非電煙氣治理半干法脫硫技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢分析

張 昊，黎方潛，吳其榮

(1.國家電投江蘇電力有限公司，南京 210000;2.國家電投集團(tuán)遠(yuǎn)達(dá)環(huán)保工程有限公司，重慶 401122)

引 言

截止2019年底，我國約8.9億千瓦煤電機(jī)組達(dá)到超低排放要求，占全國煤電機(jī)組總裝機(jī)容量的86%[1]。作為能源支柱產(chǎn)業(yè)，火電行業(yè)伴隨著超低排放的實(shí)施及環(huán)保技術(shù)裝備的升級，建成了全球最大清潔節(jié)能燃煤發(fā)電體系[2]。

與此同時(shí)，2017年3月，環(huán)境環(huán)保部等發(fā)布聯(lián)合發(fā)布《京津冀及周邊地區(qū)2017年大氣污染防治工作方案》，對“2+26”城市鋼鐵、燃煤鍋爐執(zhí)行特別排放限值；2019年4月生態(tài)環(huán)境部等聯(lián)合發(fā)布《關(guān)于推進(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》，明確提出鋼鐵行業(yè)推進(jìn)實(shí)施超低排放要求；2019年7月生態(tài)環(huán)境部等聯(lián)合發(fā)布《工業(yè)爐窯大氣污染綜合治理方案》，在重點(diǎn)任務(wù)中要針對鋼鐵、水泥、焦化等非電行業(yè)工業(yè)鍋爐實(shí)施污染物深度治理。

因此，隨著我國火電行業(yè)的超低排放改造逐漸完成，以及相關(guān)非電行業(yè)煙氣排放政策、法規(guī)的實(shí)施，非電行業(yè)已成為大氣污染治理的重點(diǎn)[3]。

1 非電煙氣治理技術(shù)現(xiàn)狀

針對非電煙氣脫硫治理領(lǐng)域，主要有濕法脫硫技術(shù)和半干法脫硫技術(shù)。其中，濕法脫硫技術(shù)存在投資成本較高、系統(tǒng)復(fù)雜、有廢水產(chǎn)生等問題[4]；而半干法脫硫技術(shù)相比于傳統(tǒng)濕法脫硫技術(shù)，具有無脫硫廢水，系統(tǒng)簡單等優(yōu)勢[5]，可廣泛應(yīng)用于非電煙氣治理領(lǐng)域[6]。由于非電行業(yè)的煙氣存在復(fù)雜多變等特點(diǎn)，為降低成本，提高半干法的適應(yīng)性，因此發(fā)展出了不同的半干法脫硫技術(shù)。

對于半干法脫硫機(jī)理已經(jīng)有較多研究。對于脫硫反應(yīng)的吸收過程，主要有雙膜理論、擴(kuò)散邊界層理論、溶質(zhì)滲透理論等[7]。對脫硫反應(yīng)的機(jī)理模型，Newton G H[8]等研究了SO2與鈣基的反應(yīng)機(jī)理，結(jié)合漿液滴的蒸發(fā)過程，提出了半干法脫硫反應(yīng)機(jī)理模型。滕斌[9]在研究半干法脫硫中Ca/S、入口煙氣溫度、停留時(shí)間等影響因素基礎(chǔ)上，建立了半干法脫硫數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了對脫硫因素的預(yù)測分析，并利用該模型重點(diǎn)分析了增濕水對脫硫效率的影響。

同時(shí)，對于半干法脫硫反應(yīng)，主要影響因素包括：Ca/S、近絕熱飽和溫度(AAST)[10]、煙氣停留時(shí)間、增濕水含量及分布特性、入口SO2濃度、脫硫劑成分、吸收塔內(nèi)流場分布、循環(huán)灰濃度。學(xué)者們對不同因素也做了大量研究，魏恩宗[11]等，通過研究認(rèn)為半干法脫硫系統(tǒng)中影響脫硫效率的因素權(quán)重由高到低依次為：AAST>Ca/S>入口SO2濃度、入口煙溫等。李玉忠[12]等，通過半干法煙氣脫硫?qū)嶒?yàn)，研究了AAST對脫硫系統(tǒng)的影響，當(dāng)AAST越小時(shí)，脫硫效率越高，同時(shí)為控制系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行AAST控制在10℃左右。汲傳軍[13]，通過分析不同脫硫影響因素，提出需要控制反應(yīng)塔溫度，增加Ca/S，采用反應(yīng)塔內(nèi)多級噴水等措施，是提高脫硫效率和增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性的有效方法。任麗[14]等，通過脫硫灰與電廠粉煤灰等其他物料的有機(jī)混合，可以作為原料燒制硫鋁酸鈣和硅酸二鈣為主要礦物組分的水泥熟料，拓寬了半干法脫硫產(chǎn)物的利用途徑。

在以上對脫硫機(jī)理及相關(guān)影響因素的研究基礎(chǔ)上，半干法脫硫技術(shù)有了長足發(fā)展?；诖耍壳霸诜请姛煔庵卫眍I(lǐng)域應(yīng)用較多的半干法脫硫技術(shù)主要包括循環(huán)流化床半干法脫硫技術(shù)(CFB-FGD)、旋轉(zhuǎn)噴霧干燥半干法脫硫技術(shù)(SDA)、循環(huán)增濕半干法脫硫(NID)技術(shù)和密相干塔法脫硫技術(shù)(DFA)等。

2 非電煙氣治理半干法脫硫技術(shù)

2.1 循環(huán)流化床半干法脫硫技術(shù)(CFB-FGD)

CFB-FGD技術(shù)由德國魯奇(Lurgi)公司在上世紀(jì)80年代研發(fā)的一種半干法脫硫技術(shù)工藝。其技術(shù)工藝為：煙氣通過脫硫塔下部的文丘里管加速并與新鮮吸收劑混合[15]，進(jìn)入循環(huán)流化床反應(yīng)塔內(nèi)，塔內(nèi)處于流態(tài)化的氣固兩相相互混合，強(qiáng)化傳質(zhì)[16]。一部分吸收劑顆粒隨煙氣由塔頂流出，其余吸收劑顆粒在吸收塔內(nèi)循環(huán)，在反應(yīng)塔內(nèi)形成密相床層，高濃度的“反應(yīng)床”可使局部Ca/S達(dá)100以上，極大提高了塔內(nèi)反應(yīng)效率，從而實(shí)現(xiàn)SO2的深度脫除。但是在運(yùn)行過程中存在脫硫反應(yīng)塔阻力較大，一般為1 000～2 000Pa；反應(yīng)塔塔壁結(jié)垢；循環(huán)脫硫劑量受床層壓損限制，抗煙氣波動能力一般；反應(yīng)床層不穩(wěn)定，易塌床掉灰等問題[17]。因此，對于CFB系統(tǒng)，在保證脫硫效率的前提下，如何有效降低反應(yīng)塔阻力，保持“反應(yīng)床”層穩(wěn)定，還需加強(qiáng)研究。王岳軍[18]等，利用CFD模擬技術(shù)，優(yōu)化了反應(yīng)塔變徑段角度由40°減小到20°，實(shí)現(xiàn)了流場更加分布均勻，使反應(yīng)塔壓力由1 917.72Pa降低至1 366.59Pa。

該技術(shù)主要應(yīng)用于火電、鋼鐵、工業(yè)窯爐等行業(yè)，如國內(nèi)的江蘇新海電廠2×300MW機(jī)組、梅鋼2×450m2燒結(jié)煙氣處理、寧東鋁業(yè)炭素焙燒煙氣處理等項(xiàng)目，在半干法脫硫技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛。

2.2 旋轉(zhuǎn)噴霧干燥半干法煙氣脫硫技術(shù)(SDA)

SDA技術(shù)是丹麥Niro公司在20世紀(jì)70年代研發(fā)。該技術(shù)是利用噴霧干燥的原理。其技術(shù)工藝為：60%煙氣經(jīng)由位于頂部的煙氣分布器進(jìn)入反應(yīng)塔，其余煙氣從塔體的中部煙氣口進(jìn)入[19]；生石灰加入適量水進(jìn)行活化，并形成熟石灰漿液，再與循環(huán)灰等物料進(jìn)行混合制成吸收劑漿液，混合漿液在旋轉(zhuǎn)霧化器的高速旋轉(zhuǎn)的離心力作用下被霧化為50～100μm的細(xì)小顆粒[20]。霧化后的吸收劑漿液顆粒在吸收塔停留時(shí)間可達(dá)12s，在此過程中，與煙氣中SO2等污染物充分接觸，發(fā)生反應(yīng)，達(dá)到脫硫目的[21]。同時(shí)霧化后的吸收劑顆粒，因?yàn)榕c煙氣接觸的比表面積大，其顆粒表面水分在高溫?zé)煔庾饔孟卵杆僬舭l(fā)，轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w顆粒物，然后被吸收塔后的除塵裝置捕集，大部分被捕集的脫硫產(chǎn)物外排后送至灰場，小部分繼續(xù)與石灰漿液混合后循環(huán)使用[22]。

該工藝核心部件是旋轉(zhuǎn)霧化器[23]，其轉(zhuǎn)速可達(dá)10 000～20 000r/min。但同時(shí)也因?yàn)樾D(zhuǎn)霧化器的高轉(zhuǎn)速，該設(shè)備存在易磨損、破裂的問題。王鵬程[24]等，根據(jù)旋轉(zhuǎn)霧化器轉(zhuǎn)子的材質(zhì)、結(jié)構(gòu)、運(yùn)行方式等，并結(jié)合有限元法，形成計(jì)算轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的方法，以避免旋轉(zhuǎn)霧化器超負(fù)荷運(yùn)行，發(fā)生破損。在實(shí)際工程項(xiàng)目中，潘鶴[25]通過研發(fā)在霧化器前端的頂罐精濾裝置、可緩沖耐用型旋振篩篩網(wǎng)等過濾裝置，減少了漿液中大顆粒，降低了霧化器磨損和破裂的風(fēng)險(xiǎn)。

該技術(shù)主要應(yīng)用于鋼鐵燒結(jié)、垃圾焚燒等行業(yè)的煙氣處理，如常州中天煉鐵有限公司550m2燒結(jié)煙氣處理，武鋼二燒280m2燒結(jié)機(jī)煙氣處理、天津雙港垃圾焚燒發(fā)電廠等項(xiàng)目。

2.3 循環(huán)增濕半干法脫硫技術(shù)(NID)

NID技術(shù)是瑞典ABB公司80年代初開發(fā)，該工藝的顯著特點(diǎn)是對吸收劑采用塔外增濕的方式。其技術(shù)工藝為：煙氣經(jīng)反應(yīng)塔底部進(jìn)入，反應(yīng)塔通常為矩形，煙氣流速可達(dá)15～20m/s，吸收劑在增濕混合器內(nèi)加水?dāng)嚢?、增濕[26]，吸收劑含水率控制在5%以內(nèi)，以便具有良好的流動性[27]，在反應(yīng)塔內(nèi)與煙氣中SO2反應(yīng)，脫除污染物。吸收劑隨煙氣從反應(yīng)塔頂部流出，經(jīng)除塵器截留后，一部分吸收劑再次進(jìn)入增濕混合器，循環(huán)使用。但由于無文丘里結(jié)構(gòu)，脫硫反應(yīng)塔入口流速相對較低，容易掉灰；反應(yīng)塔脫硫效率相對較低；塔外吸收劑增濕系統(tǒng)消化效率低，易堵塞等。

NID技術(shù)主要應(yīng)用于中、小鍋爐煙氣處理，NID技術(shù)由浙江菲達(dá)環(huán)保公司引進(jìn)國內(nèi)，國內(nèi)目前超過50套應(yīng)用業(yè)績[28]，如淄博齊魯石化125MW機(jī)組、內(nèi)蒙古第二熱電廠200MW機(jī)組、玖龍紙業(yè)210MW機(jī)組等煙氣脫硫項(xiàng)目。

2.4 密相塔半干法煙氣脫硫技術(shù)(DFA)

德國福漢燃燒技術(shù)股份有限公司研發(fā)的煙氣脫硫技術(shù)結(jié)合鋼鐵燒結(jié)煙氣特點(diǎn)，開發(fā)出密相干塔法脫硫技術(shù)。其技術(shù)工藝為：煙氣與加濕活化后的脫硫劑同時(shí)從反應(yīng)塔的上部進(jìn)入，在內(nèi)置構(gòu)件的攪拌作用下，強(qiáng)化了煙氣與脫硫劑混合程度，并發(fā)生脫硫反應(yīng)，反應(yīng)后的物料沉積在反應(yīng)塔和除塵器底部灰斗內(nèi)，除塵后的凈煙氣經(jīng)煙囪排放到大氣中。沉積在灰斗中的物料含有大量未反應(yīng)的有效成分，一部分混合物料通過刮板機(jī)或輸送螺旋和斗式提升機(jī)送至反應(yīng)塔頂部加濕機(jī)內(nèi)，與新鮮吸收劑混合，加濕活化含水量控制在5%以內(nèi)，循環(huán)使用[29]；一部分混合物料排出脫硫系統(tǒng)。DFA系統(tǒng)運(yùn)行的主要問題是脫硫運(yùn)行效率不穩(wěn)定；脫硫灰量大，導(dǎo)致除塵器、反應(yīng)塔灰斗積灰堵塞等問題[30]。目前北京科技大學(xué)環(huán)境工程中心對該技術(shù)研究較多，韓劍宏[31]等，發(fā)現(xiàn)脫硫效率和吸收劑利用率隨著含水率的提高而提高，當(dāng)含水量在9%時(shí)，吸收劑失效時(shí)間可達(dá)1 300s。趙榮志[32]等，對實(shí)際DFA脫硫工程的CEMS數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)鈣基吸收劑對NOx的脫除效率可達(dá)30%以上，同時(shí)入口SO2濃度提升可一定程度提高對NOx的脫除效率。

DFA技術(shù)主要應(yīng)用鋼鐵燒結(jié)煙氣處理，如首鋼360m3燒結(jié)煙氣處理、唐鋼320m3燒結(jié)煙氣處理等。

2.5 半干法脫硫技術(shù)特點(diǎn)對比

半干法脫硫技術(shù)特點(diǎn)對比，如表1所示，從表中可以看出，不同技術(shù)在處理的煙氣量、脫除效率上存在較大差異，實(shí)際運(yùn)行過程中應(yīng)根據(jù)機(jī)組特點(diǎn)、效率要求等進(jìn)行合理選擇。

表1 半干法脫硫技術(shù)特點(diǎn)對比表

3 半干法脫硫技術(shù)發(fā)展方向

3.1 典型電力與非電煙氣特點(diǎn)對比分析

傳統(tǒng)的電力行業(yè)主要包括燃煤機(jī)組的電廠，典型的非電行業(yè)主要有：鋼鐵、鋁業(yè)、水泥等，其典型的煙氣特點(diǎn)對比，如表2所示。

表2 典型電力與非電煙氣特點(diǎn)對比

由表2可知，電力煙氣特點(diǎn)：(1)煙氣量穩(wěn)定，運(yùn)行時(shí)波動?。?2)污染物成分穩(wěn)定，主要包括SO2、NOx、粉塵，且含硫量相對較高；(3)煙氣溫度較穩(wěn)定；(4)含氧量低。非電煙氣特點(diǎn)：(1)煙氣量差異大：同一行業(yè)中不同工藝段，煙氣量不同；(2)煙氣溫度范圍寬；(3)煙氣成分復(fù)雜：包括SO2、NOx、粉塵、VOCs、瀝青煙、二噁英等；(4)煙氣含氧量差距較大。

電力與非電煙氣性質(zhì)差異較大，因此，我國基于電力行業(yè)發(fā)展起來的脫硫脫硝除塵環(huán)保技術(shù)，對于非電煙氣治理需根據(jù)其煙氣特點(diǎn)研發(fā)出適應(yīng)性新技術(shù)。

3.2 非電煙氣治理半干法脫硫技術(shù)發(fā)展趨勢

3.2.1 新型高效反應(yīng)塔技術(shù)研究

由表2可知，傳統(tǒng)電力煙氣含硫量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于非電行業(yè)煙氣含硫量，針對電力行業(yè)的傳統(tǒng)煙氣治理技術(shù)處理能力對于非電煙氣治理余量較大，因此，在傳統(tǒng)半干法脫硫技術(shù)上進(jìn)行創(chuàng)新優(yōu)化，研發(fā)出適用于非電煙氣治理的新型高效反應(yīng)塔技術(shù)研究十分必要。比如適用于煤粉爐煙氣治理的高倍率灰鈣循環(huán)煙氣脫硫除塵技術(shù)(NGD)，可以在較低鈣硫比條件下，實(shí)現(xiàn)脫硫除塵效率在90%、95%以上[35]。國家電投集團(tuán)遠(yuǎn)達(dá)環(huán)保工程有限公司針對電解鋁煙氣治理，研發(fā)的散式分區(qū)半干法脫硫脫硝一體化技術(shù)，就具有相比于傳統(tǒng)CFB-FGD技術(shù)工藝，吸收塔阻力降低1/3等特點(diǎn)。

3.2.2 反應(yīng)原料深度利用技術(shù)研究

半干法反應(yīng)原料包括吸收劑和水分，一方面，在現(xiàn)有半干法外排灰中氫氧化鈣通常含量在10～20%，甚至一些高Ca/S項(xiàng)目，外排灰氫氧化鈣含量可達(dá)40%，浪費(fèi)了大量吸收劑；另一方面，在脫硫反應(yīng)中充足的水分可以提高脫硫反應(yīng)效率，但是常常在半干法中過量的水分會導(dǎo)致后續(xù)的布袋除塵糊袋等問題，影響系統(tǒng)正常運(yùn)行。所以根據(jù)半干法脫硫原理，吸收劑和水分的深度利用既可以提高脫硫反應(yīng)效率，同時(shí)可以降低原料耗量。崔琳[36]等提出新型復(fù)合增濕方式，通過模擬研究不同復(fù)合增濕比例條件下，液-固濃度在吸收塔內(nèi)變化情況，發(fā)現(xiàn)內(nèi)增濕水比例為78%時(shí)，可以有效改性塔內(nèi)粘壁問題，并提高脫硫效率。吳超[37]等利用風(fēng)力分選的原理，根據(jù)循環(huán)灰中各組分物理性質(zhì)不同，設(shè)計(jì)的新型半干法脫硫分離器，實(shí)現(xiàn)脫硫循環(huán)灰的有效成分的分離，提高了吸收劑利用率。

3.2.3 多污染物協(xié)同控制與脫除技術(shù)研究

為適應(yīng)新形式下多污染物超低排放需求，現(xiàn)有治理路線多是不同治理技術(shù)的結(jié)合，若單個(gè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)多污染的控制與脫除，可以達(dá)到節(jié)約建設(shè)場地、降低投資等目的。因此，探索具有多污染物協(xié)同控制與脫除特點(diǎn)的半干法技術(shù)研究，將是未來的重要研究方向之一。比如吳相浩[38]等，通過混合適量碳酸鈉與氫氧化鈣，以改性吸收劑，實(shí)現(xiàn)同時(shí)脫硫脫硝，效率分別可達(dá)100%和55%。韓加友[39]等，通過研究臭氧噴射位點(diǎn)、溫度等因素形成低成本協(xié)同半干法脫硫脫硝方法。張虎[40]等，通過添加KMnO4對鈣基吸收劑進(jìn)行調(diào)質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了對SO2和NOx的同時(shí)脫除。

4 結(jié) 語

4.1 隨著國內(nèi)對非電煙氣治理要求的不斷提高，非電煙氣將是我國未來較長一段時(shí)間的大氣污染治理重點(diǎn)。目前，非電煙氣治理技術(shù)以半干法脫硫治理技術(shù)為主，濕法脫硫技術(shù)為輔，煙氣治理技術(shù)整體趨于成熟。

4.2 在半干法脫硫技術(shù)中，CFB技術(shù)適應(yīng)性強(qiáng)、應(yīng)用最為廣泛，其中SDA、NID、DFA分別在特定領(lǐng)域應(yīng)用較多；同時(shí)，半干法脫硫的機(jī)理與影響因素已有較多理論基礎(chǔ)，現(xiàn)有研究主要針對半干法脫硫工藝優(yōu)化，比如CFB技術(shù)主要在于研究降低吸收塔運(yùn)行壓損，SDA技術(shù)主要研究新材料、新運(yùn)行工藝等以降低旋轉(zhuǎn)霧化器的磨損。

4.3 在未來半干法技術(shù)研究中，建議應(yīng)結(jié)合相關(guān)非電行業(yè)煙氣特點(diǎn)以及半干法脫硫系統(tǒng)運(yùn)行特性，加強(qiáng)新型高效反應(yīng)塔技術(shù)、反應(yīng)原料深度利用技術(shù)研究，以降低系統(tǒng)運(yùn)行能耗、物耗，提高煙氣適應(yīng)性；加強(qiáng)多污染物協(xié)同控制與脫除技術(shù)研究，以節(jié)約建設(shè)場地、降低投資，實(shí)現(xiàn)多污染物的高效脫除。