利用造纸白泥脱除烟气中二氧化硫的技术研究
摘要:文章介绍了利用造纸白泥脱除烟气中二氧化硫的工艺流程、设备和技术设计特点，并对其应用前景进行了分析。
关键词:造纸白泥;烟气脱硫;设计特点
我国每年由于酸雨和二氧化硫污染造成农作物、森林和人体健康等方面的经济损失达1100多亿元。而火电厂的二氧化硫排放占全部二氧化硫排放的比重很高，因此火电厂脱硫是国家减排二氧化硫的重点之一。烟气脱硫（Flue Gas Desulfurization，FGD）是控制酸雨和二氧化硫污染最为有效的技术手段。目前，世界各国对烟气脱硫都非常重视，已开发出数十种行之有效的脱硫技术。本文介绍了利用造纸白泥脱除锅炉烟气中二氧化硫的方法。
1 造纸白泥-石膏法烟气脱硫技术
造纸白泥是造纸厂的废弃物。造纸厂碱回收车间的黑液浓缩焚烧后，从燃烧炉底部流出的熔融物的主要成分是碳酸钠和硫化钠，溶于稀白液后，称为绿液。在苛化工段，往绿液中加消石灰，使碳酸钠转化为氢氧化钠。澄清后的液体称为白液，即蒸煮用的碱液，沉淀出的碳酸钙称为白泥。化学反应式如下：
Na2CO3+Ca(OH)2→2NaOH+CaCO3↓
造纸白泥需要进行洗涤以回收其中的残碱，经过滤、脱水后即产出白泥。草浆碱回收后的白泥因含硅量高，难以回收CaCO3，只能堆存填埋。
由于造纸白泥含碱达4.14％，排入江河后会对生态环境造成十分严重的危害和污染，国家从2000年起就限制其排放量。为解决这一难题，同时也为消除“白色污染”，利用造纸白泥脱除锅炉烟气中的二氧化硫，有利于充分利用国内大量的造纸白泥变废为宝，降低产品成本，节约资金，实现可持续发展。
造纸白泥作为一种脱硫剂可有效脱除烟气中的二氧化硫，具有以废治废、脱硫效率高、脱硫成本低的特点，同时又减少了白泥的堆存。造纸白泥可替代双碱法中的氢氧化钠和氧化钙、氧法镁法中的氧化镁、石灰石-石膏法中的碳酸钙，广泛适用于工业锅炉、电站锅炉和工业窑炉中的二氧化硫脱除。脱硫效率可达到90%，由于在脱硫的同时也具有除尘作用，除尘效率可达到98%。利用白泥脱硫不需要特殊设备，在循环泵前加入到水池中搅拌一下即可。为了减少系统的结垢，在加入造纸白泥的同时加入少量的氧化镁即可维持系统的稳定运行。
2 造纸白泥脱硫工艺流程
造纸白泥-石膏湿法脱硫工艺系统主要由烟气除尘降温系统、吸收氧化系统、浆液制备系统、石膏脱水系统、排放系统组成。其基本工艺流程见图1。
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锅炉烟气经电除尘器除尘后，通过增压风机、气-气换热器GGH（可选）降温后进入吸收塔。烟气在吸收塔内向上流动且被向下流动的循环浆液以逆流方式洗涤。循环浆液则通过喷浆层内设置的喷嘴喷射到吸收塔中，以便脱除SO2、SO3、HCl和HF，与此同时采用强制氧化工艺，将反应的副产物氧化为石膏（CaSO4·2H2O）。循环浆液通过浆液循环泵向上输送到喷淋层中，通过喷嘴进行雾化，使气体和液体得到充分接触。每个泵通常都与其各自的喷淋层相连接，即通常采用单元制。
在吸收塔中，造纸白泥与二氧化硫反应并氧化生成石膏，这部分石膏浆液通过石膏浆液泵排出，进入石膏脱水系统。石膏脱水系统主要包括石膏水力旋流器（作为一级脱水设备）、浆液分配器和真空皮带脱水机。
经过净化处理的烟气流经两级除雾器除雾，去除清洁烟气中所携带的浆液雾滴。同时按特定程序不时地用工艺水对除雾器进行冲洗，一是为了防止除雾器堵塞，二是可将冲洗水作为补充水以稳定吸收塔液位。
在吸收塔出口，烟气温度为55℃～65℃，且为水蒸汽所饱和。通过GGH将烟气加热到72℃以上，以提高烟气的抬升高度和扩散能力。最后，洁净的烟气通过烟道进入烟囱排向大气。脱硫过程主反应为：
SO2+H2O→H2SO3（吸收）
CaCO3+H2SO3→CaSO3+CO2+H2O（中和）
CaSO3+1/2O2→CaSO4（氧化）
CaSO3+1/2H2O→CaSO3·1/2H2O（结晶）
CaSO4+2H2O→CaSO4·2H2O（结晶）
CaSO3+H2SO3→Ca(HSO3)2（pH控制）
同时烟气中的HCl、HF与CaCO3反应，生成CaCl2或CaF2。吸收塔中的pH值通过注入造纸白泥浆液进行调节与控制，一般pH值在5.2～6.5。
3 主要工艺系统设备及功能
3.1 烟气系统
烟气系统包括烟道、烟气挡板、密封风机和GGH等关键设备。吸收塔入口烟道及出口至挡板烟道的烟气温度较低且含湿量较大，容易对烟道产生腐蚀，需进行防腐处理。
烟气挡板是脱硫装置进入和退出运行的重要设备，分为FGD主烟道烟气挡板和旁路烟气挡板。前者安装在FGD系统的进出口，由双层烟气挡板组成，当关闭主烟道时，双层烟气挡板之间连接密封空气，以保证FGD系统内的防腐衬胶等不受破坏。旁路挡板安装在原锅炉烟道的进出口。当FGD系统运行时，旁路烟道关闭，这时烟道内连接密封空气。旁路烟气挡板设有快开机构，保证在FGD系统发生故障时能迅速打开旁路烟道，以确保锅炉的正常运行。
经湿法脱硫后的烟气从吸收塔出来温度一般在55℃～65℃，含有饱和水汽、残余的SO2、SO3、HCl、HF、NOX，其携带的SO42-、SO32-盐等会结露，如不经过处理直接排放，易形成酸雾，且将影响烟气的抬升高度和扩散。为此，湿法FGD系统通常配有GGH烟气再热装置。GGH是蓄热加热工艺的一种，它用未脱硫的热烟气（130℃～150℃）加热已脱硫的烟气，一般加热到72℃左右，然后排放，以避免低温湿烟气腐蚀烟道、烟囱内壁，并可提高烟气抬升高度。GGH是湿法脱硫工艺的一项重要设备，由于热端烟气含硫量最高、温度高，而冷端烟气温度低、含水率大，故GGH的烟气进出口均需采用耐腐蚀材料，如搪玻璃、柯登钢等，传热区一般用搪瓷钢。另外，从电除尘器出来的烟气温度高达130℃～150℃，因此进入FGD前要经过GGH降温器降温，避免烟气温度过高，损坏吸收塔的防腐材料和除雾器。
3.2 吸收系统
吸收系统的主要设备是吸收塔，它是FGD设备的核心装置，系统在塔中完成对SO2、SO3等有害气体的吸收。湿法脱硫吸收塔有许多种结构，如填料塔、湍球塔、喷射鼓泡塔、喷淋塔等等。其中喷淋塔因为具有脱硫效率高、阻力小、适应性强、可用率高等优点而得到较广泛的应用。因此目前喷淋塔是造纸白泥-石膏湿法烟气脱硫工艺中的主导塔型。
喷淋层设在吸收塔的中上部，吸收塔浆液循环泵对应各自的喷淋层。每个喷淋层都是由一系列喷嘴组成，其作用是将循环浆液进行细化喷雾。一个喷淋层包括母管和支管，母管的侧向支管成对排列，喷嘴布置在其中。喷嘴的这种布置安排可在吸收塔断面上实现均匀的喷淋效果。
吸收塔循环泵将塔内的浆液循环打入喷淋层，为防止塔内沉淀物吸入泵体造成泵的堵塞或损坏及喷嘴的堵塞，循环泵前都装有网格状不锈钢滤网。单台循环泵出故障时，FGD系统可正常运行，若全部循环泵均停运，FGD系统将保护性停运，烟气走旁路。
氧化空气系统是吸收系统内的一个重要部分，氧化空气的功能是保证在吸收塔反应池内生成石膏。氧化空气注入不充分将会引起石膏生成的不完善，还可能导致吸收塔内壁的结垢，因此，对该部分的优化设置对提高系统的脱硫效率和石膏的品质尤为重要。
吸收系统还包括除雾器及其冲洗设备，吸收塔内最上面的喷淋层上部设有二级除雾器，由阻燃聚丙烯材料制成，主要用于分离由烟气携带的液滴。
3.3 浆液制备系统
碱回收车间提供合格的造纸白泥浆液。通常要求90%的粒度小于325目。
3.4 石膏脱水系统
石膏脱水系统包括水力旋流器和真空皮带脱水机等关键设备。水力旋流器为石膏浆液的一级脱水设备，其利用了离心力加速沉淀分离的原理，浆液流切向进入水力旋流器的入口，使其产生环形运动。粗大颗粒富集在水力旋流器的周边，细小颗粒则富集在中心。已澄清的液体从上部区域溢出（溢流），而增稠浆液则从底部流出（底流）。真空皮带脱水机将已经水力旋流器一级脱水后的石膏浆液进一步脱水至含固率达到90%以上。
3.5 排放系统
排放系统主要由事故浆池、区域浆池及排放管路组成。
3.6 热工自控系统
为了保证烟气脱硫效果和烟气脱硫设备的安全经济运行，系统装备了完整的热工测量、自动调节、控制、保护及热工信号报警装置。其自动化水平将使运行人员无需现场人员配合，在控制室内即可实现对烟气脱硫设备及其附属系统的启、停及正常运行工况的监视、控制和调节，系统同时具备异常与事故工况时的报警、连锁和保护功能。
4 脱硫吸收塔技术特点
（1）高速气流设计增强了物质传递能力，降低了系统的成本，标准设计烟气流速达到4.0m/s。
（2）技术成熟可靠，系统可利用率达到95%。
（3）系统采用最优的塔体尺寸，平衡了SO2去除与压降的关系，使得资金投入和运行成本达到最低。
（4）吸收塔液体再分配装置，可有效避免烟气爬壁现象的产生，提高经济性，降低能耗。
5 系统技术性能
（1）脱硫效率高达95%以上，有利于地区和电厂实行总量控制。
（2）技术成熟，设备运行可靠性高。
（3）单塔处理烟气量大，SO2脱除量大。
（4）适用于任何含硫量的煤种的烟气脱硫。
（5）对锅炉负荷变化的适应性强（30%～100%BMCR）。
（6）设备布置紧凑，减少了场地需求。
（7）处理后的烟气含尘量大大减少。
（8）造纸白泥脱硫，以废治废，是发展循环经济的有力举措。
（9）脱硫副产物（石膏）便于综合利用，经济效益显著。
6 造纸白泥脱硫技术的特点及应用
造纸白泥做为脱硫剂具有较高的脱硫效率，脱硫效率大于90%，可以满足环保要求。
该技术项目结构由烟气SO2吸收和吸收液再生循环使用两部分装置组成。吸收装置可用花岗岩砌筑也可用钢制，内装吸收用的多层雾化喷头和气水分离用的组合部件。该技术利用造纸废弃物白泥的脱硫原理（白泥的主要成分为碳酸钙），利用清液中大量的水吸收烟气中的SO2，吸收后将主要成分为亚硫酸的废液排入再生池，用白泥与亚硫酸进行中和反应生成亚硫酸钙，然后通过对亚硫酸钙进行氧化使之生成硫酸钙和带结晶水的硫酸钙沉淀而被去除。同时，亚硫酸溶液在与亚硫酸钙中和的过程中，会在不同条件下生成亚硫酸氢钙，从而使溶液的pH得到一定的调剂。该工艺可替代碱法脱硫的主要消耗物—氧化钙，达到变废为宝、以废治废、大幅降低运行成本的目的。如果装置配置XZXL型高效喷雾脱硫除尘实用专利技术（200520096265.2），更可同时解决管系的结垢问题并提高脱硫效率。简易湿法脱硫效率可达85%以上，有很好的推广应用价值。脱硫程序如图2所示。
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2004年广西国发林业造纸有限公司应用该技术对2台20t/h锅炉利用白泥简易脱硫，截至2008年8月，该系统已连续运行4年多，该公司脱硫效率达到70%，取得了较好的效果。山东华泰清河纸业25MW机组利用造纸白泥脱硫工程于2007年8月20日建成并投入运行，二氧化硫排放浓度＜150mg/Nm3，脱硫效率达到96%。
7 结语
（1）我国是世界上最大的煤炭消费国，绝大多数锅炉都是以煤为燃料，锅炉配置现状为中小型居多、低效率或无配置环保装置居多。一台65t/h燃煤锅炉运行一年产生的SO2总量为900～1200t。全国未配套脱硫除尘装置的中小型锅炉有几十万台，已成为大气的主要污染源。据不完全统计，我国每年向大气排放的SO2总量达2000多万吨，全国国土的酸雨面积已占1/3，而且还在增加，每年因此而造成的国民经济损失已超过1100亿元。利用造纸白泥-石膏湿法脱除燃煤锅炉二氧化硫工艺技术是根据市场主流需求而研发，其推广应用，有利于加快大气污染防治步伐。大幅度提高企业对社会的贡献率。
（2）该装置是国内第一台完全概念的造纸白泥脱硫装置。该技术产品适用于10～220t/h各型燃煤锅炉的脱硫除尘。根据目前国内现有锅炉配置的基本情况和该产品技术具有的明显优势，产品推广应用前景广阔，具有明显的环境效益、社会效益和经济效益。
（3）造纸白泥-石膏法烟气脱硫技术是一项成熟可靠、投资少、占地、系统简单、运行方便、脱硫效率高、无二次污染、运行费用低、完全资源化、副产物价值高的烟气脱硫技术，经济、社会、环保效益明显，特别适合我国国情，有很好的推广应用价值。
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