D—2R@FGD循環半干法脫硫技術設計特點
摘 要:本文介紹了D-2R@FGD循環半干法煙氣脫硫技術的原理、中試及工業化試驗的情況。該技術通過改進工藝和結構，在提高脫硫效率和脫硫劑循環利用率兩項技術上成效顯著，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行成本。
關鍵詞:鍋爐;循環半干法脫硫;煙氣脫硫
石灰石/石灰—石膏法雖然是當今世界上最為成熟的脫硫技術，但由于存在系統龐大、裝置腐蝕、大液氣比需煙氣再加熱器、運行成本高、產物出路、二次污染、投資大等諸多問題，因而現在還在尋找更有效的脫硫技術。目前，歐洲已逐步向半干法、干法脫硫方向發展，應用比例呈逐年上升態勢，從2002年的8％上升到2005年的約12％。
半干法屬第二代脫硫技術，與大型濕法技術相比，除脫硫效率稍低外，其克服了大型濕法技術存在的諸多弊端，國內采用半干法脫硫技術的最大裝置已達到300MW（山西榆社熱電廠）。但迄今為止，國內尚無大型濕法煙氣脫硫技術用于220t/h以下中小型鍋爐的報道，而半干法技術適用范圍較廣，20～300MW火電機組的脫硫除塵裝置均可應用，同時適用于非發電行業如：石油、化工、造紙、制鋁業、冶金、食品加工等生產企業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技術為通過改進的循環半干法脫硫技術，在提高脫硫效率和脫硫劑循環利用率兩項技術上已取得顯著成效，較目前國內同類技術先進。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行成本。
1 項目技術的基本原理
煙氣循環流化床D-2R@FGD循環半干法脫硫包括吸收劑制備系統、吸收塔、煙氣前除塵系統、后除塵系統及煙道、再循環系統、物料輸送系統、給水系統、壓縮空氣系統和生控系統。
D-2R@FGD循環半干法煙氣脫硫采用氣體懸浮原理，經除塵后的煙氣從塔底進入，通過氣體分布器增大煙氣流速，經干消化后的石灰粉注入脫硫塔內，在煙氣流態的作用下，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，促進石灰活化，提高吸收反應速度，達到脫除二氧化硫的目的。反應完成后，煙氣及生成物出塔進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利用，一部分含生成物的干灰外排回收他用。
該產品的技術性能達到《火電廠煙氣脫硫工程技術規范—循環流化床法》（HJ/T178－2005）標準（見表1）。
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2 傳統脫硫裝置存在的問題分析及該項目技術的創新
2.1 傳統脫硫裝置存在的主要問題
（1）脫硫效率
目前國內的半干法脫硫裝置應用于35～130t/h鍋爐的煙氣脫硫效率一般在80％～88％，220t/h以上級別的鍋爐也難以突破90％。能達到或超過90％的裝置很難保持長期穩定運行。
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在反應中前區被脫除，進入中后區的SO2含量已較低，此時在溫度、吸收劑濃度逐步降低的反應條件下，如果Ca/S不足，塔內Ca與SO2反應的中后區吸收劑的濃度就難以維持，化學反應無法完全進行，部分SO2沒有被脫除就隨煙氣出塔而導致脫硫效率偏低。
2）煙氣在塔內停留時間短。塔截面取值不合理、氣速大，是煙氣在塔內停留時間短的主要原因。雖然Ca與SO2反應是一個快速反應，但反應仍需要經歷分子向化學反應的過程，必須有一定的時間保證。時間太短必然會造成塔內化學反應不完全，最終導致脫硫效率偏低。
3）濕度不夠。吸收SO2的反應必須有水存在才能進行，國內半干法裝置塔內從下部一次增濕改進到分段二次增濕，其目的就是設法增加反應時間，提高反應速度，強化化學反應，從而提高脫硫劑利用率及反應效率。若濕度不夠，則化學反應不徹底，脫硫效率會偏低。當然，濕度過高也會導致產生掛壁和布袋除塵運行不正常的副作用。
4）塔內氣固流體分布不均勻。氣固兩相混合狀況也是決定化學反應程度的條件之一。固相在塔內主要靠氣相流態作為動力實現氣固兩相的充分混合，因此擴大氣固兩相的接觸面，給予兩相反應最大空間。如果氣相在塔內出現偏流分布，不均勻，就難以給兩相反應提供足夠的接觸面積而出現局部反應真空，脫硫劑的利用率也會降低，造成總脫硫效率偏低。
（2）脫硫劑循環利用率
脫硫劑循環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。回流灰中有相當部分是尚未參加化學反應的活性鈣。技術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總活性鈣量的60%～70％，其產生的脫硫效率也只約有總效率的60％。工業上的鈣硫比指參與化學反應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充。在脫硫塔內，吸收SO2是一個氣相控制過程，反應速度決定于SO2向石灰分子表面的擴散速度，而且石灰吸收SO2是快速化學反應。鈣過量相當于增大反應物的濃度和反應表面積，增加反應物分子間的碰撞機會。回流灰循環利用越多，單位時間內鈣的循環量越大，越容易保持塔內活性鈣的濃度，鈣的利用率就越高，總脫硫效率就能得到相對保證，同時可減輕塔后除塵器的負荷。
2.2 項目技術的創新
該項目在技術上經過深入研究，建立了針對性煙氣工況的反應數學模型，即半干法煙氣脫硫反應模型分析，根據反應模型分析，確定了以下創新點：
（1）采用三級霧化增濕強化傳質
最大限度地提高未參加反應石灰的利用率，控制煙氣出口溫度（即控制反應層溫度）。國內半干法裝置塔內從下部一次增濕改進到分段二次增濕，其目的就是設法提高反應速度，強化化學反應程度，從而提高脫硫劑利用率及反應效率。吸收SO2的反應過程及反應程度同樣受反應條件的影響。從宏觀工況分析，煙氣進入塔內溫度較高，如果在氣固兩相尚未充分混合的情況下，在塔內下部一次性增濕將可能出現以下情況：1）熱量過于集中，對吸收反應不利；2）石灰表面水膜過厚而影響SO2向石灰表面的擴散速度；3）吸收反應時間短，不能有效利用脫硫塔的反應空間；4）由于水分的快速蒸發，循環的脫硫劑難以得到充分利用；5）水量一旦控制不當，容易產生粘壁，塔底積灰。
如果再增加增濕層數，務必要增加塔高，投資會隨之增加，而且脫硫效率提高不明顯，經濟上是不劃算的。
因此，采用分段給水就是改善吸收反應可能產生的影響，在反應模型總水量不變的前提下，進水由大到小逐級分配，吸收反應分級完成。煙氣進塔溫度高，不利于吸收反應，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向石灰表面的擴散阻力；一部分水參與化學反應，一部分水冷卻煙氣后快速蒸發上升，理論上同樣是水分子，都可參加吸收SO2的反應，而實際上氣相水和液相水在吸收SO2過程中的反應速度存在較大的差距。
經一級反應后，30%～40％未反應的石灰經第二、第三層噴水逐級增濕活化，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）塔內中上部設置擋灰圈及塔頂帽形結構
改變塔內流體狀態，使塔壁軸向帶形成紊流，截留部分灰，增加石灰的內循環量。吸收SO2的反應通常采用過量鈣的原則。大部分SO2一般在反應中前區被脫除，進入中后區的SO2含量較低，此時在溫度、吸收劑濃度逐步降低的反應條件下，塔內Ca與SO2在反應中后區吸收劑的濃度難以維持，化學反應無法進行到底。脫硫反應完成后，生成物和部分未參加反應的脫硫劑將隨氣相進入塔后除塵裝置。設置擋灰圈的目的在于通過改變塔內流體狀態，使塔壁軸向帶形成紊流，滯留部分灰，增加石灰的內循環量，盡可能維持上部的脫硫劑滿足尾部反應需要的濃度；同時減輕塔后除塵裝置的負荷。
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，由于慣性沖擊和紊流的作用，部分灰沉降下來，重新參加塔內反應，因而塔頂設計帽形結構具有二次擋灰的功效。
（3）煙氣進口設置氣體導向板
確保煙氣均勻分布，改善氣固兩相的接觸面積和反應空間；同時降低進塔氣體阻力。氣固兩相充分混合也是決定化學反應程度的條件之一。固相在塔內主要靠氣相流態作為動力實現氣固兩相的充分混合，擴大氣固兩相的接觸面積，給兩相反應提供最佳條件。如果氣相在塔內出現偏流分布不均勻，就難以給兩相反應提供足夠的接觸面積而出現局部反應真空，脫硫劑的利用率也會降低，最終導致總脫硫效率偏低。煙氣進口設置氣體導向板的目的是使煙氣進塔后能均勻分布，避免出現氣相偏流的情況。
（4）設置凈煙氣循環管道
設置凈煙氣循環管道，即脫硫除塵后煙氣回流進口與高溫煙氣混合，可調節進口煙氣溫度，提高反應速度。使已凈化的較低溫煙氣靠引風機加壓動力返回塔進口與高溫煙氣混合。其作用是：1）可作為冷卻劑減少用水量，調節進口煙氣溫度，提高反應速度；2）有增加進煙氣壓強、提高塔內托力和散灰功能，防止大顆粒灰沉降及增加氣固相接觸面積。
（5）塔后除塵器采用上進風
塔后除塵器采用上進風可利用固相的自重沉降，提高除塵效率，同時達到降低除塵器安裝高度和外表美觀的效果。國內半干法塔后除塵裝置目前大多沿用下進風方式，正好與粉塵下降的方向相反。受煙氣流動力的作用，粉塵處于懸浮狀態難以沉降，因而灰的回收率不高。本技術采用上進風方式與粉塵并流，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。同時上進風還有利于清除極板（布袋）上的粉塵，并有減輕除塵器負荷、降低除塵器安裝高度、節約材料、檢修方便、外表美觀的良好效果。
3 項目的中試情況
該項目技術根據在東南大學熱能動力研究所的試驗數據進行整合（見表2～表6，均為平均數）。
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試驗目的：工藝及結構改進后脫硫效率和脫硫劑循環利用率的變化情況。
試驗基準條件：煙氣量10000Nm3/h；脫硫塔塔高21m，Φ900mm；煙氣溫度150℃；進口SO2濃度2000mg/Nm3；塔內平均反應溫度100℃；塔內平均流速7.31m/s；循環灰含鈣30.5％；塔后除塵濾袋面積220m2。
試驗結果顯示，效果良好，改進措施是可行的，并為工業化應用提供了很好的設計依據。
4 項目的技術特點
（1）分段完成吸收反應，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）噴霧系統采用雙流體噴嘴；噴嘴、干消化器、塔后除塵器及其控制系統等關鍵設備采用國外先進的成熟產品，裝置可靠、長周期穩定運行；（3）固體循環倍率可達150倍，固體總停留時間長；（4）阻力小，低電耗，投資省，適用范圍廣，裝置使用壽命長；（5）采用凈煙氣循環方式，具有調節進氣溫度、提高反應速度的功能；（6）技術性能指標優化：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 項目技術的工業化試驗
2005年5月，該項目技術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計配套進行工業化試驗，2005年10月裝置建成投入試運行，經調試后裝置運行效果良好，均達到設計要求，各項主要技術性能指標均達到《生活垃圾焚燒污染控制標準》（GB18485－2001）和《火電廠煙氣脫硫工程技術規范—循環流化床法》（HJ/T178－2005）。兩套裝置分別于2005年底通過浙江省環境監測中心和廣州市環境監測中心監測驗收。
目前我國已實施煙氣脫硫的火電機組僅約占國內總裝機容量的2%，且總裝機容量尚未計算化工、石油、造紙等行業的鍋爐。目前國內的中小型鍋爐占全國鍋爐總數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，占全國鍋爐總數的98％，因此市場巨大。
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