半干法煙氣脫硫技術(shù)在非電行業(yè)的應(yīng)用

郭小虎 ，茍遠(yuǎn)波 ，韓松 ，杜文智，吳迪，李凱華

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

近年來，我國脫硫脫硝行業(yè)超低排放改造的重點(diǎn)主要集中在電力行業(yè)。隨著90%以上的火電機(jī)組完成超低排放改造，火電行業(yè)超低排放改造逐漸進(jìn)入尾聲，超低排放改造的重點(diǎn)已悄然轉(zhuǎn)移到排放強(qiáng)度更高的非電行業(yè)[1,2]。非電行業(yè)大氣污染治理包括各種工業(yè)過程的煙氣治理，涉及鋼鐵、建材、有色、化工、鍋爐、焦化、焚燒發(fā)電等多個(gè)行業(yè)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國鋼鐵產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的50%，水泥產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的60%，平板玻璃產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的50%，電解鋁產(chǎn)量占世界總產(chǎn)量的65%。隨著政策的陸續(xù)頒布，非電行業(yè)超低排放改造將迎來新一輪爆發(fā)式增長[3,4]。

1 半干法煙氣脫硫技術(shù)

煙氣脫硫是大氣污染物超低排放改造的重點(diǎn)之一。煙氣脫硫技術(shù)根據(jù)脫硫過程是否加入液體和脫硫產(chǎn)物的干濕狀態(tài)分為濕法、半干法和干法。火電行業(yè)脫硫改造中80%以上都采用濕法脫硫工藝。濕法脫硫工藝具有脫硫效率高、煙氣適應(yīng)性好等特點(diǎn)，但同時(shí)也存在濕煙羽、腐蝕、廢水、廢渣等問題。干法脫硫無腐蝕、廢水等污染問題，但存在脫硫效率低的缺點(diǎn)。半干法脫硫技術(shù)結(jié)合了濕法和干法脫硫技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，兼具脫硫效率高和環(huán)境污染小的特點(diǎn)，在非電行業(yè)超低排放改造過程中具有優(yōu)勢(shì)。我國自21 世紀(jì)初引進(jìn)國外先進(jìn)脫硫技術(shù)，經(jīng)過近20 年的實(shí)踐，循環(huán)流化床技術(shù)和旋轉(zhuǎn)噴霧干燥法逐漸成為主流半干法煙氣脫硫技術(shù)[5,6]。

1.1 循環(huán)流化床技術(shù)

循環(huán)流化床（Circulating Fluid Bed，CFB）煙氣脫硫技術(shù)以循環(huán)流化床原理為基礎(chǔ)，是一種基于流態(tài)化的脫硫工藝。CFB 煙氣脫硫技術(shù)由德國魯奇公司于20 世紀(jì)80 年代最早開發(fā)應(yīng)用，后經(jīng)美國、丹麥、瑞士等國改良形成多項(xiàng)技術(shù)[7]。循環(huán)流化床技術(shù)的工藝流程如圖1 所示。原煙氣從脫硫塔的底部經(jīng)過文丘里管上升進(jìn)入塔內(nèi)。生石灰在消化器內(nèi)加水消化后，在消石灰倉儲(chǔ)存。將一定量的消石灰粉和水在文丘里喉口上端加入，在脫硫塔內(nèi)與煙氣混合流動(dòng)，并與煙氣中的SO2反應(yīng)，生成亞硫酸鈣和硫酸鈣。攜帶反應(yīng)產(chǎn)物和煤灰的煙氣冷卻到稍高于露點(diǎn)以上的溫度后，進(jìn)入布袋除塵器。反應(yīng)產(chǎn)物和煤灰被除塵器處理后，通過空氣斜槽返回塔內(nèi)，再次循環(huán)參與脫硫反應(yīng)。剩余的脫硫反應(yīng)產(chǎn)物和煤灰通過倉泵輸灰至灰倉后外排。

圖1 循環(huán)流化床脫硫技術(shù)工藝流程

CFB 煙氣脫硫技術(shù)具有系統(tǒng)簡單、運(yùn)行可靠、占地面積小、煤種適應(yīng)性廣、無廢水排放等優(yōu)點(diǎn)。對(duì)比于濕法煙氣脫硫，脫硫后的煙氣可不經(jīng)加熱直接排出，同時(shí)，脫硫塔及后續(xù)設(shè)備均不存在腐蝕問題，可采用碳鋼制作，降低設(shè)備投資成本。

1.2 噴霧干燥法煙氣脫硫技術(shù)

旋轉(zhuǎn)噴霧干燥（Spray Dryer Absorber，SDA）脫硫技術(shù)最早由美國和丹麥的兩家公司于20 世紀(jì)70 年代聯(lián)合研制，隨后在工業(yè)上推廣使用。SDA 脫硫技術(shù)的工藝流程如圖2 所示。SDA 脫硫技術(shù)在整體流程上與CFB 技術(shù)類似，在吸收塔和吸收劑部分存在區(qū)別，該技術(shù)基于噴霧干燥的原理，將脫硫劑漿液以霧狀形式噴入吸收塔，塔中吸收劑隨即與煙氣中的SO2發(fā)生反應(yīng)。與此同時(shí)，高溫?zé)煔庵械臒崃恳彩姑摿騽{液中的水分蒸發(fā)，吸收液中的脫硫產(chǎn)物以干態(tài)灰渣形式排出。

圖2 旋轉(zhuǎn)噴霧干燥脫硫技術(shù)工藝流程

SDA 煙氣脫硫技術(shù)具有系統(tǒng)簡單，運(yùn)行可靠，占地面積適中的優(yōu)點(diǎn)。相比CFB 煙氣脫硫技術(shù)，該技術(shù)只能用于中低硫煤的脫硫，且脫硫效率不及CFB。與CFB 煙氣脫硫技術(shù)相同的是，SDA 技術(shù)也具有脫硫煙氣不需加熱、無下游設(shè)備腐蝕問題、無廢水排放等半干法脫硫技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)。

1.3 其他

其他半干法脫硫技術(shù)如密相塔法、MEROS 法、ENS 法和LEC 法均因脫硫效率低、應(yīng)用范圍有限、系統(tǒng)操作不穩(wěn)定等原因未在我國大量應(yīng)用，因此本文不再詳述。

1.4 技術(shù)對(duì)比

半干法煙氣脫硫技術(shù)（CFB、SDA）相比濕法或干法煙氣脫硫技術(shù)具有投資低、占地小、污染少等優(yōu)勢(shì)，對(duì)現(xiàn)有煙氣脫硫技術(shù)做綜合對(duì)比得下表。

半干法脫硫技術(shù)與濕/干法脫硫技術(shù)對(duì)比表

由上表可知，半干法煙氣脫硫技術(shù)具有濕法脫硫效率高、反應(yīng)速度快的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)兼具干法無需防腐處理、無廢水排放、能耗和水耗低的優(yōu)點(diǎn)。在系統(tǒng)復(fù)雜度、占地面積、投資成本這3 項(xiàng)中，半干法脫硫技術(shù)也有其獨(dú)有的優(yōu)勢(shì)，具有較大的推廣應(yīng)用潛力。

2 政策研究

2.1 鋼鐵行業(yè)

2019 年至今，河北、山西、陜西、河南、湖北、江蘇、浙江、福建等地陸續(xù)出臺(tái)《鋼鐵行業(yè)大氣污染物超低排放標(biāo)準(zhǔn)》，要求有組織排放控制指標(biāo)：燒結(jié)機(jī)機(jī)頭、球團(tuán)焙燒的顆粒物、SO2、NOx的排放小時(shí)均值別為10mg/m3、35mg/m3、50mg/m3；其他主要污染源的對(duì)應(yīng)排放值為10mg/m3、50mg/m3、200mg/m3。鋼鐵行業(yè)超低排放改造已于2019 年開始陸續(xù)實(shí)施。根據(jù)2019 年4 月生態(tài)環(huán)境部等五部委聯(lián)合發(fā)布的《關(guān)于推進(jìn)實(shí)施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》，鋼鐵行業(yè)在2025 年年底前力爭80%以上產(chǎn)能完成改造。

2.2 水泥行業(yè)

2020 年3 月，河南、河北等地陸續(xù)出臺(tái)《水泥工業(yè)大氣污染物超低排放標(biāo)準(zhǔn)》，要求水泥窯和窯尾余熱利用系統(tǒng)顆粒物、SO2、NOx的排放限值分別為10mg/m3、30mg/m3、100mg/m3，烘干機(jī)、烘干磨、煤磨及冷卻機(jī)系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)排放限值分別為10mg/m3、50mg/m3、150mg/m3。新建企業(yè)自2020 年5 月1 日起執(zhí)行，現(xiàn)有企業(yè)自2021 年10 月1 日起執(zhí)行。與現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)（顆粒物、SO2、NOx限值分別為20mg/m3、50～100mg/m3、100～320mg/m3）相比，新規(guī)定表明政府正在加強(qiáng)對(duì)水泥行業(yè)大氣污染排放的管控。

2.3 玻璃行業(yè)

2020 年3 月，河南、河北等地陸續(xù)出臺(tái)《玻璃工業(yè)大氣污染物超低排放標(biāo)準(zhǔn)》，要求電解槽工序煙氣在基準(zhǔn)氧含量8%的條件下，顆粒物、SO2、氟化物排放限制分別為20mg/m3、100mg/m3、400mg/m3，玻璃熔窯煙氣的對(duì)應(yīng)排放限值分別為10mg/m3、50mg/m3、200mg/m3。

2.4 非電鍋爐

燃煤、燃?xì)狻⑷加秃腿忌镔|(zhì)成型燃料等4 種非發(fā)電鍋爐的相關(guān)排放限值正在制訂中。河北省已出臺(tái)的《鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求燃煤、燃?xì)狻⑷加汀⑸镔|(zhì)燃料鍋爐的顆粒物、SO2、NOx污染物排放限值分別為10mg/m3、35mg/m3、50mg/m3，5mg/m3、10mg/m3、50mg/m3，10mg/m3、20mg/m3、80mg/m3，20mg/m3、30mg/m3、150mg/m3。同時(shí)實(shí)行差異化管控，對(duì)于20 蒸噸/h 以上的鍋爐，生物質(zhì)鍋爐的顆粒物和NOx限值分別為10mg/m3、80mg/m3，燃油鍋爐的NOx限值為50mg/m3。

隨著非電行業(yè)超低排放改造的持續(xù)推進(jìn)和脫硫技術(shù)的不斷實(shí)踐，其他非電行業(yè)，如陶瓷、磚瓦、冶金、焦化、碳素等的超低排放標(biāo)準(zhǔn)正在陸續(xù)制訂并實(shí)施。

3 改造難點(diǎn)

3.1 工況復(fù)雜

非電行業(yè)涉及鋼鐵、建材、焦化、有色、非金屬、石化、垃圾焚燒等眾多行業(yè)，各個(gè)工業(yè)行業(yè)的工藝過程都不相同，均有其特有的工藝參數(shù)、技術(shù)條件和場地限制。因此，非電行業(yè)的超低排放改造往往技術(shù)難度更高。在超低排放改造過程中，需要根據(jù)煙氣流量、組成、污染物濃度、溫度、濕度等參數(shù)，合理設(shè)計(jì)工藝系統(tǒng)使其滿足超低排放指標(biāo)，同時(shí)適應(yīng)煙氣量和污染物濃度的波動(dòng)，技術(shù)難度較高。半干法煙氣脫硫技術(shù)存在對(duì)煙氣參數(shù)波動(dòng)適應(yīng)性差的缺點(diǎn)，這是非電行業(yè)超低排放改造中半干法脫硫技術(shù)應(yīng)該克服的問題和改進(jìn)的方向。

3.2 氮氧化物協(xié)同脫除

非電行業(yè)的工藝過程大多為高能耗、高污染，較高的工藝過程反應(yīng)溫度導(dǎo)致了較高的NOx排放。因此，脫硝是非電行業(yè)超低排放改造過程中的一大難點(diǎn)。現(xiàn)有的脫硫和除塵工藝的效率大多能滿足非電行業(yè)超低排放要求，脫硝工藝主要采用選擇性催化還原（SCR）技術(shù)，此外還有氧化法和活性炭法等。其中，SCR 技術(shù)脫硝效率高，能滿足絕大多數(shù)企業(yè)要求，通常可與半干法脫硫技術(shù)組合形成半干法+SCR 脫硫脫硝工藝；氧化法和活性炭法脫硝的效率中等，也可與半干法結(jié)合形成一體化脫硫脫硝工藝。企業(yè)需根據(jù)自身實(shí)際，充分考慮源頭減量、過程控制、污染物排放現(xiàn)狀和超低排放指標(biāo)，合理選擇治理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)環(huán)境治理和經(jīng)濟(jì)效益的最優(yōu)化。

3.3 多污染物協(xié)同脫除

非電行業(yè)工藝過程都不相同，煙氣組成復(fù)雜，除粉塵、SO2和NOx之外，往往含有SO3、HCl、HF、二噁英、重金屬及其他微量污染物[8]。半干法煙氣脫硫技術(shù)可利用堿性脫硫劑協(xié)同脫除酸性氣體，利用臭氧等氧化劑氧化SO2，實(shí)現(xiàn)對(duì)SO2的協(xié)同脫除，利用活性炭吸附二噁英、重金屬及其他有毒物質(zhì)。半干法煙氣脫硫技術(shù)，尤其是循環(huán)流化床煙氣脫硫技術(shù)，通過吸收劑和吸附劑多次再循環(huán)，延長了固體物料與煙氣的接觸時(shí)間，增大了反應(yīng)的接觸面積，極大促進(jìn)了多污染物的協(xié)同脫除。相比于濕法煙氣脫硫技術(shù)，半干法煙氣脫硫技術(shù)產(chǎn)物為干態(tài)，有利于實(shí)現(xiàn)規(guī)模化，且反應(yīng)產(chǎn)物易于后處理，容易實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，是極具潛力的多污染物協(xié)同脫除技術(shù)。

4 結(jié)語

隨著火電行業(yè)超低排放改造進(jìn)入尾聲，非電行業(yè)的超低排放改造將迎來爆發(fā)式增長。經(jīng)過近20年的工程實(shí)踐，半干法煙氣脫硫技術(shù)中循環(huán)流化床和噴霧干燥法已成為市場認(rèn)可的主流技術(shù)。相比濕法和干法煙氣脫硫技術(shù)，半干法煙氣脫硫技術(shù)具有脫硫效率高、反應(yīng)速度快、無需防腐處理、無廢水排放、能耗水耗低、系統(tǒng)簡單、占地面積小、投資成本低的優(yōu)勢(shì)，具有較大潛力。鋼鐵、水泥、玻璃、非電鍋爐等行業(yè)超低排放標(biāo)準(zhǔn)已陸續(xù)頒布實(shí)施，陶瓷、磚瓦、冶金、焦化、碳素等行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)也正在制訂中，非電行業(yè)超低排放改造刻不容緩。半干法煙氣脫硫技術(shù)在超低排放改造中需優(yōu)化脫硫技術(shù)對(duì)復(fù)雜工況的適應(yīng)性，結(jié)合企業(yè)源頭減排、過程控制等前中端治理技術(shù)，以協(xié)同脫硝、協(xié)同脫除多污染物為目的，合理選擇工藝路線，靈活采用組合式或一體化煙氣凈化工藝，實(shí)現(xiàn)非電行業(yè)超低排放改造中的環(huán)境治理和經(jīng)濟(jì)效益最優(yōu)化。