旋轉噴霧半干法煙氣凈化技術研究進展

曾紀進，陳國艷，段翠九

（1.中德（中國）環保有限公司，北京 100142；2.福建省豐泉環保控股有限公司，福州 350007；3.清華大學熱能工程系，北京 100084）

1 引言

噴霧干燥吸收工藝源于漿液的噴霧干燥加工工藝。噴霧干燥被廣泛應用于液態進料固態粉末出料的現代加工工業中，如化工、制藥、食品等[1]。丹麥Niro公司、美國Komline-Sanderson公司、比利時Seghers公司等都是制造旋轉霧化器的廠家；旋轉噴霧干燥法（SDA）用在脫硫工藝的研究始于20世紀70年代。經過多年的不斷改進和應用，該脫硫工藝已成為一項十分成熟的、在世界范圍應用業績僅次于石灰石-石膏濕法工藝的脫硫技術，其脫硫效率與石灰石-石膏濕法工藝相當，但其占地面積、投資和運行費用卻低得多[2]。因此，旋轉噴霧干燥法脫硫工藝在中國火電廠脫硫市場應當成為一種有競爭力的選擇。

我國于1984年在四川白馬電廠建立了容量為1MW的旋轉噴霧干燥法脫硫小型試驗裝置，處理煙氣量為34,000Nm3/h。20世紀90年代，中日合作在山東黃島電廠建設了100MW級的旋轉噴霧干燥法脫硫試驗裝置，脫硫率可達70%以上[3]。

實際上，在歐美等發達國家和地區的大量應用業績和成功運行經驗表明，旋轉噴霧干燥法脫硫工藝是一項技術成熟、可靠性高、脫硫率高的先進脫硫技術。在國內，一些垃圾焚燒發電廠也采用了該技術，如天津雙港垃圾焚燒發電廠采用的是丹麥Niro的技術；深圳能源集團股份有限公司的南山、鹽田、龍崗等垃圾焚燒發電廠都是采用Seghers的技術，在垃圾焚燒煙氣脫硫過程中都顯示出了運行穩定、脫硫效率高。

近幾十年來，針對燃煤電廠噴霧半干法煙氣處理特性，專家們已做了大量的研究工作[4，5]，但有關垃圾焚燒煙氣的旋轉噴霧半干法處理的研究還比較少。同時，由于垃圾成分及燃燒過程比煤的情形復雜得多。因此，有必要對旋轉噴霧半干法脫硫工藝系統在垃圾焚燒中的應用進行深入研究。

2 旋轉噴霧半干法脫硫機理

旋轉噴霧半干法技術具有吸收和干燥的雙重作用，主要過程和反應如下：

Ca(OH)2漿液被送到吸收塔頂部高速旋轉達10,000～20,000r/min的霧化器的霧化盤內，漿液由旋轉盤上部中間進入，然后擴散至旋轉盤表面，形成一層薄膜，由于離心力的作用，薄膜逐漸向旋轉盤外緣移動，經剪力作用而使薄膜霧化成50～150μm細小且均勻的液滴，如圖1所示。液滴大小主要取決于霧化器轉速和漿液量。

旋轉霧化器工作示意圖

在吸收塔內，煙氣被有效地分布以便使其與被霧化的漿液充分混合接觸發生吸收反應，也就是說，吸收塔具有混合反應器的功能。

煙氣中的酸性成分（SO2、SO3、HCl）和石灰漿液滴中的堿性成分Ca(OH)2之間的反應主要發生在一個靠近噴霧器的區域，這個區域具有傳熱和質量傳遞最合適的條件。

主要反應有：

CaO + H2O = Ca(OH)2

H2O + SO2= H2SO3

H2SO3+ Ca(OH)2= CaSO3+H2O

而煙氣中微量的酸性氣體會發生下列反應：

SO3+ Ca(OH)2= CaSO4+ H2O

2HCl + Ca(OH)2= CaCl2+ 2H2O

當石灰作為吸收劑時，化學反應產物為亞硫酸鈣、硫酸鈣、氯化鈣和氟化鈣。從整個吸收反應來看，SO2和其它酸性組分的吸收反應主要發生在漿液霧滴還未被干燥之前的氣、液兩相之問，但干燥之后的氣、固兩相接觸仍然會發生吸收反應，即：SO2與煙氣中懸浮的噴淋干燥后的多孔顆粒進行的反應，氣、固反應在下游的顆粒收集器中還在進行，特別是在袋除塵器中，吸收反應更為顯著。

腫瘤邊緣相對清晰的有8例，邊界全部或部分不清的有9例患者腫瘤周圍脂肪間隙消失。腫瘤累及腸系靜脈、動脈、胰腺的有4例。胃腸道間質瘤附近呈線性增厚的有1例，CT增強掃描表現為明顯強化。

在吸收過程中CO2被認為可能會爭相與堿性物質反應，然而，盡管CO2分壓是SO2分壓的50～200倍，分析干態反應產物的結果表明，只有少量的CO2被吸收。其原因是：與CO2相比，SO2是酸性更強；CO2較SO2溶解度低且反應速度慢。出于同樣原因，HCl、HF和SO3比SO2酸性更強，更易于優先被吸收。事實證明，這些酸性更強但微量的組份幾乎全部被吸收[5]。

3 影響噴霧液滴粒徑的主要因素

影響煙氣脫硫效率的因素很多，但主要因素是噴霧液滴的粒徑大小。噴霧液滴的粒徑大小直接影響到液滴與煙氣的接觸比表面積，影響到煙氣中的酸性氣體與Ca(OH)2液滴的反應速度。因此噴霧液滴的霧化效果，是影響煙氣脫硫效率的主要因素。

3.1 霧化器轉盤轉速對霧滴粒徑的影響

理論研究表明，若霧化器的其他條件不變，則霧滴粒徑與霧化轉盤轉速成反比，即：

式中：D —— 霧滴粒徑；N —— 霧化盤轉速。指數P是根據霧化器不同的實際運行條件取值的。根據上述理論，為了獲得細小且均勻的霧滴，當轉盤轉速很低時，可采用增加轉盤轉速的方法來提高石灰漿的霧化質量。

對于不同質量分數的石灰漿液，根據文獻中的實驗實測數據所反映的變化趨勢基本上都滿足霧滴粒徑與轉盤轉速成反比的關系[5]。而且當轉盤轉速增加到12,000r/min以上，霧滴粒徑隨轉速變化將不再明顯，此時再繼續增加轉速，對減小霧滴粒徑幫助不大。但是轉盤有個最佳轉速，在這個轉速下石灰漿霧滴大小合適，凈化垃圾焚燒產生的酸性氣體效果最佳。實際最佳轉速可以通過實驗進行選取，一般垃圾焚燒煙氣凈化技術中，霧化器最佳轉速選取為12,000～13,500r/min。

3.2 進料速率變化對霧滴粒徑的影響

理論研究表明， 若霧化器的其他條件不變，則霧滴粒徑與進料速率成正比，即：

3.3 石灰漿質量分數變化對霧滴粒徑的影響

根據文獻中的實驗實測數據可知，隨著漿液質量分數的增大，霧滴粒徑增大。這是因為隨著石灰漿質量分數的增加，料液黏度將增大，當其他條件不變時霧化石灰漿所需的能量就越多，使得霧滴粒徑變大，這符合能量守恒原理[5]。

4 旋轉噴霧半干法容易引起的問題

4.1 容器和管道的堵塞

容器與管道堵塞問題是由固體沉積引起的。由于漿液流速小于設計值，管道內存在流動停滯區，使用過量的石灰及飛灰等原因造成的。這些問題會導致要周期性地關閉受影響的部件以清除堅硬的沉積物。改進的方法包括修改管道設計，提高漿液流速，消除流動死角，提高漿液槽泵的吸入短管，改進攪拌和容器隔板的設計，在運行中周期性地轉動設備。

盡管很多設備都會遇到堵塞問題，如去除大尺寸顆粒的濾網、石灰粉碎機的加料槽和輸運系統中，但這些問題都可以通過技術改進解決。

4.2 吸收塔中的固體沉積

在許多電廠，吸收塔中的固體沉積分布已從局部擴展到整個壁面上，這是噴霧干燥脫硫工藝需要解決的最重要的問題之一。在設計工況下連續運行可沖刷掉少量的局部沉積物，對于大量沉積物則需要關閉吸收塔。在大型電廠中可以使用備用吸收塔。導致沉積物產生的主要原因是吸收塔內溫度控制不合理，以及運行時噴入的固體濃度小于設計值。由于運行過程中安裝在吸收塔出口管道內的熱電偶表面逐漸被脫硫產物覆蓋，因此讀出的溫度將變得不準確。

Sherburne電廠的初步運行試驗表明，干球熱電偶垂直接近于吸收塔壁且直接橫穿噴霧旋轉裝置時測出的氣體溫度對于噴淋量的控制是可靠的。吸收塔壁附近的氣體湍流度很高，因此溫度探頭能保持足夠的清潔度。Donnelly等人報道在吸收塔出口溫度控制回路中加入入口氣體流量和溫度的前饋信號，可使吸收塔出口溫度更加穩定并且減少了固體沉積物[6]。

4.3 噴霧器的磨損和破裂

噴射石灰漿的噴霧器會遇到磨損和破裂的問題，特別是在達到最佳工況前的初始運行階段。

Niro噴霧的轉盤上下都有陶瓷耐磨擋板，耐磨擋板破裂后必須更換。Niro噴霧器在轉盤周邊熱壓一個金屬環改造底部耐磨板以減小應力。另外，制造時的質量控制得到提高，所有的面板耐磨板在運輸前都要經過超速旋轉的測試。經過旋轉測試的耐磨板沒有在運行中受到損壞。根據Durnohr電廠的經驗，在30min內可以使噴霧器與其備用裝置互換[6]。

5 SDA工藝優勢

旋轉噴霧半干法脫硫工藝分別與石灰石-石膏濕法脫硫和煙氣循環流化床脫硫工藝技術特點進行比較[6-8]。

與石灰石-石膏濕法脫硫工藝相比，SDA工藝脫除SO2效率同樣可達95%以上；SO3幾乎可以全部去除；系統非常簡單，可用率更高，通常可達97%～99%；投資費用較低，可減少20%以上；吸收塔及后部設備、煙囪不用防腐；沒有廢水排放；運行、維護費用低，較濕法相比低30%以上，而且占地面積小。

與煙氣循環流化床脫硫工藝相比，SDA工藝的液滴在絕熱溫度條件下反應區域大；適應鍋爐負荷的能力大，能在煙氣量20%～120%負荷下安全運行；系統啟、停速度快，過程安全可靠；對吸收劑石灰質量敏感度低。吸收塔出口煙塵濃度低，后部除塵器可采用標準設計，濾袋磨損小。

6 結論

隨著城市生活垃圾的逐年增加，垃圾的無害化處理顯得日益迫切。焚燒處理雖然投資較大，但在垃圾的無害化、減量化方面優點明顯，故在世界各國逐漸推廣。然而垃圾在燃燒時，會產生有害物質和氣體，其中SOx是最主要的污染氣體之一，旋轉噴霧半干法是有效的煙氣凈化技術。霧化器是垃圾焚燒尾氣凈化的關鍵設備，霧化效果直接影響吸收劑的利用率及去除硫化物的效率。霧化液滴大小是衡量霧化器霧化效果的重要指標，是影響去除垃圾焚燒尾氣中硫化物效率的關鍵因素。霧化器的霧化輪存在一個最佳轉速， 能產生合適大小的液滴，從而使去除硫化物的效率更高，也更經濟。

[1]王雷，章明川，田鳳國，等.運行參數對噴霧干燥煙氣脫硫效率影響的數值模擬[J].熱能動力工程，2005，20（3）：262-265.

[2]谷吉林.旋轉噴霧干燥法（SDA）脫硫工藝系統應用及問題思考[C].第四屆全國脫硫工程技術研討會論文集，2006，09.

[3]汪波，王瑩.噴霧干燥法在垃圾焚燒尾氣凈化中的應用[J].中國環保產業，2005，7： 26-29.

[4]王鵬程，唐一科，周雄.垃圾發電用離心霧化器霧化效果及影響因素分析[J].機械制造，2007，45（510）：22-24.

[5]王鵬程，張夢.垃圾發電用旋轉霧化器霧化性能的實驗研究[J].機床與液壓，2010，38（18）：41-43.

[6]蒲舸，張力.石灰漿液噴嘴霧化特性[J].工程熱物理學報，2008，29（9）： 1516-1517.

[7]饒志軍.旋轉噴霧技術及其機電系統的研究[D].天津大學，2005，4.

[8]張力，李午申，蒲舸.煙氣凈化雙流體噴嘴霧化特性實驗[J].環境工程，2006， 24（2）： 41-42.