半干法煙氣脫硫的研究進(jìn)展

張黎明　李哲

摘 要：文章闡述了半干法煙氣脫硫技術(shù)的研究進(jìn)展，在分析半干法煙氣脫硫存在的問題的基礎(chǔ)上，提出了采用氨水作為脫硫劑進(jìn)行惰性粒子流化床煙氣脫硫。結(jié)果表明，氨法惰性粒子流化床煙氣脫硫效率理想，反應(yīng)器運(yùn)行穩(wěn)定，能夠解決半干法煙氣脫硫存在的部分問題。最后，作者對半干法煙氣脫硫今后的工作方向提出了自己的見解。

關(guān)鍵詞：煙氣脫硫；半干法；氨法

引言

煙氣脫硫按照脫硫方式和產(chǎn)物的處理形式劃分，可分為干法、半干法和濕法3類[1]。近些年來，單純依靠濕法脫硫已經(jīng)不能滿足市場需求。干法和半干法煙氣脫硫因其運(yùn)行可靠、系統(tǒng)簡單等優(yōu)勢，是中小電廠的不錯選擇。

1 典型煙氣脫硫技術(shù)

1.1 濕法煙氣脫硫技術(shù)

在大型電站的煙氣脫硫領(lǐng)域中，濕法煙氣脫硫因其運(yùn)行可靠、適應(yīng)煤種含硫量和機(jī)組負(fù)荷、脫硫效率高等優(yōu)點(diǎn)有著無可替代的地位。但濕法煙氣脫硫系統(tǒng)復(fù)雜、運(yùn)行費(fèi)用高，初期投資大，脫硫產(chǎn)物難于處理等。而且，我國的濕法脫硫更多的是依賴進(jìn)口，GGH、循環(huán)泵、除霧器等設(shè)備的國內(nèi)加工還要假以時(shí)日，這給中小電站和熱電站的煙氣脫硫造成了壓力[2]。

1.2 干法煙氣脫硫技術(shù)

干法煙氣脫硫技術(shù)（DFGD）是采用干態(tài)粉狀脫硫劑與燃煤產(chǎn)生的SO2反應(yīng)來去除煙氣中SO2的。脫硫反應(yīng)和脫硫副產(chǎn)物處理均在干狀態(tài)下進(jìn)行，沒有廢水產(chǎn)生，設(shè)備腐蝕小，煙氣無需再熱，結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)備易于維護(hù)，運(yùn)行費(fèi)用低。但干法脫硫技術(shù)存在脫硫劑利用率低，脫硫效率低等缺點(diǎn)。

1.3 半干法煙氣脫硫技術(shù)

半干法煙脫硫（SDFGD）如今應(yīng)用并不多，但因其兼具干法和濕法脫硫的一些優(yōu)勢，受到人們的廣泛關(guān)注。半干法煙氣脫硫脫硫反應(yīng)速度快，相比于濕法脫硫，有著投資省、工藝簡單等優(yōu)點(diǎn)；當(dāng)鈣硫摩爾比為1.2時(shí)，通過控制絕熱飽和溫度，其脫硫效率達(dá)80%以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于單純的干法煙氣脫硫；同時(shí)具有干法脫硫產(chǎn)物易于處理，無廢水排放的優(yōu)點(diǎn)。

2 半干法煙氣脫硫研究進(jìn)展

2.1 噴霧干燥法脫硫

20世紀(jì)70年代，丹麥NIRO公司開發(fā)了旋轉(zhuǎn)噴霧干燥煙氣脫硫技術(shù)（SDA）。由于霧化液滴很小很均勻，比表面積大，所以反應(yīng)速度快，脫硫效率可達(dá)85%；投資低于濕法工藝；無廢水排放。但SDA塔壁粘結(jié)固體，管道容易堵塞；由于旋轉(zhuǎn)噴霧器轉(zhuǎn)速達(dá)15000-20000r/min，易于損壞，需經(jīng)常更換；脫硫劑的利用率不合理，一些最新的SDA裝置通過研制高效脫硫劑和添加劑、增加再循環(huán)灰系統(tǒng)來提高脫硫劑的利用率[3，4]。

2.2 循環(huán)流化床煙氣脫硫

20世紀(jì)80年代，德國魯奇（Lurgi）公司開創(chuàng)性地將循環(huán)流化床技術(shù)引入到煙氣脫硫中，開發(fā)了一種新型半干法煙氣脫硫技術(shù)-循環(huán)流化床煙氣脫硫（CFBFGD）[5]。該技術(shù)通常與爐內(nèi)噴鈣相結(jié)合，爐內(nèi)未反應(yīng)的CaO進(jìn)入循環(huán)流化床反應(yīng)器，被湍流破碎，增大了與SO2的反應(yīng)面積；而且采用循環(huán)流化床，通過吸收劑的多次再循環(huán)，增長了其與煙氣的接觸時(shí)間，大大提高了脫硫吸收劑的利用率。我國東南大學(xué)、清華大學(xué)等單位對循環(huán)流化床脫硫技術(shù)進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究，并開發(fā)出了一些具有自主知識產(chǎn)權(quán)的脫硫裝置[6，7]，有的已經(jīng)投入運(yùn)行。

2.3 惰性粒子噴動床與惰性粒子流化床煙氣脫硫

20世紀(jì)90年代，為進(jìn)一步解決脫硫劑在反應(yīng)器內(nèi)停留時(shí)間不理想的問題，日本學(xué)者提出了粉末-顆粒噴動床（PPSB）煙氣脫硫的概念。這種脫硫技術(shù)具有很高的脫硫效率，而且脫硫產(chǎn)物易于處理。很多國內(nèi)學(xué)者針對噴動床的形式、脫硫劑的種類、添加劑等對其進(jìn)行了深入研究。張少峰[8，10]等在實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，開發(fā)了一種雙噴嘴矩形導(dǎo)流管噴動床，并研究了添加劑對脫硫效率的影響。

隨后，不少學(xué)者將惰性粒子流化床應(yīng)用于半干法煙氣脫硫技術(shù)中。東南大學(xué)的郭宏偉、袁佳麗等[11]采用毫米級別的惰性粒子進(jìn)行流化床脫硫?qū)嶒?yàn)，研究了鈣硫比、近絕熱飽和溫度、靜止床層高度、惰性粒子粒徑、近絕熱飽和溫度和床層溫度等對脫硫效率的影響，指出近絕熱飽和溫度、鈣硫比是影響脫硫效率的主要因素。加入的惰性粒子能夠明顯提高半干法的脫硫效率。同時(shí)，他們指出煙氣脫硫的床層溫度不得低于70℃，否則容易結(jié)塊。

隨后，金軼風(fēng)[12]將惰性粒子流化床脫硫與鈉堿法結(jié)合，研究了鈉硫比、入口煙氣溫度、惰性粒子粒徑和床層高度等對脫硫效率的影響，并擬合了脫硫效率關(guān)聯(lián)式。這種脫硫方式加快了脫硫反應(yīng)速率，避免了濕法脫硫中的一些問題。

加入惰性粒子進(jìn)行半干法脫硫，其優(yōu)勢體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

（1）反應(yīng)器內(nèi)裝有惰性粒子，顆粒處于流化態(tài)，顆粒的流化使得吸收劑分散均勻，煙氣的溫濕度和SO2濃度均勻；惰性粒子的存在顯著增大了傳熱傳質(zhì)的面積。

（2）吸收劑附著于惰性粒子表面，其停留時(shí)間是煙氣停留時(shí)間的數(shù)百倍。因而，吸收劑的利用率和脫硫效率都很理想。通過降低煙氣速度、增加靜止床層高度、縮小粒子粒徑，停留時(shí)間會相應(yīng)增加。

（3）為保證粒子的流態(tài)化，其運(yùn)行氣速快；脫硫與干燥同時(shí)進(jìn)行，反應(yīng)后產(chǎn)物為干態(tài)。這些都縮小了設(shè)備的體積，非常適合小型電廠的應(yīng)用。

在惰性粒子流化床煙氣脫硫中，采用鈣基脫硫劑容易出現(xiàn)脫硫塔內(nèi)壁積灰、噴嘴磨損、除塵器腐蝕、噴嘴磨損、漿液管路堵塞等問題。有些問題在很大程度上是因?yàn)殁}基脫硫劑濃度大、粘度大、流動不暢或者漿液流速過小。

鈣基半干法脫硫的副產(chǎn)物一般是由CaSO3、CaSO4、飛灰以及未反應(yīng)的石灰組成的。在惰性粒子流化床內(nèi)，脫硫與干燥同時(shí)進(jìn)行；反應(yīng)產(chǎn)物在經(jīng)過干燥后，有一部分不能及時(shí)排出，而是以固體的形式貼在脫硫塔內(nèi)壁，這種情況會隨著脫硫的進(jìn)行愈發(fā)嚴(yán)重，最終造成脫硫塔流通的橫截面積減小，導(dǎo)致煙氣流速增大，在塔內(nèi)的停留反應(yīng)時(shí)間減小，脫硫效率降低。

2.4 氨法脫硫與惰性粒子流化床煙氣脫硫

鈣基脫硫劑使得半干法脫硫的應(yīng)用很受限制。而氨也是一種良好的堿性吸收劑，其堿性要強(qiáng)于鈣基（石灰石、石灰）。從吸收化學(xué)機(jī)理上分析，SO2的吸收屬于酸堿中和反應(yīng)，脫硫吸收劑的堿性越強(qiáng)，越有利于SO2的吸收。從傳質(zhì)理論的角度分析，鈣基吸收劑吸收SO2屬于氣固反應(yīng)，反應(yīng)速度相對緩慢，反應(yīng)不完全，吸收利用率低。所以，很多脫硫技術(shù)的改進(jìn)也是針對脫硫劑的細(xì)化、霧化、循環(huán)等方面，這勢必會增加系統(tǒng)的復(fù)雜程度和能耗。而氨氣與SO2的反應(yīng)屬于氣-液或氣-氣反應(yīng)，其反應(yīng)速率比鈣基快，吸收利用率也會相應(yīng)提升。單純考慮吸收反應(yīng)過程，氨法脫硫的吸收設(shè)備體積比鈣基吸收設(shè)備體積小，能耗低。

在半干法煙氣脫硫技術(shù)的基礎(chǔ)上，作者以氨水作為脫硫劑、惰性粒子流化床作為脫硫塔主體就運(yùn)行工況的穩(wěn)定性、運(yùn)行參數(shù)對脫硫效率的影響等作為基本研究內(nèi)容，分析其可行性，并尋求氨法脫硫相對于鈣基半干法煙氣脫硫的優(yōu)勢與不足。具體研究內(nèi)容如下：

（1）氨法脫硫原理研究。分析了NH3、SO2和H2O的反應(yīng)機(jī)理，提出了包括氨硫比、近絕熱飽和溫度、煙氣停留時(shí)間等影響氨法脫硫的主要因素，并從脫硫效率與裝置運(yùn)行等方面具體分析了這些影響因素。

（2）實(shí)驗(yàn)研究。通過氨法脫硫?qū)嶒?yàn)，采用單因素確定法來分析各運(yùn)行參數(shù)（氨硫摩爾比、近絕熱飽和溫度、床層溫度、床層高度、入口SO2濃度、惰性粒子直徑）對脫硫效率的影響，并擬合了脫硫效率關(guān)聯(lián)式。

（3）建立數(shù)學(xué)模型。采用雙膜傳質(zhì)理論，以前人研究為基礎(chǔ)，結(jié)合氨法脫硫的具體特征，提出了氨法惰性粒子流化床煙氣脫硫反應(yīng)數(shù)學(xué)模型。通過計(jì)算與實(shí)驗(yàn)值比較后，驗(yàn)證了模型的合理性。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，氨法惰性粒子流化床脫硫效率明顯高于鈣基半干法煙氣脫硫。當(dāng)床溫85℃，氨硫比為2，近絕熱飽和溫度15-20℃，惰性粒子粒徑2mm，床層高度80mm，入口SO2濃度700ppm時(shí)，脫硫效率達(dá)到90%。影響趨勢：床溫越高，氨硫比越高，近絕熱飽和溫度越低，惰性粒子粒徑越小，床層高度越高，更有利于提高脫硫效率。

3 結(jié)束語

半干法煙氣脫硫能夠克服濕法脫硫工藝復(fù)雜、成本高的問題，對小型電廠脫硫設(shè)備的建設(shè)提供了引導(dǎo)意義。但是，半干法煙氣脫硫工藝容易出現(xiàn)粘壁、脫硫效率不穩(wěn)定等問題，因此，許多學(xué)者提出了采用惰性粒子為載體，使脫硫劑與煙氣在其表面完成脫硫過程，或者選用氨水作為脫硫劑，試圖解決鈣基脫硫劑進(jìn)行脫硫存在的問題。雖然這些研究取得了一定的效果，但是，要將這些研究具體進(jìn)行大規(guī)劃工業(yè)應(yīng)用，還存在不小的阻力。氨水雖然脫硫效率高，更不容易黏壁、堵塞，但是，氨本身價(jià)格就遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于鈣基脫硫劑。因此，要解決上述一系列問題，還需要大量的研究去做，如下：

（1）進(jìn)一步對脫硫裝置結(jié)構(gòu)本身進(jìn)行探討和優(yōu)化。（2）尋求更為優(yōu)良的脫硫劑，解決其與成本之間的矛盾。（3）如何將干法煙氣脫硫具體應(yīng)用于大型電站鍋爐。

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作者簡介：張黎明（1986-），男，山東濰坊，研究實(shí)習(xí)員，碩士研究生，研究方向：煙氣脫硫。