高效脫硫技術綜述

呂志超 徐勤云 方蕓

（浙江藍天求是環保股份有限公司 浙江杭州 310012）

1 引言

2014年9月，國家發展改革委、國家環保部、國家能源局聯合印發了《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014年～2020年）》[1]，其中要求東部地區（遼寧、北京、天津、河北、山東、上海、江蘇、浙江、福建、廣東、海南等11省市）新建燃煤發電機組大氣污染物排放濃度基本達到燃氣輪機組排放限值中部地區（黑龍江、吉林、山西、安徽、湖北、湖南、河南、江西等8省）新建機組原則上接近或達到燃氣輪機組排放限值，鼓勵西部地區新建機組接近或達到燃氣輪機組排放限值。同時穩步推近東部地區現役公用燃煤大發電機組實施大氣污染物排放濃度基本達到燃氣輪機組排放限值的環保改造。由于在脫硫市場中，濕式石灰石—石膏法占據主導地位，故本文介紹的高效脫硫技術也是基于濕式石灰石—石膏法。

2 濕式石灰石-石膏法的化學原理

顧名思義，濕式石灰石—石膏法脫硫就是一種利用石灰石漿液脫除煙氣中SO2的方法，其核心是一個吸收傳質過程。根據Lewis雙膜理論，SO2吸收主要有三種阻力：（1）氣相阻力；（2）液相阻力；（3）氣液分界面阻力。

圖1 雙膜理論示意圖

因為SO2在氣體中的擴散速度比在液體中的快，故氣相阻力可忽略不計，SO2吸收阻力主要集中在氣液分界面阻力和液相阻力。且由于石灰石在水的溶解度低，而且溶解速度慢，故要保證脫硫效率需要選擇一定的循環漿液量即液氣比。根據相關研究，液氣比和脫硫效率存在下面的關系曲線圖2。

圖2 液氣比和脫硫效率的關系曲線

據曲線1可見，脫硫效率越高，所需氣液比越大，且當脫硫效率大于95%時，液氣比幾乎隨脫硫效率指數增加。理論上，只要液氣比足夠，脫硫效率可達99.9%，但實際上，如果為保證高脫硫效率，僅僅只是依靠增加液氣比即噴淋層迭加，會造成FGD運行費用的顯著增加，違背國家節能減排的號召。

因此高效脫硫技術研究主要就集中在如何降低SO2吸收阻力，如何用較少的液氣比保證同等脫硫效率。如前所述，SO2吸收阻力主要集中在氣液分界面阻力和液相阻力，加強SO2吸收主要就是要降低這兩種阻力，目前途徑主要有增強SO2液相吸收推動力和加強傳質效果。

2.1 增強SO2液相吸收推動力的高效脫硫技術

由于SO2是酸性氣體，提高漿液pH值，SO2吸收速率會顯著提升，從而在同等條件下降低液氣比，如圖3所示。

圖3 液氣比和pH值的關系曲線

據據曲線圖3可見，假如吸收塔在較高的pH值運行，循環漿液量（即液氣比）將會減少，因而節省循環泵的能耗，降低運行費用。

對于濕式石灰石—石膏法來說，pH值是一個許多變量的函數，但其中石灰石濃度是主要變量。因此吸收塔若想維持在較高的pH值運行，則需要添加更多的石灰石漿液，保持較高的鈣硫比，從而導致石膏中殘留的CaCO3含量變高。且塔內漿液pH值較高，會導致漿液氧化不徹底，導致石膏成品中的亞硫酸鈣含量較高。所以吸收塔若想長期維持較高的pH值運行，則必須解決石膏品質和石灰石利用率的問題。而雙塔雙循環和單塔雙循環技術則通過設置兩個不同pH值的獨立循環很巧妙地解決了這兩個問題。

2.1.1 雙塔雙循環技術

雙塔雙循環技術就是通過兩個串聯塔實現兩個獨立循環：其中一級塔低pH值（4.6～5.0）運行，確保石膏品質和石灰石利用徹底；二級塔高pH值（5.8～6.4）運行，實現高效脫硫的目的；而中間的AFT旋流器則承擔了兩塔水平衡和漿液密度平衡的重任[2]。

由于雙塔雙循環技術需要設置兩個獨立的吸收塔，因此占地面積要求比較大，煙道走向復雜，通常在改造項目使用比較多。

2.1.2 單塔雙循環技術

單塔雙循環技術則是利用集流碗將吸收塔吸收區分成上循環脫硫區和下循環脫硫區，其中上循環脫硫區高pH值運行，循環漿液通過集流碗收集在塔外AFT漿液箱；而下循環脫硫區低pH值運行，循環漿液收集在塔內底部漿液池；而AFT漿液箱和塔內漿液池之間的水平衡和漿液密度平衡也是通過設置AFT旋流器實現。

由于單塔雙循環技術只需設置一個吸收塔即可，因此占地需求有限，實際應用受限較少。

雙塔雙循環和單塔雙循環技術都是通過提高塔內漿液pH值而增強SO2液相吸收推動力的高效脫硫技術，盡管其效果明顯，但若塔內pH值過高，則高pH值段塔體、塔內件存在堵塞風險，實際運行時需特別謹慎。

2.2 加強傳質效果的高效脫硫技術

循環漿液液滴在與煙氣接觸時，總是液滴表面吸收SO2率先達到飽和，而液滴內部則遠未飽和。為充分利用液滴內部新鮮漿液的SO2的吸收能力，則應增強氣液紊流效果，以相應增加氣液接觸時間、加強傳質效果。

2.2.1 托盤技術

托盤技術是一種在脫硫塔吸收區增加多孔托盤以加強傳質效果的高效脫硫技術。多孔托盤增強反應的原理有[3]：

（1）煙氣流均布：煙氣由吸收塔側面進入向上流動，容易形成不均勻性和湍流區。煙氣由下至上通過托盤后得以整流，并均勻通過吸收塔噴淋區。吸收塔直徑越大，優勢越明顯；

（2）強化傳質反應：當煙氣向上通過托盤篩孔時，漿液從篩孔往下流。兩介質密相接觸。托盤上又保持一定高度的漿液泡沫層，使氣相和液相充分浸潤和碰撞接觸。這雙層作用擴大了氣液接觸面，增加了漿液停留時間，增加了石灰石溶解，強化了液、固、氣的傳質效果。從而有些地降低了液氣比，提高了吸收劑的利用率。

單層托盤的增效作用有限，實際工程中已有許多雙層托盤的案例。但多孔托盤受限于自身結構，開孔率一般不超過36%，阻力較大。

2.2.2 管式增效層技術

管式增效層技術是一類在吸收塔入口和第一層噴淋層之間添加管列裝置，以加強傳質效果的高效脫硫技術。

由于管列裝置結構各異，管式增效層有FGD—Plus，文丘里棒等，但其原理均大同小異，與多孔托盤增強反應原理基本一致。但管列裝置開孔率不會受自身結構限制，阻力較托盤小；且可采用增強PP等非金屬材質，有效地降低成本。

托盤技術和管式增效層技術都是通過在吸收塔吸收區內設置塔內件以加強傳質效果的高效脫硫技術。它們能夠顯著降低液氣比并保證高脫硫效率，但形成的漿液泡沫層卻增加了吸收塔阻力。而且漿液泡沫層越高，增效效果越明顯，而吸收塔阻力則越高。因此在應用此類技術時，必須事先評估好降低液氣比所節省的循環泵電耗和吸收塔阻力增加所增加的引風機電耗的進出關系，根據電廠實際情況合理設計塔內件以控制漿液泡沫層的高度。

3 結語

綜上所述，無論是雙塔雙循環、單塔雙循環技術還是托盤、管式增效層技術都是通過強化傳統石灰石—石膏法中某一環節而達到高效脫硫的目的，而且強化了某一環節后都或多或少帶來了一定弊端。因此環保承包商應根據各電廠的實際情況，合理選擇與之相符的高效脫硫技術，盡量做到揚長避短。

[1]煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014—2020年）.

[2]高建明,宋鑫,金鑫,陳訓強,里瑞林.雙塔雙循環石灰石濕法脫硫裝置及方法CN 102921287 A.

[3]傅文玲,劉柏輝,周皓,應春華.美國巴威FGD技術在浙江天地環保公司項目中的應用火電廠脫硫脫硝技術研討和交流會.