旋轉(zhuǎn)噴霧干燥法煙氣脫硫的工藝技術(shù)研究

韓松 ，李雄飛 ，靳虎 ，梁雪琪，康瑞龍

（1.西安航天動力研究所，西安 710100；2.西安航天源動力工程有限公司，西安 710100）

SDA 技術(shù)屬于典型的半干法煙氣脫硫工藝，即脫硫劑以漿液形式在脫硫塔內(nèi)與煙氣中的SO2等酸性氣體進(jìn)行接觸、吸收、凈化，并進(jìn)行溶劑水的蒸干，其產(chǎn)物亞硫酸鈣等以干態(tài)顆粒狀被布袋除塵器過濾攔截。

1 SDA 技術(shù)的反應(yīng)原理

SDA 技術(shù)通常選用Ca(OH)2漿液（質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～20%）作為脫硫劑。因Ca(OH)2在水中溶解度較低，配置成的脫硫劑漿液為飽和的Ca(OH)2溶液（電離成Ca2+和OH-）和含Ca(OH)2顆粒的液/固二相流體。Ca(OH)2漿液在脫硫塔內(nèi)被SDA 系統(tǒng)的霧化器分散成大量微細(xì)的含Ca(OH)2的液滴，并附著在Ca(OH)2顆粒上（以下簡稱液膜顆粒）與煙氣接觸。煙氣中的SO2等酸性氣體溶解于該液滴內(nèi)，遇水形成的H2SO3在液相環(huán)境下電離成H+和SO32-，并與液滴中的Ca2+、OH-進(jìn)行反應(yīng)。伴隨著Ca(OH)2和H2SO3反應(yīng)不斷進(jìn)行，液滴中的反應(yīng)物濃度不斷下降，促進(jìn)了氣相的SO2和固相的Ca(OH)2向液滴擴(kuò)散及反應(yīng)，該過程屬于離子反應(yīng)，據(jù)文獻(xiàn)介紹，其有50%以上[1]的脫硫率。一定時間后，產(chǎn)物CaSO3因溶解度較小容易過飽和結(jié)晶而析出固體，停留在Ca(OH)2顆粒表面，同時高溫環(huán)境也在不斷蒸干液滴，加快了CaSO3固體的析出，而固態(tài)產(chǎn)物CaSO3被包裹在顆粒表面，不利于SO2與Ca(OH)2進(jìn)一步反應(yīng)，以上離子反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)镾O2（g）和Ca(OH)2（s）的氣/固兩相分子反應(yīng)，直至固體顆粒被布袋除塵器攔截從而使氣/固兩相分離。在濾布表面形成“疏松”的固體顆粒層因含有未反應(yīng)的Ca(OH)2會與流經(jīng)該顆粒層的煙氣繼續(xù)反應(yīng)，形成典型的“固定床反應(yīng)器”。伴隨著產(chǎn)物CaSO3的生成，會有少量CaSO3與氧氣反應(yīng)產(chǎn)生CaSO4。在氣/固兩相接觸過程中，存在SO3、HCl 等酸性氣體的脫除，脫除率達(dá)95%以上[1]，可實現(xiàn)多種污染物的聯(lián)合脫除效應(yīng)。

涉及的主要反應(yīng)方程式如下：

2 SDA 系統(tǒng)的工作過程

位于塔頂?shù)腟DA 煙氣脫硫的核心設(shè)備——旋轉(zhuǎn)霧化器，將配置好的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～20%的消石灰漿液在霧化盤（即霧化器下部的旋轉(zhuǎn)噴液轉(zhuǎn)盤）的高速離心帶動下由霧化盤側(cè)邊噴孔噴出，形成無數(shù)個微細(xì)的帶液膜顆粒。伴隨著離心力作用，帶霧膜的顆粒以霧化器為中心順時針離心運(yùn)動，同時在凈重力和氣相流動下作沉降運(yùn)動，即不考慮煙氣流動干擾下，每個液膜顆粒向下作螺旋線運(yùn)動。來自上游系統(tǒng)的高溫?zé)煔鈴拿摿蛩敳康奈仛ば蜔煹狼邢蛐D(zhuǎn)進(jìn)入脫硫塔內(nèi)，形成與顆粒反方向的螺旋運(yùn)動，包裹在霧化器霧化區(qū)域的外圍，與顆粒進(jìn)行逆向接觸并一起向下流動，同時在微細(xì)顆粒載體上的液膜內(nèi)實現(xiàn)對SO2的高效脫除。脫硫塔內(nèi)因大顆粒在凈重力和流場作用下落到塔底錐形灰斗中，而微小顆粒在煙氣的裹挾下進(jìn)入布袋除塵器系統(tǒng)，在布袋微孔過濾下形成濾餅停留在布袋外側(cè)，而經(jīng)過布袋過濾后的達(dá)標(biāo)煙氣外排。在布袋外側(cè)形成的“疏松”的濾餅層作為固定床反應(yīng)器，有15%～30%的脫硫率[1]。

當(dāng)處理大煙氣量時，煙氣可分為上、下兩部分進(jìn)入脫硫塔，上部煙氣依然從塔頂?shù)奈仛ば蜔煹肋M(jìn)入，下部煙氣由塔中部設(shè)置的中心導(dǎo)流筒導(dǎo)向旋轉(zhuǎn)噴霧器處。依賴中心導(dǎo)流筒的逆時針導(dǎo)流作用，下部煙氣在霧化區(qū)域下方與液膜顆粒逆向接觸，并在流動慣性下短暫地向上進(jìn)行螺旋運(yùn)動，與上部煙氣形成對液膜顆粒的“兩面夾擊”。下部煙氣減弱了單獨(dú)以上部煙氣對霧化區(qū)域的“壓縮”效應(yīng)，增加了霧化區(qū)域“噴霧錐”的角度，延長了液膜顆粒在塔內(nèi)的停留時間，尤其在處理大煙氣量時，兩股煙氣的配合可全面快速地實現(xiàn)煙氣與液膜顆粒的充分混合，強(qiáng)化了摻混過程，在顆粒干燥前實現(xiàn)了快速反應(yīng)。同時在處理大煙氣量時，可選用布袋除塵器和塔底的灰斗收集部分脫硫灰配制漿液實現(xiàn)灰的再循環(huán)。在外界輸運(yùn)及溶解攪拌作用下，可將脫硫灰中未反應(yīng)的Ca(OH)2表面包裹的產(chǎn)物剝離，暴露出Ca(OH)2的反應(yīng)活性表面，與一定量的新鮮Ca(OH)2漿液一并加入脫硫塔內(nèi)。灰的再循環(huán)利用具有以下優(yōu)點(diǎn)：1）有利于成倍提高塔內(nèi)真實鈣硫比來加大反應(yīng)效率和加快反應(yīng)速率，而有再循環(huán)過程比無再循環(huán)過程的脫硫效率要高10%以上[1]；2）有利于離子反應(yīng)過程中因產(chǎn)物覆蓋而未反應(yīng)的Ca(OH)2重新返回系統(tǒng)內(nèi)，延長脫硫劑的停留時間，提高脫硫劑的利用率；3）提高塔內(nèi)顆粒濃度改善噴霧液滴的附著情況，而每個帶液膜的顆粒作為反應(yīng)的載體有利于脫硫反應(yīng)的進(jìn)行，同時也改善了塔內(nèi)傳熱傳質(zhì)的環(huán)境，降低了塔壁結(jié)垢的可能性。

根據(jù)煙氣參數(shù)（需脫除的SOx等酸性氣體量）和給定的鈣硫比，計算脫硫劑的供給流量，通過供給管路上的流量計和調(diào)節(jié)閥簡單靈活調(diào)整流量，多余流量隨回流管線返回到漿液箱。噴入塔內(nèi)的脫硫劑漿液在塔內(nèi)高溫?zé)煔獾恼舭l(fā)下，實現(xiàn)干態(tài)排料。出塔溫度越低越有利于脫硫，但煙溫過低可能導(dǎo)致設(shè)備腐蝕。出塔煙氣溫度除了與入塔煙氣溫度、煙氣組分、脫硫劑用量有關(guān)，還與冷卻水用量有關(guān)，通過噴入體系中的冷卻水來吸收煙氣的顯熱從而實現(xiàn)煙氣的降溫。

3 SDA 技術(shù)的脫硫影響因素[1]

3.1 液滴粒徑

理論上，良好的霧化效果和微細(xì)的液滴粒徑有利于脫硫和液滴干燥，但干燥時間越短，高效率的液相離子反應(yīng)越會提前終止轉(zhuǎn)為低效率的氣固分子反應(yīng)，合理的液滴粒徑是確保高效脫硫的前提。文獻(xiàn)資料顯示，粒徑在50μm 以下時脫硫效率隨著粒徑增大而迅速增大；粒徑在50～100μm 時，脫硫效率隨著粒徑增加的增長有限，故液滴粒徑在50～100μm 時最為合理。

3.2 停留時間

煙氣和脫硫劑的接觸時間對脫硫效率影響較大。一般煙氣在塔內(nèi)停留時間為10～12s，而高效率離子反應(yīng)時間僅為1～2s，其余時間塔內(nèi)進(jìn)行分子反應(yīng)。為了提高脫硫效率，可通過優(yōu)化液滴粒徑、塔尺寸等方式實現(xiàn)在避免塔壁結(jié)垢的同時延長離子反應(yīng)時間長度。

對θ面上每一個單元均可以建立式(38)那樣的方程。這些方程需要聯(lián)立起來，形成全局有限元方程。全局有限元方程的形式與式(38)相同，只是其中的系數(shù)矩陣是與θ面上的所有單元有關(guān)。把單元有限元矩陣組合成全局有限元矩陣，其方法與普通有限元是相同的。全局有限元方程依然由式(38)來表示，此時q(θ，t)是θ面上所有節(jié)點(diǎn)位移所構(gòu)成的列向量。

3.3 鈣硫比

鈣硫比增加，可增加塔內(nèi)真實鈣硫比，液膜內(nèi)Ca2+濃度也會隨之增大，可有效強(qiáng)化SO2由氣相向液相的傳質(zhì)過程，同時也有利于分子反應(yīng)的進(jìn)行。

3.4 排煙溫度

排煙溫度越接近露點(diǎn)溫度，煙氣含濕量越高，越有利于延長離子反應(yīng)時間。未反應(yīng)的消石灰吸附的水量越多，越有利于分子反應(yīng)。因此，除通過漿液的蒸發(fā)吸熱外，還需額外增加冷卻水來調(diào)節(jié)煙氣溫度降至適宜的范圍內(nèi)。

除此之外，影響SDA 技術(shù)脫硫效率的因素還有入口SO2濃度、入口煙氣溫度、Cl-濃度，以及上述提及的兩股進(jìn)氣方式、脫硫灰再循環(huán)、布袋除塵器的“固定流化床”效應(yīng)等。

4 SDA 技術(shù)的核心設(shè)備性能介紹

SDA 系統(tǒng)霧化液滴粒徑隨噴霧器的轉(zhuǎn)速、供漿量變化的關(guān)系是SDA 運(yùn)行的關(guān)鍵特性之一。隨著轉(zhuǎn)速增加，液滴粒徑隨之減小，在高于某特定轉(zhuǎn)速（如約12 000rpm，該轉(zhuǎn)速與霧化器設(shè)備本身有關(guān)，具體數(shù)據(jù)可查詢供貨商資料）之后粒徑趨于平穩(wěn)[2]，此時粒徑≤100μm，轉(zhuǎn)速進(jìn)一步加大對粒徑影響較小，而提高粒徑會造成設(shè)備投資和運(yùn)行能耗等的大幅增加[1]。綜上分析，考慮到工程造價，將SDA 旋轉(zhuǎn)霧化器控制在某特定轉(zhuǎn)速（略高于臨界轉(zhuǎn)速，約13 500rpm）時，液滴粒徑可控制在合適的范圍內(nèi)，同時對供漿量波動不敏感[2]。霧化器運(yùn)行過程中固定轉(zhuǎn)速（約13 500rpm）可有效避免因頻繁調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速而影響霧化器的壽命。工程應(yīng)用中脫硫負(fù)荷頻繁波動時，可簡單地調(diào)節(jié)供漿量。消石灰漿液供給管線選用大回流的設(shè)計思路，在給漿支路上設(shè)置流量計和調(diào)節(jié)閥實現(xiàn)實時計量供應(yīng)，多余漿液隨回流管線返回至槽內(nèi)，供漿系統(tǒng)僅需按照給定的密度或濃度配置Ca(OH)2漿液即可，可實現(xiàn)脫硫劑的高效輸送。

5 SDA 技術(shù)的特點(diǎn)分析

目前，石灰石-石膏法作為我國燃煤煙氣治理的主流技術(shù)[3]，應(yīng)用占比達(dá)90%以上[4]。但相比于石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)，SDA 技術(shù)具備獨(dú)特優(yōu)勢。

5.1 脫硫產(chǎn)物為固態(tài)排放

SDA 技術(shù)以漿液形式噴入脫硫塔內(nèi)，在塔內(nèi)脫硫的同時蒸干溶劑，最終成為干態(tài)產(chǎn)物。相比于石灰石濕法脫硫技術(shù)，SDA 技術(shù)無需脫硫產(chǎn)物脫水等后處理系統(tǒng)。

5.2 處理后的煙氣溫度偏高

SDA 系統(tǒng)脫硫后的煙氣一般高于露點(diǎn)溫度15℃～20℃，塔體選用碳鋼材料即可，可大大降低脫硫塔的制作成本，同時下游設(shè)備無需考慮復(fù)雜的防腐措施。在工程項目中，濕法脫硫后的煙道、煙囪等需進(jìn)行防腐處理，并定期維護(hù)，尤其對改造項目來講投資成本高、改造難度大。SDA 系統(tǒng)排煙溫度較濕法脫硫高，排煙的自拔力較大，有利于煙氣的上升及擴(kuò)散，不需濕法脫硫的加熱升溫及“消白”措施[5]，同時可采用低溫干式引風(fēng)機(jī)，降低對風(fēng)機(jī)過流部件的材質(zhì)要求。

5.3 無廢水產(chǎn)生，并可消納污水[6,7]

整個SDA 系統(tǒng)不產(chǎn)生廢水，無需廢水處理系統(tǒng)，大大縮短了工藝流程，降低了運(yùn)行能耗，而石膏法因體系水平衡和污染物富集等問題會產(chǎn)生廢水[5]。另外，因SDA 系統(tǒng)本身需一定工藝水調(diào)節(jié)煙溫，可以用等量的污水代替工藝水（要求污水蒸發(fā)形成的氣相不對煙氣造成二次污染，形成的固體顆?？杀徊即龎m器攔截），不僅對環(huán)境污染小，還可實現(xiàn)“以廢治廢”的目的，這是其他脫硫技術(shù)無法比擬的優(yōu)勢。

5.4 水耗小，適宜缺水地區(qū)

SDA 技術(shù)通過工藝水量將煙氣調(diào)整至≥70℃的不飽和態(tài)進(jìn)行排放，而濕法脫硫排放的煙氣多為50℃的飽和態(tài)，SDA 技術(shù)的耗水量明顯低于濕法脫硫（節(jié)水量30%～50%）。相比于濕法脫硫，SDA 技術(shù)更適合于缺水地區(qū)。

5.5 脫硫塔為空塔結(jié)構(gòu)

SDA 系統(tǒng)的脫硫塔除了霧化器安裝部位、煙氣導(dǎo)流結(jié)構(gòu)外，其余為空塔結(jié)構(gòu)，而主脫硫區(qū)沒有機(jī)械裝置，內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡單，可減少脫硫塔阻力和塔內(nèi)磨損，避免產(chǎn)生堆積死角。

5.6 模塊化設(shè)計、運(yùn)行安全可靠

SDA 技術(shù)核心部件霧化器按模塊化設(shè)計，多數(shù)項目都有備用，運(yùn)行過程中若因霧化器發(fā)生故障，可用20～30min 更換備用霧化器。運(yùn)行過程中霧化盤控制在給定轉(zhuǎn)速（如約13 500rpm），DCS 可預(yù)設(shè)邏輯控制供給漿液量和排煙溫度，運(yùn)行簡單可靠，人工干涉較少。

5.7 實現(xiàn)多種污染物的聯(lián)合脫除

因SDA 技術(shù)脫硫后需設(shè)置布袋除塵器，可實現(xiàn)脫硫與除塵的技術(shù)耦合，實現(xiàn)塵、硫一體化脫除。在脫硫的同時，可實現(xiàn)對HCl、HF、SO3等酸性氣體的高效脫除。在垃圾焚燒煙氣處理過程中，還可在布袋除塵器前噴射活性炭，方便快捷地實現(xiàn)對二噁英和重金屬等污染物的脫除。綜上，SDA 技術(shù)串聯(lián)了布袋除塵和活性炭噴射，可實現(xiàn)多種污染物的一攬子處理[8]，從而降低了煙氣多污染物的凈化費(fèi)用，在煙氣治理技術(shù)中具有競爭力。

目前多數(shù)煙氣脫硫項目既要脫硫又要脫硝，而脫硫后多采用中高溫SCR 脫硝工藝，相比于濕法脫硫技術(shù)，SDA 技術(shù)脫硫后脫硝煙氣升溫較小，能耗較低。

5.8 工藝流程短、占地面積小

SDA 技術(shù)因無復(fù)雜的后處理系統(tǒng)及后處理車間、煙氣加熱系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)等，具有工藝流程短、運(yùn)維簡單、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，在整體工程項目造價方面具有較大的優(yōu)勢。

除了以上的優(yōu)勢，SDA 技術(shù)因工藝水用量少，且無廢水產(chǎn)生，相比濕法脫硫技術(shù)更適合于寒冷地區(qū)，可有效減少因工藝水結(jié)冰造成工藝系統(tǒng)故障問題的產(chǎn)生。

SDA 技術(shù)存在固體顆粒對霧化盤的磨損，對消石灰純度和粒徑有一定要求。另外，因離子反應(yīng)時間有限，其脫硫效率略低、鈣硫比偏高，以上將成為該技術(shù)下一步研究的方向。

6 結(jié)語

SDA 技術(shù)屬于典型的半干法脫硫技術(shù)，可有效彌補(bǔ)濕法脫硫的不足。適宜用于中、低硫含量及中、低煙氣量的場合，因具有與多種污染物脫除技術(shù)完美耦合的優(yōu)勢，必將成為未來脫硫行業(yè)的主流技術(shù)。