非电烟气治理半干法脱硫技术现状及发展趋势分析

张 昊，黎方潜，吴其荣

(1.国家电投江苏电力有限公司，南京 210000;2.国家电投集团远达环保工程有限公司，重庆 401122)

引 言

截止2019年底，我国约8.9亿千瓦煤电机组达到超低排放要求，占全国煤电机组总装机容量的86%[1]。作为能源支柱产业，火电行业伴随着超低排放的实施及环保技术装备的升级，建成了全球最大清洁节能燃煤发电体系[2]。

与此同时，2017年3月，环境环保部等发布联合发布《京津冀及周边地区2017年大气污染防治工作方案》，对“2+26”城市钢铁、燃煤锅炉执行特别排放限值；2019年4月生态环境部等联合发布《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》，明确提出钢铁行业推进实施超低排放要求；2019年7月生态环境部等联合发布《工业炉窑大气污染综合治理方案》，在重点任务中要针对钢铁、水泥、焦化等非电行业工业锅炉实施污染物深度治理。

因此，随着我国火电行业的超低排放改造逐渐完成，以及相关非电行业烟气排放政策、法规的实施，非电行业已成为大气污染治理的重点[3]。

1 非电烟气治理技术现状

针对非电烟气脱硫治理领域，主要有湿法脱硫技术和半干法脱硫技术。其中，湿法脱硫技术存在投资成本较高、系统复杂、有废水产生等问题[4]；而半干法脱硫技术相比于传统湿法脱硫技术，具有无脱硫废水，系统简单等优势[5]，可广泛应用于非电烟气治理领域[6]。由于非电行业的烟气存在复杂多变等特点，为降低成本，提高半干法的适应性，因此发展出了不同的半干法脱硫技术。

对于半干法脱硫机理已经有较多研究。对于脱硫反应的吸收过程，主要有双膜理论、扩散边界层理论、溶质渗透理论等[7]。对脱硫反应的机理模型，Newton G H[8]等研究了SO2与钙基的反应机理，结合浆液滴的蒸发过程，提出了半干法脱硫反应机理模型。滕斌[9]在研究半干法脱硫中Ca/S、入口烟气温度、停留时间等影响因素基础上，建立了半干法脱硫数学模型，实现了对脱硫因素的预测分析，并利用该模型重点分析了增湿水对脱硫效率的影响。

同时，对于半干法脱硫反应，主要影响因素包括：Ca/S、近绝热饱和温度(AAST)[10]、烟气停留时间、增湿水含量及分布特性、入口SO2浓度、脱硫剂成分、吸收塔内流场分布、循环灰浓度。学者们对不同因素也做了大量研究，魏恩宗[11]等，通过研究认为半干法脱硫系统中影响脱硫效率的因素权重由高到低依次为：AAST>Ca/S>入口SO2浓度、入口烟温等。李玉忠[12]等，通过半干法烟气脱硫实验，研究了AAST对脱硫系统的影响，当AAST越小时，脱硫效率越高，同时为控制系统稳定运行AAST控制在10℃左右。汲传军[13]，通过分析不同脱硫影响因素，提出需要控制反应塔温度，增加Ca/S，采用反应塔内多级喷水等措施，是提高脱硫效率和增强系统稳定性的有效方法。任丽[14]等，通过脱硫灰与电厂粉煤灰等其他物料的有机混合，可以作为原料烧制硫铝酸钙和硅酸二钙为主要矿物组分的水泥熟料，拓宽了半干法脱硫产物的利用途径。

在以上对脱硫机理及相关影响因素的研究基础上，半干法脱硫技术有了长足发展。基于此，目前在非电烟气治理领域应用较多的半干法脱硫技术主要包括循环流化床半干法脱硫技术(CFB-FGD)、旋转喷雾干燥半干法脱硫技术(SDA)、循环增湿半干法脱硫(NID)技术和密相干塔法脱硫技术(DFA)等。

2 非电烟气治理半干法脱硫技术

2.1 循环流化床半干法脱硫技术(CFB-FGD)

CFB-FGD技术由德国鲁奇(Lurgi)公司在上世纪80年代研发的一种半干法脱硫技术工艺。其技术工艺为：烟气通过脱硫塔下部的文丘里管加速并与新鲜吸收剂混合[15]，进入循环流化床反应塔内，塔内处于流态化的气固两相相互混合，强化传质[16]。一部分吸收剂颗粒随烟气由塔顶流出，其余吸收剂颗粒在吸收塔内循环，在反应塔内形成密相床层，高浓度的“反应床”可使局部Ca/S达100以上，极大提高了塔内反应效率，从而实现SO2的深度脱除。但是在运行过程中存在脱硫反应塔阻力较大，一般为1 000～2 000Pa；反应塔塔壁结垢；循环脱硫剂量受床层压损限制，抗烟气波动能力一般；反应床层不稳定，易塌床掉灰等问题[17]。因此，对于CFB系统，在保证脱硫效率的前提下，如何有效降低反应塔阻力，保持“反应床”层稳定，还需加强研究。王岳军[18]等，利用CFD模拟技术，优化了反应塔变径段角度由40°减小到20°，实现了流场更加分布均匀，使反应塔压力由1 917.72Pa降低至1 366.59Pa。

该技术主要应用于火电、钢铁、工业窑炉等行业，如国内的江苏新海电厂2×300MW机组、梅钢2×450m2烧结烟气处理、宁东铝业炭素焙烧烟气处理等项目，在半干法脱硫技术中应用最为广泛。

2.2 旋转喷雾干燥半干法烟气脱硫技术(SDA)

SDA技术是丹麦Niro公司在20世纪70年代研发。该技术是利用喷雾干燥的原理。其技术工艺为：60%烟气经由位于顶部的烟气分布器进入反应塔，其余烟气从塔体的中部烟气口进入[19]；生石灰加入适量水进行活化，并形成熟石灰浆液，再与循环灰等物料进行混合制成吸收剂浆液，混合浆液在旋转雾化器的高速旋转的离心力作用下被雾化为50～100μm的细小颗粒[20]。雾化后的吸收剂浆液颗粒在吸收塔停留时间可达12s，在此过程中，与烟气中SO2等污染物充分接触，发生反应，达到脱硫目的[21]。同时雾化后的吸收剂颗粒，因为与烟气接触的比表面积大，其颗粒表面水分在高温烟气作用下迅速蒸发，转变为固体颗粒物，然后被吸收塔后的除尘装置捕集，大部分被捕集的脱硫产物外排后送至灰场，小部分继续与石灰浆液混合后循环使用[22]。

该工艺核心部件是旋转雾化器[23]，其转速可达10 000～20 000r/min。但同时也因为旋转雾化器的高转速，该设备存在易磨损、破裂的问题。王鹏程[24]等，根据旋转雾化器转子的材质、结构、运行方式等，并结合有限元法，形成计算转子临界转速的方法，以避免旋转雾化器超负荷运行，发生破损。在实际工程项目中，潘鹤[25]通过研发在雾化器前端的顶罐精滤装置、可缓冲耐用型旋振筛筛网等过滤装置，减少了浆液中大颗粒，降低了雾化器磨损和破裂的风险。

该技术主要应用于钢铁烧结、垃圾焚烧等行业的烟气处理，如常州中天炼铁有限公司550m2烧结烟气处理，武钢二烧280m2烧结机烟气处理、天津双港垃圾焚烧发电厂等项目。

2.3 循环增湿半干法脱硫技术(NID)

NID技术是瑞典ABB公司80年代初开发，该工艺的显著特点是对吸收剂采用塔外增湿的方式。其技术工艺为：烟气经反应塔底部进入，反应塔通常为矩形，烟气流速可达15～20m/s，吸收剂在增湿混合器内加水搅拌、增湿[26]，吸收剂含水率控制在5%以内，以便具有良好的流动性[27]，在反应塔内与烟气中SO2反应，脱除污染物。吸收剂随烟气从反应塔顶部流出，经除尘器截留后，一部分吸收剂再次进入增湿混合器，循环使用。但由于无文丘里结构，脱硫反应塔入口流速相对较低，容易掉灰；反应塔脱硫效率相对较低；塔外吸收剂增湿系统消化效率低，易堵塞等。

NID技术主要应用于中、小锅炉烟气处理，NID技术由浙江菲达环保公司引进国内，国内目前超过50套应用业绩[28]，如淄博齐鲁石化125MW机组、内蒙古第二热电厂200MW机组、玖龙纸业210MW机组等烟气脱硫项目。

2.4 密相塔半干法烟气脱硫技术(DFA)

德国福汉燃烧技术股份有限公司研发的烟气脱硫技术结合钢铁烧结烟气特点，开发出密相干塔法脱硫技术。其技术工艺为：烟气与加湿活化后的脱硫剂同时从反应塔的上部进入，在内置构件的搅拌作用下，强化了烟气与脱硫剂混合程度，并发生脱硫反应，反应后的物料沉积在反应塔和除尘器底部灰斗内，除尘后的净烟气经烟囱排放到大气中。沉积在灰斗中的物料含有大量未反应的有效成分，一部分混合物料通过刮板机或输送螺旋和斗式提升机送至反应塔顶部加湿机内，与新鲜吸收剂混合，加湿活化含水量控制在5%以内，循环使用[29]；一部分混合物料排出脱硫系统。DFA系统运行的主要问题是脱硫运行效率不稳定；脱硫灰量大，导致除尘器、反应塔灰斗积灰堵塞等问题[30]。目前北京科技大学环境工程中心对该技术研究较多，韩剑宏[31]等，发现脱硫效率和吸收剂利用率随着含水率的提高而提高，当含水量在9%时，吸收剂失效时间可达1 300s。赵荣志[32]等，对实际DFA脱硫工程的CEMS数据分析，发现钙基吸收剂对NOx的脱除效率可达30%以上，同时入口SO2浓度提升可一定程度提高对NOx的脱除效率。

DFA技术主要应用钢铁烧结烟气处理，如首钢360m3烧结烟气处理、唐钢320m3烧结烟气处理等。

2.5 半干法脱硫技术特点对比

半干法脱硫技术特点对比，如表1所示，从表中可以看出，不同技术在处理的烟气量、脱除效率上存在较大差异，实际运行过程中应根据机组特点、效率要求等进行合理选择。

表1 半干法脱硫技术特点对比表

3 半干法脱硫技术发展方向

3.1 典型电力与非电烟气特点对比分析

传统的电力行业主要包括燃煤机组的电厂，典型的非电行业主要有：钢铁、铝业、水泥等，其典型的烟气特点对比，如表2所示。

表2 典型电力与非电烟气特点对比

由表2可知，电力烟气特点：(1)烟气量稳定，运行时波动小；(2)污染物成分稳定，主要包括SO2、NOx、粉尘，且含硫量相对较高；(3)烟气温度较稳定；(4)含氧量低。非电烟气特点：(1)烟气量差异大：同一行业中不同工艺段，烟气量不同；(2)烟气温度范围宽；(3)烟气成分复杂：包括SO2、NOx、粉尘、VOCs、沥青烟、二噁英等；(4)烟气含氧量差距较大。

电力与非电烟气性质差异较大，因此，我国基于电力行业发展起来的脱硫脱硝除尘环保技术，对于非电烟气治理需根据其烟气特点研发出适应性新技术。

3.2 非电烟气治理半干法脱硫技术发展趋势

3.2.1 新型高效反应塔技术研究

由表2可知，传统电力烟气含硫量远远高于非电行业烟气含硫量，针对电力行业的传统烟气治理技术处理能力对于非电烟气治理余量较大，因此，在传统半干法脱硫技术上进行创新优化，研发出适用于非电烟气治理的新型高效反应塔技术研究十分必要。比如适用于煤粉炉烟气治理的高倍率灰钙循环烟气脱硫除尘技术(NGD)，可以在较低钙硫比条件下，实现脱硫除尘效率在90%、95%以上[35]。国家电投集团远达环保工程有限公司针对电解铝烟气治理，研发的散式分区半干法脱硫脱硝一体化技术，就具有相比于传统CFB-FGD技术工艺，吸收塔阻力降低1/3等特点。

3.2.2 反应原料深度利用技术研究

半干法反应原料包括吸收剂和水分，一方面，在现有半干法外排灰中氢氧化钙通常含量在10～20%，甚至一些高Ca/S项目，外排灰氢氧化钙含量可达40%，浪费了大量吸收剂；另一方面，在脱硫反应中充足的水分可以提高脱硫反应效率，但是常常在半干法中过量的水分会导致后续的布袋除尘糊袋等问题，影响系统正常运行。所以根据半干法脱硫原理，吸收剂和水分的深度利用既可以提高脱硫反应效率，同时可以降低原料耗量。崔琳[36]等提出新型复合增湿方式，通过模拟研究不同复合增湿比例条件下，液-固浓度在吸收塔内变化情况，发现内增湿水比例为78%时，可以有效改性塔内粘壁问题，并提高脱硫效率。吴超[37]等利用风力分选的原理，根据循环灰中各组分物理性质不同，设计的新型半干法脱硫分离器，实现脱硫循环灰的有效成分的分离，提高了吸收剂利用率。

3.2.3 多污染物协同控制与脱除技术研究

为适应新形式下多污染物超低排放需求，现有治理路线多是不同治理技术的结合，若单个系统可以实现多污染的控制与脱除，可以达到节约建设场地、降低投资等目的。因此，探索具有多污染物协同控制与脱除特点的半干法技术研究，将是未来的重要研究方向之一。比如吴相浩[38]等，通过混合适量碳酸钠与氢氧化钙，以改性吸收剂，实现同时脱硫脱硝，效率分别可达100%和55%。韩加友[39]等，通过研究臭氧喷射位点、温度等因素形成低成本协同半干法脱硫脱硝方法。张虎[40]等，通过添加KMnO4对钙基吸收剂进行调质，实现了对SO2和NOx的同时脱除。

4 结 语

4.1 随着国内对非电烟气治理要求的不断提高，非电烟气将是我国未来较长一段时间的大气污染治理重点。目前，非电烟气治理技术以半干法脱硫治理技术为主，湿法脱硫技术为辅，烟气治理技术整体趋于成熟。

4.2 在半干法脱硫技术中，CFB技术适应性强、应用最为广泛，其中SDA、NID、DFA分别在特定领域应用较多；同时，半干法脱硫的机理与影响因素已有较多理论基础，现有研究主要针对半干法脱硫工艺优化，比如CFB技术主要在于研究降低吸收塔运行压损，SDA技术主要研究新材料、新运行工艺等以降低旋转雾化器的磨损。

4.3 在未来半干法技术研究中，建议应结合相关非电行业烟气特点以及半干法脱硫系统运行特性，加强新型高效反应塔技术、反应原料深度利用技术研究，以降低系统运行能耗、物耗，提高烟气适应性；加强多污染物协同控制与脱除技术研究，以节约建设场地、降低投资，实现多污染物的高效脱除。