鍋爐煙氣中回收SO2制焦亞硫酸鈉技術的應用

吳家禹，劉大華，許蕓，徐延忠

工藝與裝備

鍋爐煙氣中回收SO2制焦亞硫酸鈉技術的應用

吳家禹1，劉大華2，3，許蕓4，徐延忠2，3

（1. 北京國電電力有限公司大連開發區熱電廠， 遼寧 大連 116600； 2. 江蘇德義通環?？萍加邢薰?， 江蘇 南京 210000；3. 南京市硫資源化工程技術研究中心， 江蘇 南京 210000； 4. 國電環境保護研究院有限公司， 江蘇 南京 210000）

基于大連某燃煤鍋爐煙氣“干式炭基催化法”示范工程的SO2資源化制焦亞硫酸鈉項目，通過系統的工藝計算及優化，完成了SO2資源化制焦亞硫酸鈉項目的工藝流程搭建和主要設備選型。工程應用結果表明：產出的焦亞硫酸鈉純度為96.8%（第三方檢測結果），系統對SO2的吸收效率為99.9%（第三方檢測結果），純堿回收率約99.8%，尾氣中粉塵含量約為7.6 mg·Nm-3。該項目流程設計和設備選型合理，達到預期效果，值得在行業內推廣。

焦亞硫酸鈉；燃煤鍋爐煙氣；SO2資源化；干式炭基催化法

隨著我國燃煤鍋爐煙氣排放和脫硫副產物固廢排放的要求越來越嚴格，以及從煙氣中回收硫資源具有較好的經濟價值，在鍋爐煙氣脫硫工藝中選擇可回收煙氣中SO2的資源化工藝正在被研究和應用[1-4]。其中，“干式炭基催化法”煙氣處理工藝可以多污染物協同控制[5-8]，并可以將煙氣中的SO2資源化回收用于生產焦亞硫酸鈉化工產品，該化工產品市場需求旺盛，應用前景廣闊。

本文基于大連某燃煤鍋爐煙氣“干式炭基催化法”示范工程的SO2資源化制焦亞硫酸鈉項目，根據煙氣條件、高濃度SO2再生氣體條件和焦亞硫酸鈉產品品質要求，通過系統的工藝計算及優化，完成了SO2資源化制焦亞硫酸鈉項目的工藝流程搭建、主要設備選型與項目工程建設。實際工程投運結果表明，該項目工程設計合理、設備選型得當、SO2吸收利用效率和產品品質優于設計要求，可為燃煤鍋爐煙氣類似SO2資源化制焦亞硫酸鈉裝置的設計和應用提供經驗借鑒。

1 設計條件

大連某燃煤鍋爐“干式炭基催化法”煙氣處理示范工程，煙氣量約200 000 m3·h-1，煙氣中SO2含量約2 000 mg·Nm-3，經過示范工程解吸產出的高濃度SO2再生氣體成分參數如表1。

本項目設計要求：在正常工況下，SO2吸收利用效率大于98.5%，產品品質達到HG/T 2826—2008《工業焦亞硫酸鈉》一等品質量（純度不小于95.0%）。

2 反應原理

焦亞硫酸鈉（Na2S2O5）為白色或微黃色結晶粉末，相對密度1.4，溶于水。受潮易分解，露置空氣中易氧化成硫酸鈉，加熱到150 ℃分解。作為化工原料或抗氧化劑，該產品廣泛應用于醫藥、造紙、食品、印染、橡膠、冶金和廢水處理等工業和行業[9-13]，市場前景非常廣闊。

表1 高濃度SO2再生氣體成分參數表

注：氣體溫度約400 ℃，N2為惰性氣體。

焦亞硫酸鈉的基本生產原料為SO2氣體及工業純堿，本項目中SO2氣體來源于“干式炭基催化法”煙氣處理示范工程的炭基催化劑解吸的再生氣體，需要經過凈化后才能用于生產。焦亞硫酸鈉的生產過程包括如下幾個步驟：將SO2氣體通入純堿漿液中產生亞硫酸鈉氫鈉，見化學反應式（1）；亞硫酸氫鈉漿液中再加純堿生成亞硫酸鈉，見化學反應式（2）；亞硫酸鈉再與SO2氣體反應又生成亞硫酸氫鈉，見化學反應式（3）；當溶液中亞硫酸氫鈉含量達到飽和濃度時加合適的反應條件，兩分子亞硫酸氫鈉縮合反應減去一分子水，產生焦亞硫酸鈉晶體[12-14]，見化學反應式（4）。通過離心機對含有焦亞硫酸鈉晶體的漿液進行離心分離得到焦亞硫酸鈉濕料，在通過脈沖氣流干燥系統和包裝系統，得到焦亞硫酸鈉固體產品。

Na2CO3+ 2SO2+ H2O = 2NaHSO3+ CO2（1）

Na2CO3+ 2NaHSO3= 2Na2SO3+ CO2+ H2O （2）

Na2SO3+ SO2+ H2O = 2NaHSO3（3）

2NaHSO3= Na2S2O5+ H2O （4）

3 工藝流程

本項目工藝流程如圖1，整個工藝流程包括5個系統：再生氣體凈化系統、焦亞硫酸鈉反應系統、離心分離干燥包裝系統、配堿系統和尾氣處理系統。

圖1 本項目工藝流程圖

3.1 再生氣體凈化系統

“干式炭基催化法”煙氣處理示范工程解吸的再生氣體溫度約400 ℃，主要用于焦亞硫酸鈉生產的成分為SO2，但再生氣體含有大量雜質，包括CO2、NH3、SO3、HCl、HF和碳粉等，所以在再生氣體進入焦亞硫酸鈉反應系統之前必須凈化除雜。本項目采用“高效文丘里一級塔和增強填料二級塔”兩級凈化方式，將再生氣體中的雜質去除，得到較為純凈的SO2氣體作為焦亞硫酸鈉的反應原料。

3.2 焦亞硫酸鈉反應系統

本項目采用江蘇南京某科技公司的“高效低阻三級反應系統”技術（反應器命名為：A、B和C）。SO2氣體與堿性漿液為多次逆流接觸，SO2氣體的流經路線為：A→B→C，堿性漿液的路線為：C→B→A。另外，該反應器的特點是：吸收效率高達99.5%以上，氣體阻力低至單臺反應器3 kPa（傳統的反應釜式阻力單臺約15～20 kPa），反應系統的高效低阻特性保證了整個系統的高效平穩運行，反應合成的帶有焦亞硫酸鈉晶體的漿液進入離心分離干燥包裝系統。

3.3 離心分離干燥包裝系統

來自焦亞硫酸鈉反應系統含有晶體的漿液首先進入濃縮結晶器，經過充分的提濃和養晶后進入離心機，離心后的母液進行配堿回用于焦亞硫酸鈉的生產系統，離心后的固體焦亞硫酸鈉（含水率約6%～8%）進入氣流脈沖干燥機，將焦亞硫酸鈉固體干燥至含水率小于1.0%，然后通過包裝機包裝成袋裝焦亞硫酸鈉商品。

3.4 配堿系統

配堿系統用于給整個焦亞硫酸鈉的生產提供純堿漿液，以保證SO2的吸收利用效率。經過離心機離心后的清液（母液）進入配堿系統，通過再次加入純堿變成漿液，通過給料泵打入第三級反應器，作為反應系統的補液，同時，如果系統中水消耗變少，在配堿過程中也進入適量的除鹽水以向系統補充水。

3.5 尾氣處理系統

焦亞硫酸鈉反應系統的反應尾氣和干燥焦亞硫酸鈉的干燥尾氣匯總后，通過布袋收塵器出去氣體中帶有的焦亞硫酸鈉粉，使尾氣中粉塵小于10 mg·Nm-3，該尾氣回至“干式炭基催化法”煙氣處理示范工程入口煙道或電廠現有的脫硫系統前，與原煙氣一起進入煙氣處理系統進行處理，故焦亞硫酸鈉系統無廢氣排放。

4 工藝設備選型

4.1 工藝設計參數

本項目確定的主要工藝設計參數如表2，以該工藝設計參數為條件，通過工藝計算，確定優化的工藝流程和主要設備選型。

表2 主要工藝設計參數表

4.2 設備選型

根據工藝參數和工藝計算，本項目焦亞硫酸鈉裝置的主要設備選型參數如表3。

5 工程應用情況

該工程于2021年8月開始設計，2022年2月底調試完成正式投運，投運后系統一直運行穩定可靠，運行結果為：所生產的產品焦亞硫酸鈉品質純度96.8%（第三方檢測結果），系統對SO2的吸收效率為99.9%（第三方檢測結果），純堿回收率約99.8%，尾氣SO2體積分數濃度約0.02%，尾氣中粉塵含量（經布袋除塵器后）約為7.6 mg·Nm-3，該項目運行工藝指標達到并優于設計值，滿足協議規定的要求。

6 結論

基于大連某燃煤鍋爐煙氣“干式炭基催化法”示范工程的SO2資源化制焦亞硫酸鈉項目，通過系統的工藝計算及優化，完成了SO2資源化制焦亞硫酸鈉項目的工藝流程搭建、主要設備選型與項目工程建設。

表3 主要設備選型規格表

裝置投運后，產品品質、對SO2的吸收率、純堿回收率、尾氣中SO2體積濃度和尾氣中粉塵含量等各項指標均達到或優于設計要求，具有突出的環境價值和可觀的資源化回收經濟價值，該項目的成功應用給燃煤鍋爐煙氣中的SO2資源化利用提供了方向，值得在行業內推廣。

［1］樊騰飛,邢德山,孟春強,等. 煙氣吸附脫硫用活性焦著火原因及影響因素[J].中國環保產業,2018(1):24-27.

［2］蒲鵬飛. 活性焦干法煙氣脫硫技術及其在大容量燃煤機組中的應用[J]. 環境工程,2014(32)增:488-492.

［3］梁磊,徐大勇,吳桂香，等. 130t/h燃氣鍋爐煙氣活性焦脫硫裝置構建及系統性能研究[J]. 東北電力技術,2022,43(2):1-5.

［4］曲智斌,孫飛,皮信信，等. 碳材料對燃煤煙氣硫脫除及資源化研究進展[J]. 潔凈煤技術,2020,26(1):153-163.

［5］柴曉琴,薛建明,吳春強，等. 炭基催化法煙氣處理技術在我國電力行業的應用探討[J]. 電力科技與環保, 2021,37(1):24-27.

［6］谷建功,孟春強,邢德山，等. 炭基催化法煙氣凈化系統密封性能的控制研究[J]. 電力科技與環保, 2019,35(2):53-55.

［7］程文煜,劉夢寧,邢德山，等. 燃煤電站炭基催化法再生熱源方案的經濟性分析[J]. 動力工程學報, 2021,41(7):558-563.

［8］程文煜,邢德山,薛建明，等. 燃煤電站炭基催化法脫硫脫硝工藝參數分析[J]. 環境工程, 2019,37(4):112-116.

［9］陳益平,趙瑞芝,汪吉艮，等. 硼氫化鈉/焦亞硫酸鈉還原體系用于染料剝色的機理分析[J]. 印染助劑, 2022,39(4):20-23.

［10］田春友,鐘先林,張曉峰，等. 從剛果(金)銅鈷氧化礦中還原酸浸銅和鈷[J]. 濕法冶金, 2021,40(5):370-372.

［11］李紅,孫輝,張沖，等. 焦亞硫酸鈉-石灰法處理含鉻廢水的研究[J]. 遼寧化工, 2020，49（6）:631-633.

［12］孫軼,吳青. 焦亞硫酸鈉及其生產工藝[J]. 上?；?2001(2):16-18.

［13］牛宏順,劉治保,黃順興，等. 硫鐵礦制焦亞硫酸鈉生產技術[J]. 安徽化工, 2015,41(3):38-40.

［14］李明波,宋靜,徐夢. 煙氣二氧化硫制焦亞硫酸鈉反應器的優化研究[J]. 節能與環保, 2022(1):54-56.

Application of Technology Using Recovered Sulfur Dioxide From Boiler Flue Gas to Produce Sodium Metabisulfite

1,2,3,4,2,3

(1. Beijing GD Power Dalian Development Area Co-Generation Power Plant, Dalian Liaoning 116600, China; 2. Jiangsu Deyitong Environmental Protection Technology Co., Ltd., Nanjing Jiangsu 210000, China; 3. Nanjing Sulfur Resource Recycling Engineering technology Research Center, Nanjing Jiangsu 210000, China; 4. Guodian Environmental Protection Research Institute Co.,Ltd., Nanjing Jiangsu 210000, China)

The project of using recovered sulfur dioxide to produce sodium metabisulfite was constructed based on the demonstration project of “dry carbon-based catalytic method” coal-fired boiler flue gas treatment in Dalian, through systematic process calculation and process optimization, the process construction and main equipment selection of sodium metabisulfite project were completed. The project application results show that, the purity of sodium metabisulfite is 96.8% (third-party detection), the absorption efficiency of sulfur dioxide is 99.9% (third-party detection), the recovery rate of soda ash is 99.8%, and the dust content in exhaust gas is 7.6mg·Nm-3. The project process design and equipment selection are reasonable, the process has achieved the desired effect and is worth promoting in the coal-fired flue gas industry.

Sodium metabisulfite; Coal-fired boiler flue gas; Sulfur dioxide resource utilization; Dry carbon-based catalytic method

國家重點研發計劃資質項目，燃煤電站多污染物協同控制與資源化技術及裝備(項目編號：2017YFC0210200)。

2021-07-26

吳家禹（1990-），男，吉林白城人，研究方向：電廠生產技術及管理工作。

劉大華（1983-），男，碩士，研究方向：大氣污染控制及污染物資源化技術。

TQ06；X701

A

1004-0935（2023）01-0041-04