湿法脱硫烟气中霾的分析及解决途径

朱维群，唐震，房亚杰，王倩，张妙雷



湿法脱硫烟气中霾的分析及解决途径

朱维群，唐震，房亚杰，王倩，张妙雷

（山东大学化学与化工学院，山东省 济南市 250100）

已有研究表明，燃煤湿法脱硫后烟气水气含盐排放是造成我国雾霾大面积高强度发生的原因之一。文中分析了燃煤烟气湿法脱硫存在的问题；介绍了“脱白”及有色烟羽治理技术的现状，指出有必要从投资成本、运行成本和排放指标等多方面详细客观地评价烟气水气“脱白”的效果；建议进行燃煤烟气污染物干式高效脱除技术研发，经济可行地减少燃煤烟气水气及含盐的排放，从而降低雾霾的产生。

湿法脱硫；雾霾；有色烟羽

0 引言

我国大范围雾霾天气的频繁发生，极大影响了社会经济的发展和人们的身体健康。湿法脱硫工艺是应用最广泛的燃煤烟气处理技术[1-9]，占比达90%以上。但是，中国的环境容量已经比世界平均水平低好几倍，中国东部地区单位国土面积煤炭消耗是世界平均值的12倍，京津冀地区煤炭消耗空间密度是全球平均值的30倍。

因此，国外有关燃煤的一些研究和应用工艺技术可能对于我国只有参考意义而没有引领作用，我国要解决燃煤污染物问题必须进行新的煤炭利用技术革命或者大幅度降低煤炭使用量。

目前大气污染物排放标准制定的目的是治理环境空气质量标准中限定的3种常规污染物：烟尘、二氧化硫和氮氧化物，它们是雾霾污染物的主要成分，与雾霾关系密切。从总体来看，目前燃煤电厂3种常规污染物的排放已不是影响环境质量和雾霾形成的主要原因。通过对湿法脱硫过程的分析，本文认为湿法脱硫烟气水气所含水溶性盐的排放是雾霾发生一个主要原因，建议进行燃煤烟气污染物干式高效脱除技术研发，经济可行地减少燃煤烟气水气及含盐的排放，从而减少雾霾的产生。

1 燃煤烟气湿法脱硫存在的问题

燃煤烟气湿法脱硫不仅存在脱硫废水处理难题，同时也存在着烟气废汽排放处理难题[10-15]。在湿法脱硫循环液中，溶解在水中的各种盐的粒子大小约为1mm的万分之一，也就是分子离子的大小；在湿法脱硫的运行过程中，脱硫循环液与烟气的比例一般在10L/m3，也就是雾化的脱硫循环液与烟气的体积比为10L/m3，这样，所形成的饱和湿烟气在温度50℃时的水气含量大约在100~200g/m3。烟气以3~4m/s的速度在脱硫塔及烟囱中流动时，水溶性盐、水气和烟气形成了均匀的气溶胶体系，水气在这种条件下就不是水溶液的简单蒸发过程，而是与脱硫循环液构成了一种动态的气液平衡体系，也就是气相与液相的组成基本相同。水溶性盐含量与石粉来源、脱硫液温度及pH值、脱硫液循环次数、工艺条件、烟气速度等多种因素有关，在稳定的脱硫工艺条件下，水溶性盐的含量应该在一定范围。

2 湿法脱硫分析方法

根据上述脱硫过程水溶性盐的分析，测得脱硫循环液中含有1.4%的可溶性盐。这样不考虑游离水夹带的微米及亚微米粒子，水气排放量按150t/h计，计算300MW机组湿法脱硫的水溶性盐排放量为150´1.4%=2.1 t/h。全国湿法脱硫按40亿t水气排放量计算，燃煤烟气水溶性盐的排放量就是40´106´1.4%=5600万t。这样，全国水溶性盐的排放量每年可达5600万t，超过3种常规污染物SO2、NO和烟尘的总和。这是我国雾霾大面积、高强度发生的一个主要原因。

湿法脱硫排放烟气中的水溶性盐粒子大小是10-4mm，现有检测方法没有检测到，所用0.5mm滤膜测定的烟尘数值应该是大于PM级的不溶性盐，亚微米粒子及水溶性可以通过滤膜，因此，现有“可凝结颗粒物”、“可过滤颗粒物”的概念能否全面说明水溶性盐和水不溶性盐也是值得进一步研究的。

“湿法脱硫后占比99.6%的水蒸气为纯水气，只有0.4%的游离水含盐”的观点是不对的。0.7m/s的风速即可将2mm的石粒吹起，流速为3~4m/s的烟气水气在湿法脱硫过程中不仅能够带动水溶性盐，而且也能携带部分颗粒物，高盐含量的脱硫循环液分散在流速大于3m/s的烟气中所形成的均匀气溶胶是不能被后续的高效除雾器脱除的，因为它的粒子大小只是10-4mm，湿法脱硫之后加装的湿式电除尘或高效除雾器只能除去烟气中的部分较大颗粒，对PM1.0以下的颗粒及水溶性盐无效。水溶性盐只有通过半透膜或分馏等方法将其脱除，而在湿法脱硫过程中没有采取这些方法，实际上也不可能采取这些方法。

分别在石灰石膏法脱硫系统的不同位置取样[12]，4个取样点如下：1号样品是烟气与石灰石浆液在吸收塔中反应后排出的浆液；2号样品是流出的1号浆液在澄清池中澄清后的上清液；3号样品是流出的2号上清液和锅炉污水；4号是在三联箱中经过综合处理，沉降，絮凝，澄清处理后的水。同时也进行了自来水、矿泉水和蒸馏水的雾霾实验，实验结果见表1。

表1 脱硫循环液及3种水样的雾霾实验

从实验结果可以看出：蒸馏水的PM值较小，自来水的PM值已达到重度雾霾的标准，因此，在家庭加湿器使用过程中尽量使用蒸馏水。4个脱硫液样品的PM2.5值均达到重度污染的情况，处理后的循环水PM10值也接近2000。

燃煤烟气湿法脱硫过程与使用加湿器相似，脱硫后的烟气虽然经各种除雾器除去部分较大颗粒，但由于各种除雾器对于小粒径的雾滴和水溶性物质难以捕集，就造成大量霾源物质的排放。湿法脱硫排放烟气中的水气大约是SO2排放浓度的4000倍，水气中的无机物排放量大约是SO2排放浓度的40倍。因此，燃煤烟气排放指标应该综合考虑现有排放指标(SO2、NO和烟尘)、CO2排放量(能效)、水气排放量及杂质含量等。

湿法脱硫烟气水气中的可溶性盐定量分析不容易进行实施，但还是可以通过一些方法进行测定。例如，可凝结颗粒物的定义和测定是检测水溶性盐的一种方法。李壮等[10]采用等速采样喷嘴将烟道中的烟尘进行等速采样，进入采样枪的烟尘首先经过旋风分离器将10μm以上的颗粒物切割下来，然后进入两级稀释器并通入过滤的空气进行稀释，经过稀释并降温后的颗粒物采用芬兰Dekati公司生产的低压荷电撞击器(ELPI)进行分级测量。湿法脱硫条件：除尘设备采用4电场静电除尘器；脱硫设备采用石灰石石膏湿法脱硫工艺；脱硫塔内布置4层喷淋、2级除雾器。湿法脱硫烟气中各粒径范围粒数浓度比例如表2所示。

表2 湿法脱硫烟气中各粒径范围粒数浓度比例

实验数据表明，湿法脱硫后各级PM粒子浓度是脱硫前的400倍之多，是锅炉出口的2倍，湿法脱硫后增加了各级PM粒子的排放浓度。

我国大气平均湿度为9g/m3，湿法脱硫排烟湿度为大气平均湿度的10倍以上。空气具有很强的容纳水蒸汽的能力，而且空气温度越高，其容纳水蒸汽的能力越强。湿法脱硫烟气水气排放的水溶性盐在大气中的停留时间长，具有极强的迁移能力，控制和治理难度很大。它在空气中发生一系列变化可以形成雾霾的细颗粒物。

3 “脱白”及有色烟羽治理

烟气“脱白”及有色烟羽治理有不同的概念解释及处理工艺，首先应该将基本概念和原理弄清。湿法脱硫烟气中的水可分为“水蒸气”和“游离水”，水蒸气根据工艺条件还可分为“饱和水蒸气”与“不饱和水蒸气”，在湿法脱硫条件下，水蒸气一般为饱和的水蒸气，其含水量一般只与温度和压力有关，在烟气温度50℃的条件下，纯水蒸气的密度为0.083kg/m3。

湿法脱硫烟气中的游离水及其含盐量比较容易测定，有人测定游离水中的含盐量达3%。游离水及其含盐量与湿法脱硫装置的设计及运行效果有关，现在一般电厂燃煤锅炉湿法脱硫后都装有高效除雾器，烟气所夹带的游离水量一般都得到比较好的控制，湿法脱硫烟气中的游离水也比较易于脱除。有些非电行业的湿法脱硫装置设计及运行不够规范，湿法脱硫烟气中游离水的含量比较大，应该进行脱除。

湿法脱硫烟气水气的处理是一个难题。目前，主管部门也认识到湿法脱硫烟气水气含盐排放的问题，正在进行烟气“脱白”以减少水溶性盐的排放，但“脱白”投资大，降低雾霾效果有限，其存在以下缺点：

1）冷凝水气的水质不高，pH=2~3，具有腐蚀性；

2）需要价格较高、换热面积较大的耐腐蚀换热器；

3）水气排放量降低有限，最多降低20%，仍然有80%的水气排放；

4）电厂冷源缺乏，或增加大量成本。

湿法脱硫烟气水气的温度一般在50℃左右，水在常压下50℃时的蒸发潜热约为2 300kJ/kg，300MW机组每小时的水气排放量按100kg计算，将100kg水气变成水要消耗的相变热是：2300kJ/kg´100kg=230000 kJ

利用25℃水直接喷淋，温升25℃，水的比热容为4.2kJ/(kg×℃)，假设只将水气变成50℃水，每小时需要的冷却水量：

=230000/4.2/25=2190 kg

这样，采取最理想的冷却效果，每小时冷却排放的100kg水气就需要25℃冷却水2 190kg。如果采用换热器冷却，则需要的冷却水量成倍增加，工程上难以进行。因此，建议从投资成本、运行成本和排放指标等多方面对湿法脱硫烟气水气“脱白”方法的效果进行详细客观的评价。

为什么国外也采用湿法脱硫技术而没有发生大范围的雾霾，笔者认为这与我国燃煤量过大有关，若想治理我国的雾霾问题，必须进行煤炭利用技术的革命或者大幅度降低煤炭使用量。表3为2014年全球煤炭消费量前十名国家排序情况。

表3 2014年全球煤炭消费量前十名国家排序

4 燃煤烟气污染物干式高效脱除技术

燃煤烟气湿法脱硫不仅存在废水零排放难题，同时也存在废汽排放处理难题。因此，不加水的烟气干法处理技术应该是比较好的解决水气排放的方法。

现有干法烟气脱硫技术主要有炉内喷钙法、活性碳(焦)吸附法、电子束辐射法、金属氧化物脱硫法等。炉内喷钙法脱硫效率低，一般只适合于循环流化床锅炉，也有公司开发出了高效的炉内喷钙脱硫技术，但还没得到广泛应用；其他几种脱硫方法虽然脱硫效率高，但工艺复杂、运行费用高、易造成二次污染等。因此，有必要开发新的烟气干法脱硫技术。

针对烟气湿法脱硫技术存在的缺点，开发了一种固定资产投资少、运行维护成本低、能耗少、水耗为零的高效气相烟气脱硫脱硝超低排放技术。该技术可以克服现有烟气处理技术固定资产投资高、运行维护费用高、废气排放量大、操作复杂等问题，工艺路线如图1所示。

图1 高效气相脱硫脱硝超低排放新技术示意图

高效气相烟气脱硫技术是经风力输送系统将脱硫剂喷入高温烟道中，脱硫剂气化，与烟气中的SO2发生气相反应，脱硫产物经布袋除尘器收集，可达到高效脱硫的目的。

该技术已在电厂进行了现场试验，锅炉类型为170t/h煤粉炉，烟气量为3×105m3/h。现场试验结果图2所示。

从上述结果得出：SO2从4000mg/m3脱除至20mg/m3，脱硫效率达99.5%，能够满足SO2排放浓度不超过35mg/m3的要求。

图2 高效气相烟气脱硫技术的脱硫效果

高效气相烟气脱硝技术的现场实验结果如图3所示。

图3 高效气相烟气脱硝技术的脱硝效果

该脱硝技术不用进行锅炉改造，脱硝后NO排放浓度小于50mg/m3，脱硝率在90%以上，达到NO超低排放浓度小于50mg/m3的要求；

在高效气相脱硫脱硝之后，采用干法分级除尘即可达到燃煤烟气污染物超低排放的要求。高效气相烟气脱硫脱硝技术与现有技术相比具有以下优势：

1）烟气处理设备投资大幅度减少：与国内目前应用的装置相比，固定资产投资可降低80%以上；

2）运行成本大为降低：该技术节省大量能耗，没有水耗，运行成本比现有技术还低；

3）污染物排放量大幅度减少：不仅可以达到现有超低排放的标准，SO2排放浓度小于35mg/m3、NO小于50mg/m3，而且不向烟气处理系统中加水，使烟气带出的水气及所含无机盐量大为降低，形成雾霾的量也大为减少。

4）烟气处理系统安全性高：该技术使用的脱硫剂和脱硝剂都是固体粉末，避免使用氨水、液氨带来的安全隐患。

高效气相烟气脱硫脱硝技术具有创新的理论基础，是烟气脱硫脱硝处理技术的一次革命。该技术可根据电厂、水泥厂及其他有高温烟气需要处理的厂家要求，分别使用或部分使用，特别适合于电厂的脱硫脱硝改造和未预留脱硫脱硝改造空间的老电厂，是我国目前降低雾霾行之有效的方法。

5 结论

1）湿法脱硫烟气水气含盐排放应该是我国雾霾大面积高强度发生的一个主要原因，一种工况条件下的分析表明，水溶性盐排放量可能超过3种常规污染物的总和。

2）燃煤烟气污染物干式高效脱除技术可能是解决湿法脱硫问题的一种可行方法，其中高效气相烟气脱硫脱硝技术是烟气处理技术的一大突破，具有创新的理论基础，脱硫脱硝率分别达到99%和90%以上，达到国家环保排放的要求。

3）建议在全国范围内征集雾霾治理思路和技术路线，然后组织中试和生产实验，并进行技术推广；认真梳理现有工业生产过程中的污染物排放，优先考虑产业环保化；征集各种污染物源头治理技术，开发出低碳排放的工业路线应该是解决我国CO2、SO2、NO及大气雾霾的根本方法。

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Analysis and Solution of Haze in Wet Flue Gas Desulfurization

ZHU Weiqun, TANG Zhen, FANG Yajie,WANG Qian, ZHANG Miaolei

(School of Chemistry and Chemical Engineering, Shandong University, Jinan 250100, Shandong Province, China)

Salt-containing emission of flue gas after coal-fired wet flue gas desulfurization is one of the reasons for large-scale haze in China. The problems in wet desulfurization of coal-fired flue gas were analyzed. The present situation of ‘bleaching’ and coloured plume management technology was introduced, it is necessary to objectively evaluate the ‘bleaching’ effect of flue gas from the aspects of investment cost, operation cost and emission index. Dry and efficient desulfurization technology should be researched and developed to reduce the emission of water vapor, flue gas and salt economically and practically, and reduce the haze.

wet desulphurization; haze; coloured plume

10.12096/j.2096-4528.pgt.18268

2019-01-07。

朱维群(1961)，男，博士，教授，研究方向为燃煤烟气脱硫脱硝、二氧化碳减排及利用，zhuwq8621@163.com。

朱维群

(责任编辑 辛培裕)