摘 要:本文介紹了D-2R@FGD循環(huán)半干法煙氣脫硫技術(shù)的原理、中試及工業(yè)化試驗(yàn)的情況。該技術(shù)通過改進(jìn)工藝和結(jié)構(gòu)，在提高脫硫效率和脫硫劑循環(huán)利用率兩項(xiàng)技術(shù)上成效顯著，用戶可在不增加裝置投資的前提下，獲得更高的效率和更低的運(yùn)行成本。

關(guān)鍵詞:鍋爐;循環(huán)半干法脫硫;煙氣脫硫

石灰石/石灰—石膏法雖然是當(dāng)今世界上最為成熟的脫硫技術(shù)，但由于存在系統(tǒng)龐大、裝置腐蝕、大液氣比需煙氣再加熱器、運(yùn)行成本高、產(chǎn)物出路、二次污染、投資大等諸多問題，因而現(xiàn)在還在尋找更有效的脫硫技術(shù)。目前，歐洲已逐步向半干法、干法脫硫方向發(fā)展，應(yīng)用比例呈逐年上升態(tài)勢(shì)，從2002年的8％上升到2005年的約12％。

半干法屬第二代脫硫技術(shù)，與大型濕法技術(shù)相比，除脫硫效率稍低外，其克服了大型濕法技術(shù)存在的諸多弊端，國內(nèi)采用半干法脫硫技術(shù)的最大裝置已達(dá)到300MW（山西榆社熱電廠）。但迄今為止，國內(nèi)尚無大型濕法煙氣脫硫技術(shù)用于220t/h以下中小型鍋爐的報(bào)道，而半干法技術(shù)適用范圍較廣，20～300MW火電機(jī)組的脫硫除塵裝置均可應(yīng)用，同時(shí)適用于非發(fā)電行業(yè)如：石油、化工、造紙、制鋁業(yè)、冶金、食品加工等生產(chǎn)企業(yè)各種燃料的中小型鍋爐（65～410t/h）的煙氣脫硫除塵。本文介紹的D-2R@FGD技術(shù)為通過改進(jìn)的循環(huán)半干法脫硫技術(shù)，在提高脫硫效率和脫硫劑循環(huán)利用率兩項(xiàng)技術(shù)上已取得顯著成效，較目前國內(nèi)同類技術(shù)先進(jìn)。用戶在不增加裝置投資的前提下，可獲得更高的效率和更低的運(yùn)行成本。

1 項(xiàng)目技術(shù)的基本原理

煙氣循環(huán)流化床D-2R@FGD循環(huán)半干法脫硫包括吸收劑制備系統(tǒng)、吸收塔、煙氣前除塵系統(tǒng)、后除塵系統(tǒng)及煙道、再循環(huán)系統(tǒng)、物料輸送系統(tǒng)、給水系統(tǒng)、壓縮空氣系統(tǒng)和生控系統(tǒng)。

D-2R@FGD循環(huán)半干法煙氣脫硫采用氣體懸浮原理，經(jīng)除塵后的煙氣從塔底進(jìn)入，通過氣體分布器增大煙氣流速，經(jīng)干消化后的石灰粉注入脫硫塔內(nèi)，在煙氣流態(tài)的作用下，將石灰粉托起并散開，使兩相充分混合，雙流體噴嘴將霧化后的水噴入脫硫塔內(nèi)，促進(jìn)石灰活化，提高吸收反應(yīng)速度，達(dá)到脫除二氧化硫的目的。反應(yīng)完成后，煙氣及生成物出塔進(jìn)入氣固除塵分離器凈煙氣排入大氣，固體被回收，大部分重返脫硫塔循環(huán)利用，一部分含生成物的干灰外排回收他用。

該產(chǎn)品的技術(shù)性能達(dá)到《火電廠煙氣脫硫工程技術(shù)規(guī)范—循環(huán)流化床法》（HJ/T178－2005）標(biāo)準(zhǔn)（見表1）。

2 傳統(tǒng)脫硫裝置存在的問題分析及該項(xiàng)目技術(shù)的創(chuàng)新

2.1 傳統(tǒng)脫硫裝置存在的主要問題

（1）脫硫效率

目前國內(nèi)的半干法脫硫裝置應(yīng)用于35～130t/h鍋爐的煙氣脫硫效率一般在80％～88％，220t/h以上級(jí)別的鍋爐也難以突破90％。能達(dá)到或超過90％的裝置很難保持長期穩(wěn)定運(yùn)行。

從理論上分析，半干法脫硫效率偏低一般有下列原因：

1）Ca/S低。大部分SO2在反應(yīng)中前區(qū)被脫除，進(jìn)入中后區(qū)的SO2含量已較低，此時(shí)在溫度、吸收劑濃度逐步降低的反應(yīng)條件下，如果Ca/S不足，塔內(nèi)Ca與SO2反應(yīng)的中后區(qū)吸收劑的濃度就難以維持，化學(xué)反應(yīng)無法完全進(jìn)行，部分SO2沒有被脫除就隨煙氣出塔而導(dǎo)致脫硫效率偏低。

2）煙氣在塔內(nèi)停留時(shí)間短。塔截面取值不合理、氣速大，是煙氣在塔內(nèi)停留時(shí)間短的主要原因。雖然Ca與SO2反應(yīng)是一個(gè)快速反應(yīng)，但反應(yīng)仍需要經(jīng)歷分子向化學(xué)反應(yīng)的過程，必須有一定的時(shí)間保證。時(shí)間太短必然會(huì)造成塔內(nèi)化學(xué)反應(yīng)不完全，最終導(dǎo)致脫硫效率偏低。

3）濕度不夠。吸收SO2的反應(yīng)必須有水存在才能進(jìn)行，國內(nèi)半干法裝置塔內(nèi)從下部一次增濕改進(jìn)到分段二次增濕，其目的就是設(shè)法增加反應(yīng)時(shí)間，提高反應(yīng)速度，強(qiáng)化化學(xué)反應(yīng)，從而提高脫硫劑利用率及反應(yīng)效率。若濕度不夠，則化學(xué)反應(yīng)不徹底，脫硫效率會(huì)偏低。當(dāng)然，濕度過高也會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)生掛壁和布袋除塵運(yùn)行不正常的副作用。

4）塔內(nèi)氣固流體分布不均勻。氣固兩相混合狀況也是決定化學(xué)反應(yīng)程度的條件之一。固相在塔內(nèi)主要靠氣相流態(tài)作為動(dòng)力實(shí)現(xiàn)氣固兩相的充分混合，因此擴(kuò)大氣固兩相的接觸面，給予兩相反應(yīng)最大空間。如果氣相在塔內(nèi)出現(xiàn)偏流分布，不均勻，就難以給兩相反應(yīng)提供足夠的接觸面積而出現(xiàn)局部反應(yīng)真空，脫硫劑的利用率也會(huì)降低，造成總脫硫效率偏低。

（2）脫硫劑循環(huán)利用率

脫硫劑循環(huán)利用率取決于脫硫塔后除塵器回收含生成物回流灰的返用量�；亓骰抑杏邢喈�(dāng)部分是尚未參加化學(xué)反應(yīng)的活性鈣。技術(shù)上鈣硫比的概念通常指新鮮石灰鈣量與二氧化硫量的比值。這部分新鮮石灰僅占參與吸收反應(yīng)總活性鈣量的60%～70％，其產(chǎn)生的脫硫效率也只約有總效率的60％。工業(yè)上的鈣硫比指參與化學(xué)反應(yīng)總鈣量與總硫量的比值，也就是說有30%～40％的活性鈣量來自于回流灰的補(bǔ)充。在脫硫塔內(nèi)，吸收SO2是一個(gè)氣相控制過程，反應(yīng)速度決定于SO2向石灰分子表面的擴(kuò)散速度，而且石灰吸收SO2是快速化學(xué)反應(yīng)。鈣過量相當(dāng)于增大反應(yīng)物的濃度和反應(yīng)表面積，增加反應(yīng)物分子間的碰撞機(jī)會(huì)�；亓骰已h(huán)利用越多，單位時(shí)間內(nèi)鈣的循環(huán)量越大，越容易保持塔內(nèi)活性鈣的濃度，鈣的利用率就越高，總脫硫效率就能得到相對(duì)保證，同時(shí)可減輕塔后除塵器的負(fù)荷。

2.2 項(xiàng)目技術(shù)的創(chuàng)新

該項(xiàng)目在技術(shù)上經(jīng)過深入研究，建立了針對(duì)性煙氣工況的反應(yīng)數(shù)學(xué)模型，即半干法煙氣脫硫反應(yīng)模型分析，根據(jù)反應(yīng)模型分析，確定了以下創(chuàng)新點(diǎn)：

（1）采用三級(jí)霧化增濕強(qiáng)化傳質(zhì)

最大限度地提高未參加反應(yīng)石灰的利用率，控制煙氣出口溫度（即控制反應(yīng)層溫度）。國內(nèi)半干法裝置塔內(nèi)從下部一次增濕改進(jìn)到分段二次增濕，其目的就是設(shè)法提高反應(yīng)速度，強(qiáng)化化學(xué)反應(yīng)程度，從而提高脫硫劑利用率及反應(yīng)效率。吸收SO2的反應(yīng)過程及反應(yīng)程度同樣受反應(yīng)條件的影響。從宏觀工況分析，煙氣進(jìn)入塔內(nèi)溫度較高，如果在氣固兩相尚未充分混合的情況下，在塔內(nèi)下部一次性增濕將可能出現(xiàn)以下情況：1）熱量過于集中，對(duì)吸收反應(yīng)不利；2）石灰表面水膜過厚而影響SO2向石灰表面的擴(kuò)散速度；3）吸收反應(yīng)時(shí)間短，不能有效利用脫硫塔的反應(yīng)空間；4）由于水分的快速蒸發(fā)，循環(huán)的脫硫劑難以得到充分利用；5）水量一旦控制不當(dāng)，容易產(chǎn)生粘壁，塔底積灰。

如果再增加增濕層數(shù)，務(wù)必要增加塔高，投資會(huì)隨之增加，而且脫硫效率提高不明顯，經(jīng)濟(jì)上是不劃算的。

因此，采用分段給水就是改善吸收反應(yīng)可能產(chǎn)生的影響，在反應(yīng)模型總水量不變的前提下，進(jìn)水由大到小逐級(jí)分配，吸收反應(yīng)分級(jí)完成。煙氣進(jìn)塔溫度高，不利于吸收反應(yīng)，下層噴水量需多一些，一方面要考慮降溫，另一方面還必須考慮SO2向石灰表面的擴(kuò)散阻力；一部分水參與化學(xué)反應(yīng)，一部分水冷卻煙氣后快速蒸發(fā)上升，理論上同樣是水分子，都可參加吸收SO2的反應(yīng)，而實(shí)際上氣相水和液相水在吸收SO2過程中的反應(yīng)速度存在較大的差距。

經(jīng)一級(jí)反應(yīng)后，30%～40％未反應(yīng)的石灰經(jīng)第二、第三層噴水逐級(jí)增濕活化，充分利用了脫硫塔的軸向空間，脫硫劑得到最大限度地利用。脫硫效率也得以提高。

（2）塔內(nèi)中上部設(shè)置擋灰圈及塔頂帽形結(jié)構(gòu)

改變塔內(nèi)流體狀態(tài)，使塔壁軸向帶形成紊流，截留部分灰，增加石灰的內(nèi)循環(huán)量。吸收SO2的反應(yīng)通常采用過量鈣的原則。大部分SO2一般在反應(yīng)中前區(qū)被脫除，進(jìn)入中后區(qū)的SO2含量較低，此時(shí)在溫度、吸收劑濃度逐步降低的反應(yīng)條件下，塔內(nèi)Ca與SO2在反應(yīng)中后區(qū)吸收劑的濃度難以維持，化學(xué)反應(yīng)無法進(jìn)行到底。脫硫反應(yīng)完成后，生成物和部分未參加反應(yīng)的脫硫劑將隨氣相進(jìn)入塔后除塵裝置。設(shè)置擋灰圈的目的在于通過改變塔內(nèi)流體狀態(tài)，使塔壁軸向帶形成紊流，滯留部分灰，增加石灰的內(nèi)循環(huán)量，盡可能維持上部的脫硫劑滿足尾部反應(yīng)需要的濃度；同時(shí)減輕塔后除塵裝置的負(fù)荷。

煙氣以較高速度穿過擋灰圈后，在慣性作用下直沖塔頂再倒回出口，流速減慢，在出口的另一端必然形成紊流狀態(tài)，由于慣性沖擊和紊流的作用，部分灰沉降下來，重新參加塔內(nèi)反應(yīng)，因而塔頂設(shè)計(jì)帽形結(jié)構(gòu)具有二次擋灰的功效。

（3）煙氣進(jìn)口設(shè)置氣體導(dǎo)向板

確保煙氣均勻分布，改善氣固兩相的接觸面積和反應(yīng)空間；同時(shí)降低進(jìn)塔氣體阻力。氣固兩相充分混合也是決定化學(xué)反應(yīng)程度的條件之一。固相在塔內(nèi)主要靠氣相流態(tài)作為動(dòng)力實(shí)現(xiàn)氣固兩相的充分混合，擴(kuò)大氣固兩相的接觸面積，給兩相反應(yīng)提供最佳條件。如果氣相在塔內(nèi)出現(xiàn)偏流分布不均勻，就難以給兩相反應(yīng)提供足夠的接觸面積而出現(xiàn)局部反應(yīng)真空，脫硫劑的利用率也會(huì)降低，最終導(dǎo)致總脫硫效率偏低。煙氣進(jìn)口設(shè)置氣體導(dǎo)向板的目的是使煙氣進(jìn)塔后能均勻分布，避免出現(xiàn)氣相偏流的情況。

（4）設(shè)置凈煙氣循環(huán)管道

設(shè)置凈煙氣循環(huán)管道，即脫硫除塵后煙氣回流進(jìn)口與高溫?zé)煔饣旌�，可調(diào)節(jié)進(jìn)口煙氣溫度，提高反應(yīng)速度。使已凈化的較低溫?zé)煔饪恳L(fēng)機(jī)加壓動(dòng)力返回塔進(jìn)口與高溫?zé)煔饣旌�。其作用是�?）可作為冷卻劑減少用水量，調(diào)節(jié)進(jìn)口煙氣溫度，提高反應(yīng)速度；2）有增加進(jìn)煙氣壓強(qiáng)、提高塔內(nèi)托力和散灰功能，防止大顆�；页两导霸黾託夤滔嘟佑|面積。

（5）塔后除塵器采用上進(jìn)風(fēng)

塔后除塵器采用上進(jìn)風(fēng)可利用固相的自重沉降，提高除塵效率，同時(shí)達(dá)到降低除塵器安裝高度和外表美觀的效果。國內(nèi)半干法塔后除塵裝置目前大多沿用下進(jìn)風(fēng)方式，正好與粉塵下降的方向相反。受煙氣流動(dòng)力的作用，粉塵處于懸浮狀態(tài)難以沉降，因而灰的回收率不高。本技術(shù)采用上進(jìn)風(fēng)方式與粉塵并流，可利用大中顆粒粉塵的自重力沉降，克服了粉塵受煙氣的上升力作用而難以沉降的問題。同時(shí)上進(jìn)風(fēng)還有利于清除極板（布袋）上的粉塵，并有減輕除塵器負(fù)荷、降低除塵器安裝高度、節(jié)約材料、檢修方便、外表美觀的良好效果。

3 項(xiàng)目的中試情況

該項(xiàng)目技術(shù)根據(jù)在東南大學(xué)熱能動(dòng)力研究所的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合（見表2～表6，均為平均數(shù)）。

試驗(yàn)?zāi)康模汗に嚰敖Y(jié)構(gòu)改進(jìn)后脫硫效率和脫硫劑循環(huán)利用率的變化情況。

試驗(yàn)基準(zhǔn)條件：煙氣量10000Nm3/h；脫硫塔塔高21m，Φ900mm；煙氣溫度150℃；進(jìn)口SO2濃度2000mg/Nm3；塔內(nèi)平均反應(yīng)溫度100℃；塔內(nèi)平均流速7.31m/s；循環(huán)灰含鈣30.5％；塔后除塵濾袋面積220m2。

試驗(yàn)結(jié)果顯示，效果良好，改進(jìn)措施是可行的，并為工業(yè)化應(yīng)用提供了很好的設(shè)計(jì)依據(jù)。

4 項(xiàng)目的技術(shù)特點(diǎn)

（1）分段完成吸收反應(yīng)，石灰粉和水分別加入，有別于目前其它方法；可解決噴槍堵塞的問題；（2）噴霧系統(tǒng)采用雙流體噴嘴；噴嘴、干消化器、塔后除塵器及其控制系統(tǒng)等關(guān)鍵設(shè)備采用國外先進(jìn)的成熟產(chǎn)品，裝置可靠、長周期穩(wěn)定運(yùn)行；（3）固體循環(huán)倍率可達(dá)150倍，固體總停留時(shí)間長；（4）阻力小，低電耗，投資省，適用范圍廣，裝置使用壽命長；（5）采用凈煙氣循環(huán)方式，具有調(diào)節(jié)進(jìn)氣溫度、提高反應(yīng)速度的功能；（6）技術(shù)性能指標(biāo)優(yōu)化：Ca/S<1.3；脫硫效率>94%； 粉塵排放濃度<50mg/m3；煙氣出口溫度>70℃；裝置可用率>96%；脫硫劑循環(huán)利用率≥95%；酸性氣體SO3、HCl、HF去除率>95%；重金屬Hg等脫除率≥98％。

5 項(xiàng)目技術(shù)的工業(yè)化試驗(yàn)

2005年5月，該項(xiàng)目技術(shù)分別在杭州錦江垃圾焚燒爐和廣東珠江75t/h燃煤鍋爐兩套裝置上設(shè)計(jì)配套進(jìn)行工業(yè)化試驗(yàn)，2005年10月裝置建成投入試運(yùn)行，經(jīng)調(diào)試后裝置運(yùn)行效果良好，均達(dá)到設(shè)計(jì)要求，各項(xiàng)主要技術(shù)性能指標(biāo)均達(dá)到《生活垃圾焚燒污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB18485－2001）和《火電廠煙氣脫硫工程技術(shù)規(guī)范—循環(huán)流化床法》（HJ/T178－2005）。兩套裝置分別于2005年底通過浙江省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心和廣州市環(huán)境監(jiān)測(cè)中心監(jiān)測(cè)驗(yàn)收。

目前我國已實(shí)施煙氣脫硫的火電機(jī)組僅約占國內(nèi)總裝機(jī)容量的2%，且總裝機(jī)容量尚未計(jì)算化工、石油、造紙等行業(yè)的鍋爐。目前國內(nèi)的中小型鍋爐占全國鍋爐總數(shù)80％以上、燃煤鍋爐占95％以上。全國未配套脫硫裝置的中小型鍋爐有幾十萬臺(tái)，占全國鍋爐總數(shù)的98％，因此市場(chǎng)巨大。

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