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旋转喷雾干燥法烟气脱硫工艺 摘 要国内燃煤锅炉粉尘污染和二氧化硫污染较为严重，特别是二氧化硫减排形势异常严 峻，现有和新建锅炉二氧化硫浓度排放要求越来越严格，到2010 年二氧化硫排放浓度要低 于400mg/m3。喷雾法烟气脱硫工艺是20 世纪80 年代初才出现的一种新的烟气脱硫工艺,与 传统的湿式石灰-石膏法相比,具有系统简单、投资少、运行费用低、干燥后的废渣易于处理 等优点。本文介绍了喷雾法脱硫工艺的流程、机理、影响因素、实际运行中遇到的问题和解 决办法及应用前景。 关键词喷雾干燥；烟气脱硫；Ca/S 1 引言 当今世界大气污染是环境问题中突出的一个方面，SO2 是世界上量大面广的主要大气污 染物之一，而我国是世界上SO2 排放最多的国家。2005 年全国二氧化硫排放总量高达2549 万吨，居世界第一，比2000 年增加了27【1】，2007 年达2800 万吨。预计到2010 年，我 国煤炭年消耗量将达到18 亿t，SO2 的年排放量将会达到3300 万t。火电行业的快速发展是 导致二氧化硫排放量增加的主要原因。目前，我国的能源结构依然以煤为主。在中国一次能 源生产与消费构成中，煤炭比例超过2/3【2】。到2005 年底，中国煤炭消费21.4 亿吨，增长 了近9 亿吨，增加量超出规划8 倍;煤炭消费占到能源消费总量的68.9，其中，火电装机 容量达到5.08 亿千瓦，超过规划约1 亿千瓦，消耗煤炭11.1 亿吨，增长了近1 倍。而燃煤 发电厂是我国大气SO2 污染的第一大污染源【3，4】。我国二氧化硫排放量的90因燃煤而产 生，其中50左右来自于燃煤电厂。 2002 年1 月，国家环保总局、国家经济贸易委员会、科学技术部联合发布了“燃煤二氧 化硫排放污染防治技术政策”，提出了SO2 防治的技术路线。其中，电厂锅炉烟气脱硫的技 术路线是燃用中高硫煤含硫2机组、或大容量机组200MW的电厂锅炉建设烟气脱硫 设施时，宜优先考虑采用湿式石灰石石膏法工艺，脱硫率应保证在90以上;燃用中、低 硫煤含硫2的中小电厂锅炉200MW，或是剩余寿命低于10 年的老机组建设烟气脱硫 设施时，宜优先采用半干法、干法或其它费用较低的成熟技术。 喷雾干燥法烟气脱硫【5】工艺是70 年代中后期发展起来的脱硫新技术。与传统的湿法脱 硫相比，具有系统简单、运行维护方便、投资少、运行费用低、干燥后的废渣易于处理等优 点,因而得到了迅速推广应用【6】。喷雾干燥法烟气脱硫技术受到了我国科学工作者的重视, 对其脱硫的机理进行了一系列的研究【7】，并在中、小型的燃煤锅炉尾气脱硫上取得进展【8】。 我国引进的喷雾烟气脱硫工艺已分别于1991 年和1994 年在四川白马电厂、山东黄岛电厂投 入运营【9】。 2 喷雾干燥法脱硫工艺流程 旋转喷雾干燥法脱硫是利用喷雾干燥原理，将吸收剂浆液以雾状形式喷入吸收塔内，一 方面吸收剂与烟气中的SO2 反应，生成固体灰渣；另一方面烟气将热量传递给吸收剂，使之 水分不断蒸发干燥，在塔内脱硫反应后形成的废渣为固体粉尘状态，一部分在塔内分离由锥 体出口排出，另一部分随脱硫后烟气进入电除尘器【10】。 -2- 图1 显示了旋转喷雾干法烟气脱硫工艺流程。流程包括【11】①吸收剂制备；②吸收剂 浆液雾化；③雾粒与烟气的接触混合；④液滴蒸发与SO2 吸收；⑤废渣排出。其中②～④ 在喷雾干燥吸收塔内进行 图1 旋转喷雾干法烟气脱硫流程 安装于吸收塔顶部的离心喷雾机具有很高的转速，吸收剂浆液在离心力作用下喷射成均 匀的雾粒，雾粒直径可小于100μm。这些具有很大表面积的分散微粒，一经与烟气接触，就 发生强烈的热交换和化学反应，迅速将大部分水分蒸发掉，形成含水量很少的固体灰渣。由 于吸收剂微粒没有完全干燥，在吸收塔之后的烟道和除尘器中仍可继续发生一定程度的吸收 SO2 的反应【12】。 3 喷雾干燥法烟气脱硫原理 3.1 浆滴的蒸发 雾化器出来的浆滴直径的范围为20～150μm，视不同的雾化方法而不同，滴中的 CaOH2 颗粒的直径为l～5μm,可视为孤立的CaOH2 颗粒周围分布着连续的液相【13】。吸收 剂颗粒溶解在液相中，在浆滴中处于饱和状态。与此同时，SO2 在液滴的表面被吸收。浆滴 进入反应器后水分开始迅速地蒸发,浆滴内的吸收剂颗粒变得更加密集。此时,水分的蒸发发 生在浆滴的表面，这个阶段称为恒速干燥阶段。随着蒸发的进行，液相的体积不断地减少， 直到固体颗粒相接触,集聚在浆滴的表面形成一个固定的障碍层,这样限制了水分的蒸发和 SO2 的吸收的速率,这个阶段称为降速干燥阶段。最后，生成物固体内的大多数自由水相被蒸 发掉了。 图2 喷雾干燥示意图【14】 -3- 3.2 烟气中SO2 的吸收 在喷雾干燥反应器中,石灰浆液被雾化为微细的石灰浆滴100μm与高温烟气相接触, 气、液、固三相之间发生复杂的传质、传热作用。浆滴中水分蒸发的同时，烟气中的SO2 被吸收与浆滴中的CaOH2 颗粒发生反应，最后得到干燥的CaSO4、CaSO3 和未反应的 CaOH2 固体混合物，经收尘系统而收集下来【15】。 总的来说，旋转喷雾干燥法是将石灰浆液以雾状喷入反应塔内，与热烟气接触，经雾化 的微小液滴同时发生传热、传质过程【16】。 1酸性气体从气相进入液滴表面的传质过程。 2被吸收的酸性气体与溶解的CaOH2 发生如下化学反应【17】 2 2 3 2 3 3 2 3 3 SO H O H HSO HSO H SO Ca SO CaSO − − − − → → → 反应过程中有一部分CaSO3 被氧化成CaSO4 3 2 4 1 2 CaSO O →CaSO 吴忠标,谭天恩【18】研究了喷雾脱硫塔内石灰浆滴的干燥和脱硫两个过程之间的关系，得 出了干燥和脱硫密切相关当浆滴干燥成固粒且含水量低于临界值时，脱硫效率急剧减 少；脱硫剂表面含有非结合水分是维持脱硫的快速反应离子反应的必要条件，恒速干燥 阶段的SO2 的脱除占整个过程的90以上【19】。 4 影响因素 4.1 Ca/S（化学计量比） 脱硫效率和化学计量比是喷雾干燥法脱硫工艺有两个主要的工艺指标。化学计量比是指 进入系统的CaOH2 的摩尔数与SO2 的摩尔数之比。图3 显示了入口的烟气温度为160℃, 浓度为3000～3500ppm 的条件下,脱硫率与化学计量比的关系。脱硫效率随化学计量比的增 加而增大，但当化学计量比增大到一定的数值后,继续提高计量比，则脱硫率提高缓慢而吸 收剂的利用率将会显著的降低【20】。庞亚军【21】等选择了Ca/S 为1.2、1.4、1.5、1.6、 1.8 进行脱硫试验。试验结果表明钙硫比增加烟气脱硫率也增加，钙硫比每增加0.1 烟气脱 硫率平均增加2～3。因此合理地选择脱硫效率，对节约吸收剂用量、降低运行费用是至 关重要。 -4- 40 50 60 70 80 90 100 1 1.5 2 2.5 Ca/S 脱硫效率（） 入口烟气160℃； 图3 喷雾干燥法脱硫效率与Ca/S 之间的相互关系 40 50 60 70 80 90 100 1 1.5 2 2.5 Ca/S 脱硫效率（） 入口烟气160℃； 上方曲线近绝热饱和温度为16℃； 下方曲线近绝热饱和温度为11℃； 图4 喷雾干燥法脱硫效率与出口烟气的近绝热饱和温度之间的相互关系【20】 4.2 出口烟气的近绝热饱和温度对脱硫率的影响 图4 显示了吸收塔出口烟气的近绝热饱和温度值，即吸收塔出口烟气的平均温度与烟气 绝热饱和温度的差值，对脱硫效果的影响。在相同的化学计量比的条件下，在较高的近绝热 饱和温度的条件下，脱硫效率较低;降低近饱和绝热温度,脱硫效率提高明显。SO2 脱除反应 的基本条件是吸收剂雾滴必须含有水分。当水分含量高时，雾料与烟气一接触即迅速降低了 烟气的温度，从而使蒸发率降低，延长了化学反应时间，有利于SO2 的吸收；另一方面， 雾滴的干燥速度还受到烟气中水蒸气分压的影响，当水蒸气分压接近于相同温度下的饱和蒸 汽压时，吸收SO2 的时间可大幅度增加，使脱硫率有明显的增加。实际的操作中考虑到下 道工序的进行，出塔烟气温度必须高于绝热饱和温度10～20℃,否则,水分会凝结，造成粉料 在除尘器部分板结，影响系统的运转。 4.3 进口烟气温度对脱硫率的影响 较高的进口烟气温度可以得到较高的脱硫效率，这是由于进口烟气温度较高可以增加石 灰浆液的含水量，完成石灰浆滴干燥的时间就越长，能使吸收剂维持较长的湿态时间，从而 有利于吸收剂的充分利用和二氧化硫的吸收反应的进行改善吸收塔内第一干燥阶段的传质 条件，从而使脱硫效率提高。 -5- 5 喷雾干燥烟气脱硫系统可靠性分析 从1980 年喷雾干燥脱硫装置首次投入商业运行以来，在控制和设备方面遇到许多问题。 但大多问题已得到解决，使喷雾干燥烟气脱硫系统的可靠性大大提高，大多数电厂超过97。 喷雾干燥烟气脱硫自运行以来，遇到的问题主要有以下几个方面① 容器和管道堵塞； ② 吸收塔固体沉积；③ 喷雾器磨损和破裂；④ 烟道和除尘器腐蚀。这些问题是由石灰浆 液和石灰粉末引起的，也是喷雾干燥吸收塔或处理浆液和粉末工业的常见问题【23～25】。石灰 具有易吸收水气而变成坚硬固体的特性，石灰浆会造成堵塞和磨损。 5.1 容器和管道的堵塞 容器与管道问题是由于固体沉积以及由此引起的堵塞。这是由于浆液小于设计值，管道 内存在流动停滞区，使用过量的石灰及飞灰反应特性等原因造成的。这些问题导致要周期性 地关闭受影响的部件以清除坚硬的沉积物。改进方法包括修改管道设计，提高浆液流速，消 除流动死角，提高浆液槽泵的吸入管嘴，改进搅拌和容器隔板的设计，在运行中周期性的转 动设备。 尽管很多设备都会遇到堵塞问题，如在石灰粉碎机的加料斜槽和运输系统中加入能去除 过大尺寸颗粒的滤网，可以解决这一问题。 5.2 吸收塔中的固体沉积 在许多电厂，吸收塔中固体沉积分布从局部扩展到整个壁面上，这是喷雾干燥脱硫工艺 需要解决的最重要的问题之一。在设计工况下连续运行可冲刷掉少量的局部沉积物，对于大 量的沉积物则需关闭吸收塔，在大型电厂可以使用备用吸收塔。导致产生沉积物的主要原因 是吸收塔内温度控制不合理，以及运行时喷入的固体浓度小于设计值。 由于运行过程中安装在吸收塔出口管道内的热电偶表面逐渐被脱硫产物覆盖，因此使读 出的温度将变得不准确。Sherburne 电厂的初步运行试验表明，干球热电偶垂直接近于吸收 塔壁且直接横穿喷雾旋转装置时测出的气体温度对喷淋量的控制是可靠的。吸收塔壁附近的 气体湍流程度很高，因此温度探头能保持足够的清洁度。Donnelly 等人（1986）报道在吸收 塔出口温度控制回路中加入口气体流量和温度的前馈信号，这使吸收塔出口温度更加稳定并 且减少固体沉积物。 清除粘壁物料的方法主要有振动法，包括间歇手动，间歇或连续电动、气动等；空气 吹扫法；转动的刮刀和链条连续清除法；针对粘壁位置，特别设置电动或气动的刷子间歇清 除。 5.3 喷雾器的磨损和破裂 喷射石灰浆的喷雾器会遇到磨损和破裂的问题，特别是在达到最佳工况前的初始运行阶 段。旋转喷雾器以其良好的性能成为喷雾干燥脱硫工艺中使用最普遍的浆液分散器。不过由 于机械上比较复杂，与其他的喷雾器相比，需要更加严格的维护。 Nrio 喷雾转盘上下都有陶瓷耐磨挡板，耐磨挡板破裂后必须更换。开始时，破裂的原 因被认为是冷的浆液碰到被烟气加热的耐磨板引起的热冲击造成的。转盘保护水流改为喷雾 干燥吸收塔出口挡板同时打开，这一改变降低了耐磨盘破裂的频率。 瑞典的Vasteras 电厂在运行的初始阶段遇到过旋转喷雾器转盘中喷嘴的磨损问题。磨损 力特别大的飞灰颗粒高速冲出喷嘴，以致每300h 就必须更换喷嘴。该问题可通过将ESP 收 -6- 集的脱硫产物中的粗颗粒再循环得到解决，这样喷嘴的寿命可以提高到3 年以上。 5.4 除尘器腐蚀 除尘器（ESP 和袋式除尘器）的腐蚀问题主要于烟气温度低而且湿度高有关。在运行中 可能由于一些不稳定因素，使得烟气温度低于露点温度，或是保温效果不好造成温度损失严 重。需加强保温效果【25】。 6 结论 旋转喷雾干燥法脱硫装置具有投资省、设备简单、占地面积较小、尾渣易处理的优点， 适用于中低硫煤脱硫和老厂改造。因石灰具有易吸收水气而变成坚硬固体的特性，石灰浆会 造成堵塞和磨损，但大部分已经解决，目前喷雾干燥烟气脱硫系统具有较大的可靠性。虽然 其脱硫效率比湿式石灰石石膏法低，但在满足环保要求的条件下，从多种角度考虑，旋转 喷雾干燥法在我国将具有较为广阔的应用前景。 参考文献 [1] 杨新飞. 半干法脱硫灰水合性能研究[D], 济南. 山东大学硕士论文, 2006 [2] 崔民选. 2006 中国能源发展报告[M]第1 版.社会科学文献出版社. 2006. 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