半干法煙氣脫硫的研究進展

摘 要：文章闡述了半干法煙氣脫硫技術的研究進展，在分析半干法煙氣脫硫存在的問題的基礎上，提出了采用氨水作為脫硫劑進行惰性粒子流化床煙氣脫硫。結果表明，氨法惰性粒子流化床煙氣脫硫效率理想，反應器運行穩定，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不能滿足市場需求。干法和半干法煙氣脫硫因其運行可靠、系統簡單等優勢，是中小電廠的不錯選擇。

1 典型煙氣脫硫技術

1.1 濕法煙氣脫硫技術

在大型電站的煙氣脫硫領域中，濕法煙氣脫硫因其運行可靠、適應煤種含硫量和機組負荷、脫硫效率高等優點有著無可替代的地位。但濕法煙氣脫硫系統復雜、運行費用高，初期投資大，脫硫產物難于處理等。而且，我國的濕法脫硫更多的是依賴進口，GGH、循環泵、除霧器等設備的國內加工還要假以時日，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

干法煙氣脫硫技術（DFGD）是采用干態粉狀脫硫劑與燃煤產生的SO2反應來去除煙氣中SO2的。脫硫反應和脫硫副產物處理均在干狀態下進行，沒有廢水產生，設備腐蝕小，煙氣無需再熱，結構簡單，設備易于維護，運行費用低。但干法脫硫技術存在脫硫劑利用率低，脫硫效率低等缺點。

1.3 半干法煙氣脫硫技術

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

2 半干法煙氣脫硫研究進展

2.1 噴霧干燥法脫硫

20世紀70年代，丹麥NIRO公司開發了旋轉噴霧干燥煙氣脫硫技術（SDA）。由于霧化液滴很小很均勻，比表面積大，所以反應速度快，脫硫效率可達85%；投資低于濕法工藝；無廢水排放。但SDA塔壁粘結固體，管道容易堵塞；由于旋轉噴霧器轉速達15000-20000r/min，易于損壞，需經常更換；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、增加再循環灰系統來提高脫硫劑的利用率[3，4]。

2.2 循環流化床煙氣脫硫

20世紀80年代，德國魯奇（Lurgi）公司開創性地將循環流化床技術引入到煙氣脫硫中，開發了一種新型半干法煙氣脫硫技術-循環流化床煙氣脫硫（CFBFGD）[5]。該技術通常與爐內噴鈣相結合，爐內未反應的CaO進入循環流化床反應器，被湍流破碎，增大了與SO2的反應面積；而且采用循環流化床，通過吸收劑的多次再循環，增長了其與煙氣的接觸時間，大大提高了脫硫吸收劑的利用率。我國東南大學、清華大學等單位對循環流化床脫硫技術進行了大量的實驗研究，并開發出了一些具有自主知識產權的脫硫裝置[6，7]，有的已經投入運行。

2.3 惰性粒子噴動床與惰性粒子流化床煙氣脫硫

20世紀90年代，為進一步解決脫硫劑在反應器內停留時間不理想的問題，日本學者提出了粉末-顆粒噴動床（PPSB）煙氣脫硫的概念。這種脫硫技術具有很高的脫硫效率，而且脫硫產物易于處理。很多國內學者針對噴動床的形式、脫硫劑的種類、添加劑等對其進行了深入研究。張少峰[8，10]等在實驗研究的基礎上，開發了一種雙噴嘴矩形導流管噴動床，并研究了添加劑對脫硫效率的影響。

隨后，不少學者將惰性粒子流化床應用于半干法煙氣脫硫技術中。東南大學的郭宏偉、袁佳麗等[11]采用毫米級別的惰性粒子進行流化床脫硫實驗，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，他們指出煙氣脫硫的床層溫度不得低于70℃，否則容易結塊。

隨后，金軼風[12]將惰性粒子流化床脫硫與鈉堿法結合，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聯式。這種脫硫方式加快了脫硫反應速率，避免了濕法脫硫中的一些問題。

加入惰性粒子進行半干法脫硫，其優勢體現在以下幾點：

（1）反應器內裝有惰性粒子，顆粒處于流化態，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的面積。

（2）吸收劑附著于惰性粒子表面，其停留時間是煙氣停留時間的數百倍。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，停留時間會相應增加。

（3）為保證粒子的流態化，其運行氣速快；脫硫與干燥同時進行，反應后產物為干態。這些都縮小了設備的體積，非常適合小型電廠的應用。

在惰性粒子流化床煙氣脫硫中，采用鈣基脫硫劑容易出現脫硫塔內壁積灰、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為鈣基脫硫劑濃度大、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物一般是由CaSO3、CaSO4、飛灰以及未反應的石灰組成的。在惰性粒子流化床內，脫硫與干燥同時進行；反應產物在經過干燥后，有一部分不能及時排出，而是以固體的形式貼在脫硫塔內壁，這種情況會隨著脫硫的進行愈發嚴重，最終造成脫硫塔流通的橫截面積減小，導致煙氣流速增大，在塔內的停留反應時間減小，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用很受限制。而氨也是一種良好的堿性吸收劑，其堿性要強于鈣基（石灰石、石灰）。從吸收化學機理上分析，SO2的吸收屬于酸堿中和反應，脫硫吸收劑的堿性越強，越有利于SO2的吸收。從傳質理論的角度分析，鈣基吸收劑吸收SO2屬于氣固反應，反應速度相對緩慢，反應不完全，吸收利用率低。所以，很多脫硫技術的改進也是針對脫硫劑的細化、霧化、循環等方面，這勢必會增加系統的復雜程度和能耗。而氨氣與SO2的反應屬于氣-液或氣-氣反應，其反應速率比鈣基快，吸收利用率也會相應提升。單純考慮吸收反應過程，氨法脫硫的吸收設備體積比鈣基吸收設備體積小，能耗低。

在半干法煙氣脫硫技術的基礎上，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行工況的穩定性、運行參數對脫硫效率的影響等作為基本研究內容，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勢與不足。具體研究內容如下：

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

（2）實驗研究。通過氨法脫硫實驗，采用單因素確定法來分析各運行參數（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聯式。

（3）建立數學模型。采用雙膜傳質理論，以前人研究為基礎，結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數學模型。通過計算與實驗值比較后，驗證了模型的合理性。

實驗結果表明，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，脫硫效率達到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 結束語

半干法煙氣脫硫能夠克服濕法脫硫工藝復雜、成本高的問題，對小型電廠脫硫設備的建設提供了引導意義。但是，半干法煙氣脫硫工藝容易出現粘壁、脫硫效率不穩定等問題，因此，許多學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行大規劃工業應用，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，氨本身價格就遠遠高于鈣基脫硫劑。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）進一步對脫硫裝置結構本身進行探討和優化。（2）尋求更為優良的脫硫劑，解決其與成本之間的矛盾。（3）如何將干法煙氣脫硫具體應用于大型電站鍋爐。

參考文獻

[1]王艷錦，鄭正，周培國，等.生物法煙氣脫硫技術研究進展[J].中國電力，2006，39（6）：56-59.

[2]杜建敏.干法與半干法煙氣脫硫技術綜述[J].工業安全與環保，2002，28（6）：13-15.

[3]雷仲存.工業脫硫技術[M].北京：化學工業出版社，2000：189-200.

[4]噴霧干燥煙氣脫硫工藝[J].電力環境保護，1999（3）：59-62.

[5]李曉斐，傅大放，馬光.半干法煙氣脫硫新技術-粉末-顆粒噴動床技術[J].環境污染治理技術與設備，2002（6）.

[6]馬春元，徐夕仁，李京，等.雙循環流化床煙氣脫硫裝置[P].國家實用新型專利：99246582.6.

[7]王愛軍，祁海鷹，由長福，等.循環流化床煙氣脫硫技術試驗研究[J].燃燒科學與技術，2000，6（4）：351-355.

[8]張少峰，趙卷，張占鋒，等.噴霧-噴動床半干法煙氣脫硫實驗研究[J].環境污染與防治，2004，26（4）：288-290.

[9]王淑華，王經，張少峰.雙噴嘴矩形導流管噴動床脫硫性能的研究[J].化學工程，2008，36（3）：64-67.

[10]張少峰，趙卷，張占鋒，等.添加劑對噴霧-噴動床半干法煙氣脫硫性能的研究[J].化工環保，2004，24（4）：244-247.

[11]郭宏偉，袁佳麗，等.惰性粒子流化床煙氣脫硫的試驗研究[J].動力工程學報，2010，30（10）：793-797.

[12]金軼風.惰性粒子流化床半干法鈉堿煙氣脫硫研究[D].東南大學.

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