煙氣脫硫技術現狀及展

望金平 王昊辰 李磊

摘 ?????要：隨著環境問題的日益嚴峻，二氧化硫的減排得到重視。煙氣脫硫技術作為控制煉廠和燃煤電廠二氧化硫排放的主要技術手段，受到了更多的關注。介紹了幾種主要脫硫技術的工藝原理及研究進展，并對煙氣脫硫技術的發展做出了展望。

關 ?鍵 ?詞：脫硫;煙氣脫硫;二氧化硫

中圖分類號：X701.3 ??????文獻標識碼： A ??????文章編號： 1671-0460（2019）01-0119-04

Abstract： ?With the environmental issues being increasingly serious， sulfur dioxide emissions get attentions. As the main technical means to control sulfur dioxide emissions from refineries and coal-fired power plants， flue gas desulfurization （FGD） gets more attentions. In this paper， the process principle and research progress of several major FGD were described， and FGDs development trend was prospected.

Key words： Desulfurization; Flue gas desulfurization; Sulfur dioxide

化石能源作為工業發展的主要原料，隨著我國經濟的蓬勃發展，其消耗量也日益增長，隨之而來的環境問題也逐漸制約著我國的經濟發展。造成環境問題的廢氣中，以SO2、NOx和VOC為主。SO2是造成酸雨的重要污染物之一[1]。SO2的主要來源是石油煉制過程中和燃煤電廠中煤燃燒后的煙氣排放。由于我國煉制的是高硫原油，所以FCC的煙氣中硫含量很高。盡管國家加大了對電動汽車的扶持，但短期內，燃油汽車仍無法被完全取代。而且化工原料在日常工業及生活中仍然具有不可替代性，所以石油煉制依然在工業中處于核心位置。燃煤電廠中，煤作為燃料在燃燒過程中釋放大量SO2。雖然國家進行了能源結構調整，并加大了對新能源的扶持，但短期內，風力發電、水利發電和太陽能發電等無法大范圍普及使用，目前階段我國發電仍將以燃煤為主。因此，嚴格地控制SO2的排放是減少污染、控制環境必不可少的措施之一。目前，主要使用的控制措施包括：濕法煙氣脫硫技術、半干法煙氣脫硫技術和干法煙氣脫硫技術[2]，其中濕法煙氣脫硫技術是目前最主要的煙氣脫硫手段。

1 ?現有脫硫技術分析

濕法脫硫技術是目前世界上最為成熟、應用最多的脫硫工藝（約90%的燃煤鍋爐采用濕法脫硫），脫硫效率可達到99%。濕法脫硫技術是利用堿性的吸收劑溶液脫除煙氣中的SO2。濕法脫硫技術可靠性高，操作簡單，SO2處理成本低。常用的堿性吸附劑為石灰石、氫氧化鈉、氧化鎂（氫氧化鎂）和氨等。

干法脫硫技術是指采用粉狀吸附劑對煙氣中SO2進行脫除的技術，吸附劑及產物都是粉狀。其工藝過程簡單，無污水、污酸處理問題，能耗低，特別是凈化后煙氣溫度較高，有利于煙囪排氣擴散，不會產生“白煙”現象，凈化后的煙氣不需要二次加熱，腐蝕性小;其缺點是脫硫效率較低，投資大、占地面積大，操作技術要求高。常用的吸附劑是CaCO3、Na2CO3、活性炭等。

半干法煙氣脫硫技術集成了濕法脫硫和干法脫硫的一些優點和特點。其具有濕法脫硫技術的脫硫效率高、反應速率高和干法脫硫技術的無廢酸廢液排放、產物易處理的優點，但同時也存在吸附劑利用率低的缺點。由于無廢液的產生和排放，能夠有效地消除“白煙”現象，所以受到廣泛的關注[2]。

2 ?濕法脫硫技術

2.1 ?石灰石-石膏法脫硫技術

石灰石-石膏法是目前工藝最成熟、使用范圍最廣的脫硫技術。待處理的煙氣通過與石灰石之類的堿性吸附劑溶液接觸，生成石膏，從而起到脫硫的作用。它具有脫硫效率高、吸附劑利用率高、裝置可靠性高等優點，但也具有投資費用高、占地面積大、裝置結垢、磨損腐蝕嚴重的缺點。有時會出現石膏及廢水難以處理的問題。

呂麗娜、魯軍[3]對基于石灰石石膏法煙氣脫硫技術的添加劑進行了研究。在實驗室中，采用鼓泡裝置模擬石灰石石膏法煙氣脫硫過程，對Mg（OH）2、（NH4）2SO4、NaNO3、MnSO4和CuSO4六種無機添加劑以及己二酸、丁二酸、丙烯酸、乙酸、苯甲酸、檸檬酸和檸檬酸鈉七種有機添加劑的脫硫増效能力進行了研究。發現當pH值介于5.2至5.6時，無機添加劑中，MnSO4的脫硫增效能力最強，脫硫效率提高91.4%;有機添加劑中，丙烯酸的脫硫增效能力最強，提高脫硫效率91.4%～92.9%。

喬宗良、徐治皋[4]對石灰石石膏法煙氣脫硫系統的流場進行了優化研究。利用CFD模擬，建立數值計算模型，對某600 MW機組配套石灰石/石膏噴淋吸收塔內流場進行研究。分析煙氣進入吸收塔的入口角度、塔內件、除霧器對于煙氣在塔內流動和阻力的影響，為吸收塔塔內煙氣流場、塔內件、除霧器葉輪等部分設計和優化提供依據。

韓長亮[5]對石灰石石膏法煙氣脫硫技術的應用進行了研究。發現了幾個常見問題：一是當硫含量高時，能耗也隨之增高;二是隨著裝置運轉時間增長，裝置結垢會造成脫硫效率降低;三是脫硫煙氣換熱器結垢，造成系統阻力增大。針對這幾個問題，提出了相應的解決措施，包括燃料的選擇、調整石灰漿液的供應量、使用添加劑、嚴格控制pH以及使用蒸汽和壓縮空氣吹灰等措施。

2.2 ?鈉-鈣雙堿法脫硫技術

鈉-鈣雙堿法脫硫技術是將氫氧化鈉或碳酸鈉溶液作為吸附劑，與煙氣中的SO2反應，達到脫硫的目的，產物為亞硫酸氫鈉和亞硫酸鈉溶液。然后將石灰或石灰石作為再生劑，與脫硫產物在再生池內進行反應，再生成氫氧化鈉溶液和石膏，達到吸附劑再生的目的。氫氧化鈉溶液可以進入脫硫塔循環使用，整個系統反應產物為石膏[6]。由于納基吸附劑的堿性強，吸收SO2后的產物溶解度大，所以不會造成過飽和結晶和裝置結垢堵塞的問題。相對于石灰石-石膏法，鈉-鈣雙堿法具有裝置規模小，無設備、管道堵塞和腐蝕的優點。鈉-鈣雙堿法脫硫技術是國內外運用的成熟技術，是一種特別適合中小型鍋爐煙氣脫硫技術[1]。

梁磊[7]對某廠的鈉-鈣雙堿法脫硫工藝進行了研究和改進，發現脫硫系統運轉過程中出現沉淀池易結垢、NaOH置換率低和石膏脫水差的問題。并對以上問題提出了相應的改進措施：將原工藝中的沉淀池改為二級反應池以及單級脫水改為二級脫水。改進后，沉淀池結垢減緩;NaOH置換率提高了近25%;石膏脫水率由20%～30%提高到50%～60%。

范小帥、周少培[8]對鈉鈣雙堿法脫硫系統的控制系統進行了研究和改進。針對通常在系統中加入過量的堿溶液來吸收SO2的方法，提出了通過實時監測SO2濃度、流量和塔底pH，并建立聯鎖關系的措施，有效降低了運行成本，解決了系統運行成本居高不下的問題，并減輕了循環塔中的結垢。

趙杰、楊建璽[9]對雙堿法脫硫技術在火電廠的應用進行了研究和分析，并得出結論：（1）盡量降低液氣比，控制在3 L/m3左右;將吸收塔內煙氣流速控制在3.5～4.5 m/s。（2）采用低低溫電除塵器時，溫度最好控制在 90 ℃附近。隨著入口粒徑的增加，濕法脫硫裝置的除塵效率也會逐漸提高。當煙塵粒徑大于3μm時，除塵效率最佳，可達到90%以上，而當煙塵粒徑小于2μm時，除塵效果不佳，一般小于50%。

2.3 ?鎂法脫硫技術

鎂法脫硫技術是近年新興的一種脫硫技術。它類似石灰石-石膏法，吸附劑由石灰石變為氧化鎂，利用氧化鎂漿液（即氫氧化鎂）作為吸附劑，脫除吸收煙氣中的二氧化硫，并生成副產物亞硫酸鎂和硫酸鎂，脫硫效率可以達到90%以上，設備投資及運行維護費低，結構簡單，安全性能好，并且能夠減少二次污染。亞硫酸鎂和硫酸鎂可以通過高溫加熱的方法生成氧化鎂，所以吸附劑循環利用，降低了脫硫成本。由于我國鎂礦資源比較豐富，所以吸附劑來源廣泛且價格便宜，且鎂法脫硫技術脫硫效率比較高，因此鎂法脫硫得到很多關注。但整體費用較高制約著其發展。截止2015年底，我國建成投產鎂法煙氣脫硫裝置20套以上。在美國和日本也有鎂法脫硫技術成功使用的案例。

胡曉玥、李多松等[10]對鎂法脫硫漿液SO32-氧化對脫硫效率的影響進行了研究。首先分析了曝氣強度、漿液pH和漿液溫度對SO32-氧化的影響，發現曝氣強度對SO32-氧化有一定的影響，漿液pH和溫度對氧化影響不大。經過進一步實驗，發現SO42-質量濃度的增加保證了脫硫效率的高效性和穩定性。

鞠鎧陽、李威等[11]對鎂法脫硫反應器入口煙道進行了CFD模擬優化。分析脫硫反應器入口煙道導流板對煙氣流場的影響，并對漿液的噴淋狀態進行了模擬，為入口煙道導流板和噴淋裝置的設計和優化提供依據。

2.4 ?氨法脫硫技術

氨法脫硫技術是將氨氣水溶液作為吸附劑，脫除吸收煙氣中的二氧化硫，并生成亞硫酸銨和硫酸銨。反應產物經過氧化和結晶，最終產品為硫酸銨晶體。硫酸銨可以作為氨肥進行二次利用，所以不會產生二次污染。氨法脫硫技術具有無二次污染、產品附加值高、低溫脫出率高等優點，但也有運行成本高、裝置腐蝕嚴重、有氨逃逸等缺點。

李麗清、張純等[12]利用多組分顆粒軌道模型對氨法脫硫過程進行了仿真模擬研究，并與實驗結果進行了對比。研究表明：（1）當噴淋溶液的溫度高于50 ℃時，脫硫產物分解，脫硫效率降低，氨逃逸增加，溶液溫度在40 ℃以下時，脫硫效率穩定;（2）整流內件安裝高度在0.8 m以下時，效果較好;（3）吸收液溫度30 ℃、入口SO2濃度為1 812 mg/m3時，液氣比1.8 L/m3時脫硫效率最高。

馬振、萬皓[13]對氨法脫硫的氨逃逸和副產物氧化問題進行了研究。在實驗中，研究分析了煙氣入口溫度、液氣比和吸收液質量分數對氨逃逸的影響，并給出了理想工況;通過比較，發現相對于其它硫酸鹽，CoSO4對于（NH4）2SO3氧化成（NH4）2SO4的催化作用最強。在CoSO4催化劑的作用下，（NH4）2SO3氧化速率大大提高。

3 ?新型脫硫技術

3.1 ?電子束照射法

電化學脫硫技術是在煙氣中噴入氨氣后，利用電子能量為800 keV～1 MeV的電子束照射混合煙氣，利用電子能量，使SO2和NH3進行反應，生成硫酸銨的煙氣脫硫技術。該技術有脫硫效率高，設備簡單，條件溫和，無二次污染等優點，但也有投資高、運行成本高和操作技術要求高等缺點[14]。

毛本將和丁伯南[15]對電子束脫硫中的電子束輸運、反應器形狀與尺寸、副產物收集技術和工藝進行了分析和研究，為電子束脫硫的工藝和裝置的設計提供了依據和經驗公式。

任志凌、楊睿戇等[16]對電子束脫硫技術進行了模型模擬，采用蒙特卡羅法對電子束在煙氣中劑量分布和徑跡分布進行研究，確定反應器的形狀和尺寸。為工程設計中反應器的形狀和尺寸提供了依據。并對影響脫硫效率主要因素的分析，在裝置設計和運行過程中，能夠有效地降低初始投資和運行費用。

3.2 ?活性炭吸附法

活性炭脫硫技術是利用活性炭良好的吸附性脫除煙氣中SO2的一種脫硫工藝，SO2的脫除率可達到95%。活性炭吸附包含了物理吸附和化學吸附，在干燥和無氧的情況下，主要發生物理吸附;當煙氣中的水和氧足夠多時，在發生物理吸附的同時，也會發生化學吸附，SO2會與H2O和O2反應生成H2SO4。活性炭吸附法在對煙氣進行脫硫處理的同時，對氮氧化物、粉塵和二噁英等有害物質也有較好脫除效果，但活性炭再生成本較高一直制約著其發展[17]。

夏建芳、苑景洲等[18]對活性炭脫硫吸附塔的結構進行了優化設計。根據某廠的吸附塔結構，進行了數值仿真模擬和優化。在反應器入口設置了導流格柵后，提高了脫硫效率3.36%;也對活性炭模塊尺寸對脫硫效率的影響規律做了研究，對反應器的設計起到了指導作用。

唐強、曹子棟等[19]進行了活性炭脫硫工業試驗，實驗裝置為1.2、2.4 t/h鍋爐，實驗條件分別為煙氣流量3 000 Nm3/h，活性炭床層厚度400 mm，橫截面2 m×2 m，活性炭吸附45 min，水洗滌15 min;和煙氣流量6 000 Nm3/h，活性炭床層厚度500mm，橫截面3 m×3 m。活性炭吸附12 min，水洗滌4 min。經過實驗，發現活性炭脫硫效率高，平脫硫效率達到90%以上。連續運行30～60 d，活性炭脫硫效率無明顯變化。活性炭脫硫成本相對較低，單位脫硫成本約0.3元/kg SO2。

4 ?結論與展望

隨著超潔凈排放和“50+35+5”排放標準的提出，即排放煙氣中NOx濃度低于50 mg/m3，SO2濃度低于35 mg/m3，粉塵濃度低于5 mg/m3，脫硫裝置的改進升級已刻不容緩。相對于干法和半干法脫硫，濕法脫硫具有更高的脫除效率和更廣的適應性。雖然濕法脫硫會造成長白煙羽，但隨著除塵除霧技術的提升，這一現象將被有效的控制。在新型的脫硫技術中，電子束照射及時和活性炭吸附技術具有較好的發展前景，如果能夠解決較高的投資和運行成本，將會得到更廣泛的應用。

參考文獻：

[1] 左莉娜，賀前鋒，劉德華. 濕法煙氣脫硫技術研究進展[J].環境工程，2013， 31（增刊）：412-416.

[2] 袁莉莉.半干法煙氣脫硫技術研究進展[J] .山東化工，2009，38（8）：19-23.

[3] 呂麗娜.基于石灰石石膏濕法煙氣脫硫技術的脫硫添加劑研究[D].上海：華東理工大學，2016.

[4] 喬宗良.石灰石/石膏濕法煙氣脫硫系統優化技術研究[D].江蘇南京：東南大學，2015.

[5] 韓長亮.濕式石灰石-石膏煙氣脫硫技術在電廠煙氣脫硫中的應用[J].創新與應用技術，2016，4（下）：141-142.

[6] 楊文盛.雙堿法煙氣脫硫工藝在循環流化床鍋爐上的應用[J].煤化工，2008，17（7）：87-95.

[7] 梁磊.鈉鈣雙堿法脫硫工藝改進應用[J].電力科學與工程，2014，30（6）：11-15.

[8] 范小帥，周少培.鈉鈣雙堿法脫硫系統的控制方法改進[J].產業與科技論壇，2017，16（17）：87-88.

[9] 趙杰.雙堿法排放技術及工程應用[D].河南洛陽：河南科技大學，2017.

[10]胡曉玥，李多松，田立江.鎂法脫硫漿液SO32-氧化及對脫硫效率的影響[J].安全與環境學報，2014，14（1）：168-171.

[11]鞠鎧陽，李威，王欣，洪文鵬.基于CFD技術的鎂法脫硫塔入口煙道流場優化分析[J].東北電力大學學報，2017，37（1）：29-33.

[12]李麗清，張純，黃貴杰，劉錚，馬衛武.多組分顆粒軌道模型氨法脫硫過程仿真研究[J].中國電機工程學報，2014，34（32）：5741-5749.

[13]馬振，萬皓.煙氣氨法脫硫中氨逃逸及副產物氧化問題的探究[J].現代化工，2016，36（2）：125-129.

[14]李盼宋，李建軍，賀堯祖，張序.電子束氨法協同脫硫脫硝技術的研究進展[J].四川化工，2016，1（19）：7-9.

[15]毛本將.電子束脫硫關鍵技術與工藝研究[D].四川綿陽：中國工程物理研究院，2004.

[16]任志凌，楊睿戇，毛本將.電子束輻照煙氣脫硫脫硝技術及模型模擬[J].電力環境保護，2007，3（23）：18-19.

[17] 王力增.活性炭脫硫技術的研究[J].山西化工，2018，3（38）：46-48.

[18]夏建芳，苑景洲，張紅波，趙先瓊.活性炭脫硫吸附塔結構優化設計[J].合肥工業大學學報（自然科學版），2016，12（39）：1598-1601+1613.

[19]唐強，曹子棟，王盛，劉義.活性炭脫硫工業實驗[J].節能與環保，2002，11（30）：24-27.