（工程热物理专业论文）循环悬浮式半干法烟气脱硫技术的试验和机理研究.pdf

摘要 摘要 i 半干法烟气脱硫具备系统简单，造价较低，所产生的最终固态产物易于处理，避免了二 次污染问题等优点；但脱硫效率和吸收剂利用率比湿法工艺低一直是制约半干法技术大规模 推广的主要因素。因此，完善半干法烟气脱硫技术以提高脱硫效率和石狄的利用率，才能使 其具有经济性上的竞争力。鉴于此矿本文研究开发了种新型的半干法烟气脱硫工艺循 环悬浮式半于法烟气脱硫技术。( 该工艺结构简单，投资低，运行费用省，而且还可除去其它 有害气体甚至重金属等，并且解决了吸收剂利用率低的问题。0 本文首先对近年来半干法烟气脱硫工艺的发展及其各自的优缺点做了系统的回顾和评 述。( 在此基础上，开发了一种新型的半干法烟气脱硫工艺，改变了常规脱硫塔的形式，使气 液反应以及气固反应都得到加强；灰循环直接进入脱硫塔，而不是进入浆液系统，这样循环 倍率高，实现了更高的脱硫效率；采用了特殊的烟气分布装置，加强了塔内湍流；还对塔内 进行了分级喷水，延长了塔内脱硫反应时间。 应用a s t m 法测定了脱硫剂的活性，并对石灰成分和粒径分布进行了分析，选定了活 性较好的富阳石灰作为本文试验研究的脱硫剂。本文研究了脱硫过程中各工艺参数对脱硫效 率的影响，研究了分级喷水，灰循环工况下的脱硫效率，以及各种不同的添加剂对于脱硫效 率的影响，获得了丰富的试验结果。 研究了c a s 、出口距绝热饱和温度的温差、入口二氧化硫浓度、烟气量、有无脱硫狄 再循环等运行参数对脱硫效率的影响e ( 试验结果清晰的显示出，在各参数中对系统脱硫效率 影响最大的为趋近绝热饱和温度d t ，随着趋近绝热饱和温度的降低，脱硫效率明显升高， 并且几乎成线性变化，每降低1 0 ，脱硫效率升高超过2 0 ；钙硫比对脱硫效率的影响仅 次于烟气出口的趋近绝热饱和温度d t ，钙硫比升高脱硫效率随之升高，但变化趋势渐趋平 缓：烟气入口温度升高时，脱硫效率升高；脱硫塔入口烟气s 0 2 浓度升高或者烟气在脱硫 塔内的流速升高，脱硫效率有所降低，但并不是很明显。沁 研究了循环倍率、增湿水对脱硫的强化作用以及脱硫塔轴向中心温度分布的情况。循 环倍率的提高可以使脱硫效率的增加，但是当循环倍率超过5 时，灰循环对脱硫效率的促进 作用变得不明显。研究了增湿水位置以及增湿水量对于脱硫效率的影响，研究结果表明，增 湿水可以提高整体脱硫效率，但会降低布袋除尘器的脱硫效率，增湿水量的增加到一定程度 ( 约3 0 ) 脱硫效率开始下降：增湿水的喷入点应当布置在石灰浆液恰好干燥的位置为宜。 本文还对脱硫塔的阻力损失的影响因素进行了研究，结果表明，脱硫塔的阻力和烟气流量成 二次曲线关系，和循环倍率成正比。 采用合适的添加剂可以提高系统的脱硫效率。本文对吸湿性添加剂、氧化性添加剂以及 有机缓冲酸等三种不同类型添加剂对脱硫效率的影响作用进行了研究，结果表明吸湿性添加 剂、h 2 0 2 、蔗糖可以提高系统的脱硫效率，甲酸和苯酸效果不明显。在吸湿性添加剂中， n a o h 和c a c l 2 的效果最为明显，会使系统的脱硫效率升高，但会降低布袋除尘器的脱硫效 啐，1 寸：。一 + ， 本文建立了半于法烟气脱硫的恒速干燥阶段的脱硫模型。帧型考虑了常速干燥阶段的气 相阻力、液相传质阻力和石灰的溶解阻力，并且进行了相应的计算和分析。通过模型分析确 定了半干法烟气脱硫工艺常速干燥阶段的反应机理。本文还考虑了降速干燥阶段脱硫效率对 摘簦 整个系统脱硫效率的影响，并对恒速干燥模型进行了合理的修正，模型的计算结果和试验结 果吻合的很好。对影响模型的各参数进行了敏感性分析，结果表明，该模型对趋近绝热饱和 温度、烟气入口温度、以及入口s 0 2 浓度等参数的灵敏度较高，对于钙硫比、烟气量等参 数的灵敏度不够理想。修正后的模型可以用来预测常速干燥阶段的脱硫效率，并指导工程设 玑 关键词：循环悬浮式半干；去烟气脱硫1 脱硫效率_ 添加剂循环倍率j 分级喷水恒速干燥 灰循环脱硫模型? 。 a b a t r a c t a b s t r a c t c o m p a r e dw i t hw e tl i m e l i m e s t o n ef l u eg a sd e s u l p h u r i z a t i o nt e c h n o l o g y ( w f g d ) ，s e m i d r yf l u e g a sd e s u l p h u r i z a t i o nt e c h n i q u e ( s d f g d ) h a sm a n ya d v a n t a g e s ，s u c h a sl o w e ri n v e s t m e n t ，d r y p r o d u c t i o n ，e t c b u tt h el o wu t i l i z a t i o nr a t i oo fa b s o r b e n ti sf a t a lf a c t o rw h i c hl i m i t st h ew i d e l y a p p l i c a t i o no fs d f g d w i t ht h e s ef a c t o r s i nm i n d ，c u r r e n tt e c h n o l o g i e so fs e m i d r yf l u e g a s d e s u l f u r i z a t i o na r er e v i e w e dw h i l ef o c u so nt h er e m o v a l e f f i c i e n c y a n du t i l i z a t i o no f c a l c i u m b a s e ds o r b e n t s o nt h eb a s e so f g r e a tn u m b e r o fi n t e r n a t i o n a la n dn a t i o n a lr e f e r e n c e s ，o n e n o v e ls e m i - d r yf l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o n - c i r c u l a t i n ga n d s u s p e n s i o ns d f g dt e c h n o l o g y ，w h i c h i s n e wi nc h i n aa n ds u i t a b l ef o rt h ec u r r e n ts i t u a t i o ni nc h i n a ，i sp r e s e n t e di nt h i sp a p e r ab e n c h s c a l et e s t f a c i l i t y w a s d e s i g n e da n db u i l t t h ep r o c e s s f e a t u r e s s i m p l ed e s i g n ，o p e r a t i o n a l r e l i a b i l i t y ，l o wm a i n t e n a n c ec o s t sa n dr e m o v a lo f h e a v y m e t a l a ne x p e r i m e n t a ls t u d yh a sb e e np e r f o r m e do nt h es e m i - d r yf g d ，t h ei n f l u e n c eo fo p e r a t i o n p a r a m e t e r so ns 0 2r e m o v a lh a sb e e ni n v e s t i g a t e d t h ea p p r o a c ht os a t u r a t i o nt e m p e r a t u r ea n d c a sm o l er a t i oi n f l u e n c es 0 2r e m o v a l s t r o n g l y t h eo p t i m u mo p e r a t i n gp a r a m e t e r sh a v e b e e ng o t t h e o p t i m u ma p p r o a c ht os a t u r a t i o nt e m p e r a t u r ei sa b o u t1 0 c ，t h eo p t i m u mc a sr a t i o1 5 ，t h e o p t i m u mr e c y c l er a t i o5 ，a n dt h eo p t i m u mh u m i d i f i e dw a t e ri sa b o u t3 0p e r c e n to ft o t a lw a t e r e v a p o r a t e d t h ee f f e c t so fa d d i t i v e sw e r es t u d i e dd i r e c t l yi nt h es e m i d r yf g d p r o c e s s h y g r o s c o p i ca d d i t i v e s h a ds i g n i f i c a n te f f e c t so ni m p r o v i n gl i m eu t i l i z a t i o na n ds 0 2 r e m o v a l ；b u f f e ra d d i t i v e sh a dl i t t l e o rn oe f f e c t t h em e c h a n i s m sr e s p o n s i b l ef o r i m p r o v e m e n t si np e r f o r r u a n c ew i t ht h eu s eo f a d d i t i v e sw e r ei n v e s t i g a t e da n dd i s c u s s e d e x p e r i m e n t ss h o w e dt h a to v e r9 0 r e m o v a lo fs 0 2 c o u l db ea c h i e v e di nt h i s s e m i - d r yf g dp r o c e s sw i t ht h ea p p r o p r i a t eu s eo fa d d i t i v e sa n d o p e r a t i n gc o n d i t i o n s a nm a t h e m a t i c a lm o d e li nc o n s t a n tr a t ed e s i c c a t i o ns t a g eo fs d f g d w a sb u i l ti nt h i sp a p e r t h e m o d e lo ff g dt o w e rw a sb a s e do nf i l mt h e o r ya n dt r e a t e dt h ea t o m i z e ds l u r r yd r o p l e ta sas p h e r e w i t ht h ef l u i dp h a s e u n i f o r m l yd i s t r i b u t e da r o u n dt h ed i s c r e t ei n d i v i d u a ls o r b e n tp a r t i c l e b o t ht h e g a sp h a s em a s st r a n s f e ra n dl i q u i dp h a s em a s st r a n s f e rt o e m c i e n t sw e r ei n c l u d e di nt h et o w e r m o d e la l o n gw i t har e l a t i o n s h i pt op r e d i c tt h er e s i s t a n c et ol i m ed i s s o l u t i o n t h i sa p p r o a c hw a s s a i dt oa l l o wp r e d i c t i o n so ft h em a s st r a n s f e rc o e m c i e n t sa n dt om o d e lt h ee n h a n c e m e n td u et o i n c r e a s i n gs o l i dc o n c e n t r a t i o na se v a p o r a t i o np r o c e e d s i tc a nb es e e nt h a tt h ec a l c u l a t e dr e s u l t s f r o mt h em o d e l a g r e e dw e l lw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s k e yw o r d ：s e m i - d r yf g d a s hc i r c u l a t i o n s 0 2r e m o v a le f f i c i e n c ya d d i t i v e s d e s u i p h u r i z a t i o n m o d e l s t e p e ds p r a y i n gw a t e r c o n s t a n tr a t i od e s i c c a t i o ns t a g e 纬论 第一章绪论 1 1 我国的s 0 2 污染现状及危害 我国是一个以煤炭为主要能源的国家，煤炭一直占我国能源的生产和消耗的7 0 以上。随着经济的快速发展，煤炭消费不断增长。1 9 8 0 年煤炭消耗量是6 亿吨， 到1 9 9 5 年已达到1 2 8 亿吨，1 5 年增加了1 倍多。至今我国绝大多数燃煤装置没有 脱硫设备，煤炭中8 0 的左右的硫分燃烧后排入大气。随着燃煤量的增加，燃煤排 放的s 0 2 也不断增加，“八五”期间，平均每年增加二氧化硫排放量大约1 0 0 万吨，比 f 1 本现在一年的8 0 万吨还多。1 9 9 5 年我国二氧化硫排放量超过2 3 7 0 万吨。目前中 国的二氧化硫排放量已经超过美国，成为世晃最大的二氧化硫排放圈。表1 1 和1 2 是我国和美国历年s 0 2 排放量的比较。 表1 1 统计公报公布的我国s 0 2 年排放量( 万吨) t a b l e1a n n u a le m i s s i o no fs 0 2b a s e do nt h es t a t i s t i cb u l l e t i np u b l i s h e db yt h ec h i n e s e g o v e r n m e n t 年份 1 9 4 01 9 5 01 9 6 01 9 7 01 9 7 51 9 8 01 9 8 51 9 9 0 s 0 2 排放 1 7 4 01 9 8 01 9 7 02 8 3 0 2 5 9 0 量 大量的s 0 2 排放、大气中s 0 2 浓度过高及酸雨的形成已严重影响了人体健康， 破坏了生态系统，对工农业生产造成极大损失。 据北京、上海、天津、沈阳、太原等地的调查表明，这些城市重污染区内居民的 慢性支气管炎、鼻炎、鼻烟炎患病率比轻污染区高0 5 - - 1 倍，个别城市甚至高2 3 倍。沈阳和青岛流行病学研究表明，居住在重污染区内儿童的呼吸道阻力 ( 6 4 1 0 6 c m h 2 0 ，l s ) 明显高于清洁区内的儿童( 4 2 9 8 0 c m h 2 0 l s ) ，并发现气道阻力与 大气中s 0 2 浓度呈正比，相关系数为r = 0 9 9 9 6 ；居住在重污染区儿童的肺功能中期 流速( m m f ) 均值明显低于居住在清洁区内的儿童。 研究表明，生活在重污染区内儿童的嗅阈迟钝者( 嗅阈三级) 约占1 8 ，清洁区仅 为5 。反之，重污染区嗅阈灵敏的( 嗅闽一级) 仅占3 7 ，而清洁区占4 6 。研究还 表明，大气中s 0 2 的浓度每年增加1 0 p g m 3 ，呼吸系统疾病的死亡人数将增加5 。 s 0 2 往往被飘尘吸附，s 0 2 和飘尘的协同效应，使其对人体的危害更大。吸附 s 0 2 的飘尘可将s 0 2 带入人的肺部，使s 0 2 的毒性增加3 4 倍。在光照下，飘尘中 的f e 2 0 3 等物质可将s 0 2 催化转化成s 0 3 ，遇水可形成硫酸雾并被飘尘吸附。此飘 尘经呼吸道吸入肺部，滞留在肺壁上，可引起肺纤维性病变和肺气肿，硫酸雾的刺激 作用比s 0 2 强1 0 倍。 绪论 酸：可和二氧化硫污染制约了经济的发展，严重危害人民的身体健康。酸雨污染造 成我国粮食、蔬菜、水果减产，以至于整块农用绝收，广西受害地区农作物减产幅度 达到5 1 0 。森林受到危害，材积量锐减，甚至成片的森林死亡。重庆市自8 0 年 代以来，受酸雨影响，林区8 5 的马尾松受到不同程度伤害，死亡率达3 5 。酸雨 还使金属和建筑材料被腐蚀，土壤和水体被酸化。根据有关的研究结果，1 9 9 5 年我 国由于酸雨和二氧化硫污染造成人体健康和农作物、森林等方面的经济损失约为 1 1 0 0 多亿元，已接近当年全国国民生产总值的2 ，成为制约我国经济和社会发展 的重要因素。 八十年代中期，我国酸雨较严重( p h 值4 5 ) 的地区局限在重庆、贵阳、柳州 的部分地区和长沙、南昌等城市附近的局部范围内。年均p h 值= 5 6 的等值线东部 走向基本上在长江和淮河之间，中段和长江走向一致，西部在成都、达县带。 1 9 9 3 1 9 9 4 年，该等值线明显向北推移。东部北推至东北西部，向西穿过河北北部、 西部，直到兰州附近，然后折向西南。而年均降水p h 值4 5 的地区已包括四川大部， 云南东部，贵州、广西北部等西南广大地区和华中、华南的部分地区，以及华东沿海 的杭州、嘉兴、湖州地区。可见，从1 9 8 5 1 9 9 4 年我国酸雨污染有明显的发展恶化 趋势。从全国酸雨监测的结果来看，1 9 9 4 年以后，我国酸雨状况大体上保持在 1 9 9 3 1 9 9 4 年的水平，p h 值等值线空间分布格局基本上没有变化。各酸雨测站年均 降水p h 值有升有降，p h 值下降的测站数目略多于上升的测站数，其中以华北地区 下降较明显。 此外，我国的酸雨污染和二氧化硫排放也引起了周边国家和国际社会的密切关 注，日本、韩国的舆论也再提出中国排放二氧化硫等致酸污染物对其环境造成了损 害，有可能引起跨国界的污染纠纷。 我国一次能源以煤为主的结构近期不会发生变化，预计到2 0 1 0 年和2 0 2 0 年煤 炭产量将分别达到1 8 亿吨和2 1 亿吨。如果不加以控制，2 0 1 0 年和2 0 2 0 年全国二 氧化硫排放量将分别达到3 3 0 0 万吨和3 9 0 0 万吨。如果不加以治理，到那时，酸雨 污染的区域范围将进一步扩大，二氧化硫污染的城市数量将进一步增加，污染程度将 进一步加重。对人民群众健康和生态环境的危害更加严重，造成的经济损失更大。 针对酸雨和二氧化硫污染的不断加剧，1 9 9 6 年国务院关于环境保护若干问题 的决定中明确提出要治理“两控区”的酸雨和二氧化硫污染。两控区控制目标为：到 2 0 1 0 年，二氧化硫排放总量控制在2 0 0 0 年排放水平以内；城市环境空气二氧化硫 浓度达到国家环境质量标准，酸雨控制区降水p h 值小于4 5 的面积比2 0 0 0 年明显 减少。 电力和煤炭是造成酸雨和二氧化硫污染的主要行业。火电厂和各种各样的工业锅 炉是排放二氧化硫造成酸雨的主要污染源。目前火电厂二氧化硫排放量约占全国排放 量的1 2 ，预计到2 0 1 0 年将占到2 3 。因此，火电厂脱硫，减少二氧化硫的排放是今 后的重点任务。国家规定，新建、改造燃煤含硫量大于1 的电厂，要采取减排二氧 化硫的措施，在2 0 1 0 年以前分批分期建成脱硫设施或采取其他具有棚应效果的减排 措施。 绪论 1 2 脱硫技术概述 对于脱硫技术的研究，从本世纪初至今已有9 0 年的历史。自6 0 年代起，一些工 业化国家相继制定了严格的法规和标准，限制燃烧过程s 0 2 等污染物的排放，这措 施极大地促进了脱硫技术的发展。进入7 0 年以后，烟气脱硫的研究工作开始由实验室 阶段转向大规模应用性阶段。据美国环保局( e p a ) 1 9 8 4 统计，世界各国开发、研究、 使用的s 0 2 控制技术已达1 8 9 种，预计目前的数量将超过2 0 0 种。这些技术概括起来 可分为四类，即燃烧前脱硫、燃烧中脱硫、煤的转化利用技术和燃烧后脱硫( 烟气脱 硫) 。 1 2 1 燃烧前脱硫技术 1 动力煤洗选加工 燃烧前脱硫主要是指原煤脱硫，即采用物理、化学的方法对锅炉使用的原煤进行清洗， 将煤中的硫部分除掉，使煤净化。动力煤洗选加工可以降低灰分，硫分，提高热值， 用于电站锅炉可以降低发电煤耗，延长锅炉及辅机的寿命；勇于锅炉和窑炉可以提高 燃烧效率，同时可以减小烟尘和s 0 2 排放量。在煤炭质量要求严格的国家，为了控 制煤的灰分和硫分，各煤矿一般都配有煤洗选措施。德、法、澳、日等国用煤入洗率 都在9 0 以上。在中国，原煤的入洗率较低，只有2 2 ，约2 8 亿吨煤，设备容量 也只能达到3 8 亿吨( 1 9 9 5 年) 。现阶段，我国的洗煤主要用于冶金用煤，动力用 煤只是对含硫量高的煤才采用洗选，其入洗比重仅为6 3 左右。因此，洗选煤的发 展在中国还存在极大潜力。国务院己批准将其列入中国洁净煤技术“九五”计划和 2 0 1 0 年发展纲要。“九五”期间，国内正在着重于研究解决大型选煤设备和自动检 测技术的可靠性等问题。 2 型煤加工 将粉煤加工成型煤，比燃烧散煤节约能源的2 0 3 0 ，减小烟尘排放量4 0 6 0 ，还能提高锅炉出力1 0 3 0 ，加入适量的固硫剂后，燃烧时烟尘和s 0 2 排放都比燃烧散煤时减小4 0 6 0 。针对我国城市居民燃料消费状况，在煤气尚 未普及的地区，发展固硫剂型煤代替散煤的燃烧可以改变城市污染状况。 国内多年的实践已证明，型煤加工技术在经济上是合理的，而且环境、社会效 益显著。无论是民用型煤还是工业型煤，都存在着巨大的市场潜力。在我国民用型煤 加工已有成熟技术，但工业型煤的发展比较缓慢，其技术开发仍处于分散的低水平重 复状态，对于其推广还缺乏统一规划和良好的组织管理。目前市场上每吨工业型煤比 原煤高5 0 元8 0 元，因而用户普遍缺乏使用积极性。总之，如何让工业型煤技术尽 快而充分地发挥其经济、环保和社会效益还是一个很大地课题。 3 水煤浆技术 水煤浆是一种煤基液流态燃料，可以代油燃烧。由于在水煤浆的制备过程中， 必须经历对煤的沈选过程，因而采用水煤浆燃料后，可以降低s 0 2 的排放量达8 0 以上。我国对水煤浆的制备和燃烧技术的试验研究丌始于8 0 年代初，同世界上其他 绪论 国家一样，最初的主要目的是希望摆脱对进口石油的依赖。国内现有技术已具备了商 业化水平，制浆技术达到国际水平。但是在电厂锅炉及工业炉窑的试用表明，水煤浆 燃烧技术的应用和推广存在较大的经济性问题。根据我国能源政策，燃油锅炉有逐渐 被取代的趋势，但对于现有燃油锅炉，只有当石油价格与水煤浆的价格比为2 2 5 时 ( 1 9 9 0 年可比价) ，在经济性上才合算。目前，水煤浆技术在电厂还很难推广，在 工业窑炉上的应用存在一定潜力。 4 利用微生物脱硫技术 利用某些细菌以硫化物为能源，并使硫元素的存在形态发生改变的性质，可以进 行微生物脱硫。一般用氧化亚铁硫杆菌去除煤中约占2 ，3 的无机硫( f e s 2 ) ，用硫化 叶菌去除有机硫，效率分别可以达到4 0 和3 0 左右。国内已能分离出可脱除有机 硫的微生物，脱硫率可达2 1 4 7 ，而对于黄铁矿的脱除方法则需要更进一步的 改进。微生物脱硫具有反应条件温和、成本低、能耗省、无煤的流失等优点，是一种 很有前途的方法。 1 2 2 燃烧中脱硫技术 燃烧过程中脱硫主要是指当煤在炉内燃烧的同时向炉内适当位置喷入脱硫剂( 常 用的有石灰石、白云石、也有用熟石灰和生石灰的) ，脱硫剂一般利用炉内较高温度 进行自身煅烧，煅烧产物( 主要有c a o 、m g o 等) ，与煤燃烧过程中产生的s 0 2 、s 0 3 发生反应，生成硫酸盐和亚硫酸盐，以灰渣的形式排出炉外，减少s 0 2 s 0 3 向大气 的排放，达到脱硫目的。燃烧过程中脱硫反应温度较高，一般在8 0 0 1 2 5 0 的范围 内。 煤燃烧中脱硫技术主要有以下几个方向： 1 煤粉炉直接喷钙脱硫技术 在煤粉炉中，脱硫剂选择温度较低区域( 炉膛上方) 喷入进行脱硫。煤粉炉内直 接喷钙脱硫技术，由于其脱硫效率没有湿法烟气脱硫( w f g d ) 高，故曾在较长一段 时间内没有得到工业应用。但由于目前一些国家，特别是发展中国家的有关环保法令 只要求对燃煤排放的s 0 2 有中等程度的排除，这方法所具有的投资省，装置简单， 便于改造能满足一般环保要求的特点越来越受到人们的关注。单纯的炉内直接喷钙脱 硫效率只能达到3 0 4 0 左右，再与尾部活化器增湿或在脱硫中添加催化剂等技术 相结合，其脱硫效率可达7 0 以上，具有广阔的发展前景。 2 流化床燃烧脱硫技术( f b c ) 流化床燃烧脱硫技术包括常压鼓泡流化床燃烧技术、常压循环流化床、增压鼓泡 流化床燃烧技术与增压循环流化床燃烧技术。其中前三类已得到工业应用，增压循环 流化床燃烧技术尚在工业示范阶段。下面以常压循环流化床燃烧技术和增压循环流化 床燃烧技术为例，说明流化床燃烧技术的脱硫性能。 常压循环流化床燃烧技术是最近发展起来的一种有效的燃烧方式，它具有和煤 粉炉棚当的燃烧效率，并且由于其燃烧温度低( 8 5 0 9 5 0 ) ，正处于炉内脱硫的最 佳温度段，冈而在不需增加设备和较低的运行费用下就能清洁地利用高硫煤。特别足 绪论 烟气分离j 粤循环技术的应用，相当于提高了脱硫剂在床内的停留u , f n j ，也提高了床内 脱硫剂浓度，同时床料间，床料与床壁间的磨损、撞击使脱硫剂表面产物层变薄或使 脱硫剂分裂，有效地增加了脱硫剂的反应比表面积，使脱硫剂的利用率得到相应地提 高。稳定运行时的循环流化床燃烧脱硫效率可达9 0 以上。该技术现已在国外得到 广泛地应用。存在问题是：循环流化床受容量限制。 增压循环流化床燃烧技术的出现比循环流化床要晚，它的出现主要是为了提高流 化床的燃气能，使其能与燃气轮机配套组成联合循环机组，以提高整个热力循环的效 率。一般而言，p f b c 机组效率在3 8 4 2 左右，脱硫效率在9 0 以上，同时还具 有较强的脱硝能力，因此它也引起了人们的极大兴趣。 3 煤气化联合循环系统( i g c c ) 在i g c c 系统中，煤与气化剂首先在气化炉内反应生成燃料气，然后送入燃气轮 机系统燃烧。在气化时，煤中的硫及氮、氯等分别生成h 2 s ，n h 3 ，s 0 2 ，h c i ，经 过常规的方法可以脱除至非常低的水平。煤气燃烧后以高于p f b c 的烟气温度进入 燃气轮机。气化炉可采用流化床气化炉、气流床气化炉、固定床气化炉三类。 目前，i g c c 在国外已进入商业化示范阶段，预计2 0 1 0 年左右可进入实用阶段， 单击规模达到3 0 0 m w 4 0 0 m w ，热效率可望达到5 3 ，与a c f b 及p f b c 相比， l g c c 的投资最大，而所得的高效率难以抵偿其附加的费用。因此，今后降低总系统 的费用和进一步提高效率，使其具有经济吸引力是未来几年内的发展方向。我国政府 已把i g c c 及p f b c 共同列入了“2 1 世纪议程”，并计划2 0 0 0 年前在国内建成一座单 机容量2 0 0 m w - - 4 0 0 m w 的i g c c 示范电厂。 1 2 3 燃烧后脱硫( 烟气脱硫) 烟气脱硫技术主要是利用吸收剂或吸附剂去除烟气中的s 0 2 ，并使其转化为稳 定的硫化合物或硫。最早的烟气脱硫技术在本世纪初就已经出现。近几十年来，国外 对烟气的脱硫、脱硝进行了大量的研究。在工业发达国家，工业脱硫装置的应用发展 很快。我国近十多年来也开展了烟气脱硫技术的研究。至今，烟气脱硫技术的种类非 常多，按脱硫的方式和产物的处理形式一般可分为干法，半干法和湿法三大类。本文 在第二章对这三类常见的烟气脱硫方式分别予以介绍。 1 湿法烟气脱硫技术( w f g d 技术) 液体或浆状吸收剂在湿状态下脱硫和处理脱硫产物。该法具有脱硫反应速度快、 设备简单、脱硫效率高等优点，但普遍存在腐蚀严重、运行维护费用高及易造成二次 污染等问题。 2 干法烟气脱硫技术( d f g d 技术) 脱硫吸收和产物处理均在干状态下进行。该法具有无污水废酸排出、设备腐蚀 小，烟气在净化过程中无明显温降、净化后烟温高、利于烟囱排气扩散等优点，但存 在脱硫效率低，反应速度较慢、设备庞大等问题。干法烟气脱硫技术由于能较好地回 避湿法烟气脱硫技术存在的腐蚀和二次污染等问题，近年来得到了迅速的发展和应 绪论 用。 3 半干法烟气脱硫技术( s d f g d 技术) 半干法兼有干法与湿法的一些特点，是脱硫剂在于燥状态下脱硫在湿状态下再生 ( 如水洗活性炭再生流程) 或者在湿状态下脱硫在于状态下处理脱硫产物( 如喷雾干燥 法) 的烟气脱硫技术。特别是在湿状态下脱硫在干状态下处理脱硫产物的半于法，以 其既具有湿法脱硫反应速度快、脱硫效率高的优点，又具有干法无污水废酸排出、脱 硫后产物易于处理的好处而受到人们广泛的关注。 1 3 烟气脱硫在国内外的应用现状 1 3 1 世界主要国家烟气脱硫技术概况 近年来，世界各发达国家在烟气脱硫( f g d ) 方面均取得了很大的进展，美国、 德国、日本等发达工业国家都在烟气脱硫处理容量方面做了详细的计划。目前，国际 上己实现工业应用的燃煤电厂烟气脱硫技术主要有：( 1 ) 湿法脱硫技术，占8 5 左 右，其中石灰一石膏法约占3 6 7 ，其他湿法脱硫技术约占4 8 3 ：( 2 ) 喷雾干燥 脱硫技术，约占8 4 ：( 3 ) 吸收集再生脱硫法，约占3 4 ；( 4 ) 炉内喷射吸收 n 增温活化脱硫法，约占1 9 ；( 5 ) 海水脱硫技术；( 6 ) 电子束；( 7 ) 脉冲等 离子体脱硫技术；( 8 ) 烟气循环流化床脱硫技术等。 1 美国烟气脱硫技术 当前世界上烟气脱硫系统应用最多的国家为美国，日本和德国。在1 9 8 6 1 9 9 5 年美国计划新安装燃煤发电机3 2 8 1 5 m w ，扣除退役机组2 1 3 6 m w ，净增加容量 3 0 6 7 9 m w ，这些新增机组大多数安装了烟气脱硫装置共2 0 6 套，烟气脱硫容量，装机 总量由1 8 7 7 上升到2 7 0 0 。脱硫概况详见表1 3 、1 4 、1 5 。 表1 31 9 8 6 1 9 9 5 美国烟气脱硫装置统计 绪论 表1 4 美国烟气脱硫技术 石灰法1 23 8 9 331 5 1 01 千法， 不可再 7 2 01 66 1 2 3生 碳酸钠 法1 千法， 不可再 生 “欢石 法26 2 4 不可再 生、产 37 8 9物回收 w l 法71 9 5 6 可再 生，产 物 旦i 收 氧化镁 法37 2 4 可再 生，产 37 2 4物回收 在美国的烟气脱硫装置中，湿法石灰石，石灰法占9 0 以上，其次是双碱法和碳 酸钠法。8 0 年代以来，为了降低基本投资和运行的费用，积极研究及开发了喷雾干 燥烟气脱硫和炉内直接喷射石灰石烟气脱硫技术。目前，美国正在研究开发e s o x 法脱硫技术，这是一项改造现有电除尘器( e s p ) 拆除电场第一电场极板极线，加装 石灰乳浆喷射装置，在除尘时又脱硫。 2 德国的烟气脱硫技术 德国的环保事业是从严格的立法开始的，1 9 8 3 年7 月1 日生效的联邦防污染 法的第1 3 款大型燃烧装置法规g f a v o 规定，自1 9 9 8 年7 月1 日起，热功率3 0 0 m w ( 相当于电功率1 2 0 m w 的电厂) 咀上的大型燃烧装置释放的烟气中s 0 2 不得超过 4 0 0 m g m 3 ，烟气中的硫含量须低于燃料含硫量的1 5 。详见表5 。德国加装脱硫、 脱硝设备的现代化电厂发电量达1 1 0 1 2 w h ，释放的s 0 2 和n 0 2 各1 0 0 0 t 以上。 绪论 表5德国现行的燃烧装置烟气中有害物排放的允许极限值 德国最初是依靠引进同本的脱硫技术，以后又结合本国的情况对这些技术进行了 发展。到1 9 8 8 年底为止，德国燃煤电站c 扣有9 5 的容量装备了f g d 装置，到1 9 9 0 年则达到了1 0 0 。德国f g d 技术可以分为添加剂法、湿式法和干式法3 种，在电 厂种的采用率为最高，达到8 6 ，其他的仅占2 。 3 日本烟气脱硫技术 日本是目前烟气脱硫技术使用最多的国家之。日本的烟气脱硫主要采用湿法和 回收法，其中湿法石灰石一石膏法约占总容量的一半，其次式亚铵法( 约占2 4 ) 、 双碱法( 约占1 6 ) 。日本的三菱重工、川崎重工、同立造船、巴威一日立、干代 田、石川岛播磨重工、荏原等公司都在脱硫技术方面进行了广泛的研究。 1 3 2 我国烟气脱硫的研究和应用现状 随着我国二氧化硫污染和酸雨问题的同益严重，从9 0 年代初，我国陆续引进了 一些国外烟气脱硫的示范项目。详细情况见表1 4 。 表1 4 我国烟气脱硫的应用现状【1 9 _ 2 1 电厂地区供应曲工艺烟气量煤含硫量脱硫效率 c “s 投产日期 1 0 8 7 0 0 0 。29 51 9 9 2 珞璜也厂重庆三菱重工龊法( 单塔) 40 210 2 = 期( 8 5 2 3 6 0 m w ) 8 01 9 9 9 旋转喷雾干示范工挫 黄岛电厂青岛m h l 15 207 0141 9 9 4 燥脱硫 ( 3 0 0 0 0 0 0 n m 3 h ) 潍坊化工口率绿色 f 5 0 0 p p 电石渣1 9 0 5滩坊液柱塔1 0 0 0 ，0 0 0 n m 3 h 7 0 援助计划 太原第一 太原 东芝 简易湿洼 示范工科 18 28 01 11 9 9 6 热电j 一b a b c o c k( 6 0 0 0 0 0 0 n m 3 h ) f 芙屯厂南京芬兰i v ol i f a c2 + 1 2 s m w09 27 5 251 9 9 6 成都热电示范工程 成都荏原公司电子束脱硫 128 0n h 31 9 9 7 ( 3 0 0 0 0 0 0 n m 3 h ) 莽兰 钱清电j i绍式l i f a c 1 2 5 m w36 5 9 0 ，石灰颗粒直径为6 9 m m ，石灰的杂质 质量分数要低。如g r d a 电厂外购的石灰中氧化钙质量分数为9 2 9 6 ，除此 之外，还要求石灰有较高的反应活性。根据a s t m 标准，2 5 9 生石灰加入2 5 水 1 0 0 9 ，要求在3 m i n 内温升4 0 。反应活性差和有效c a o 质量分数低的石灰会降 低吸收剂的利用率，杂质质量分数高会增加系统磨损。较大的惰性物质或硬渣应从 消化系统中除去，以防止堵塞管路及喷雾器喷头。 石灰浆制备和输送系统一般为：小颗粒石灰用卡车、密闭罐车或火车运至电厂， 贮存于料仓中，然后气力输送到计量仓，通过螺旋给料机送至石灰消化器。消化器 类型有球磨型、自磨型、浆型和滞留型，选择何种消化器要根据石灰的物理、化学 性质而定。通常，美国采用球磨消化器，而欧洲采用延时箱式消化器。水化过程的 加水量一般控制在1 5 2 0 倍当量水量，浆液出口温度为7 7 8 5 时产生的消石灰 浆液反应活性较高，此时浆液含固量约为1 7 2 3 。消化好的浆液经过震荡筛( 网 眼直径为1 5 m m ) 或重力分离器等除去固体物质，然后入浆池，再用泵输送到高位 石灰乳给料箱。 第一帝半十法烟气脱硫研究综述 喷雾干燥吸收塔 根据烟气和浆滴起始接触时的相对方向，可以将喷雾干燥分成两种类型：顺流 和逆流。吸收塔的结构尺i 九b 许多因素来决定，如雾化器类型、雾化器出口液滴速 度、烟气量、s 0 2 浓度、趋近绝热饱和温度值、烟气滞留时间、吸收剂特性等。吸 收塔容器必须满足在颗粒达到塔壁前已足够的干燥，以避免在壁上发生沉积。设计 喷雾干燥塔本体、烟气分配器、烟气出口结构应保证系统的正常运行，并能使反应 生成产物具有流动性。设计应该保证烟气和吸收剂有效接触并且具有随锅炉负荷变 化而变动的能力。烟气入口分配器应该能产生很好的紊流以保证烟气和吸收剂雾化 颗粒混合均匀。安装时，要求有较好的密封保温性能，防止局部漏风散热引起腐蚀。 喷雾干燥吸收塔按雾化器种类分为两种型式。一种是n i r o 公司的离心雾化器， n i r o 喷雾干燥工艺采用旋转雾化喷嘴把吸收剂喷入烟气。这样使得脱硫过程容易控 制，避免运行上的问题。高速旋转的雾化器安装在一个耐磨轮盘上。轮盘由轮体和 带有钢套的耐磨嵌入件组成。轮体材料为不锈钢或更耐磨的合金。钢套凸入轮体， 当轮体旋转时，可以形成一层浆液层保护轮体的内表面，底盘和嵌入体均由耐磨材 料( 例如碳化硅) 制成。浆液通过高速旋转的雾化轮，雾化成1 0 0 - - 2 0 0 p m 的细小 液滴。雾化轮直径为2 0 0 4 0 0 m m ，转速达1 0 0 0 0 2 0 0 0 0 r m i n ，其雾化角度和 雾化容量大。 另种是空气一一浆液两相流雾化器，也称雾化喷嘴。在f l a k td r y p a c 工艺中 采用双流体喷嘴雾化石灰浆，可以得到细的、均一的雾滴。在f l a k td r y p a c 工艺中， 烟气在吸收塔顶部被分成几股独立的气流，每一股气流配一个双流体喷嘴。喷嘴的 形状和安装方式是影响烟气和石灰浆雾滴混合好坏的决定因素。这种直接混合会影 响干燥的程度，从而影响副产品的性质。除了好的雾化和混合特性以外，喷雾还须 保证连续无波动运行。喷嘴更换期间不能影响烟气和石灰浆雾滴的混合。雾化能量 由4 9 0 6 3 0 k p a 压缩空气提供，高压空气将吸收浆击碎成微细液滴，压力越高， 液滴越细，但能耗也越大。两相流喷嘴的雾化角度狭小。为降低雾化喷嘴磨损，一 般要采用耐磨材料，如l a r a m i er i v e r 电厂的二流体喷嘴用黑色陶瓷( b l a c kc e r a m i c ) 作为耐磨材料。 嚣 图2 2 喷雾干燥塔图2 3 双流体喷嘴 这两种雾化器的优缺点是：离心雾化器制造复杂，投资大，而两相流喷嘴制造 简单，投资小。离心雾化器处理烟气量大，单个雾化器处理烟气量为7 5 m 3 s 。而两 第一章半十法烟气脱硫研究综述 相流喷嘴用于处理大烟气量时需装设较多的喷嘴，这样，不仅能耗大，维修工作量 大，投资也相应增大。两相流喷嘴可平行安装，各喷嘴独立运行，可以在线维修， 而离心雾化器无法进行在线维修。一般来说，二流体喷嘴适用于小容量机组，而离 心雾化器适用于处理容量较大机组的烟气。但目前b a b c o c k w e l c o x 已将二流体 喷嘴吸收塔用于处理大容量机组的烟气。 灰渣再循环系统 为提高喷雾干燥法的脱硫效率，目前大多数电厂的喷雾干燥f g d 系统均采用 灰渣再循环，即利用一部分未反应的吸收剂和飞灰的碱性，以减少新鲜消石灰用量， 提高吸收剂利用率。脱硫系统的再循环狄渣来自喷雾吸收塔底部排渣和除尘器灰斗 的飞灰。再循环灰渣与新鲜石灰的质量比称再循环比，一般为2 ：1 5 ：1 。 除尘 除尘器通常采用布袋除尘器或静电除尘器( e s p ) 。布袋除尘器用于半干法f g d 系统有良好的效果，在布袋表面形成一层灰尘，它仍然可以吸收s 0 2 。仅在布袋除 尘器中的脱硫效率就可达2 5 之多。布袋除尘器的这一优点是因为固体和烟气间的 紧密接触使s 0 2 气相传质阻力降低所致。因此，在除尘器的运行中保持一层厚的灰 层而不使压力有明显的升高成为人们追求的目标。布袋除尘器对高的粉尘负荷不敏 感。尽管粉尘负荷增加了5 倍或更多，但滤袋压力降并没有出现较大变化，其原因 是，喷雾干燥的固态生成物的粒径大于煤飞狄，这些粗颗粒形成了具有良好阻力特 性的过滤层。但是由于脱硫产物与飞灰混合形成类似水泥的物质可将布袋的空隙堵 死，因此布袋除尘器会受到水和酸凝结的损害。将喷雾干燥塔维持在较高的趋近绝 热饱和温度，凝结的问题可以避免。装在喷雾干燥脱硫塔下游的电除尘器也具有脱 硫作用，但是效果不如布袋除尘器明显。e s p 较难除掉细小颗粒和低电阻飞灰，导 致或者设备庞大或者功耗增加。 高活性吸收剂 8 0 年代末，美国、f i 本分别在实验室用石灰、飞灰等研制出高活性硅基吸收剂， 并成功地进行了小型脱硫试验和现场中间试验。美国e p a 和a c u r e x 公司，用飞灰、 c a ( 0 h ) ，和水一起消化混合，制得反应活性大大优于普通石灰( c a ( 0 h ) 2 ) 的吸收剂。 其特点是比表面积大，达1 3 4 0 m 2 g ，持水性好。试验发现，飞灰中硅是影响产 物活性的主要因素，硅溶出是飞灰与c a ( o h ) 2 反应的控制步骤，硅酸钙产物活性随 飞灰与c a ( o h ) 2 ，质量比增加而增高。消化温度、水化时间均对产物活性有一定影 响。经优化条件试验，得出的