效率达到96%，因为在该温度下碳酸氢钠分解速率更快，内部生成更多的缝隙，内扩散阻力变小，形成了更大的内部表面积。

综上所述，如烟气温度达不到高活性的温度窗口，则需要对原烟气进行升温，且脱硫剂喷射位置应选择在升温后，脱硫效率更高。

烟气升温采用的方法比较多样，应尽可能根据项目所在厂区实际情况选择。如厂内有高温蒸汽或其他高温热源，优先考虑热交换方式升温，设置结构合理的换热器；如厂内有富余能源（高炉煤气、焦炉煤气、天然气等），可考虑混合加热升温方式，设置燃烧器，用燃烧后的高温热烟气与原低温烟气混合，以提升温度。燃烧器型式有内置式和外置式，同样根据实际情况合理选择。此外，在混合点后适当位置设置混合器，可有效增强混合传热，提高温度均匀性，缩短混合时间和路径，保证混合升温的效果。

脱硫剂碳酸氢钠超细粉通过干式喷射口喷入烟道内，位置选择需保证反应时间不少于2 s。在喷入点后设置混合器，既能保证碳酸氢钠与烟气均匀混合，又能促使烟道内的气流剧烈运动，分子和颗粒物的运动加快，加剧碳酸氢钠颗粒之间的碰撞，提升其分解速率，提高脱硫效率。

2

系统工艺设计

2.1

项目概况

本项目为鞍山某钢厂2×600 t/d双膛石灰窑SDS干法脱硫，烟气具体参数如表1所示。按两条线分别设计，主工艺流程为：SDS脱硫+布袋除尘+引风机。目前单台石灰窑已配置有一套布袋除尘器，需新建一套脱硫剂供料及反应装置。本次设计还需考虑接入一路喷煤烟气，进行同步脱硫。烟气经过净化处理后，二氧化硫排放浓度≤35 mg/Nm³（标干，8%O2），脱硫效率保证值为82.5%，满足不同负荷要求下上述烟气排放值。

2.2

设计方案及工艺流程

从窑顶部出来的烟气与接入的喷煤烟气混合，进入SDS脱硫除尘系统。脱硫反应器采用烟道式，需改造原布袋除尘器入口烟道段，具体为：三通阀后弯头出口原直径为1.52 m的竖直圆烟道（约27 m）改造为直径2.2 m的烟道，核算烟气流速约13 m/s，能有效保证2 s的脱硫反应时间。由于烟气温度较低，为保证SDS脱硫的活性温度窗口，需升温80℃（最大时）并能精准可靠地调节控制。因现场可提供转炉煤气，参数为：热值1 400 kcal/Nm³、压力8～16 kPa，所以本次升温采用燃烧转炉煤气产生高温烟气与需处理烟气混合，从而保证混合后烟气温度＞140℃。采用烟道直燃式燃烧器（选型参数如表2所示）安装在三通阀后弯头处，转炉煤气在烟道内燃烧时，燃烧器自带的消焰快混装置使火焰长度大大缩短并迅速混合燃烧高温烟气与待加热烟气。燃烧器喷口置于烟道正中，与烟气流向一致，烟道可直接使用碳钢板制作的同时最大限度缩短了混合段长度，待加温烟气在极短的距离内跟燃烧器产生的高温烟气混合均匀。

需处理烟气经过混合升温后，在距混合位置3.5m处设置脱硫剂喷射器，向SDS反应烟道内喷入NaHCO3超细粉，NaHCO3超细粉在高温烟气作用下分解出高活性Na2CO3和CO2，随后Na2CO3与烟气中SO2及其他酸性介质充分接触发生化学反应，被吸收净化。脱硫后粉状颗粒产物随气流进入布袋除尘器进一步除尘。整套脱硫除尘系统工艺流程如图1所示。

3

CFD模拟分析及优化

3.1

模拟分析的目的

本次模拟对象为鞍山某钢厂2×600 t/d双膛石灰窑SDS干法脱硫系统。本次模拟主要有两个目的：

（1）由于石灰窑出口烟气温度在冬季较低（约70℃），并且还要考虑混入的喷煤烟气（约57 ℃），因此待处理烟气温度将会远低于SDS脱硫需要的活性窗口温度。本次设计通过设置燃烧器将烟气升温至约150℃，则需对燃烧器后的温度场进行模拟，设置合适的导流形式，以保证在短距离内实现温度的均布。

（2）碳酸氢钠通过干式喷射口沿烟道径向垂直深入并顺烟气方向喷入，为保证均匀喷射，对喷射点及后续流场进行模拟，分析SDS反应器内碳酸氢钠颗粒的分布状态，并设置相应的扰流措施来确保碳酸氢钠快速强烈地与烟气混合均匀，提升脱硫效率。

3.2

模型建立及计算结果

按照系统配置及相关设计图纸，以1:1建立三维模型，模型如图2所示。图中in1为温度场监测面，i1～i3为碳酸氢钠颗粒分布监测面。

计算参数：q1烟气量为113 077 m3/h，烟气温度为70℃，进口边界条件为速度进口，进口速度为26.88 m/s；q2烟气量为25 385 m3/h，烟气温度为57 ℃，进口边界条件为速度进口，进口速度为14.59 m/s；热风炉出口热烟气量约为22 317 m3/h，出口速度为42.71 m/s；碳酸氢钠耗量为63 kg/h；出口边界条件为压力出口，压力值为0 Pa。湍流模型采用LES模型，壁面函数为标准壁面函数，固壁面设置为无滑移壁面。

由于q2进口垂直于q1进口，两处低温烟气流经弯头后会产生旋流，携带热烟气沿反应器四周螺旋向下扩散。设置扰流板并不断优化得出最佳方案：在上部弯头后约1 100 mm位置处添加50°的1/2个圆环扰流板及4块200 mm高的筋板，在碳酸氢钠喷射口下游1 700 mm和3 700 mm的位置处添加两个圆盘扰流，减弱烟气旋流现象，碳酸氢钠颗粒混合及分布更加均匀。通过出口监测面颗粒浓度分析，碳酸氢钠颗粒在烟道内停留时间达到了2.3 s，满足SDS脱硫反应时间的要求。流场模拟结果如图3～图8所示。

4

结论

在工业烟气脱硫除尘超低排放治理方面，SDS干法脱硫工艺具有突出优势，为使其能够推广应用到更多工业窑炉上，通过以上研究分析，找到了适用的工艺方法。

通过设置升温装置，将低温烟气升温至140℃以上，达到SDS脱硫工艺的活性窗口温度。考虑到碳酸氢钠在低温时表面低速率分解产生的碳酸钠会包裹住内部颗粒，影响脱硫反应，因此碳酸氢钠喷射口位置应设置在升温后，此时碳酸氢钠遇到高温烟气瞬间激活，反应活性强，脱硫效率最高。

采用流场仿真计算，合理设置导流及扰流装置，可以有效控制烟气温度偏差，提高脱硫剂与烟气混合均匀性，提升脱硫效率，对SDS脱硫工艺设计起到相对准确的指导作用。

审核编辑：黄飞