处理高浓度粉尘的除尘器的选择
密相干塔烟气脱硫技术是由北京科技大学环境工程中心开发的一种先进的脱硫工艺。它属于半干法烟气脱硫技术,具有脱硫效率高、无废水产生,而且工艺流程简单、投资运行费用低、占地面积小、运行可靠等优点。该工艺的基本原理是利用干粉状的钙基吸收剂(常用石灰) 在加湿器内进行增湿消化后,进入密相干塔与塔内下行的含二氧化硫烟气进行反应。反应产物是不断循环利用的,因此吸收剂的有效利用率很高。最终产物排出灰仓后由气力输送装置外送,其工艺流程如图1 所示。
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密相干塔烟气脱硫工艺多是应用在处理电厂烟气,本文介绍的是用来处理钢铁厂烧结烟气。除尘器在该系统中是将脱硫剂截留下来进行再循环。进入除尘器的粉尘质量浓度很高,可以达到500～1 000 g/ m3 ,对除尘器的要求很高。
1 脱硫循环灰的物理化学性质
在密相干塔烟气脱硫工艺中,脱硫剂为Ca (OH) 2 ,而脱硫循环灰却含有多种成分,除了有进入脱硫塔烟气中未处理的飞灰以外,还有在脱硫塔中反应生成的硫酸钙、亚硫酸钙、以及过剩的氢氧化钙。
1. 1 粉尘粒径分布
对于本脱硫系统采用的脱硫剂的的粒径是很小的,经过反应及脱硫塔内部的搅动之后,会变得更细,其粒径分布如表1。
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1. 2 粉尘电阻率
脱硫循环灰的成分复杂,对于系统中不同部位的粉尘, 其电阻率是不一样的。根据烧结除尘灰的电阻率大小(如表 2) ,以及加入的脱硫剂和反应生成的产物可以推测出此脱硫工艺的脱硫循环灰的电阻率的范围。
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从密相干塔出来的烟气,即进入除尘器的烟气温度至少要在90 ℃以上,才保证除尘器的出口烟气温度在烟气露点之上10～20 ℃,因此其电阻率至少要在109 数量级。又由于从密相干塔中过来的脱硫循环灰的钙化合物含量高,电阻率会增高很多,可达1010～1012Ω·cm ,考虑到在实际运行中粉料中加入一定量的水分,会使得电阻率变小,但其贡献率是很小的,总体上仍会在109～1011Ω·cm之间变动。
1. 3 其他
脱硫循环灰的含水率一般在1 %～3 %之间,具有较好的流动性,但由于其中CaO 的含量较高,使得其粉尘黏度相对较大。
2 除尘器的选择
随着国家新的环保排放标准的颁布,除尘器能否达到出口排放量≤50 mg/ m3 成为决定干法、半干法烟气脱硫工艺是否可行的关键。近年来,国内外除尘技术得到了迅猛发展,应用在干法、半干法烟气脱硫工艺中的除尘器主要有布袋除尘器和静电除尘器。对于密相干塔烟气脱硫工艺,选择一种比较适合的除尘器是非常重要的。
2. 1 布袋除尘器和静电除尘器的技术性能比较
比较布袋除尘器和静电除尘器的技术性能,可以从适合处理烟气的浓度、不同粒径粉尘的除尘效率、粉尘的电阻率上进行分析。
(1) 处理粉尘浓度。布袋除尘器适合处理各种质量浓度粉尘(最高可达1 000 g/ m3) 、低排放(50 mg/ m3) 的工况;而静电除尘器适合处理粉尘浓度不高、烟气出口浓度要求不是很高的工况。当粉尘质量浓度大于30 g/ m3 时,对静电除尘器需设有预除尘装置[1 ] 。
本脱硫工艺中进入除尘器的粉尘质量浓度可达500～ 1 000 g/ m3 ,选用布袋除尘器是比较合适的,若选用静电除尘器,则需设置预除尘装置,以使进入静电除尘器的粉尘质量浓度在30 g/ m3 以下。
(2) 不同粒径粉尘的除尘效率。对于布袋除尘器,总的除尘效率可以保证大于99. 9 % , 粉尘排放质量浓度在 50 mg/ m3 以下。只是对于粒径为0. 3μm 左右的粉尘,滤料的过滤效率最低。这是因为这一粒径范围的尘粒正处于惯性与拦截作用的下限、扩散捕集作用范围的上限。本脱硫系统中的粉尘粒径在0. 5μm 以下的很少,对除尘效率不会产生大的影响[2 ] 。
而对静电除尘器,用来处理烧结灰, 其分级除尘效率如表3 所示。由表中可以看出, 粉尘的粒径由小变大时, 分级效率先变大后变小然后再变大, 这就说明静电除尘器对一定粒径范围内的粉尘有较大的除尘效率。对烧结灰来说, 1. 366～2. 026μm 范围可能就是适合于电除尘器的粒径范围。粒径分布在3～12μm 的粉尘的除尘效率却低很多,到粒径分布大于12μm以后又略有上升,其原因可能是大于这一粒径的粉尘主要是重力除尘而不是静电除尘。
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对于在密相干塔烟气脱硫工艺中的脱硫循环灰的粒径, 主要分布在2～6μm ,占了85 %左右,而大于12μm 的粉尘占了10 %左右。因此,若应用静电除尘器,其总的除尘效率就相应不会太高,而应用布袋除尘器,其除尘效率仍会保持很高。
(3) 粉尘的电阻率。布袋除尘器对所处理粉尘的电阻率没有要求;静电除尘器适合处理电阻率值在104～1010Ω·cm 的粉尘。如果粉尘的电阻率较高,则导电性能差,应用静电除尘器则会有很多粉尘很难被捕集,容易产生反电晕,使除尘效率降低。
本脱硫工艺中的循环灰的电阻率在109～1011Ω·cm 之间,对于静电除尘器的除尘效率产生一定的影响。
(4) 其他。脱硫循环灰的黏度较大,如果采用静电除尘器,容易使粉尘粘附在收尘极板上,会增加用电负荷。而对布袋除尘器,此粉尘的黏度不会对布袋产生太大影响。
总的来说,布袋除尘器比静电除尘器处理此高浓度粉尘在技术上有一定的优势。根据实际情况,静电除尘器对于处理较高浓度的粉尘,在运行了几年之后,其除尘效率一般都要低于设计除尘效率,使得出口粉尘浓度比设计的出口粉尘浓度大,从而使得烟气排放不一定能达标[2 ] 。
另外,在干法、半干法烟气脱硫工艺中,应用布袋除尘器还可以起到二次脱硫的目的。据研究资料表明,一般认为, 布袋除尘器对脱硫系统脱硫效率的贡献率为10 %～20 %。 Blythe 等人中试表明,布袋除尘器有显著的脱硫效果。虽然静电除尘器也可以起到一定的脱硫效果,但相比布袋除尘器,其对整个系统脱硫效率的贡献率要小得多。
2. 2 布袋除尘器和静电除尘器的经济性能比较
(1) 固定投资。静电除尘器的固定投资一般大于布袋除尘器。当处理风量大于17 000 m3/ h、粉尘质量浓度大于 30 g/ m3 的烟气时,需设预除尘器,以使得入口含尘质量浓度在30 g/ m3 以下,综合起来其固定投资跟布袋除尘器差不多。
对于布袋除尘器,根据所选滤袋材料的不同,其投资费用也是相差很多的,如果采用国外进口、质量好的滤袋,其投资可能还会比静电除尘器高些。
(2) 运行费用。布袋除尘器的运行费用一般比静电除尘器要高,但如果静电除尘器处理高电阻率、高浓度的粉尘时, 由于要保证除尘效率,又要使得出口含尘浓度保持很低,则需进行改进,其运行费用和布袋除尘器就会差不多[3 ] 。
(3) 排污收费。现在调整新的环境政策,实行对总量排污进行收费。对于静电除尘器,其每年的排污费用相比布袋除尘器多出很多,这也是一项很大的支出。
(4) 综合分析。对于处理高浓度、高电阻率的粉尘,从固定投资、运行费用以及排污总量收费等方面进行考虑,布袋除尘器和静电除尘器的综合费用相当。
2. 3 综合比较分析
从技术和经济方面综合分析,对于处理高浓度的粉尘, 如果采用静电除尘器,虽然在今后的运行费用上可能有优势,但在技术上冒着达不到设计除尘效率的风险,也意味着达不到国家要求的烟尘排放标准,将面临巨额罚款甚至停产的危险。
另外,在处理高浓度粉尘上,应用布袋除尘器,其环保效益、社会效益优于静电除尘器;在经济效益上如果处理高电阻率、高浓度粉尘,与静电除尘器相当。因此,对于处理高浓度粉尘,选用布袋除尘器优于静电除尘器。
3 中试试验
试验在某钢铁公司烧结厂进行。本次试验的目的主要是验证密相干塔烟气脱硫工艺在不同的Ca/ S 条件下,测试系统的脱硫效率和出口SO2 浓度,从而找到最佳的Ca/ S ,以及布袋除尘器作为系统的除尘系统,验证其在此脱硫工艺中的适用性。
3. 1 试验装置及参数
密相干塔烟气脱硫工艺的除尘系统包括布袋除尘器本体, W 0. 3/ 8 型空气压缩机(2. 5 kW) 1 台, 0. 2 m3 的储气罐1 台, SAYF 0. 5 型油水分离器1 台。布袋除尘器处理烟气量为2 000～2 500 m3/ h (80 ℃) , 入口烟尘质量浓度≥ 300 g/ m3 ,出口烟尘质量浓度≤50 mg/ m3 ,除尘器设计阻力损失≤1 500 Pa。
3. 2 试验结果及分析
试验从2004 年11 月开始,由于试验是以测试系统的脱硫效率为主,只在试验的最后阶段对除尘系统的除尘效率进行了测试。测量结果如表4。
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在此脱硫工艺中,进入布袋除尘器的粉尘质量浓度达到 300 g/ m3 以上,由于粉尘浓度太高,需调节布袋除尘器过滤风速在比较小的范围内,平均为0. 52 m/ min。在整个试验过程中,布袋除尘器运行正常,滤料完好,除尘效率达99. 99 % 以上,出口质量浓度控制在50 mg/ m3 以内,完全满足排放要求,如表3 所示,系统压力损失在900～1 200 Pa。布袋除尘器的正常运转,保证了整个脱硫中试的顺利进行。
4 结论
本文介绍了密相干塔烟气脱硫工艺,及该工艺对除尘器的要求。通过对常用的布袋除尘器和静电除尘器的技术经济比较,认为布袋除尘器应用在处理高浓度粉尘,且要求低排放的工况时优于静电除尘器。通过在烧结厂进行的脱硫中试进一步验证了布袋除尘器对于整个工艺是完全适用的, 且能达到很好的除尘效果,各方面参数满足要求。因此,对于密相干塔烟气脱硫工艺,选择布袋除尘器作为该脱硫系统的除尘设备是合适的。
参考文献
1 娄金旗,王晓峰. 布袋除尘器在火力发电厂的应用分析. 电力建设,2002 (7) :47～49
2 刘天齐. 三废处理工程技术手册. 第1 版. 北京:化学工业出版社, 2001. 162～178
3 陈彬. 200MW机组烟气脱硫系统方案技术经济比较. 东北电力技术,2004 (12) :6～9
作者简介 周景伟,1979 年生,男,北京科技大学土木与环境工程学院硕士研究生,研究方向:烟气脱硫除尘。
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