D—2R@FGD循环半干法脱硫技术设计特点
摘 要:本文介绍了D-2R@FGD循环半干法烟气脱硫技术的原理、中试及工业化试验的情况。该技术通过改进工艺和结构，在提高脱硫效率和脱硫剂循环利用率两项技术上成效显著，用户可在不增加装置投资的前提下，获得更高的效率和更低的运行成本。
关键词:锅炉;循环半干法脱硫;烟气脱硫
石灰石/石灰—石膏法虽然是当今世界上最为成熟的脱硫技术，但由于存在系统庞大、装置腐蚀、大液气比需烟气再加热器、运行成本高、产物出路、二次污染、投资大等诸多问题，因而现在还在寻找更有效的脱硫技术。目前，欧洲已逐步向半干法、干法脱硫方向发展，应用比例呈逐年上升态势，从2002年的8％上升到2005年的约12％。
半干法属第二代脱硫技术，与大型湿法技术相比，除脱硫效率稍低外，其克服了大型湿法技术存在的诸多弊端，国内采用半干法脱硫技术的最大装置已达到300MW（山西榆社热电厂）。但迄今为止，国内尚无大型湿法烟气脱硫技术用于220t/h以下中小型锅炉的报道，而半干法技术适用范围较广，20～300MW火电机组的脱硫除尘装置均可应用，同时适用于非发电行业如：石油、化工、造纸、制铝业、冶金、食品加工等生产企业各种燃料的中小型锅炉（65～410t/h）的烟气脱硫除尘。本文介绍的D-2R@FGD技术为通过改进的循环半干法脱硫技术，在提高脱硫效率和脱硫剂循环利用率两项技术上已取得显著成效，较目前国内同类技术先进。用户在不增加装置投资的前提下，可获得更高的效率和更低的运行成本。
1 项目技术的基本原理
烟气循环流化床D-2R@FGD循环半干法脱硫包括吸收剂制备系统、吸收塔、烟气前除尘系统、后除尘系统及烟道、再循环系统、物料输送系统、给水系统、压缩空气系统和生控系统。
D-2R@FGD循环半干法烟气脱硫采用气体悬浮原理，经除尘后的烟气从塔底进入，通过气体分布器增大烟气流速，经干消化后的石灰粉注入脱硫塔内，在烟气流态的作用下，将石灰粉托起并散开，使两相充分混合，双流体喷嘴将雾化后的水喷入脱硫塔内，促进石灰活化，提高吸收反应速度，达到脱除二氧化硫的目的。反应完成后，烟气及生成物出塔进入气固除尘分离器净烟气排入大气，固体被回收，大部分重返脱硫塔循环利用，一部分含生成物的干灰外排回收他用。
该产品的技术性能达到《火电厂烟气脱硫工程技术规范—循环流化床法》（HJ/T178－2005）标准（见表1）。
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2 传统脱硫装置存在的问题分析及该项目技术的创新
2.1 传统脱硫装置存在的主要问题
（1）脱硫效率
目前国内的半干法脱硫装置应用于35～130t/h锅炉的烟气脱硫效率一般在80％～88％，220t/h以上级别的锅炉也难以突破90％。能达到或超过90％的装置很难保持长期稳定运行。
从理论上分析，半干法脱硫效率偏低一般有下列原因：
1）Ca/S低。大部分SO2在反应中前区被脱除，进入中后区的SO2含量已较低，此时在温度、吸收剂浓度逐步降低的反应条件下，如果Ca/S不足，塔内Ca与SO2反应的中后区吸收剂的浓度就难以维持，化学反应无法完全进行，部分SO2没有被脱除就随烟气出塔而导致脱硫效率偏低。
2）烟气在塔内停留时间短。塔截面取值不合理、气速大，是烟气在塔内停留时间短的主要原因。虽然Ca与SO2反应是一个快速反应，但反应仍需要经历分子向化学反应的过程，必须有一定的时间保证。时间太短必然会造成塔内化学反应不完全，最终导致脱硫效率偏低。
3）湿度不够。吸收SO2的反应必须有水存在才能进行，国内半干法装置塔内从下部一次增湿改进到分段二次增湿，其目的就是设法增加反应时间，提高反应速度，强化化学反应，从而提高脱硫剂利用率及反应效率。若湿度不够，则化学反应不彻底，脱硫效率会偏低。当然，湿度过高也会导致产生挂壁和布袋除尘运行不正常的副作用。
4）塔内气固流体分布不均匀。气固两相混合状况也是决定化学反应程度的条件之一。固相在塔内主要靠气相流态作为动力实现气固两相的充分混合，因此扩大气固两相的接触面，给予两相反应最大空间。如果气相在塔内出现偏流分布，不均匀，就难以给两相反应提供足够的接触面积而出现局部反应真空，脱硫剂的利用率也会降低，造成总脱硫效率偏低。
（2）脱硫剂循环利用率
脱硫剂循环利用率取决于脱硫塔后除尘器回收含生成物回流灰的返用量。回流灰中有相当部分是尚未参加化学反应的活性钙。技术上钙硫比的概念通常指新鲜石灰钙量与二氧化硫量的比值。这部分新鲜石灰仅占参与吸收反应总活性钙量的60%～70％，其产生的脱硫效率也只约有总效率的60％。工业上的钙硫比指参与化学反应总钙量与总硫量的比值，也就是说有30%～40％的活性钙量来自于回流灰的补充。在脱硫塔内，吸收SO2是一个气相控制过程，反应速度决定于SO2向石灰分子表面的扩散速度，而且石灰吸收SO2是快速化学反应。钙过量相当于增大反应物的浓度和反应表面积，增加反应物分子间的碰撞机会。回流灰循环利用越多，单位时间内钙的循环量越大，越容易保持塔内活性钙的浓度，钙的利用率就越高，总脱硫效率就能得到相对保证，同时可减轻塔后除尘器的负荷。
2.2 项目技术的创新
该项目在技术上经过深入研究，建立了针对性烟气工况的反应数学模型，即半干法烟气脱硫反应模型分析，根据反应模型分析，确定了以下创新点：
（1）采用三级雾化增湿强化传质
最大限度地提高未参加反应石灰的利用率，控制烟气出口温度（即控制反应层温度）。国内半干法装置塔内从下部一次增湿改进到分段二次增湿，其目的就是设法提高反应速度，强化化学反应程度，从而提高脱硫剂利用率及反应效率。吸收SO2的反应过程及反应程度同样受反应条件的影响。从宏观工况分析，烟气进入塔内温度较高，如果在气固两相尚未充分混合的情况下，在塔内下部一次性增湿将可能出现以下情况：1）热量过于集中，对吸收反应不利；2）石灰表面水膜过厚而影响SO2向石灰表面的扩散速度；3）吸收反应时间短，不能有效利用脱硫塔的反应空间；4）由于水分的快速蒸发，循环的脱硫剂难以得到充分利用；5）水量一旦控制不当，容易产生粘壁，塔底积灰。
如果再增加增湿层数，务必要增加塔高，投资会随之增加，而且脱硫效率提高不明显，经济上是不划算的。
因此，采用分段给水就是改善吸收反应可能产生的影响，在反应模型总水量不变的前提下，进水由大到小逐级分配，吸收反应分级完成。烟气进塔温度高，不利于吸收反应，下层喷水量需多一些，一方面要考虑降温，另一方面还必须考虑SO2向石灰表面的扩散阻力；一部分水参与化学反应，一部分水冷却烟气后快速蒸发上升，理论上同样是水分子，都可参加吸收SO2的反应，而实际上气相水和液相水在吸收SO2过程中的反应速度存在较大的差距。
经一级反应后，30%～40％未反应的石灰经第二、第三层喷水逐级增湿活化，充分利用了脱硫塔的轴向空间，脱硫剂得到最大限度地利用。脱硫效率也得以提高。
（2）塔内中上部设置挡灰圈及塔顶帽形结构
改变塔内流体状态，使塔壁轴向带形成紊流，截留部分灰，增加石灰的内循环量。吸收SO2的反应通常采用过量钙的原则。大部分SO2一般在反应中前区被脱除，进入中后区的SO2含量较低，此时在温度、吸收剂浓度逐步降低的反应条件下，塔内Ca与SO2在反应中后区吸收剂的浓度难以维持，化学反应无法进行到底。脱硫反应完成后，生成物和部分未参加反应的脱硫剂将随气相进入塔后除尘装置。设置挡灰圈的目的在于通过改变塔内流体状态，使塔壁轴向带形成紊流，滞留部分灰，增加石灰的内循环量，尽可能维持上部的脱硫剂满足尾部反应需要的浓度；同时减轻塔后除尘装置的负荷。
烟气以较高速度穿过挡灰圈后，在惯性作用下直冲塔顶再倒回出口，流速减慢，在出口的另一端必然形成紊流状态，由于惯性冲击和紊流的作用，部分灰沉降下来，重新参加塔内反应，因而塔顶设计帽形结构具有二次挡灰的功效。
（3）烟气进口设置气体导向板
确保烟气均匀分布，改善气固两相的接触面积和反应空间；同时降低进塔气体阻力。气固两相充分混合也是决定化学反应程度的条件之一。固相在塔内主要靠气相流态作为动力实现气固两相的充分混合，扩大气固两相的接触面积，给两相反应提供最佳条件。如果气相在塔内出现偏流分布不均匀，就难以给两相反应提供足够的接触面积而出现局部反应真空，脱硫剂的利用率也会降低，最终导致总脱硫效率偏低。烟气进口设置气体导向板的目的是使烟气进塔后能均匀分布，避免出现气相偏流的情况。
（4）设置净烟气循环管道
设置净烟气循环管道，即脱硫除尘后烟气回流进口与高温烟气混合，可调节进口烟气温度，提高反应速度。使已净化的较低温烟气靠引风机加压动力返回塔进口与高温烟气混合。其作用是：1）可作为冷却剂减少用水量，调节进口烟气温度，提高反应速度；2）有增加进烟气压强、提高塔内托力和散灰功能，防止大颗粒灰沉降及增加气固相接触面积。
（5）塔后除尘器采用上进风
塔后除尘器采用上进风可利用固相的自重沉降，提高除尘效率，同时达到降低除尘器安装高度和外表美观的效果。国内半干法塔后除尘装置目前大多沿用下进风方式，正好与粉尘下降的方向相反。受烟气流动力的作用，粉尘处于悬浮状态难以沉降，因而灰的回收率不高。本技术采用上进风方式与粉尘并流，可利用大中颗粒粉尘的自重力沉降，克服了粉尘受烟气的上升力作用而难以沉降的问题。同时上进风还有利于清除极板（布袋）上的粉尘，并有减轻除尘器负荷、降低除尘器安装高度、节约材料、检修方便、外表美观的良好效果。
3 项目的中试情况
该项目技术根据在东南大学热能动力研究所的试验数据进行整合（见表2～表6，均为平均数）。
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试验目的：工艺及结构改进后脱硫效率和脱硫剂循环利用率的变化情况。
试验基准条件：烟气量10000Nm3/h；脱硫塔塔高21m，Φ900mm；烟气温度150℃；进口SO2浓度2000mg/Nm3；塔内平均反应温度100℃；塔内平均流速7.31m/s；循环灰含钙30.5％；塔后除尘滤袋面积220m2。
试验结果显示，效果良好，改进措施是可行的，并为工业化应用提供了很好的设计依据。
4 项目的技术特点
（1）分段完成吸收反应，石灰粉和水分别加入，有别于目前其它方法；可解决喷枪堵塞的问题；（2）喷雾系统采用双流体喷嘴；喷嘴、干消化器、塔后除尘器及其控制系统等关键设备采用国外先进的成熟产品，装置可靠、长周期稳定运行；（3）固体循环倍率可达150倍，固体总停留时间长；（4）阻力小，低电耗，投资省，适用范围广，装置使用寿命长；（5）采用净烟气循环方式，具有调节进气温度、提高反应速度的功能；（6）技术性能指标优化：Ca/S<1.3；脱硫效率>94%； 粉尘排放浓度<50mg/m3；烟气出口温度>70℃；装置可用率>96%；脱硫剂循环利用率≥95%；酸性气体SO3、HCl、HF去除率>95%；重金属Hg等脱除率≥98％。
5 项目技术的工业化试验
2005年5月，该项目技术分别在杭州锦江垃圾焚烧炉和广东珠江75t/h燃煤锅炉两套装置上设计配套进行工业化试验，2005年10月装置建成投入试运行，经调试后装置运行效果良好，均达到设计要求，各项主要技术性能指标均达到《生活垃圾焚烧污染控制标准》（GB18485－2001）和《火电厂烟气脱硫工程技术规范—循环流化床法》（HJ/T178－2005）。两套装置分别于2005年底通过浙江省环境监测中心和广州市环境监测中心监测验收。
目前我国已实施烟气脱硫的火电机组仅约占国内总装机容量的2%，且总装机容量尚未计算化工、石油、造纸等行业的锅炉。目前国内的中小型锅炉占全国锅炉总数80％以上、燃煤锅炉占95％以上。全国未配套脱硫装置的中小型锅炉有几十万台，占全国锅炉总数的98％，因此市场巨大。
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