新型噴淋散射技術脫硫特性實驗研究

嚴雪南， 王春波， 司 桐， 陳士磊

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

0 引言

我國是世界上最大的煤炭消費國，年消費總量可達數十億t，燃煤產生的SO2氣體量巨大，成為現今主要大氣污染物之一?？諝庵蠸O2濃度過高，可誘發多種呼吸疾病[1，2]，并形成大范圍酸雨，使土壤養分流失，破壞植被生長[3, 4]，導致生態環境惡化。

火電行業作為燃煤主要用戶，年SO2排放量占全國排放總量近50%，為限制其大氣污染物排放，國家部委相繼出臺《煤電節能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》[5]和《全面實施燃煤電廠超低排放和節能改造工作方案》[6]等法律法規，提出更加嚴苛的超低排放標準[7]，因此，需要增效降耗的技術以滿足未來脫硫需求。

目前燃煤電廠主要采用的脫硫技術為濕法煙氣脫硫技術，其中石灰石—石膏濕法脫硫技術憑借脫除高效、工藝成熟、反應迅速、副產物可再利用等優點，在火電行業中獲得廣泛應用，并根據氣液接觸方式分為噴淋塔和鼓泡塔。國內電廠存在燃煤種類多、石灰石品質差異大且運行工況多變等情況[8]，為保證脫除效果，噴淋塔需采取增加漿液濃度、提高液氣比等措施，但會導致設備磨損增大、噴頭堵塞加重、系統耗電增加等問題[9]；鼓泡塔則經噴射管將煙氣導入石灰石漿液內，形成豐富泡沫區，實現氣液充分接觸，省略了噴淋層和循環泵，但內部布局復雜，更易結垢，高效脫硫需提高漿液浸沒深度，從而加大了系統壓損，導致增壓風機電耗增多[10, 11]。由此可見，濕法脫硫技術雖較為成熟，但仍具改進空間。

為獲得適應性更強、可實現超低排放，且經濟節能的脫硫技術，在國家重點研發計劃—“燃煤鍋爐污染物(SO2、NOx、PM)一體化控制技術研究及工程示范”的支持下，提出一種新型“噴淋散射”濕法脫硫技術。

該技術結合了噴淋塔與鼓泡塔的技術特性，經噴淋區和鼓泡區雙重脫除作用，氣液接觸更加充分，在吸收液濃度較低、液氣比較小、浸沒深度較低的條件下，可實現穩定高效脫硫，且對煤種和運行工況具有較強的適應性，同時降低了系統壓損，減少了設備磨損和堵塞結垢，達到節能降耗的目的。對吸收液質量濃度、氧化方式、煙氣流量、SO2入口濃度等因素對煙氣脫硫效率的影響進行了研究。結果表明，該技術可達到增效降耗的目的。

1 實驗系統及方法

1.1 噴淋散射技術

新型噴淋散射技術的結構如圖1所示。塔身內部結構分為上、中、下三個倉室，中倉為噴淋區，采用螺旋噴嘴順流布置頂部，煙氣由側入口進入后，經噴淋完成一次脫除；下倉為鼓泡區，均布的散射管將噴淋后煙氣導入循環漿液中，經內部氣泡層與液面泡沫層作用，完成鼓泡反應即二次脫除；上倉為干燥區，裝設除霧器，將凈煙氣干燥后排出吸收塔。

圖1 噴淋散射技術示意圖

1.2 實驗系統

噴淋散射實驗臺系統如圖2所示，根據功能可分為煙氣模擬系統、進氣管路系統、吸收系統和數據采集系統。

煙氣模擬系統：實驗模擬煙氣由SO2和空氣組成，SO2由純度為99.9%的高壓鋼瓶提供，流量受轉子流量計控制，空氣由空氣泵引入，在混氣室內完成配氣。

進氣管路系統：模擬煙氣經轉子流量計通入進氣管路內，溫控儀控制熱電偶將入口煙溫加熱至預設值，管路上裝設壓力表以測量系統進出口壓差，靠近吸收塔處設置取樣口以測量進口煙氣成分。

吸收系統：由噴淋散射塔、循環漿液泵和氧化風機組成。吸收塔材質為有機玻璃，塔主體規格為40×1 cm、高180 cm，內部由隔板分成上倉、中倉和下倉3部分。上倉裝設波紋板除霧器，用于干燥排煙；中倉頂部單層順流布置4個螺旋噴嘴，對煙氣進行噴淋脫除；下倉均布4個直徑3 cm散射管，管底端等距開有6個直徑8 mm通氣孔，為鼓泡吸收和漿液儲存區；下倉外側安裝電動攪拌器，使漿液保持均勻。循環漿液泵和氧化風機均布置于塔底部，分別用以泵送漿液至噴淋區和向漿液中通空氣進行強制氧化。

數據采集系統：噴淋散射塔出口處設取樣口，煙氣分析儀(德國MRU，Vario plus型) 與其接通，采集部分排放煙氣，進行實時在線測量。

1-SO2鋼瓶；2-空氣泵；3-轉子流量計；4-混氣室；5-進氣管路；6-入口壓力表；7-溫度表；8-溫控儀；9-除霧器；10-中倉環形煙氣室；11-散射管；12-電動攪拌器；13-氧化風機；14-漿液補給倉；15-pH計；16-漿液循環泵；17-數顯流量計；18-干燥管；19-煙氣分析儀；20-排氣扇；21-計算機圖2 噴淋散射吸收塔實驗系統

1.3 實驗方法

實驗開始前，經漿液補給倉向下倉內加入一定質量濃度的石灰石吸收液至指定浸沒深度，啟動電動攪拌器使漿液充分混合。調節空氣泵、氧化風機和漿液循環泵閥門至指定開度，開啟加熱裝置，將煙溫升至預設值，令系統穩定運行1 h。實驗開始后，在進氣管路取樣口接通煙氣分析儀，打開SO2氣瓶解壓閥，根據煙氣組分示數調節流量計，使SO2穩定在所需濃度，煙氣經中倉→下倉→上倉通過吸收塔，經石灰石漿液吸收后干燥排出。部分排煙進入煙氣分析儀，進行氣體組分實時測量，數據由計算機記錄。實驗只噴淋工況，需將漿液液面降至低于散射管底端5 cm，為排除漿液池吸收影響，每組設置無噴淋空白實驗。

具體實驗參數詳見表1。

1.4 實驗結果的表征方式

為對比不同方式下脫硫效果，將噴淋散射塔脫除過程分為兩個階段：中倉噴淋區的初步脫除和下倉鼓泡區的深度脫除。

表1 實驗參數

塔整體SO2的脫除效率計算公式:

(1)

式中：cinlet為噴淋散射塔入口煙氣SO2濃度，ppm；coutlet為噴淋散射塔出口排煙SO2濃度，ppm。

2 結果與討論

2.1 吸收液質量濃度對脫硫的影響

吸收液質量濃度是影響脫硫效率的重要因素，且直接關系到投資成本。為選取最佳濃度值，實驗采用改變石灰石投放量以探究吸收液質量濃度對脫硫的影響。實驗工況：煙氣流量10 Nm3/h、SO2濃度2 000 ppm、液氣比5 L/m3、浸沒深度5 cm、強制氧化。圖3為吸收液質量濃度對脫硫效率的影響。

圖3 吸收液質量濃度對脫硫效率的影響

據圖3可知，噴淋散射技術下，純水短時間內可吸收SO2，隨著反應時間的增加，脫硫效率不斷下降，且降速逐漸加快；吸收液質量濃度的增加可提高脫硫效率，并保持較長時間穩定，但漲至一定值后，增勢趨于平緩。如純水起始效率為94.1%，反應4 100 s后僅有76.5%；0.5%質量濃度效率穩定在97.3%，且能維持1 h以上，增至1%濃度時，效率可達99.4%，而質量濃度由1%升至5%時，效率增幅卻僅有0.33%。

推測原因是脫除過程中石灰石漿液與SO2主要發生如下反應[12]：

SO2+H2O=H2SO3

(2)

CaCO3+H2SO3=CaSO3+H2O+CO2

(3)

2CaSO3+O2=2CaSO4

(4)

煙氣進入噴淋散射塔內先后經歷噴淋和鼓泡脫除，使氣液反應更加充分，且SO2易溶于水，因而純水脫硫初期具有較高效率，但隨著反應進行，SO2吸收量增多，使液體pH不斷下降，從而抑制反應(2)正向移動，導致效率大幅度降低。當采用石灰石吸收液脫硫時，由于下倉儲存漿液體量大，含有石灰石總量多，反應消耗基本未對脫除產生影響，故可保持較長時間穩定脫硫；隨著吸收液質量濃度上升，氣液反應速率加快，單位體積漿液石灰石量增多，導致漿液粘度增大，液膜厚度增加，延長噴淋液滴在塔內反應時間[13]，并且使鼓泡區泡沫體積減小而數量增多，加大了兩相傳質面積[14]，從而提高整體脫硫效率。但當質量濃度過高時，漿液中石灰石量遠大于SO2量，濃度的增加對脫硫影響甚微，導致石灰石漿液利用率降低，且增加了投資成本和設備結垢堵塞風險，故本實驗將吸收液質量濃度定為1%。

2.2 氧化方式對脫硫的影響

脫硫過程中氧氣可將SO32-氧化為SO42-，從而增強了石灰石漿液對SO2的吸收能力。實驗采用在不同漿液流量下開關氧氣風機的方法，以探究各液氣比下氧化方式對脫硫的影響。實驗工況：煙氣流量10 Nm3/h、SO2濃度2 000 ppm、1%質量濃度、浸沒高度5 cm。圖4為氧化方式對脫硫效率的影響。

圖4 氧化方式對脫硫的效率影響

由圖4可知，同一工況下，強制氧化方式的脫硫效率始終高于自然氧化方式，隨著液氣比的增大，兩種氧化方式的效率均不斷提高，但強制氧化方式的上升速度要大于自然氧化，且兩者效率差值逐漸減小。如當液氣比從0增至14 L/m3時，效率差值由1.82%降低到0.13%；強制氧化方式下，液氣比達到5 L/m3后，效率即穩定在99%以上，而自然氧化方式下，效率增幅在11 L/m3后才逐漸放緩。

這是由于自然氧化的氧氣來自模擬煙氣，氣液接觸瞬間，其無法迅速溶入吸收液，導致反應(4)發生程度低；隨著液氣比增大，吸收塔內噴淋密度增加，氣液接觸面積加大[15]，氣體溶解量增多，氧化反應加強，從而使脫硫效率不斷提高。采用強制氧化方式，可使漿液含氧量增加，推動反應(3)和(4)正向移動，促進氣液反應對SO2脫除；另一方面，向循環漿液內泵入空氣，可擾亂漿液內部流動，令氣液接觸更充分，加強傳質，并增加氣泡量，使鼓泡反應更劇烈，故該方式下脫硫效率高于自然氧化方式，且增速更快。當液氣比增至較大值時，噴淋區充滿石灰石液滴，反應(2)和(3)占據主導作用，氧化反應(4)影響減弱，導致兩種氧化方式的效率差值減小，但此時會增加循環泵的動力消耗，因此采用液氣比為5 L/m3的強制氧化方式是合理的。

2.3 煙氣流量對脫硫的影響

在實際生產中鍋爐負荷會發生變化，從而導致煙氣流量改變，因此研究不同煙氣量下的脫硫效果是十分有必要的。實驗通過調節混氣室后轉子流量計與漿液循環泵開度，實現煙氣流量變化而液氣比不變，并改變漿液靜止液位高度，以探究煙氣流量對脫硫的影響。實驗工況：SO2濃度 2 000 ppm、1%質量濃度、液氣比5 L/m3、強制氧化。

圖5 煙氣流量對脫硫效率的影響

圖5為煙氣流量對脫硫效率的影響。圖5可以看出，3種脫硫方式的效率均隨煙氣流量增大而降低，噴淋和鼓泡方式下，脫硫效率下降趨勢明顯，鼓泡方式在較大浸沒深度時，降幅有所減小；噴淋散射方式下，效率降幅甚微，并隨浸沒深度增加而迅速趨于重合，且同一工況下，大流量效率高于其他方式小流量效率。如在流量5～13 Nm3/h內，噴淋方式效率下降了7.4%，鼓泡方式效率下降了10.3%；當浸沒深度從3 cm增至14 cm時，鼓泡方式5 Nm3/h、10 Nm3/h和13 Nm3/h流量效率分別由94.1%、86.2%和82.5%升至98.6%、95.9%和93.2%，而噴淋散射方式3 cm浸沒深度效率即達99.4%、98.0%和96.3%，增至5 cm后均穩定在99%左右。

分析認為，噴淋方式下，當液氣比不變時，提高流量可增大漿液液滴表面曳力，加劇氣液間湍流運動，降低兩相界面的膜厚度，加快傳質過程，但氣液反應時間隨之縮短，且影響程度大于傳質速率增加幅度[16]，導致效率不斷降低；鼓泡脫硫反應主要發生在氣泡表面，同一浸沒深度下煙氣流量的增加，使單位體積漿液需吸收的SO2量增多，氣泡直徑增加，氣液接觸時間縮短，導致吸收反應未完全[17]；隨著浸沒深度升高，漿液體量增多，煙氣滯留時間延長，流量對脫硫影響減弱，故效率降幅逐漸減小。噴淋散射技術具備噴淋和鼓泡兩個區域，噴淋區可吸收大部分SO2，剩余氣體經鼓泡區完成二次脫除，從而延長整體反應時間，削弱了流量增加對脫硫的抑制，故低浸沒深度下，各流量效率均十分高，且差距很小。圖6為浸沒深度對進出口壓差的影響。結合圖6發現，浸沒深度的提高使系統壓損線性上升，導致整體能耗增加，為實現高效節能目的，將噴淋散射方式浸沒深度定為5 cm。

綜上可知，噴淋散射技術對負荷變化具有較強的適應性，受煙氣流量變化影響較小，且在較大流量下，仍可保持高脫除效率。

2.4 SO2入口濃度對脫硫的影響

國內燃煤種類豐富，各煤種間含硫量差異較大，導致生成的SO2濃度變化范圍廣，因此實驗向煙氣中通入不同SO2量，以探究SO2入口濃度對脫硫的更影響。實驗工況：煙氣流量10 Nm3/h、液氣比5 L/m3、浸沒深度5 cm、強制氧化。

圖6 浸沒深度對進出口壓差的影響

圖7為SO2入口濃度對脫硫效率的影響。圖7曲線表明，隨著SO2濃度的上升，只噴淋方式的脫硫效率不斷降低，且低質量濃度下效率減小趨勢更明顯；噴淋散射方式效率基本不受SO2入口濃度影響，并始終大于只噴淋高質量濃度效率。如只噴淋方式下，SO2濃度為1 000 ppm時，1%和5%質量濃度下效率分別為96.8%和97.6%，SO2濃度增至3 000 ppm時，兩者降幅分別為14.8%和1.9%；而噴淋散射方式在SO2濃度變化范圍內，效率始終穩定在99%以上。

圖7 SO2入口濃度對脫硫效率的影響

上述現象原因是只噴淋方式下，吸收塔內充滿噴淋液滴，氣液兩相接觸充分，在低SO2濃度時，1%漿液質量濃度所含石灰石量可滿足脫除需求，漿液濃度對脫硫影響較弱，故不同質量濃度間效率差異較??；隨著SO2濃度增大，氣體分壓上升，推動反應(2)和反應(3)向右移動，使氣液反應速率加快，但其沒有SO2入口濃度增幅大，從而使效率不斷下降[18]；而高質量濃度漿液中石灰石總量多，提高了單位體積漿液吸收能力，導致效率降幅很小。噴淋散射方式增設鼓泡區，儲存的循環漿液量遠大于SO2增量，結合鼓泡二次脫除，顯著削弱了SO2濃度增加對脫硫的影響，故整體脫硫效率降幅不到1%，并高于只噴淋方式在5%質量濃度的效率。由此可見，噴淋散射技術對燃料具有較強的適應性，在較大SO2濃度變化范圍內，均可達到“近零排放”的需求。

3 結論

針對目前脫硫技術存在的能耗高、適應性差、難以實現超低排放等問題，本文提出一種新型噴淋散射技術進行脫硫實驗研究，通過分析實驗結果，可獲得下列主要結論。

(1)隨著吸收液質量濃度的增加，噴淋散射技術脫硫效率先迅速上升，而后趨于平緩，在1%質量濃度時，效率可穩定在99.4%左右，且能維持1 h以上，從而在實現超低排放的同時，減少了投資成本和設備結垢堵塞風險。

(2)同一工況下，強制氧化方式脫硫效率始終高于自然氧化方式，隨著液氣比的增大，強制氧化的效率增速更快，且與自然氧化差距逐漸縮小，但提高液氣比將增加循環泵等設備能耗，故實驗采取液氣比為5 L/m3的強制氧化方式。

(3)脫硫效率與煙氣流量成負相關，噴淋散射方式下，各流量間效率差異十分小，在浸沒深度達5 cm后，均保持在99%左右，而噴淋方式在流量5～13 Nm3/h內效率降低了7.4%，鼓泡方式在浸沒深度為13 cm、流量為5 Nm3/h的效率僅有98.6%，且系統壓損大幅度增加，表明噴淋散射技術在不同負荷下均可實現高效脫硫，同時系統能耗較低。

(4)當SO2入口濃度由1 000 ppm增至 3 000 ppm時，只噴淋方式脫硫效率不斷下降，并與吸收液質量濃度密切相關，而噴淋散射方式基本未受影響，降幅僅有0.5%，且其1%質量濃度效率高于只噴淋5%質量濃度效率，由此可見，該技術對于燃煤種類具有很強的適應性。