張 昊，黎方潛，吳其榮

(1.國家電投江蘇電力有限公司，南京 210000;2.國家電投集團遠達環(huán)保工程有限公司，重慶 401122)

引 言

截止2019年底，我國約8.9億千瓦煤電機組達到超低排放要求，占全國煤電機組總裝機容量的86%[1]。作為能源支柱產(chǎn)業(yè)，火電行業(yè)伴隨著超低排放的實施及環(huán)保技術裝備的升級，建成了全球最大清潔節(jié)能燃煤發(fā)電體系[2]。

與此同時，2017年3月，環(huán)境環(huán)保部等發(fā)布聯(lián)合發(fā)布《京津冀及周邊地區(qū)2017年大氣污染防治工作方案》，對“2+26”城市鋼鐵、燃煤鍋爐執(zhí)行特別排放限值；2019年4月生態(tài)環(huán)境部等聯(lián)合發(fā)布《關于推進實施鋼鐵行業(yè)超低排放的意見》，明確提出鋼鐵行業(yè)推進實施超低排放要求；2019年7月生態(tài)環(huán)境部等聯(lián)合發(fā)布《工業(yè)爐窯大氣污染綜合治理方案》，在重點任務中要針對鋼鐵、水泥、焦化等非電行業(yè)工業(yè)鍋爐實施污染物深度治理。

因此，隨著我國火電行業(yè)的超低排放改造逐漸完成，以及相關非電行業(yè)煙氣排放政策、法規(guī)的實施，非電行業(yè)已成為大氣污染治理的重點[3]。

1 非電煙氣治理技術現(xiàn)狀

針對非電煙氣脫硫治理領域，主要有濕法脫硫技術和半干法脫硫技術。其中，濕法脫硫技術存在投資成本較高、系統(tǒng)復雜、有廢水產(chǎn)生等問題[4]；而半干法脫硫技術相比于傳統(tǒng)濕法脫硫技術，具有無脫硫廢水，系統(tǒng)簡單等優(yōu)勢[5]，可廣泛應用于非電煙氣治理領域[6]。由于非電行業(yè)的煙氣存在復雜多變等特點，為降低成本，提高半干法的適應性，因此發(fā)展出了不同的半干法脫硫技術。

對于半干法脫硫機理已經(jīng)有較多研究。對于脫硫反應的吸收過程，主要有雙膜理論、擴散邊界層理論、溶質(zhì)滲透理論等[7]。對脫硫反應的機理模型，Newton G H[8]等研究了SO2與鈣基的反應機理，結(jié)合漿液滴的蒸發(fā)過程，提出了半干法脫硫反應機理模型。滕斌[9]在研究半干法脫硫中Ca/S、入口煙氣溫度、停留時間等影響因素基礎上，建立了半干法脫硫數(shù)學模型，實現(xiàn)了對脫硫因素的預測分析，并利用該模型重點分析了增濕水對脫硫效率的影響。

同時，對于半干法脫硫反應，主要影響因素包括：Ca/S、近絕熱飽和溫度(AAST)[10]、煙氣停留時間、增濕水含量及分布特性、入口SO2濃度、脫硫劑成分、吸收塔內(nèi)流場分布、循環(huán)灰濃度。學者們對不同因素也做了大量研究，魏恩宗[11]等，通過研究認為半干法脫硫系統(tǒng)中影響脫硫效率的因素權重由高到低依次為：AAST>Ca/S>入口SO2濃度、入口煙溫等。李玉忠[12]等，通過半干法煙氣脫硫?qū)嶒?，研究了AAST對脫硫系統(tǒng)的影響，當AAST越小時，脫硫效率越高，同時為控制系統(tǒng)穩(wěn)定運行AAST控制在10℃左右。汲傳軍[13]，通過分析不同脫硫影響因素，提出需要控制反應塔溫度，增加Ca/S，采用反應塔內(nèi)多級噴水等措施，是提高脫硫效率和增強系統(tǒng)穩(wěn)定性的有效方法。任麗[14]等，通過脫硫灰與電廠粉煤灰等其他物料的有機混合，可以作為原料燒制硫鋁酸鈣和硅酸二鈣為主要礦物組分的水泥熟料，拓寬了半干法脫硫產(chǎn)物的利用途徑。

在以上對脫硫機理及相關影響因素的研究基礎上，半干法脫硫技術有了長足發(fā)展?；诖?，目前在非電煙氣治理領域應用較多的半干法脫硫技術主要包括循環(huán)流化床半干法脫硫技術(CFB-FGD)、旋轉(zhuǎn)噴霧干燥半干法脫硫技術(SDA)、循環(huán)增濕半干法脫硫(NID)技術和密相干塔法脫硫技術(DFA)等。

2 非電煙氣治理半干法脫硫技術

2.1 循環(huán)流化床半干法脫硫技術(CFB-FGD)

CFB-FGD技術由德國魯奇(Lurgi)公司在上世紀80年代研發(fā)的一種半干法脫硫技術工藝。其技術工藝為：煙氣通過脫硫塔下部的文丘里管加速并與新鮮吸收劑混合[15]，進入循環(huán)流化床反應塔內(nèi)，塔內(nèi)處于流態(tài)化的氣固兩相相互混合，強化傳質(zhì)[16]。一部分吸收劑顆粒隨煙氣由塔頂流出，其余吸收劑顆粒在吸收塔內(nèi)循環(huán)，在反應塔內(nèi)形成密相床層，高濃度的“反應床”可使局部Ca/S達100以上，極大提高了塔內(nèi)反應效率，從而實現(xiàn)SO2的深度脫除。但是在運行過程中存在脫硫反應塔阻力較大，一般為1 000～2 000Pa；反應塔塔壁結(jié)垢；循環(huán)脫硫劑量受床層壓損限制，抗煙氣波動能力一般；反應床層不穩(wěn)定，易塌床掉灰等問題[17]。因此，對于CFB系統(tǒng)，在保證脫硫效率的前提下，如何有效降低反應塔阻力，保持“反應床”層穩(wěn)定，還需加強研究。王岳軍[18]等，利用CFD模擬技術，優(yōu)化了反應塔變徑段角度由40°減小到20°，實現(xiàn)了流場更加分布均勻，使反應塔壓力由1 917.72Pa降低至1 366.59Pa。

該技術主要應用于火電、鋼鐵、工業(yè)窯爐等行業(yè)，如國內(nèi)的江蘇新海電廠2×300MW機組、梅鋼2×450m2燒結(jié)煙氣處理、寧東鋁業(yè)炭素焙燒煙氣處理等項目，在半干法脫硫技術中應用最為廣泛。

2.2 旋轉(zhuǎn)噴霧干燥半干法煙氣脫硫技術(SDA)

SDA技術是丹麥Niro公司在20世紀70年代研發(fā)。該技術是利用噴霧干燥的原理。其技術工藝為：60%煙氣經(jīng)由位于頂部的煙氣分布器進入反應塔，其余煙氣從塔體的中部煙氣口進入[19]；生石灰加入適量水進行活化，并形成熟石灰漿液，再與循環(huán)灰等物料進行混合制成吸收劑漿液，混合漿液在旋轉(zhuǎn)霧化器的高速旋轉(zhuǎn)的離心力作用下被霧化為50～100μm的細小顆粒[20]。霧化后的吸收劑漿液顆粒在吸收塔停留時間可達12s，在此過程中，與煙氣中SO2等污染物充分接觸，發(fā)生反應，達到脫硫目的[21]。同時霧化后的吸收劑顆粒，因為與煙氣接觸的比表面積大，其顆粒表面水分在高溫煙氣作用下迅速蒸發(fā)，轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w顆粒物，然后被吸收塔后的除塵裝置捕集，大部分被捕集的脫硫產(chǎn)物外排后送至灰場，小部分繼續(xù)與石灰漿液混合后循環(huán)使用[22]。

該工藝核心部件是旋轉(zhuǎn)霧化器[23]，其轉(zhuǎn)速可達10 000～20 000r/min。但同時也因為旋轉(zhuǎn)霧化器的高轉(zhuǎn)速，該設備存在易磨損、破裂的問題。王鵬程[24]等，根據(jù)旋轉(zhuǎn)霧化器轉(zhuǎn)子的材質(zhì)、結(jié)構、運行方式等，并結(jié)合有限元法，形成計算轉(zhuǎn)子臨界轉(zhuǎn)速的方法，以避免旋轉(zhuǎn)霧化器超負荷運行，發(fā)生破損。在實際工程項目中，潘鶴[25]通過研發(fā)在霧化器前端的頂罐精濾裝置、可緩沖耐用型旋振篩篩網(wǎng)等過濾裝置，減少了漿液中大顆粒，降低了霧化器磨損和破裂的風險。

該技術主要應用于鋼鐵燒結(jié)、垃圾焚燒等行業(yè)的煙氣處理，如常州中天煉鐵有限公司550m2燒結(jié)煙氣處理，武鋼二燒280m2燒結(jié)機煙氣處理、天津雙港垃圾焚燒發(fā)電廠等項目。

2.3 循環(huán)增濕半干法脫硫技術(NID)

NID技術是瑞典ABB公司80年代初開發(fā)，該工藝的顯著特點是對吸收劑采用塔外增濕的方式。其技術工藝為：煙氣經(jīng)反應塔底部進入，反應塔通常為矩形，煙氣流速可達15～20m/s，吸收劑在增濕混合器內(nèi)加水攪拌、增濕[26]，吸收劑含水率控制在5%以內(nèi)，以便具有良好的流動性[27]，在反應塔內(nèi)與煙氣中SO2反應，脫除污染物。吸收劑隨煙氣從反應塔頂部流出，經(jīng)除塵器截留后，一部分吸收劑再次進入增濕混合器，循環(huán)使用。但由于無文丘里結(jié)構，脫硫反應塔入口流速相對較低，容易掉灰；反應塔脫硫效率相對較低；塔外吸收劑增濕系統(tǒng)消化效率低，易堵塞等。

NID技術主要應用于中、小鍋爐煙氣處理，NID技術由浙江菲達環(huán)保公司引進國內(nèi)，國內(nèi)目前超過50套應用業(yè)績[28]，如淄博齊魯石化125MW機組、內(nèi)蒙古第二熱電廠200MW機組、玖龍紙業(yè)210MW機組等煙氣脫硫項目。

2.4 密相塔半干法煙氣脫硫技術(DFA)

德國福漢燃燒技術股份有限公司研發(fā)的煙氣脫硫技術結(jié)合鋼鐵燒結(jié)煙氣特點，開發(fā)出密相干塔法脫硫技術。其技術工藝為：煙氣與加濕活化后的脫硫劑同時從反應塔的上部進入，在內(nèi)置構件的攪拌作用下，強化了煙氣與脫硫劑混合程度，并發(fā)生脫硫反應，反應后的物料沉積在反應塔和除塵器底部灰斗內(nèi)，除塵后的凈煙氣經(jīng)煙囪排放到大氣中。沉積在灰斗中的物料含有大量未反應的有效成分，一部分混合物料通過刮板機或輸送螺旋和斗式提升機送至反應塔頂部加濕機內(nèi)，與新鮮吸收劑混合，加濕活化含水量控制在5%以內(nèi)，循環(huán)使用[29]；一部分混合物料排出脫硫系統(tǒng)。DFA系統(tǒng)運行的主要問題是脫硫運行效率不穩(wěn)定；脫硫灰量大，導致除塵器、反應塔灰斗積灰堵塞等問題[30]。目前北京科技大學環(huán)境工程中心對該技術研究較多，韓劍宏[31]等，發(fā)現(xiàn)脫硫效率和吸收劑利用率隨著含水率的提高而提高，當含水量在9%時，吸收劑失效時間可達1 300s。趙榮志[32]等，對實際DFA脫硫工程的CEMS數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)鈣基吸收劑對NOx的脫除效率可達30%以上，同時入口SO2濃度提升可一定程度提高對NOx的脫除效率。

DFA技術主要應用鋼鐵燒結(jié)煙氣處理，如首鋼360m3燒結(jié)煙氣處理、唐鋼320m3燒結(jié)煙氣處理等。

2.5 半干法脫硫技術特點對比

半干法脫硫技術特點對比，如表1所示，從表中可以看出，不同技術在處理的煙氣量、脫除效率上存在較大差異，實際運行過程中應根據(jù)機組特點、效率要求等進行合理選擇。

表1 半干法脫硫技術特點對比表

3 半干法脫硫技術發(fā)展方向

3.1 典型電力與非電煙氣特點對比分析

傳統(tǒng)的電力行業(yè)主要包括燃煤機組的電廠，典型的非電行業(yè)主要有：鋼鐵、鋁業(yè)、水泥等，其典型的煙氣特點對比，如表2所示。

表2 典型電力與非電煙氣特點對比

由表2可知，電力煙氣特點：(1)煙氣量穩(wěn)定，運行時波動??；(2)污染物成分穩(wěn)定，主要包括SO2、NOx、粉塵，且含硫量相對較高；(3)煙氣溫度較穩(wěn)定；(4)含氧量低。非電煙氣特點：(1)煙氣量差異大：同一行業(yè)中不同工藝段，煙氣量不同；(2)煙氣溫度范圍寬；(3)煙氣成分復雜：包括SO2、NOx、粉塵、VOCs、瀝青煙、二噁英等；(4)煙氣含氧量差距較大。

電力與非電煙氣性質(zhì)差異較大，因此，我國基于電力行業(yè)發(fā)展起來的脫硫脫硝除塵環(huán)保技術，對于非電煙氣治理需根據(jù)其煙氣特點研發(fā)出適應性新技術。

3.2 非電煙氣治理半干法脫硫技術發(fā)展趨勢

3.2.1 新型高效反應塔技術研究

由表2可知，傳統(tǒng)電力煙氣含硫量遠遠高于非電行業(yè)煙氣含硫量，針對電力行業(yè)的傳統(tǒng)煙氣治理技術處理能力對于非電煙氣治理余量較大，因此，在傳統(tǒng)半干法脫硫技術上進行創(chuàng)新優(yōu)化，研發(fā)出適用于非電煙氣治理的新型高效反應塔技術研究十分必要。比如適用于煤粉爐煙氣治理的高倍率灰鈣循環(huán)煙氣脫硫除塵技術(NGD)，可以在較低鈣硫比條件下，實現(xiàn)脫硫除塵效率在90%、95%以上[35]。國家電投集團遠達環(huán)保工程有限公司針對電解鋁煙氣治理，研發(fā)的散式分區(qū)半干法脫硫脫硝一體化技術，就具有相比于傳統(tǒng)CFB-FGD技術工藝，吸收塔阻力降低1/3等特點。

3.2.2 反應原料深度利用技術研究

半干法反應原料包括吸收劑和水分，一方面，在現(xiàn)有半干法外排灰中氫氧化鈣通常含量在10～20%，甚至一些高Ca/S項目，外排灰氫氧化鈣含量可達40%，浪費了大量吸收劑；另一方面，在脫硫反應中充足的水分可以提高脫硫反應效率，但是常常在半干法中過量的水分會導致后續(xù)的布袋除塵糊袋等問題，影響系統(tǒng)正常運行。所以根據(jù)半干法脫硫原理，吸收劑和水分的深度利用既可以提高脫硫反應效率，同時可以降低原料耗量。崔琳[36]等提出新型復合增濕方式，通過模擬研究不同復合增濕比例條件下，液-固濃度在吸收塔內(nèi)變化情況，發(fā)現(xiàn)內(nèi)增濕水比例為78%時，可以有效改性塔內(nèi)粘壁問題，并提高脫硫效率。吳超[37]等利用風力分選的原理，根據(jù)循環(huán)灰中各組分物理性質(zhì)不同，設計的新型半干法脫硫分離器，實現(xiàn)脫硫循環(huán)灰的有效成分的分離，提高了吸收劑利用率。

3.2.3 多污染物協(xié)同控制與脫除技術研究

為適應新形式下多污染物超低排放需求，現(xiàn)有治理路線多是不同治理技術的結(jié)合，若單個系統(tǒng)可以實現(xiàn)多污染的控制與脫除，可以達到節(jié)約建設場地、降低投資等目的。因此，探索具有多污染物協(xié)同控制與脫除特點的半干法技術研究，將是未來的重要研究方向之一。比如吳相浩[38]等，通過混合適量碳酸鈉與氫氧化鈣，以改性吸收劑，實現(xiàn)同時脫硫脫硝，效率分別可達100%和55%。韓加友[39]等，通過研究臭氧噴射位點、溫度等因素形成低成本協(xié)同半干法脫硫脫硝方法。張虎[40]等，通過添加KMnO4對鈣基吸收劑進行調(diào)質(zhì)，實現(xiàn)了對SO2和NOx的同時脫除。

4 結(jié) 語

4.1 隨著國內(nèi)對非電煙氣治理要求的不斷提高，非電煙氣將是我國未來較長一段時間的大氣污染治理重點。目前，非電煙氣治理技術以半干法脫硫治理技術為主，濕法脫硫技術為輔，煙氣治理技術整體趨于成熟。

4.2 在半干法脫硫技術中，CFB技術適應性強、應用最為廣泛，其中SDA、NID、DFA分別在特定領域應用較多；同時，半干法脫硫的機理與影響因素已有較多理論基礎，現(xiàn)有研究主要針對半干法脫硫工藝優(yōu)化，比如CFB技術主要在于研究降低吸收塔運行壓損，SDA技術主要研究新材料、新運行工藝等以降低旋轉(zhuǎn)霧化器的磨損。

4.3 在未來半干法技術研究中，建議應結(jié)合相關非電行業(yè)煙氣特點以及半干法脫硫系統(tǒng)運行特性，加強新型高效反應塔技術、反應原料深度利用技術研究，以降低系統(tǒng)運行能耗、物耗，提高煙氣適應性；加強多污染物協(xié)同控制與脫除技術研究，以節(jié)約建設場地、降低投資，實現(xiàn)多污染物的高效脫除。