陶瓷多管旋风除尘+麻石喷淋脱硫除尘技术在河南油田北区供热站上的应用
2019-02-14王靖
王靖
摘要：根据北区供热站燃煤锅炉烟气实际排放指标，结合国家和地方政府对烟气排放相关法律、法规、标准和规范要求指标，考虑到脱硫除尘技术的稳定性、成熟性以及现场位置等因素，本烟气脱硫除塵采用陶瓷多管旋风除尘+麻石喷淋脱硫除尘技术;除尘采用陶瓷多管旋风除尘器一级除尘+麻石喷淋除尘二级除尘技术;脱硫采用麻石喷淋脱硫技术。通过改造，使锅炉大气污染物达标排放，减少对环境污染，消除安全隐患，降低工人劳动强度，提高企业的社会效益、经济效益。
关键词：陶瓷多管旋风除尘器;麻石喷淋脱硫塔;钠钙双碱法
1 现状及存在问题
1.1现状
1.1.1 供热站及设备简介
北区供热站始建于1990年10月，现有5台14MW热水锅炉和2台4t/h蒸汽锅炉，14MW热水锅炉生产95℃供暖热水。担负着油田中心区域10多个小区、单位的供暖工作。总供热面积106×104m2，采用热水一级供暖方式，供热设计负荷70MW。4t/h蒸汽锅炉生产低压蒸汽为干休所提供汽暖，同时直接加热换热罐内自来水生产60℃的生活热水为广源宾馆、干休所、油田宾馆提供生活热水。
1.1.2 烟气处理工艺及设备
Ⅱ类烟煤和20%油泥在锅炉炉膛燃烧，产生的热能被水吸收，产生的烟气通过烟道进入脱硫除尘设备，再进入引风机，通过烟囱排入大气。北区供热站目前烟气处理采用脱硫除尘一体化处理设备。
1.2存在的问题
1.2.1已有脱硫除尘一体装置存在安全隐患
脱硫装置由钢结构壳体和内衬防腐涂料组成，由于钢结构壳体和耐酸碱内衬热膨胀系数不同，热烟气导致其变形量不同，引起开裂、脱落，其金属外壳在酸雾冲刷下，会很快受到腐蚀穿孔，存在安全隐患。
1.2.2现有烟气处理设备无法满足新标准指标要求
根据《锅炉大气污染物排放标准》（GB13271-2014）4.2条要求：10t/h以上在用蒸汽锅炉和7MW以上在用热水锅炉2015年10月1日起执行表1规定的大气污染物排放限值，10t/h及以下在用蒸汽锅炉和7MW及以下在用热水锅炉2016年7月1日起执行行表1规定的大气污染物排放限值：燃煤锅炉的颗粒物≤80mg/m3;二氧化硫≤400mg/m3;氮氧化物≤400mg/m3。
自2009年以来，北区供热站承担了勘探局含油污泥无害化焚烧的任务，在处置过程中，含油污泥经焚烧后烟尘排放浓度增加，根据相关烟气测试报告，烟尘测试数据见表1-1。
1.2.3影响供暖锅炉房的高效、稳定运行
由于脱硫除尘一体化装置有部分穿孔，引风系统存在负压吸入外界空气现象，造成锅炉引风机引风量不足，锅炉的正常配风受到影响，燃烧效果得不到保证，进而影响供暖质量。
2 脱硫除尘技术应用
本次拆除北区供热站内5台14MW热水锅炉（单台烟气量为48000m3/h）的脱硫除尘一体化装置，更换为陶瓷多管除尘器+麻石喷淋脱硫塔。
2.1除尘技术应用
2.1.1除尘技术路线确定
目前锅炉除尘方式主要为旋风除尘器除尘、陶瓷多管除尘器除尘、湿法除尘、布袋式除尘和静电除尘。其中旋风除尘器除尘、陶瓷多管除尘器除尘2种方法除尘效率为80%;当漏风率≤4%时，陶瓷多管旋风除尘器除尘效率可达到85-90%，漏风率每上升1%，除尘效率下降5%;含油气烟气不能使用静电式除尘器。据燃煤锅炉有关参数和北区供热站锅炉掺烧20%油泥现状，为了避免油气粘滤袋增加烟气阻力，不推荐使用布袋式除尘器。
湿法除尘除尘效率可达到90-95%。根据目前北供14MW热水锅炉设计烟尘排放浓度1800-2500mg/m3，2.8MW蒸汽锅炉设计烟尘排放浓度2000-2500mg/m3。
旋风除尘器、陶瓷多管旋风除尘器除尘后烟尘浓度在200-375mg/m3;湿法除尘除尘后烟尘浓度在200-250mg/m3以内，均不能满足GB13271-2014中外排烟尘浓度≤80mg/m3的要求。
陶瓷多管旋风除尘器是一种高效除尘器，除尘器效率最高可达90%以上，除尘器本体阻力低于1200Pa。本除尘器负荷适应性好，在70%负荷时，除尘效率在94%以上。正常情况下除尘效率可达到85-90%。单靠该除尘器除尘无法满足规范要求，依赖于后面的湿法脱硫塔继续除尘才能满足GB13271-2014中外排烟尘浓度≤80mg/m3的要求。
根据5台14MW热水锅炉的烟气量情况，需要除尘量为不小于2420mg/m3。陶瓷多管旋风除尘器正常除尘效率在85-90%，按85%计算，经过该除尘器后，烟尘浓度为375mg/m3，脱硫除尘器一体化塔的除尘效率在90-95%之间，按90%计算，经过脱硫塔后，烟尘浓度为37.5mg/m3。能满足GB13271-2014中外排烟尘浓度≤80mg/m3的要求。
2.1.2 陶瓷多管旋风除尘技术应用
2.1.2.1除尘器选型
陶瓷多管旋风除尘器是若干个旋风子并联在一体的旋风除尘器。共同使用进出管道和灰斗。除尘器的进风口气体流速很重要。一般不低于18m/s。太低，处理效率会降低，还有容易堵塞的危险，太高，旋风子磨损严重，阻力明显增加。陶瓷多管旋风除尘器因没有转动件及易损件，所有使用和维护相当方便。
根据使用条件选用陶瓷材料制作旋风子，旋风子是陶瓷多管旋风除尘器的内脏部分。据燃煤锅炉有关参数和北区供热站锅炉掺烧20%油泥特点，为了避免油气粘旋风管内壁增加烟气阻力，特采用内壁光滑的陶瓷管，偶尔粘附在陶瓷管瓷面内壁油气也会被高速旋转来的烟尘冲刷掉集灰斗。集灰斗下设重锤式卸灰阀，不大于4小时人工卸灰一次。
该除尘器分上下两件，上部为除尘箱装置（烟气进出口法兰在上部侧面连接锅炉出口烟道、高处的出口法兰连接引风机），下部为集尘箱落灰斗装置（含放灰装置）。当含尘气体由总进气管进入陶瓷多管旋风除尘器的气体分布室，随后进入陶瓷旋风子和导流片之间的环形空隙时，导流片使气体由直线运动变为圆周运动，旋转气流的绝大部分沿旋风体自圆筒体呈螺旋形向下，朝锥体流动，含尘气体在旋转过程中产生离心力，将密度大于气体的尘粒甩向筒壁。尘粒在与筒壁接触，便失去惯性力而靠入口速度的动量和向下的重力沿壁面向下落入排灰口进入总灰斗。旋转下降的外旋气流到达锥体下端位时，因圆锥体的收缩即以同样的旋转方向在旋风管轴线方向由下而上继续做螺旋形流动，经过陶瓷旋风体排气管进入排气室，由总排气口排出。
根据站内5台14MW热水锅炉的烟气量情况，锅炉尾部出口烟尘浓度为2500mg/m3，规范要求为不大于80mg/m3，需要除尘量为不小于2420mg/m3，据此计算：14MW热水锅炉用陶瓷多管旋风除尘器处理风量为40000-50000m3/h，根据旋流风速16-18m/s，选取旋风子规格为φ360x2300mm，旋风子个数为40个，最终选用XTD-20型陶瓷多管旋风除尘器。
2.2脱硫技术应用
2.2.1脱硫技术路线确定
目前，我国燃煤锅炉烟气脱硫技术主要采用燃烧后烟气脱硫工艺。烟气脱硫则以湿式脱硫工艺作为主。其中钠钙双碱法适用于中小型锅炉，脱硫效率较高，可达95%以上。操作运行简便，无堵塞，不结垢，吸收剂资源丰富，投资较少，占地较小设备维护量较小，但运行费用略高，有大量固体废弃物（石膏）产生，基本无废水产生。故采用适用于锅炉烟气脱硫的工艺成熟、运行稳定、占地面积小、脱硫效率高、不易磨损、堵塞和结垢的钠钙双碱法，对应的设备为麻石喷淋脱硫塔。
2.2.2脫硫技术应用
2.2.2.1脱硫原理
钠钙双碱法烟气脱硫技术是利用氢氧化钠或碳酸钠溶液作为启动脱硫剂，配制好的氢氧化钠或碳酸钠溶液直接打入脱硫塔洗涤脱除烟气中SO2来达到烟气脱硫的目的，然后脱硫产物经脱硫剂再生池再生成亚硫酸钠或氢氧化钠再打回脱硫塔内循环使用。脱硫工艺主要包括5个部分：（1）吸收剂制备与补充;（2）吸收液喷淋;（3）塔内雾滴与烟气逆流接触;（4）再生池吸收液再生成钠基碱;（5）石膏脱水处理。
钠钙双碱法脱硫的化学反应如下：
1）吸收反应
在主塔中以钠碱溶液吸收烟气中的SO2：
2NaOH+SO2= Na2SO3 + H2O
由于设计时考虑投碱量略高于实际需要量，吸收液中尚有部分的NaOH，因此吸收过程中还生成亚硫酸氢钠。
Na2SO3+ SO2+H2O2NaHSO3
2）再生反应
吸收液流到反应池中与加入的石灰料浆反应：
2NaHSO3+Ca（OH）2=Na2SO3+CaSO3·H2O↓+H2O
Na2SO3+Ca（OH）2+H2O=2NaOH+CaSO3·H2O↓
再生后的浆液经钙盐沉淀后，Na2SO3清液送回吸收塔循环使用。
3）副反应
吸收过程的主要副反应为氧化反应
Na2SO3+O2Na2SO4
因此在再生过程中Na2SO4发生下列反应
Na2SO4+ Ca（OH）2+2H2O=2NaOH+CaSO4·2H2O↓
但实际上，由于溶液中有相当量的SO或OH存在，Ca的浓度相应很低，所以要使CaSO4沉淀，再生时的OH≤0.14mol，要有足够高的SO浓度，例如OH浓度为0.1 M，SO浓度为0.5 M，才会产生CaSO4沉淀。
（2）麻石喷淋脱硫塔工作原理：
除尘后的烟气进入脱硫装置的低速文丘里管，与喷头喷出的碱液混合，碱液被烟气加速上行，遇撞击挡板后转向流动，在此过程中烟气与碱液充分接触，SO2被碱液吸收，烟气中的微尘得到进一步净化，至撞击挡板后烟气上行，碱液汇集于隔板上部由泄液管流回碱池，净化后的烟气经除雾器脱水后排出。此阶段碱液利用率高，由于烟气中含尘量少，生成物纯度高，便于回收利用。
2.3脱硫除尘技术组合应用
5台陶瓷多管旋风除尘器+5台麻石喷淋脱硫塔。
该脱硫除尘组和应用技术从设备上能保证达标，需要经常维护陶瓷多管旋风除尘器，尤其是进口法兰和重力式卸灰阀重点漏风部件，确保漏风率≤4%，否则漏风率每增加1%，除尘效率就会下降5%，直接增加脱硫除尘一体化塔内部阻力和堵塞喷嘴的概率，除尘脱硫指标升高。按烟气中颗粒物含量2500mg/m3，，陶瓷多管旋风除尘器效率85%计算，除尘器出口颗粒物浓度为375mg/m3，脱硫除尘器一体化塔除尘效率90%计算，脱硫塔出口颗粒物浓度为37.5mg/m3，小于《锅炉大气污染物排放标准》2014版国标中规定颗粒物≤80mg/m3，但是维持合格颗粒物标准，需要确保后期运行中除尘器及前后烟道新增加漏风率小于3个百分点。该组合中脱硫除尘一体化塔正常情况下外排二氧化硫≤400mg/m3，满足《锅炉大气污染物排放标准》2014版国标中规定二氧化硫≤400mg/m3，的要求。
3 效果检查
根据河南石油勘探局环境监测站2015年11月26日对北供锅炉烟气的检测，以北供3#锅炉脱硫除尘后外排烟气实测值：烟气颗粒物≤20.1mg/m3、二氧化硫≤35mg/m3，均低于国标限值：烟气颗粒物≤80mg/m3、二氧化硫≤400mg/m3。可见颗粒物和二氧化硫均可达标。
4、效益分析
该脱硫除尘技术应用后的的经济效益和环保效益如下：
（1）经济效益：该项目为北供节省排污费65万/供暖季。
（2）环保效益：每个供暖季减排颗粒物210t、二氧化硫239t。2014年4月24日，十二届全国人大常委会第八次会议表决通过了《中华人民共和国环境保护法修订案》，被称为“史上最严厉”的新法。《北供脱硫除尘系统整改工程》为河南省环保厅督办项目，每月检查一次工程进度，如果不整改将违法。根据第69条：违反本法规定，构成犯罪的，依法追究刑事责任。本工程整改后，不但节约了排污费，还能是业主单位免于环保法行政刑事处罚。
（3）社会效益：北供的脱硫除尘整改前，烟囱冒黑烟，屡次被周边村民投诉，严重的一次是投诉到环保部网站并被受理，使该工程成为省环保厅的督办项目。该项目实施后，烟囱不再冒黑烟、黄烟，周边村民没再投诉，确保了油田和地方的和谐发展。
参考文献
[1]金洪文，马喆，李伟，李晓平.高温陶瓷膜除尘技术在工业锅炉中应用探究[J].北方建筑，2018，3（05）：47-49.
[2]邓乾红，姚超良，李玉兰，李小芝.单塔双托盘脱硫除尘一体化技术[J].中国环保产业，2018（03）：36-40.
[3]张军. 超低排放的湿法高效脱硫协同除尘的机理及模型研究[D].浙江大学，2018.
