循环悬浮半干法脱硫技术及应用
高翔，刘海蛟，骆仲泱，倪明江，岑可法
【摘 要】 本文介绍了一种新型的半干法烟气脱硫技术－循环悬浮式多级增湿半干法烟气净化技术，并且针对该工艺的重要参数进行了实验研究。研究结果表明运行参数中绝热饱和温距、钙硫比以及浆滴粒径的变化对系统脱硫效率影响明显，增湿水量和脱硫灰的循环倍率是影响脱硫效率的关键因素，循环灰的增加有利于提高脱硫效率。该工艺已在工程中得到广泛的应用，在高效脱硫除尘的同时，也能有效去除烟气中的重金属、二恶英等污染物。
【关键词】 循环悬浮式 脱硫 吸收剂 多级增湿
Research and application of Semi-dry Flue Gas Desulfurization
in Circulating Suspension Fluidized Bed
GAO Xiang, LIU Hai-jiao, LUO Zhong-yang, NI Ming-jiang, CEN Ke-fa
(Zhejiang University Institute for Thermal Power Engineering Hangzhou 310027)
Abstract：A new semi-dry flue gas desulfurization (FGD) technology is introduced in this paper. The experimental study of semi-dry flue gas desulfurization in a circulating fluidized bed has been performed. The optimum operating parameters have been got. Results of experiment show that the approach to saturation temperature, Ca/S mole ratio and average diameter of slurry drops influence SO2 removal strongly. Recycle of desulfurization ash and humidification water are propitious to improve the efficiency. This technology has been well used, and it could not only control SO2 emission highly, but also heavy metal.
锅炉尾部烟气净化是目前全世界控制大气污染物排放的一种重要手段。半干法烟气脱硫工艺因为系统简单、占地面积小、投资低、脱硫产物容易处理等优点广泛地应用在场地有限的中小型工业锅炉和窑炉，并且在容量较小的发电锅炉也有较好的应用[1]~[6]。
图1 循环悬浮式半干法烟气净化技术系统工艺流程图
净化塔内设有多级增湿活化装置，经过增湿活化后原来位于反应物产物层内部的Ca(OH)2 从颗粒内部向表面发生迁移，并形成亚微米级细粒，沉积在颗粒表面或与表层产物层相互夹杂，改变了当地的孔隙结构，提高了颗粒的反应比表面积，同时由于水的作用，加快了反应速度，整体上提高了吸收剂的利用率和烟气净化效率。
2小型工业实验
运行条件对半干法烟气净化技术的净化效率以及吸收剂利用率有很大的影响，小型工业实验针对半干法烟气循环流化床脱硫工艺中运行参数（包括Ca/S，绝热饱和温距,入口二氧化硫浓度等，增湿水量，增湿水级数等）对净化塔内和整个系统脱硫效率的影响进行了大量的试验，并对试验结果进行了理论分析和机理探讨，找出了试验条件下的最佳运行工况参数，为实际工程的进一步实施提供参考和指导。具体的实验结果见图2~图6所示，其中ηtower代表净化塔内的脱硫效率，ηtotal代表整个系统的脱硫效率，ηFF代表布袋除尘器的脱硫效率。
研究结果表明，运行参数中绝热饱和温距、钙硫比以及浆滴粒径的变化对系统脱硫效率影响明显，绝热饱和温距越低，钙硫比越高，脱硫效率越高；一定范围内，浆滴粒径越大，脱硫效率越高，但是超过一定值后，脱硫效率会下降。喷入一定比例的增湿水可以提高脱硫效率，增湿水量较大时，多级喷水可以减轻甚至避免贴壁现象，脱硫效率会高于一级喷水时的脱硫效率。
图2
图3
图5
图4
3工程应用情况
循环悬浮式半干法烟气净化技术根据不同的工程应用场合，主要可分为两种工艺配置路线，即垃圾焚烧炉配置路线和燃煤锅炉配置路线。当该技术用于垃圾焚烧炉时，可在烟气净化塔前面加设活性炭添加系统，利用活性炭的超大微孔表面积来吸附净化烟气中的各种重金属、二恶英类等有害物质；当该技术用于燃煤锅炉时，可在烟气净化塔前面加设一个电场静电除尘器，用于收集粉煤灰，加以综合利用。
目前，该技术已有54套烟气净化设备应用于全国二十多家热电厂，如国家计委示范工程杭州锦江乔司垃圾焚烧电厂烟气净化工程、广州市珠江啤酒集团公司热电厂2×75t/h燃煤锅炉烟气净化工程、嘉兴步云热电厂垃圾焚烧发电烟气净化工程等等，不仅对用户本身产生直接的经济效益，同时带动和促进了相关技术行业产生间接的经济效益，并取得了显著的社会效益。
3.1用于垃圾焚烧炉尾气净化的工程实践
垃圾焚烧技术是被普遍认同的最快捷、最有效的实现垃圾资源化处理的技术，并以其高减容率和可回收热能等优点正得到日益广泛的应用。由于垃圾成分的复杂性，其焚烧产生的烟气中含有多种有害物质，其中主要的有害成分有：粉尘、酸性气体（硫氧化物、卤化氢、氮氧化物等）、重金属（汞、铅、铬、镉、砷等）和二恶英类物质。因此，必须在垃圾焚烧炉后配置烟气净化系统，使烟气中的污染物含量降至国家排放标准限值以下安全排放。
循环悬浮式半干法烟气技术不仅可高效去除烟气中的粉尘、二氧化硫，且可有效去除垃圾焚烧过程中产生的HCl、重金属、二恶英类物质等污染物。
以杭州乔司垃圾焚烧电厂烟气净化工程二期为例，考虑到该垃圾焚烧废气成分的特殊性，这套尾气净化系统在烟气净化塔进口烟道处加设了活性炭添加系统。活性炭通过螺旋电子称定量给料与烟气错流方向进入塔前烟道，在与烟气充分混合接触的过程中，二恶英和非挥发性重金属被吸附在飞灰和活性炭颗粒上，易挥发性重金属则由于冷凝、成核而被吸附在活性炭颗粒上，或通过活性炭表面较强的物理吸引力及异相化学吸附反应而使这些污染物从废气中脱除。目前，该套烟气净化系统已通过环保验收。经浙江省环境监测中心站检测表明，炉后出口烟气中污染物的浓度远远低于国家排放标准GB18485-2001《生活垃圾焚烧污染控制标准》，具体参数值见表1。
表1 烟气净化系统出口污染物排放浓度一览表（锅炉负荷为106％）
| 图2 绝热饱和温距对脱硫效率的影响 | 图3 Ca/S对脱硫效率的影响 | |||||||
| 图4 入口S02浓度对脱硫效率的影响 | 图5 浆滴粒径对脱硫效率的影响 | |||||||
| a塔内脱硫效率 | b系统及布袋脱硫效率 | |||||||
| 图6 增湿水量对脱硫效率的影响 | ||||||||
| a 塔内脱硫效率 | b系统脱硫效率 | |||||||
| 图7 增湿水级数对脱硫效率的影响 |
| 序 号 | 项 目 | 单位 | 测定值 | 国家标准限值 |
| 1 | 烟尘 | mg/m3 | 13.9 | 80 |
| 2 | 烟气黑度 | 林格曼黑度，级 | <1 | 1 |
| 3 | 一氧化碳 | mg/m3 | 25 | 150 |
| 4 | 氮氧化物 | mg/m3 | 252 | 400 |
| 5 | 二氧化硫 | mg/m3 | 78.7 | 260 |
| 6 | 氯化氢 | mg/m3 | 29.9 | 75 |
| 7 | 汞 | mg/m3 | <0.011 | 0.2 |
| 8 | 镉 | mg/m3 | <0.012 | 0.1 |
| 9 | 铅 | mg/m3 | <0.24 | 1.6 |
| 10 | 二恶英类 | ng TEQ/m3 | <0.034 | 1.0 |
注：表1中的各项值已按标准状态下含11％O2的干烟气为参考值换算过。
循环悬浮式半干法烟气脱硫技术不但对二氧化硫有较高的脱除效率，对重金属汞也有较好的脱除效果，表2为浙江大学热能工程研究所委托浙江省环境监测中心对杭州余杭某垃圾焚烧电厂的循环悬浮式半干法烟气净化装置的汞脱除效果监测。监测结果表明该系统对汞的脱除效率可达到63.2％。
表2余杭垃圾焚烧电厂汞排放监测结果
| 监测端面 | 第一周期 | 第二周期 | ||
| 进口 | 出口 | 进口 | 出口 | |
| 烟气温度(℃) | 188 | 157 | 189 | 160 |
| 烟气流速(m/s) | 10.4 | 12.3 | 10.4 | 12.4 |
| 实测烟气量(m3/h) | 1.32×105 | 1.24×105 | 1.32×105 | 1.25×105 |
| 标干烟气量(Nm3/h) | 7.14×104 | 7.24×104 | 7.12×104 | 7.24×104 |
| 烟气含湿量（％） | 8.7 | 8.3 | 8.7 | 8.3 |
| 汞测试浓度（mg/m3） | 0.102 | 0.037 | 0.123 | 0.037 |
| 排放速率（g/h） | 7.28 | 2.68 | 8.76 | 2.68 |
| 去除效率（％） | 63.2 | 69.4 |
3.2用于燃煤锅炉尾气净化的工程实践
与垃圾焚烧炉不同，燃煤锅炉尾部粉煤灰有很大的综合利用价值；然而，脱硫后飞灰的综合利用价值则大幅度降低，会给用户的经济效益带来相当大的影响。根据燃煤锅炉的特点，在工程设计中，可在烟气净化塔前面加设静电除尘器，用于收集粉煤灰，从而减少了影响。而且，先进行除尘，可以相对提高反应段吸收剂的浓度，达到高效除尘脱硫的效果。
以广州市珠江啤酒集团公司热电厂2×75t/h燃煤锅炉烟气净化工程为例，其主体系统设计与垃圾焚烧炉配置路线差不多，主要特点在于：第一，根据处理的烟气成分特性，不配置活性炭加料设备；第二，根据用户需求，在净化塔前增加了一电场静电除尘器；第三，静电除尘器和布袋除尘器收集飞灰分开储存。其中，第二、三条都是有利于提高飞灰的综合利用价值，充分地合理地利用一切可利用的资源，达到可持续发展的目的。燃煤锅炉尾气首先进入静电除尘器，在高压电场的作用下气体分子瞬间离子化，并使灰颗粒荷电，在电场力的作用下灰颗粒向集尘极移动并沉积下来，大部分灰颗粒因而从烟气中分离出来，并储存起来以备综合利用。
该套系统运行以来，系统装置性能稳定、阻力较小、除尘脱硫效果好。2004年7月广州市环境监测中心站进行了环保验收测试，测试结果表明，烟气处理系统完全达到设计要求，烟气排放指标符合GB13223-2003《火电厂大气污染物排放标准》及广州市地方环保要求，具体监测项目数据见表3。
表3 循环悬浮式半干法烟气净化系统性能指标
| 测试项目 | 单位 | 1＃煤粉炉监测结果 | 2＃煤粉炉检测结果 | ||
| 处理前 | 处理后 | 处理前 | 处理后 | ||
| 烟温 | ℃ | 148 | 124 | 153 | 133 |
| 烟气量 | m3/h | 78704 | 73203 | 92965 | 63186 |
| 烟尘浓度 | mg/m3 | 1.56×104 | 22.5 | 1.04×104 | 37.9 |
| 二氧化硫浓度 | mg/m3 | 2678 | 194 | 2740 | 298 |
| 除尘效率 | ％ | 99.87 | 99.75 | ||
| 脱硫效率 | ％ | 93.27 | 92.60 |
4结语
随着人民生活水平日益提高，加强环境保护的观念的已深入人心，环保国策日益严格。循环悬浮式半干法烟气净化技术作为一项高性能多效的大气污染控制技术，它的推广应用对推动我国烟气脱硫行业的共同进步及我国的脱硫除尘等烟气净化设备的迅速国产化具有重要意义。
参考文献
[1]赵卷,张少峰,张占锋.半干法烟气脱硫技术研究新进展[J].河北工业大学学报,2003,32(5):81~86.
[2]张凡,张伟等.半干半湿法烟气脱硫技术研究[J].环境科学研究,2000,13(1):60~64.
[3]王乃华 骆仲泱 高翔 岑可法.新型半干法烟气脱硫的试验研究[J].动力工程,2003,23(4):2586~2588,2577.
[4]王乃华，高翔等.浆液组分添加剂对喷雾干燥烟气脱硫性能影响的研究[J].动力工程.2001,21(3):1280~1284,1270.
[5] Guo, Q., & Kato, K. (1998). The effect of operating conditions on SO2 removal in semidry desulfurization by a powder-particle spouted bed. Kagaku Kogaku Ronbunshu, 24, 279~284.
[6] Hill F F,Zank J.F1ue gas desulphurization by spray dry absorption[J] . Chemical Engineering and Processing,2000,(39):45~52．
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