氣動乳化技術在火電廠鍋爐煙氣脫硫工程中的應用
摘要：本文從技術、經濟角度，對氣動乳化技術在石灰石-石膏法煙氣脫硫工程中的應用特點進行了分析，并以75t/h鍋爐煙氣治理項目為例，設計出一套簡單實用的工藝流程，供參考。
關鍵字：氣動乳化技術, 火電廠, 煙氣脫硫工程
一、前言
二氧化硫是形成酸雨的主要因素之一。酸雨是一種全球性的污染問題，它不僅使河湖、土壤酸化，影響魚類、森林和農作物生長繁殖，而且腐蝕建筑物和文物古跡，并危及人體健康。酸雨主要源于廢氣排放，二氧化硫、硫的氫化物（或氮的氧化物）溶入雨水中后，導致其pH值降低。
我國排放的二氧化硫90%來自于燃煤，排放量位居世界第一。我國的煤炭消耗以火電行業為主。
2003年底，全國發電裝機容量達到3.84億千瓦，其中火電裝機容量2.86億千瓦，占74.3%。全國發電量達到19080億千瓦時，其中火電發電量15800億千瓦時，占82.8%。火電機組原煤消費量為8.5億噸，比2000年增長了2.6億噸（增長了44%），占全國煤炭消費總量的54%，二氧化硫產生量約1500萬噸，占全國產生量的56%。
2004年全國投產發電裝機容量約5000萬千瓦，創下世界史上一個國家一年內發電機組投產最多的記錄。2005年底煤電裝機約3.36億千瓦，原煤消耗量約10億噸，約占全國煤炭消費總量的56%，二氧化硫產生量約1800萬噸，約占全國產生量的60%。預計，到2010年發電總裝機容量將達到6.47億千瓦，其中火電4.76億千瓦，占74%，煤炭消費量達到14億噸，將占全國煤炭消費總量的60%以上，二氧化硫產生量約2300多萬噸，占全國產生量的60%以上。2020年火電裝機容量將達6.6億千瓦，煤炭消費量達到18億噸以上，二氧化硫產生量約3100萬噸，占全國產生量65%以上。
有關研究表明，我國基本消除酸雨污染所允許的最大二氧化硫排放量為1200-1400萬噸，2020年實現小康生活水平，二氧化硫排放總量應控制在大氣環境容量允許范圍內。到2020年，火電行業二氧化硫排放量應控制在700萬噸以內，削減量達到2000多萬噸。
因此，火電行業二氧化硫削減任務非常艱巨，是我國二氧化硫總量控制的關鍵行業。
二、目前火電廠燃煤脫硫技術簡介
（一）、燃燒前煤脫硫技術
主要為煤炭洗選脫硫，即在燃燒前對煤進行凈化，去除原煤中部分硫分和灰分。分為物理法、化學法和微生物法等。我國當前的煤炭入洗率較低，大約在20%左右。提高煤炭的入洗率有望顯著改善燃煤二氧化硫污染。然而，選洗僅能去除煤中無機硫的80%，占煤中硫總含量的15%～30%，無法滿足燃煤二氧化硫污染控制要求，故只能作為燃煤脫硫的一種輔助手段。
（二）、燃燒中煤脫硫技術
煤燃燒過程中加入石灰石或白云石作脫硫劑，碳酸鈣、碳酸鎂受熱分解生成氧化鈣、氧化鎂，與煙氣中二氧化硫反應生成硫酸鹽，隨灰分排出。在我國采用的燃燒過程中脫硫的技術主要有兩種：型煤固硫和流化床燃燒脫硫技術。
（三）、燃燒后煙氣脫硫技術
煙氣脫硫的基本原理是酸堿中和反應。煙氣中的二氧化硫是酸性物質，通過與堿性物質發生反應，生成亞硫酸鹽或硫酸鹽，從而將煙氣中的二氧化硫脫除。最常用的堿性物質是石灰石、生石灰和熟石灰，也可用氨和海水等其它堿性物質。共分為濕法煙氣脫硫技術、干法煙氣脫硫技術、半干法煙氣脫硫技術三類，如下：
1、濕法煙氣脫硫技術
濕法煙氣脫硫技術是指吸收劑為液體或漿液。由于是氣液反應，所以反應速度快，效率高，脫硫劑利用率高。該法的主要缺點是脫硫廢水二次污染；系統易結垢，腐蝕；脫硫設備初期投資費用大；運行費用較高等。
（1）石灰石-石膏法煙氣脫硫技術
該技術以石灰石漿液作為脫硫劑，在吸收塔內對煙氣進行噴淋洗滌，使煙氣中的二氧化硫反應生成亞硫酸鈣，同時向吸收塔的漿液中鼓入空氣，強制使亞硫酸鈣轉化為硫酸鈣，脫硫劑的副產品為石膏。該系統包括煙氣換熱系統、吸收塔脫硫系統、脫硫劑漿液制備系統、石膏脫水和廢水處理系統。由于石灰石價格便宜，易于運輸和保存，因而已成為濕法煙氣脫硫工藝中的主要脫硫劑，石灰石-石膏法煙氣脫硫技術成為優先選擇的濕法煙氣脫硫工藝。該法脫硫效率高（大于95%），工作可靠性高，但該法易堵塞腐蝕，脫硫廢水較難處理。
（2）氨法煙氣脫硫技術
該法的原理是采用氨水作為脫硫吸收劑，氨水與煙氣在吸收塔中接觸混合，煙氣中的二氧化硫與氨水反應生成亞硫酸氨，氧化后生成硫酸氨溶液，經結晶、脫水、干燥后即可制得硫酸氨（肥料）。該法的反應速度比石灰石—石膏法快得多，而且不存在結構和堵塞現象。
另外，濕法煙氣脫硫技術中還有鈉法、雙堿脫硫法和海水煙氣脫硫法等，應根據吸收劑的來源、當地的具體情況和副產品的銷路實際選用。
2、半干法煙氣脫硫技術
主要介紹旋轉噴霧干燥法。該法是美國和丹麥聯合研制出的工藝。該法與煙氣脫硫工藝相比，具有設備簡單，投資和運行費用低，占地面積小等特點，而且煙氣脫硫率達75%-90%。
該法利用噴霧干燥的原理，將吸收劑漿液霧化噴入吸收塔。在吸收塔內，吸收劑在與煙氣中的二氧化硫發生化學反應的同時，吸收煙氣中的熱量使吸收劑中的水分蒸發干燥，完成脫硫反應后的廢渣以干態形式排出。該法包括四個在步驟：1）吸收劑的制備；2)吸收劑漿液霧化；3）霧粒與煙氣混合，吸收二氧化硫并被干燥；4）脫硫廢渣排出。該法一般用生石灰做吸收劑。生石灰經熟化變成具有良好反應能力的熟石灰，熟石灰漿液經高達15000～20000r/min的高速旋轉霧化器噴射成均勻的霧滴，其霧粒直徑可小于100微米，具有很大的表面積，霧滴一經與煙氣接觸，便發生強烈的熱交換和化學反應，迅速的將大部分水分蒸發，產生含水量很少的固體廢渣。
3、干法煙氣脫硫技術
干法采用固體粉末或顆粒為吸附劑，干法脫硫后煙氣仍具有較高的溫度（100℃），排出后易擴散。主要有爐內噴鈣法和活性炭法。由于爐內噴鈣法的吸收劑及反應原理與濕法有些相似，這里不再詳述，只介紹一下活性炭法。
活性炭法是利用活性炭的活性與較大的比表面積使煙氣中的二氧化硫在活性炭表面上與氧及水蒸氣反應生成硫酸而被吸附。吸附后的活性炭經再生，可以獲得硫酸，液體二氧化硫，單質硫等產品。該法不僅可以控制二氧化硫的排放，還能回收硫資源，是一種發展前景較好的脫硫工藝。
選擇脫硫技術時，除了考慮脫硫效果外，還應看該方法的綜合技術經濟指標，從投資額、技術成熟程度、廢料和二次污染處置的難易程度和吸收劑的來源是否廣泛和價格高低等方面考慮，選擇最適宜的方法。
三、氣動乳化脫硫技術應用原理
氣動乳化脫硫與現有多數處理技術不同，它利用固、液、氣三相紊流摻混的強傳質機理，提高了液體的比表面積，從而大大提高了脫硫效率。
氣動乳化是這樣形成的：在一圓形管狀容器中，經加速的待處理煙氣以一定角度從容器下端進入容器，形成旋轉上升的紊流氣流，與容器上端流下的不穩定溶液相碰，煙氣高速旋切流下溶液，溶液被切碎，氣液充分混合，并形成一層穩定的乳化液層。在乳化過程中，乳化液層逐漸增厚，上流的氣動托力與乳化液的重力達到平衡。隨著煙氣的流動，部分乳化液被帶走，最早形成的乳化液將被新形成的乳化液所取代。在乳化液層內，煙氣載有的有害物質，與乳化液中的微細液粒接觸，從而被吸收。最后經氣液分離裝置進行氣液分離，潔凈煙氣排放，乳化液循環或再處理。
氣動乳化技術主要應用于石灰石/石膏濕法及半干法煙氣脫硫系統中。
煙氣由脫硫反應塔底部切向進入塔內，同時石灰石/石灰乳送入下部吸收液散布器內,均勻分布四周。含硫煙氣在塔底部與石灰石/石灰乳混和，并在煙氣帶動下上升。氣流的攪拌作用下，煙氣同乳液均勻混合，相互高速旋切摻混，乳液液滴不斷被氣體破碎，并愈切愈細，增大了氣體與液體的接觸表面，氣、液、固三相摻混均勻，提高了它們之間的傳質速率。煙氣在到達脫硫反應塔中部反應區時，塔體直徑增加，煙氣流速降低，且由于乳液顆粒比重高于煙氣，因此在脫硫反應塔中部形成懸浮的吸收液乳化層區，煙氣中SO2在此被大部分吸收中和，從而達到脫硫目的。煙氣凈化過程中一部分乳化液被氣流帶走，但由于乳化液的不斷補充，形成的乳化層保持一定容量，并不斷更新，保持較高的脫硫效率。煙氣帶走的乳液在出口氣液分離裝置的作用下，氣液分離，乳液引入到循環或脫水系統中,煙氣進入上部煙道排出。
在乳化層中，液滴的比表面積比水膜、噴淋等方法大數十倍，因此，單位液量捕集和吸收有害物質的效率將顯著增大。對于有害物質來說，液滴趨細，活化能力增強，更有利于化學凈化過程。
脫硫過程主反應如下：
GaO+H2O=Ga(OH)2 石灰消化
2Ga(OH)2+2SO2=2GaSO3·1/2H2O+H2O 中和吸收
GaCO3+H2O+SO2=GaSO2·H2O+CO2 中和吸收
2GaSO3·1/2H2O+2SO2+H2O=2Ga(HSO3)2 PH 控制
2GaSO3·1/2H2O+O2+3H2O=2GaSO4·2H2O氧化結晶
四、氣動乳化技術在煙氣脫硫系統中的應用
依據氣動乳化技術的應用原理，以75t/h燃煤鍋爐為例，對其排放煙氣進行凈化治理。
1、設計參考數據：
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2、工藝流程（見下圖）
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石灰石粉料經給料裝置進入攪拌池，攪拌成石灰石乳液，再經泥漿泵打入到脫硫反應塔吸收液散布器上。鍋爐煙氣經布袋除塵器除塵后從脫硫反應塔下方進入，與石灰石/石灰乳混和，在氣流的攪拌作用下，煙氣同石灰石/石灰乳液均勻混合，煙氣在到達脫硫反應塔中部反應區時，塔體直徑增加，煙氣流速降低，煙氣中SO2在反應區中大部分被吸收，凈化后的煙氣通過上部管道從煙囪中排出。反應完成后的乳液經空氣氧化形成石膏晶體，進入石膏脫水系統。
3、投資概算
該脫硫系統投資主要包括：
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該系統總投資約為190萬元，而其他濕法脫硫投資一般在300萬元左右。
4、運行費用
（1）、支出
①.石灰石粉（90%過325目）用量：1臺75T/h鍋爐每小時燃煤20t/h，煙氣量：16萬m3/h，燃煤含硫量2%（總硫），脫硫系統入口SO2濃度（理論計算）：4000mg/m3，煙氣溫度150℃，即每小時排放SO2量為640kg/h，每小時需加入石灰石粉量1100kg。Ga/S（摩爾比）=1.1（投產后按煙氣實際情況調整）。年石灰石粉用量7920噸。按每噸300元計，共237.6萬元。
②.用水量：石灰石乳液濃度按30%左右配比，每小時用水2567kg。年耗水量18482噸。按每噸2元計，共3.7萬元。
③.電耗：年耗電36萬kW.h，按0.5元/kW.h計，共18萬元。
④.人工：8人，4班3運轉，按每人年工資支出1萬元計，共8萬元
⑤.設備維修、維護：10萬元
（2）、收入
①.減少二氧化硫排放4147.2噸，按0.6元/公斤計，減少排污費支出：248.8萬元。
②.生產石膏：脫水后石膏純度可達90%以上。按鍋爐燃煤20t/h計算，每年約產15000噸石膏。出售收入：30萬元。
（237.6+3.7+18+8+10）-（248.8+30）=1.5萬元
即年減排二氧化硫排污費節省費用與設備運行費用基本持平。
5、技術優勢
氣動乳化脫硫技術的主要特點是：
①.同普通濕法脫硫相比，吸收塔省去噴淋霧化設備，石灰石乳液循環及亞硫酸鈣氧化過程均在吸收塔外，減少了設備的結垢和堵塞；
②.吸收液懸浮在脫硫反應器內，吸收液被破碎為極細微粒，氣液接觸比表面積大，傳質效率高于現有火電廠濕法脫硫系統，脫硫效率高，故所需吸收液的循環量小，用水少，故所需的水處理設備規模小，可降低能耗及物耗，一次性投資少，運行費用低。
③.運行操作簡單，可用性好。
④.氣動乳化脫硫反應器占地面積小，土建投資少，不僅適用于新建項目，更適用于老廠改造。
五、結語
氣動乳化技術簡單實用，脫硫反應塔結構緊湊，占地面積小，設備使用效率高，可靠性好。且由于吸收液供給無噴嘴、無堵塞問題，所需吸收液較少，從而減小了水耗及運行設備規模，降低了運行成本。另外，配套設備均可采用國產設備，大大減少了—次性投資。
吸收液的循環量小，液氣比L/G≤0.3kg/m3，而在我國珞璜電廠及太原第一熱電廠的石灰石-石膏法脫硫工藝L/G分別達26kg/m3和16kg/m3，與其相比，氣動乳化脫硫技術節省了大量的水資源。
目前，國產煙氣氣動乳化脫硫技術已進入實用階段。2006年2月16日，由燕山石化和中國航天科技集團公司共同開發完成的“大型鍋爐煙氣氣動乳化脫硫工業化技術開發”項目通過石化技術鑒定，鑒定認為，該技術具有創新性，屬國際先進水平，有良好的推廣應用前景。
參考文獻：
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