半干法烟气脱硫的研究进展

半干法烟气脱硫的研究进展

文章阐述了半干法烟气脱硫技术的研究进展，在分析半干法烟气脱硫存在的问题的基础上，提出了采用氨水作为脱硫剂进行惰性粒子流化床烟气脱硫。结果表明，氨法惰性粒子流化床烟气脱硫效率理想，反应器运行稳定，能够解决半干法烟气脱硫存在的部分问题。最后，作者对半干法烟气脱硫今后的工作方向提出了自己的见解。

标签：烟气脱硫；半干法；氨法

引言

烟气脱硫按照脱硫方式和产物的处理形式划分，可分为干法、半干法和湿法3类[1]。近些年来，单纯依靠湿法脱硫已经不能满足市场需求。干法和半干法烟气脱硫因其运行可靠、系统简单等优势，是中小电厂的不错选择。

1 典型烟气脱硫技术

1.1 湿法烟气脱硫技术

在大型电站的烟气脱硫领域中，湿法烟气脱硫因其运行可靠、适应煤种含硫量和机组负荷、脱硫效率高等优点有着无可替代的地位。但湿法烟气脱硫系统复杂、运行费用高，初期投资大，脱硫产物难于处理等。而且，我国的湿法脱硫更多的是依赖进口，GGH、循环泵、除雾器等设备的国内加工还要假以时日，这给中小电站和热电站的烟气脱硫造成了压力[2]。

1.2 干法烟气脱硫技术

干法烟气脱硫技术（DFGD）是采用干态粉状脱硫剂与燃煤产生的SO2反应来去除烟气中SO2的。脱硫反应和脱硫副产物处理均在干状态下进行，没有废水产生，设备腐蚀小，烟气无需再热，结构简单，设备易于维护，运行费用低。但干法脱硫技术存在脱硫剂利用率低，脱硫效率低等缺点。

1.3 半干法烟气脱硫技术

半干法烟脱硫（SDFGD）如今应用并不多，但因其兼具干法和湿法脱硫的一些优势，受到人们的广泛关注。半干法烟气脱硫脱硫反应速度快，相比于湿法脱硫，有着投资省、工艺简单等优点；当钙硫摩尔比为1.2时，通过控制绝热饱和温度，其脱硫效率达80%以上，远远高于单纯的干法烟气脱硫；同时具有干法脱硫产物易于处理，无废水排放的优点。

2 半干法烟气脱硫研究进展

2.1 喷雾干燥法脱硫

20世纪70年代，丹麦NIRO公司开发了旋转喷雾干燥烟气脱硫技术（SDA）。由于雾化液滴很小很均匀，比表面积大，所以反应速度快，脱硫效率可达85%；投资低于湿法工艺；无废水排放。但SDA塔壁粘结固体，管道容易堵塞；由于旋转喷雾器转速达15000-20000r/min，易于损坏，需经常更换；脱硫剂的利用率不合理，一些最新的SDA装置通过研制高效脱硫剂和添加剂、增加再循环灰系统来提高脱硫剂的利用率[3，4]。

2.2 循环流化床烟气脱硫

20世纪80年代，德国鲁奇（Lurgi）公司开创性地将循环流化床技术引入到烟气脱硫中，开发了一种新型半干法烟气脱硫技术-循环流化床烟气脱硫（CFBFGD）[5]。该技术通常与炉内喷钙相结合，炉内未反应的CaO进入循环流化床反应器，被湍流破碎，增大了与SO2的反应面积；而且采用循环流化床，通过吸收剂的多次再循环，增长了其与烟气的接触时间，大大提高了脱硫吸收剂的利用率。我国东南大学、清华大学等单位对循环流化床脱硫技术进行了大量的实验研究，并开发出了一些具有自主知识产权的脱硫装置[6，7]，有的已经投入运行。

2.3 惰性粒子喷动床与惰性粒子流化床烟气脱硫

20世纪90年代，为进一步解决脱硫剂在反应器内停留时间不理想的问题，日本学者提出了粉末-颗粒喷动床（PPSB）烟气脱硫的概念。这种脱硫技术具有很高的脱硫效率，而且脱硫产物易于处理。很多国内学者针对喷动床的形式、脱硫剂的种类、添加剂等对其进行了深入研究。张少峰[8，10]等在实验研究的基础上，开发了一种双喷嘴矩形导流管喷动床，并研究了添加剂对脱硫效率的影响。

随后，不少学者将惰性粒子流化床应用于半干法烟气脱硫技术中。东南大学的郭宏伟、袁佳丽等[11]采用毫米级别的惰性粒子进行流化床脱硫实验，研究了钙硫比、近绝热饱和温度、静止床层高度、惰性粒子粒径、近绝热饱和温度和床层温度等对脱硫效率的影响，指出近绝热饱和温度、钙硫比是影响脱硫效率的主要因素。加入的惰性粒子能够明显提高半干法的脱硫效率。同时，他们指出烟气脱硫的床层温度不得低于70℃，否则容易结块。

随后，金轶风[12]将惰性粒子流化床脱硫与钠碱法结合，研究了钠硫比、入口烟气温度、惰性粒子粒径和床层高度等对脱硫效率的影响，并拟合了脱硫效率关联式。这种脱硫方式加快了脱硫反应速率，避免了湿法脱硫中的一些问题。

加入惰性粒子进行半干法脱硫，其优势体现在以下几点：

（1）反应器内装有惰性粒子，颗粒处于流化态，颗粒的流化使得吸收剂分散均匀，烟气的温湿度和SO2浓度均匀；惰性粒子的存在显著增大了传热传质的面积。

（2）吸收剂附着于惰性粒子表面，其停留时间是烟气停留时间的数百倍。因而，吸收剂的利用率和脱硫效率都很理想。通过降低烟气速度、增加静止床层高度、缩小粒子粒径，停留时间会相应增加。

（3）为保证粒子的流态化，其运行气速快；脱硫与干燥同时进行，反应后产物为干态。这些都缩小了设备的体积，非常适合小型电厂的应用。

在惰性粒子流化床烟气脱硫中，采用钙基脱硫剂容易出现脱硫塔内壁积灰、喷嘴磨损、除尘器腐蚀、喷嘴磨损、浆液管路堵塞等问题。有些问题在很大程度上是因为钙基脱硫剂浓度大、粘度大、流动不畅或者浆液流速过小。

钙基半干法脱硫的副产物一般是由CaSO3、CaSO4、飞灰以及未反应的石灰组成的。在惰性粒子流化床内，脱硫与干燥同时进行；反应产物在经过干燥后，有一部分不能及时排出，而是以固体的形式贴在脱硫塔内壁，这种情况会随着脱硫的进行愈发严重，最终造成脱硫塔流通的横截面积减小，导致烟气流速增大，在塔内的停留反应时间减小，脱硫效率降低。2.4 氨法脱硫与惰性粒子流化床烟气脱硫

钙基脱硫剂使得半干法脱硫的应用很受限制。而氨也是一种良好的碱性吸收剂，其碱性要强于钙基（石灰石、石灰）。从吸收化学机理上分析，SO2的吸收属于酸碱中和反应，脱硫吸收剂的碱性越强，越有利于SO2的吸收。从传质理论的角度分析，钙基吸收剂吸收SO2属于气固反应，反应速度相对缓慢，反应不完全，吸收利用率低。所以，很多脱硫技术的改进也是针对脱硫剂的细化、雾化、循环等方面，这势必会增加系统的复杂程度和能耗。而氨气与SO2的反应属于气-液或气-气反应，其反应速率比钙基快，吸收利用率也会相应提升。单纯考虑吸收反应过程，氨法脱硫的吸收设备体积比钙基吸收设备体积小，能耗低。

在半干法烟气脱硫技术的基础上，作者以氨水作为脱硫剂、惰性粒子流化床作为脱硫塔主体就运行工况的稳定性、运行参数对脱硫效率的影响等作为基本研究内容，分析其可行性，并寻求氨法脱硫相对于钙基半干法烟气脱硫的优势与不足。具体研究内容如下：

（1）氨法脱硫原理研究。分析了NH3、SO2和H2O的反应机理，提出了包括氨硫比、近绝热饱和温度、烟气停留时间等影响氨法脱硫的主要因素，并从脱硫效率与装置运行等方面具体分析了这些影响因素。

（2）实验研究。通过氨法脱硫实验，采用单因素确定法来分析各运行参数（氨硫摩尔比、近绝热饱和温度、床层温度、床层高度、入口SO2浓度、惰性粒子直径）对脱硫效率的影响，并拟合了脱硫效率关联式。

（3）建立数学模型。采用双膜传质理论，以前人研究为基础，结合氨法脱硫的具体特征，提出了氨法惰性粒子流化床烟气脱硫反应数学模型。通过计算与实验值比较后，验证了模型的合理性。

实验结果表明，氨法惰性粒子流化床脱硫效率明显高于钙基半干法烟气脱硫。当床温85℃，氨硫比为2，近绝热饱和温度15-20℃，惰性粒子粒径2mm，床层高度80mm，入口SO2浓度700ppm时，脱硫效率达到90%。影响趋势：床温越高，氨硫比越高，近绝热饱和温度越低，惰性粒子粒径越小，床层高度越高，更有利于提高脱硫效率。

3 结束语

半干法烟气脱硫能够克服湿法脱硫工艺复杂、成本高的问题，对小型电厂脱硫设备的建设提供了引导意义。但是，半干法烟气脱硫工艺容易出现粘壁、脱硫效率不稳定等问题，因此，许多学者提出了采用惰性粒子为载体，使脱硫剂与烟气在其表面完成脱硫过程，或者选用氨水作为脱硫剂，试图解决钙基脱硫剂进行脱硫存在的问题。虽然这些研究取得了一定的效果，但是，要将这些研究具体进行大规划工业应用，还存在不小的阻力。氨水虽然脱硫效率高，更不容易黏壁、堵塞，但是，氨本身价格就远远高于钙基脱硫剂。因此，要解决上述一系列问题，还需要大量的研究去做，如下：

（1）进一步对脱硫装置结构本身进行探讨和优化。（2）寻求更为优良的脱硫剂，解决其与成本之间的矛盾。（3）如何将干法烟气脱硫具体应用于大型电站锅炉。

参考文献

[1]王艳锦，郑正，周培国，等.生物法烟气脱硫技术研究进展[J].中国电力，2006，39（6）：56-59.

[2]杜建敏.干法与半干法烟气脱硫技术综述[J].工业安全与环保，2002，28（6）：13-15.

[3]雷仲存.工业脱硫技术[M].北京：化学工业出版社，2000：189-200.

[4]喷雾干燥烟气脱硫工艺[J].电力环境保护，1999（3）：59-62.

[5]李晓斐，傅大放，马光.半干法烟气脱硫新技术-粉末-颗粒喷动床技术[J].环境污染治理技术与设备，2002（6）.

[6]马春元，徐夕仁，李京，等.双循环流化床烟气脱硫装置[P].国家实用新型专利：99246582.6.

[7]王爱军，祁海鹰，由长福，等.循环流化床烟气脱硫技术试验研究[J].燃烧科学与技术，2000，6（4）：351-355.

[8]张少峰，赵卷，张占锋，等.喷雾-喷动床半干法烟气脱硫实验研究[J].环境

污染与防治，2004，26（4）：288-290.

[9]王淑华，王经，张少峰.双喷嘴矩形导流管喷动床脱硫性能的研究[J].化学工程，2008，36（3）：64-67.

[10]张少峰，赵卷，张占锋，等.添加剂对喷雾-喷动床半干法烟气脱硫性能的研究[J].化工环保，2004，24（4）：244-247.

[11]郭宏伟，袁佳丽，等.惰性粒子流化床烟气脱硫的试验研究[J].动力工程学报，2010，30（10）：793-797.

[12]金轶风.惰性粒子流化床半干法钠碱烟气脱硫研究[D].东南大学.

作者简介：张黎明（1986-），男，山东潍坊，研究实习员，硕士研究生，研究方向：烟气脱硫。