新穎高效水膜旋紊脫硫除塵技術研究與應用
1 研究背景
為了改善并提高大氣環境質量，北京市1998年就開始實施控制大氣污染緊急措施，2002年又頒布了與國際接軌的DB11/139—2002《鍋爐污染物綜合排放標準》，按該標準，特別是2003年11月1日起開始執行的第II時段標準，現有鍋爐，即使是大量配有麻石水膜除塵器的鍋爐，外排煙氣中的 SO2，煙塵等污染物也均不能達標。
針對大量配有麻石水膜除塵器的鍋爐，外排煙氣不能達標的現狀，如果采取全部拆除或部分拆除的辦法，再重新上煙氣脫硫除塵設施，不但投資大，而且產生大量難以處理的固體廢棄物，對企業，特別是資金緊缺的企業都難以接受。目前，最好的途徑，就是立足現狀，用較省的投資，較低的運行費用，來滿足新的更嚴格的煙氣排放標準。據此，成功開發了新穎高效水膜旋紊脫硫除塵新技術，2002年首先在北京郵電大學（20t/h采暖鍋爐）獲得成功應用，緊接著在北京燕京啤酒股份有限公司（20t/h工業蒸汽鍋爐）再次獲得成功應用。
2 煙氣脫硫技術展望
針對我國經濟實力薄弱，環境標準日益與國際接軌的國情，我們不能選擇工業發達國家現行的高投入控制環境問題的模式，立足國內，依靠自己的技術，研究投資省，運行費用低，處理效果好的國產化煙氣脫硫技術，是必由之路，使企業上得起，也用得起，在我國才具有廣闊的實用前景。
下面是我國近年來運行效果好的部分實用技術。
程志久、殷廣瑾等人發明的兩項發明專利技術，均都授權，第一項，“半干式煙氣脫硫與生產磁化肥的一體化方法和設備”（證書號：86016號），第二項，“煙道氣處理焦化剩余氨水或全部焦水廢水的方法”（證書號：84133號），二項發明專利解決了目前煙氣脫硫費用高的難題，都是半干式脫硫技術，都是利用專利技術中的特殊設備，將煙氣脫硫與焦化等高濃度難降解有機工業廢水處理一體化，都是以廢治廢技術，不僅處理效果好，還具有投資省，運行費用低，廢水經處理后零排放，不產生二次污染的優勢，1999年，首先在江蘇省淮鋼集團獲得成功應用，接著在山西省太鋼集團臨鋼公司，山東省萊鋼集團獲得成功應用。目前正在四川、河南、河北等地推廣應用，推廣應用階段，又將原專利技術進行了改進，改進后的技術，技術經濟優勢更大，實用性更強。
此外，漏塔板沸騰層濕法廢氣脫硫技術，旋流板旋流層濕法廢氣脫硫技術，以及這二項技術組合的濕法廢氣脫硫技術，目前在我國都有應用實例，都是脫硫除塵一體化技術，都具有上馬快，效率高，實用性強的特點。
新穎高效水膜旋紊脫硫除塵新技術，對鍋爐煙氣處理，特別是對已配有麻石水膜除塵器的鍋爐煙氣處理，可為最適合我國國情的脫硫除塵一體化的環保實用技術，它具有改動量小，上馬快，不另行占地；投資省，運行費用低，脫硫除塵效率高；設備不結垢，不堵塞，不帶水，不產生二次污染的巨大優勢。
根據國務院關于兩控區酸雨和二氧化硫污染防治“十五”計劃的批復：確保2005年兩控區內二氧化硫排放量比2000年減少20%。
據統計，2000年我國二氧化硫排放總量為1995萬噸，而兩控區內二氧化硫排放量為1316.4萬噸，約占總量的66%，按“十五”計劃要求，到 2005年，兩控區內二氧化硫排放量不僅不能增加，還要比2000年減少20%，即減少263.3萬噸，可見，我國兩控區二氧化硫污染防治任務十分艱巨。
3 水膜旋紊脫硫除塵新技術
對已配有麻石水膜除塵器的鍋爐，在保留原水膜除塵器的基礎上，只在主塔內部進行改造，即原水膜除塵器外型結構不變，就連作業場地的平面布局也基本維持現狀，不存在另行占地問題。
在主塔內增設了旋流器，紊流器，擋水器以及噴霧設施。其中旋流器、紊流器、噴霧設施，材質均為316不銹鋼，以下以北京郵電大學工程為例，介紹本工藝設備的運行參數及運行效果。
3.1 工藝流程
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鍋爐煙氣，首先經原文丘里管，在管內和霧化狀的脫硫液混合并接觸，煙氣中的SO2被初步吸收，煙塵被浸濕，并相互碰撞形成顆粒狀，隨液流流向主塔下部，煙氣和霧狀脫硫液由切向進入主塔下部，并沿著塔壁旋轉向上，煙氣中的塵粒在離心力作用下甩向塔壁，隨液流沿塔壁流向主塔下部，并同時發生脫硫反應，煙氣中的SO2，煙塵得到初步凈化。初步凈化后的煙氣上升到由旋流器構成的旋流層，煙氣被二次凈化。二次凈化后的煙氣繼續上升到由紊流器構成的紊流層，煙氣被再次凈化。經多次凈化后的煙氣，經主塔上部的擋水器，副塔及外置脫水器脫水后，由引風機經煙囪達標排放。脫硫除塵后的廢水（PH 5—6），由主塔下部排水口排出，與鍋爐沖渣水一起依次排入沉渣池，沉淀池，清水池（即PH調節池），清水池的水用脫硫液調至PH 8—9，循環使用不外排，沉渣池中的渣，外運制磚，整個工藝過程不產生二次污染。
本工藝設有脫硫劑乳化液制備系統。北京郵電大學煙氣脫硫劑為輕燒氧化鎂，采用鍋爐沖渣水配制氧化鎂乳化液，這是以廢治廢措施，節約水資源。也可以采用生化外排廢水為脫硫液，這也是以廢治廢措施，不僅節約水資源而且節省脫硫劑費用，北京燕京碑酒股份有限公司就是如此，不僅脫硫除塵效率高，而且運行費用非常低。
本系統安裝了SLEP—2000工程在線監測儀，主要監測項目有：SO2，煙塵，煙氣量，煙氣溫度，煙氣流速及氧氣含量等參數。
為了防止系統堵塞，擋水器及外置脫水器均設有反沖洗裝置。
本工藝操作簡單，通過液氣比、脫硫劑量等關鍵參數的控制，可以有效地控制外排煙氣中SO2, 煙塵的排放濃度。對于含硫量低于0.5%的燃煤，脫硫劑氧化鎂的加入量為理論計算量的1/2時，外排SO2濃度可控制在<30mg/m3，當液氣比為0.8時，外排煙塵濃度可控制在<30mg/m3。
3.2 研究的指導思想及效果分析
水膜除塵器，在我國歷史上是作出了環保貢獻的，它的優點是，投資省，運行費用低，除塵效率比較高，設備耐磨，抗腐，使用壽命長，操作簡單，維修方便。它的不足之處，就是脫硫率很低，針對新的煙氣排放標準，除塵效率還需要進一步提高。
本研究的指導思想，就是充分利用水膜除塵器的優點，采取措施克服它的不足之處。首先在文丘里管內布設了噴霧設施，脫硫液以霧化狀與煙氣接觸，不僅大大增加了接觸面積，而且增加了碰撞動力，有利于提高脫硫效率和除塵效率。第二個措施，也是最主要的措施，就是在主塔內，設置了旋流器，煙氣和脫硫液，在旋流器上通過高速旋轉碰撞，不僅增加了脫硫反應的反應動力，而且進一步增加了碰撞動力，當煙氣通過旋流器后，已獲得較高的脫硫除塵效率，經實測，SO2，煙塵均都達到北京市地方標準中的第II時段標準？梢姡鲈O的旋流器，對提高脫硫除塵效率，起到了決定性作用。第三個措施，就是增設了紊流器，煙氣和脫硫液，在紊流器的上方，形成了激烈的水、氣、固三相紊流反應層，在紊流反應層中，脫硫反應更加充分，更加完善，在紊流反應層中，即使粒徑很小的煙塵也都能除去。今年3月份，北京郵電大學2臺20t/h燃煤鍋爐，在滿負荷甚至超負荷的狀態下，經權威監測單位監測，SO2濃度很低，甚至檢測不出；煙塵濃度也很低，有時測塵的濾紙都是白色的？梢，紊流器在旋流器的基礎上，又進一步提高了脫硫除塵效率。紊流器對旋流器而言，起到了總量控制的效果。
主塔內增設的旋流器，是脫硫除塵的主角，它可以確保煙氣達標排放；而增設的紊流器，不僅確保煙氣達標排放，還確保煙氣在總量控制范圍內達標排放。
北京市是我國兩控區中的SO2污染控制區，兩控區的目標，2000年開始工業污染源實行SO2達標排放和總量控制。主塔內增設的紊流器，它確？偭靠刂，確保實現兩控區的目標。
3.3 本工程發生的主要脫硫反應
本工程為濕法脫硫技術，脫硫反應復雜。
脫硫劑為輕燒氧化鎂，采用鍋爐沖渣水配制氧化鎂乳化液，即脫硫液，該脫硫液主要成份就是懸浮態的Mg(OH)2，此外還含有沖渣水中的Ca(OH)2等堿性化合物。
Mg(OH)2是中等強度的堿性化合物，溶解部分按堿的型式離解。它首先與酸性氧化物SO2，在水溶液中發生酸堿中和反應。
Mg(OH)2+ SO2+H2O→Mg SO3+2H2O ……………………（1）
反應產物為Mg SO3，MgSO3又繼續與SO2，在水溶液中反應，生成Mg(HSO3)2
MgSO3+ SO2+H2O→Mg(HSO3)2………………………（2）
Mg(HSO3)2是很不穩定的化合物，它和Mg(OH)2反應生成MgSO3。
Mg(HSO3)2 +Mg(OH)2→2Mg SO3+2H2O …………………………（3）
Mg SO3也是不穩定的化合物，它在O2存在的條件下，本系統進行催化氧化反應，催化劑為粉煤灰中的鐵、銅化合物，最終反應生成物為穩定的MgSO4
Mg SO3+1/2 O2→MgSO4……………………………………………（4）
MgSO4與沖渣水中的Ca(OH)2反應生成CaSO4沉淀，并同時再生Mg(OH)2
MgSO4+Ca(OH)2→CaSO4↓+Mg(OH)2………………… （5）
上述這些反應，是本工程發生的主要脫硫反應。
化學反應是向沉淀方向進行的，可見反應（5）生成CaSO4沉淀的化學反應，不僅活化了Mg(OH)2，提高了SO2吸收率，還減少了MgO的用量，降低了循環液中硫酸根的濃度。
3.4 主要工藝參數
脫硫劑為輕燒氧化鎂；
脫硫液為輕燒氧化鎂——鍋爐沖渣水；
Mg/S：0.6；
液/氣：0.5—1.0 l/m3；
系統阻力：1100—1300Pa
3.5 北京郵電大學工程總投資及年運行費用
2臺20 t/h采暖鍋爐工程總投資74.05萬元，包括主塔改造，脫水器，引風機等設備費用。
年運行費，按采暖季節，每年2900小時運行時間計算，一臺20t/h鍋爐年增加的運行費用為4.21萬元，其中脫硫劑費用1.09萬元，電費 2.44萬元，維修等費用0.68萬元，2臺20t/h鍋爐年增加的運行費用為8.42萬元。由此增加的采暖費為每建筑平方米0.15—0.20元。這是普通百姓可以接受的費用。
3.6 北京郵電大學工程運行效果
工程于2002年11月1日投產，至2003年3月底，已連續正常運行了5個月，經海淀區環保局，北京市環保局以及工程在線監測儀監測結果表明，北京郵電大學鍋爐外排煙氣，SO2，煙塵等各項污染物，均超前達到北京市2003年11月1日起執行的DB11/139—2002《鍋爐污染物綜合排放標準》中的第II時段標準，即SO2<150mg/m3，煙塵<50mg/m3，NOx<300mg/m3，煙氣黑度達林格曼I級。
表1為總量控制污染物，SO2，煙塵的實測結果。
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表1 北京郵電大學鍋爐外排煙氣實測結果
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北京郵電大學是采暖鍋爐，而北京燕京啤酒股份有限公司是工業蒸汽鍋爐，自2002年11月投產至今，已連續正常運行了10個多月，監測結果表明，本工程技術可行，運行穩定、效果好，能確保鍋爐外排煙氣，在總量控制范圍內滿足北京市嚴格的《鍋爐污染物綜合排放標準》，且不產生二次污染，不產生結垢、堵塞、帶水等現象。
4 北京郵電大學工程獲得的環境經濟效益
4.1 環境效益
每年減少SO2排放量約100噸，鍋爐外排煙氣中的SO2，煙塵等各項污染物均超前達到北京市2003年11月1日起執行的地方標準中的第II時段標準。脫硫除塵后的廢水，循環使用不外排，廢渣外運制磚，整個工藝過程不產生二次污染。有利于改善北京市區的大氣環境質量和生態環境質量，環境效益顯著。
4.2 經濟效益
不考慮節約水資源費，超標煙塵排污等費用，僅考慮節約SO2排污費，每年12萬元，扣除年運行費用8.42萬元，每年至少為北京郵電大學創造經濟效益3.58萬元。此外，還避免了因SO2超標排放，每次10萬元的罰款損失，本工程獲得較好的經濟效益。
5 結論
新穎高效水膜旋紊脫硫除塵新技術，是適合我國國情的脫硫除塵一體化的環保實用技術，它具有六大經濟技術優勢。
5.1 投資省，運行費用低；
5.2 脫硫除塵效率高，不產生二次污染；
平均脫硫率>95%，平均除塵效率>98%，煙氣達標排放，廢水循環使用不外排，廢渣綜合利用，整個工藝過程不產生二次污染。
5.3 環境經濟效益好；
5.4 技改工作量小，上馬快，不另行占地；
5.5 設備耐磨，抗腐，不易堵塞，不帶水，主體設備使用壽命長，>15年（材質為316不銹鋼）；
5.6 適應范圍廣，實用性強。
適用于改造現有麻石水膜除塵器的各類大、中、小型鍋爐，窯爐等的煙氣脫硫除塵，也適用于新建的各種鍋爐、窯爐等的煙氣脫硫除塵，能確保在總量控制范圍內，滿足各種煙氣污染物排放標準的要求。
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