燒結煙氣SDA半干法脫硫工藝噴粉試驗研究

陳 光，侯嘉琪，包向軍，程 燦，王 浩，張燕飛，周 杰

（1.安徽工業大學 能源與環境學院，安徽 馬鞍山 243002；2.安徽欣創節能環?？萍加邢薰?，安徽 馬鞍山 243003；3.中國十七冶集團有限公司，安徽 馬鞍山 243000）

2019年以來，隨著國家環保政策日趨嚴格，各超低排放改造的重點區域省份先后出臺改造方案，鋼鐵行業SO2排放限值從原來的100 mg/m3降低到35 mg/m3。旋轉噴霧干燥脫硫技術（SDA）是目前較為成熟的半干法煙氣脫硫技術，其因投資小、運行維護成本低、設備簡易等優點被廣泛用于燒結煙氣的脫硫。但SDA系統脫硫效率約為85%［1］，已經不能滿足鋼鐵行業超低排放的標準，現有的SDA系統面臨著淘汰更換的風險。國內外專家學者對半干法脫硫技術已進行了大量的研究，主要涉及脫硫劑、塔內n（Ca）/n（S）（物質的量之比）、脫硫反應模型、脫硫塔結構模型、脫硫效率影響因素等方面，但針對SDA工藝的相關研究較少。在實際工程應用中，鋼鐵廠主要通過優化運行工況和系統管理來提高脫硫效率，但該手段提高效率有限，且優化后依舊無法滿足日益嚴格的排放標準［2－4］。此外，國內外專家學者還研究了塔內n（Ca）/n（S）、脫硫劑消化［5－7］和脫硫塔結構模擬優化［8－11］對脫硫效率的影響，這些研究結果為學術和工程應用打下了基礎，但相關的試驗研究較少，無法為模擬優化結果和實際工業改造提供可靠支撐。

目前，國內外對于SDA噴漿噴粉協同優化的試驗研究尚未見報道。本文采用SDA噴粉脫硫新工藝搭建一套半工業試驗系統，將傳統的旋轉噴霧與脫硫灰噴粉循環脫硫工藝相結合，向塔內合適位置噴循環脫硫灰，增加脫硫劑的循環倍率，將該部分有效成分充分利用，優化脫硫塔內顆粒質量濃度分布，增加煙氣與脫硫劑的混合程度。本文研究成果可為實際工程改造提供堅強有力的支撐，具備重要的現實意義。

1 試驗材料及方法

1.1 材料與試劑

試驗煙氣為某鋼鐵廠現場產出的工業燒結煙氣，試驗脫硫劑漿液n（Ca）/n（S）為1.8，由工業生石灰和水按配比在漿液罐中消化制成，試驗脫硫灰取自現場SDA工藝所產生的脫硫灰。對現場脫硫灰的成分進行了XRD測試分析，測試結果如圖1所示。由圖1可以看出：生石灰樣品的物相成分主要是CaO、Ca（OH）2和CaCO3；脫硫灰樣品相較于生石灰，幾乎沒有CaO，但Ca（OH）2質量分數增加，且增加了CaSO4與CaSO3成分。這說明在脫硫反應過程中，Ca（OH）2并未得到完全利用，脫硫灰中仍含有大量有效脫硫成分。

圖1 脫硫灰樣品XRD分析Fig.1 XRD test chart of desulfurized ash sam p le

對現場脫硫灰進行化學分析，結果如表1所示。由表1可知：脫硫灰中Ca（OH）2質量分數約為23%。在SDA脫硫反應過程中，煙氣中SO2首先在漿液表面發生反應，生成粉狀的亞硫酸鈣和二水硫酸鈣包裹在Ca（OH）2表面，從而增加了煙氣從霧滴表面到中心的傳質、擴散阻力，延長了反應時間，從而導致漿液中部分Ca（OH）2未進行反應。除此之外，脫硫塔內煙氣與漿液混合不好，顆粒質量濃度分布不均勻，同樣會造成脫硫劑利用不充分的問題。因此，脫硫灰的循環利用，增加了新的循環路徑，強化了混合，對降低運行成本，提高脫硫效率具有重要意義。

表1 脫硫灰成分分析（質量分數）Table 1 Desulfurization ash composition analysis %

1.2 試驗系統與分析儀器

試驗系統仿照SDA脫硫工藝流程搭建，主要由燒結煙氣系統、反應吸收塔、除塵系統、漿液供給系統、測量及控制系統、脫硫灰噴粉系統組成。試驗系統工藝流圖如圖2所示。

圖2 脫硫試驗工藝流程Fig.2 Process flow chart of desulfurization test

試驗煙氣使用工業燒結煙氣，從現場脫硫工藝主要入口煙氣管道引出，由試驗系統末端的引風機驅動煙氣流動，煙氣流量通過管路設置的閥門進行調節。生石灰和水按一定配比在漿液罐中消化制漿，攪拌均勻后通過蠕動泵定量輸送至旋轉霧化器，霧化成50～150μm的液滴。原煙氣通過煙氣管路從反應器頂部的環形蝸殼流道旋轉進入反應器內，與脫硫劑液滴發生混合反應，煙氣中SO2被凈化吸收，含塵煙氣通過布袋除塵器去除粉塵后排放。脫硫灰通過螺旋給料機定量供給，通過反應器頂部的噴粉管路噴入塔內，實現脫硫灰中有效成分的再次利用。為了防止煙溫的過度散失，試驗系統的煙氣管路、關鍵設備均設有保溫層。系統中，煙氣測量使用Fodisch MCA10高溫紅外煙氣分析儀，分析儀取樣槍與檢測室可自動加熱恒溫至185℃，避免了水分對SO2測量的干擾，該裝置可實時在線測量NO、NO2、NOx、N2O、CO、CO2、SO2、HCl、HF和O2的質量濃度，并且測量數據通過電腦收集后處理。

1.3 試驗方法

試驗以脫硫塔頂部為起點分別選取了距離塔頂部90、290、490、690、890 mm 5個噴粉點進行探究，分別記為A、B、C、D、E點。試驗研究噴粉位置、噴粉量以及增濕水對脫硫效率的影響。試驗中，漿液中的n（Ca）/n（S）為1.8，脫硫灰n（Ca）/n（S）為脫硫灰中Ca（OH）2與脫除的SO2之間的物質的量比，通過測量系統進口與出口的SO2計算得到脫硫率。噴粉位置如圖3所示。

圖3 脫硫灰噴加位置Fig.3 Desulfurization ash injection location mm

1.3.1 噴粉位置對脫硫效率影響試驗

在只噴脫硫灰脫硫和噴粉噴漿協同脫硫的兩個試驗條件下研究噴粉位置對脫硫效率影響。試驗中，脫硫灰分別從A、B、C、D、E點5個噴粉點由文丘里粉泵噴入塔內，所噴加脫硫灰（即噴粉）的消耗量均為2.71 kg/h。

噴粉噴漿協同脫硫試驗中，首先將消化好的脫硫劑漿液通過霧化器噴入脫硫塔內，待脫硫效率穩定后再開啟噴粉系統。試驗所使用的漿液n（Ca）/n（S）為1.8，入口煙氣溫度為150℃，出口煙氣溫度控制為80～90℃。

1.3.2 噴粉量對脫硫效率影響試驗

考慮到A點可能會造成霧化輪磨損，所以噴粉點選取為B點，即距塔頂290mm位置。在只噴脫硫灰脫硫和噴粉噴漿協同脫硫的兩個試驗條件下研究噴粉量對脫硫效率影響。脫硫灰的噴加量通過調節螺旋給料機轉速來控制，不同轉速情況所對應的供粉量如表2所示。

表2 給料機供料參數Table 2 Feeding parameters of the feeder

1.3.3 增濕水對脫硫效率影響試驗

試驗中，脫硫劑僅使用脫硫灰，由噴粉點B噴入脫硫塔內，噴量為2.71 kg/h。系統總進水量為3 L/h，采用霧化器噴加，將這一部分水稱為霧化水。在保證系統總進水量不變的情況下，將一部分霧化水通過噴粉管出口位置設置的霧化噴頭噴加進塔內，用于對脫硫灰進行增濕活化，將該部分水稱之為增濕水。試驗在只噴脫硫灰、只噴加霧化水、增濕水量分別為0.8、1.6、2.4 L/h 5種試驗條件下，研究增濕水對系統脫硫效率的影響。

2 結果與討論

2.1 噴粉位置對脫硫效率影響

在只噴脫硫灰的試驗條件下，對不同噴粉位置脫硫效率進行試驗測試，試驗結果如圖4所示。

圖4 噴粉位置對脫硫效率的影響（只噴粉）Fig.4 Influence of pow der spraying position on desu lfurization efficiency（powder spraying only）

在系統只噴脫硫灰的試驗條件下，隨著噴粉位置的逐漸降低，系統脫硫效率不斷減小，由23.90%逐漸降低至13.10%。其主要原因在于，隨著噴粉位置的下移，噴粉管越接近脫硫塔出口，顆粒在塔內運動路徑越短，煙氣與脫硫灰顆粒在塔內混合、反應的時間短，從而造成脫硫效率的降低。其中在A、B區域噴粉時（距離塔頂90、290 mm），系統脫硫效率較大，分別可達23.9%和23.4%。主要反應式：Ca（OH）2＋SO2→CaSO3·1/2H2O＋1/2H2O。

在上述試驗的基礎上，對噴粉和霧化器噴漿同時脫硫進行測試試驗。試驗結果如圖5所示。

圖5 位置對脫硫效率的影響（加漿液）Fig.5 Influence of powder spraying position on desulfurization efficiency（adding slurry）

在漿液n（Ca）/n（S）為1.8，不噴脫硫灰時，系統的脫硫效率基本穩定在54.00%～57.00%。在噴脫硫灰后，系統各噴粉位置的脫硫效率均有所提高，且在脫硫塔上部位置提升明顯，當噴粉位置位于A、B點時，脫硫效率相較于沒有噴加脫硫灰前，系統脫硫效率分別增加了18.60%和19.10%。由相對效率增長變化曲線可以看出，在旋轉噴霧條件下，噴粉位置對脫硫效率的影響規律與單獨噴粉時規律類似，脫硫塔內煙氣與脫硫灰的混合、反應時間仍是影響反應效率的主要因素，其次還受到漿液中水分質量分數的影響。在旋轉噴霧條件下，脫硫灰顆粒在塔內與煙氣和脫硫劑漿液發生接觸混合。由于漿液中水分的存在，其為脫硫灰和SO2的反應提供了良好的介質條件，且脫硫灰的加入可增加塔內真實n（Ca）/n（S），液膜內Ca2＋濃度也隨之增大，有效地強化了SO2由氣相向液相的傳質過程，故使得脫硫效率得以提升。在脫硫塔內，由于噴霧粒徑很小，漿液與煙氣進行快速的熱量交換，水分蒸發速率很快，隨著噴粉位置的下移，漿液能為脫硫灰所提供的水分質量分數也就越少，化學反應速率越慢，所需反應時間延長，從而進一步影響系統的脫硫效率。

綜上所述，在試驗系統中，脫硫效率隨噴粉位置的下降而降低，當噴粉位置固定于A點（距塔頂90 mm）和B點（距塔頂290 mm）時，均可獲得較高的脫硫效率?？紤]到A點與霧化器位置高度一致，噴粉有可能對霧化輪造成磨損的問題，因此，在其下方B點噴粉最為合適。

2.2 噴粉量對脫硫效率的影響

首先，對只噴加脫硫灰的條件進行試驗測試，噴粉點選取為B點，即距塔頂290mm位置。試驗結果如圖6所示。

圖6 噴粉量對脫硫效率的影響（只噴粉）Fig.6 Influence of dusting amount on desulfurization efficiency（powder spraying only）

隨著噴粉量的增加，系統的脫硫效率提升明顯，系統脫硫效率由11.50%逐漸增加到54.60%。其原因在于，隨著噴粉量的增加，使參與反應的有效成分增加，脫硫灰n（Ca）/n（S）得到提高，進而提高了系統的脫硫效率。但當噴粉量增加到一定值時，系統脫硫效率有趨于平緩的趨勢，脫硫灰的有效利用率開始降低。

在上述試驗的基礎上，本文研究旋轉噴霧條件下噴粉量對脫硫效率的影響規律。其中，漿液n（Ca）/n（S）維持在1.8，入口煙氣溫度為150℃，出口煙氣溫度控制為80～90℃。試驗結果如圖7所示。

圖7 噴粉量對脫硫效率的影響（加漿液）Fig.7 Effect of powder spraying amount on desulfurization efficiency（adding slurry）

在只噴漿液，不噴脫硫灰時，系統的脫硫效率為57.90%左右，隨后向脫硫塔內噴加脫硫灰，脫硫效率得到顯著提升，由57.90% 提高至66.04%。當繼續加大噴粉量時，脫硫效率隨著噴粉量的增加而逐漸提升，上升至87.20%。由脫硫效率的變化曲線可以看出，脫硫效率隨噴粉量的變化并非線性關系，當脫硫灰n（Ca）/n（S）由8.5增加到12.1時，脫硫效率的增加趨于平緩，與單噴粉時的趨勢相一致。造成這一變化規律的主要原因：噴粉量的增加，提高了系統的n（Ca）/n（S），也提高了漿液中Ca2＋濃度，降低了液相傳質阻力，增加了化學勢推動力，從而促進了脫硫反應的進行；但當脫硫灰噴加量增加到一定程度時，系統中Ca（OH）2的溶解速率趨于穩定，脫硫反應速率主要由氣相中SO2氣體向液面擴散、溶解與電離速率控制；霧化漿滴粒徑不變，脫硫灰的增加使得塔內含固量增大，含水量減少，導致蒸發時間變短，脫硫效率下降［12－13］。所以脫硫效率會出現隨脫硫灰n（Ca）/n（S）增加而增大，但增加幅度逐漸趨于平緩，從而造成鈣的有效利用率降低。因此噴粉量并非越大越好，過多增加噴粉量，也會增加后續除塵系統的負荷，從而增加系統的運行成本，影響脫硫的經濟效益。

2.3 增濕水對脫硫效率的影響

在半干法脫硫中，水分對脫硫效率的影響很大，不僅對脫硫劑起到增濕活化作用，還使氣固反應轉變為氣液固反應，延長了反應時間，加快了反應速率。

本文研究了5種試驗條件下增濕水對系統脫硫效率的影響。試驗結果如圖8所示。

圖8 增濕水對脫硫效率的影響Fig.8 Effect of hum idifying water on desu lfurization efficiency

當僅噴脫硫灰時，系統的脫硫效率僅有22.67%，通過頂部霧化器向脫硫塔內噴霧化水后，系統的脫硫效率提升至38.11%。其原因在于，霧化水的加入，可以在降低煙氣溫度的同時提高煙氣的相對濕度，有利于SO2分子離子化并傳質擴散進入顆粒物內部進一步反應，減小了反應過程中的傳質阻力。當將一部分霧化水量分配到脫硫灰增濕后，3種增濕水量下的脫硫效率均有所提高，且呈先增長后下降的變化規律。產生這一變化規律的主要原因在于，反應過程中水分主要起到對煙氣降溫、潤濕脫硫劑、提高煙氣相對濕度和增加傳質速率的作用。煙氣進入脫硫塔內首先穿過霧化器所形成的傘狀霧面，在一定程度上溫度降低、相對濕度提高；水分在噴管出口與干灰便接觸并附著在干灰顆粒表面，使得干灰顆粒在進入脫硫塔內后有著極大的蒸發表面積，可以進一步降低煙氣溫度，提高煙氣的相對濕度，有利于SO2等酸性氣體分子在脫硫灰顆粒的表面冷凝、吸附并離子化，從而進一步提高脫硫效率。當增濕水量過多時，雖然脫硫灰的增濕效果加強，但這一部分水的蒸發速率非?？?，煙氣中的SO2不易形成亞硫酸且通過霧化器噴出的水分減少，噴粉管的位置低于霧化器，煙氣與增濕后的干灰接觸有限，使得塔內煙氣溫度較之前的工況有所提高，因此造成整體脫硫效率有所下降。

綜上所述，合適的增濕水量能有效提升脫硫灰的利用效率，對于不同脫硫灰的噴加量，應進行合適的增濕水配比，從而實現最佳的脫硫效率。在試驗系統中，保持總用水量為3 L/h，增濕水量為1.6 L/h，噴粉量為2.71 kg/h時，脫硫灰利用最高，脫硫效率可達42.00%。由于半工業試驗中脫硫塔的霧化器轉速較低，霧化噴漿的效果與工業現場實際的噴漿效果相差較遠，所以試驗中的脫硫效率低于實際現場的脫硫效率，但試驗結果表明了與只噴漿液相比，同時噴漿液和脫硫灰能大幅提高脫硫效率。。本文通過該試驗，進行塔體數值模擬優化，并提出改造方案，于2019年4月在馬鋼430 m2燒結機煙氣脫硫塔實施優化噴粉改造，其脫硫效率從85.00%提高到98.00%。

3 結 論

本文針對搭建的SDA噴粉脫硫試驗系統，進行半工業試驗，得到如下結論。

（1）噴粉位置對脫硫效率的影響顯著，隨著噴粉位置的降低，脫硫灰在塔內停留時間降低，脫硫效率逐漸降低。當漿液n（Ca）/n（S）為1.8，噴粉與噴漿聯合脫硫時，隨著噴粉位置的降低，相較于只噴漿液的工況，脫硫效率的增加量先增加后減小，由18.60%先增長到19.10%，然后逐漸下降為5.50%。噴粉最佳位置位于塔的上部區域，即距離塔頂90 mm和290 mm處，脫硫效率分別達到74.00%和75.90%。

（2）噴粉量對脫硫效率的影響顯著。單噴粉條件下，隨著噴粉量的持續增加，參與反應的n（Ca）/n（S）增加，脫硫效率隨之增加，且增加明顯；漿液n（Ca）/n（S）為1.8，噴粉與噴漿聯合脫硫時，隨著噴粉量的增加，脫硫效率由57.90%升高至87.20%。但脫硫灰n（Ca）/n（S）由8.5增加到12.1時，脫硫率開始趨于平緩，脫硫灰利用率較之前有所下降。

（3）合適的增濕水量能有效提升脫硫灰的利用效率，對于不同脫硫灰的噴加量，應進行合適的增濕水配比，從而實現最佳的脫硫效率。在保持總用水量為3 L/h不變的情況下，脫硫效率隨增濕水量的上升呈先上升后下降的趨勢，當增濕水量為1.6 L/h，噴粉量為2.71 kg/h時，脫硫灰利用最高，脫硫效率可達42.00%，相較于無增濕水時脫硫效率提升了3.89%。