刘畅
[摘 要]我国是世界上最大的能源消费国，燃煤在我国的能源结构占70%左右。而火力发电厂是煤炭消费的主要用户。燃煤燃烧产后的SO2是酸雨形成的主要原因。介绍了我国主流湿法烟气脱硫的技术工艺发展现状，并结合新法律法规要求下高脱硫效率的技术难点和存在的问题，为进一步研究和生产提供了参考。
[关键词]湿法烟气脱硫 高脱硫效率
中图分类号：U416.2 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）22-0275-02
1 烟气脱硫技术概述
SO2控制技术的研究，据美国环保署（EPA）1984年统计，世界各国开发、研制、控制技术已达184种，而目前的数量已超过200种。使用的SO2减排手段分为三大类：燃烧前脱硫、燃烧中脱硫及燃烧后脱硫。
1.1 燃烧前脱硫技术
燃烧前脱硫技术的主要内容是采用物理、化学或生物方式对锅炉使用的原煤进行清洗，将煤中的硫部分除掉，使煤得以净化，其中煤的物理净化技术是目前世界上应用最广泛的燃烧前脱硫技术，该法可以从原煤中除去泥土，页岩和黄铁矿硫。通过煤的粉碎，使非化学键结合的不纯物质与煤脱离，继而利用构成煤的有机物质（煤的基本微观结构）与密度较大的矿物不纯物之间比重的不同，或利用二者表面润湿性，磁性，导电性的不同将它们分离。主要方法有：重力法、浮选法、重液体富集法、磁性分离法、静电分离法、凝聚法、细煤粒重介质旋风分离法等。物理方法工艺简单，投资少，操作成本低，但不能脱除煤中有机硫，对黄铁矿硫的脱除率也只有50%左右。
化学法脱硫多数针对煤中有机硫，主要利用不同的化学反应，包括生物化学反应，将煤中的硫转变为不同形态的硫而使之分离。目前主要的化学净化方法有：BHC法（碱水液法）、LOL氧化法（O2/空气氧化法）、KVB（NO2选择氧化）、氯解法（C12分解）、Meyers（Fe2（SO4）3氧化法）、微波法、超临界醇抽提法等。
微生物脱硫技术虽然从本质上讲也是一种化学法，但由于其自身的特殊性，可把它单独归为一类。它是把煤粉悬浮在含细菌的气泡液中，细菌产生的酶能促进硫氧化成硫酸盐，从而达到脱硫目的。
1.2 燃烧中脱硫技术
燃烧中脱硫技术主要是指当煤在炉内燃烧的同时，向炉内喷入脱硫剂（常用的有石灰石，白云石等），脱硫剂一般利用炉内较高温度进行自身锻烧，锻烧产物（主要有CaO，MgO等）与煤燃烧过程中产生的SO2、SO3反应，生成硫酸盐和亚硫酸盐，以灰的形式排出炉外，减少SO2、SO3向大气的排放，达到脱硫的目的。燃烧过程中脱硫反应温度较高，一般在800-1250℃的范围内。
煤燃烧中脱硫技术主要有以下几种：
1、煤粉炉直接喷钙脱硫技术，在煤粉炉中，脱硫剂选择温度较低区域（炉膛上方）喷入进行脱硫。单纯的炉内直接喷钙脱硫效率只能达到30-40%左右，再与尾部活化器增湿或在脱硫中添加催化剂等技术相结合，其脱硫效率可达70%以上，这一方法所具有的投资省，装置简单，但脱硫效率较低。
2、流化床燃烧脱硫技术包括常压鼓泡流化床燃烧技术、常压循环流化床、增压鼓泡流化床燃烧技术与增压循环流化床燃烧技术。其中前三类已得到工业应用，增压循环流化床燃烧技术尚在工业示范阶段。稳定运行时的循环流化床燃烧脱硫效率可达90%以上。该技术现已在国外得到广泛地应用。
存在问题是：循环流化床受容量限制。增压循环流化床燃烧技术效率在38-42%左右，脱硫效率在90%以上，同时还具有较强的脱硝能力，因此它也引起了人们的极大兴趣。
3、型煤指在煤中掺加脱硫剂，做成一定形状的煤制品。脱硫剂在燃烧过程中起到控制SO2的作用。型煤燃烧技术对于占工业锅炉总量70%以上层燃式锅炉及工业窑炉的有害物质排放能起到一定的治理作用，是实现工业炉窑高效，清洁燃烧的一个大有希望的方向，但这一技术不能用于悬浮燃烧的锅炉（如电站煤粉炉），而且由于炉温较高，脱硫率较低。
4、水煤浆技术是70年代国际上发展起来的一种以煤代油的新型燃料。由于水煤浆燃烧时火焰中心温度比烧煤和烧油低，故NOX、生成量较小，同时能够降低燃烧时产生的SO2和烟尘。目前我国在水煤浆制备和燃烧的研究开发以及工程示范方面取得了很大进展，已具备了商业化应用条件。
1.3 燃烧后脱硫（烟气脱硫）技术
烟气脱硫技术主要是利用吸收剂或吸附剂去除烟气中的SO2，并使其转化为稳定的硫化合物或硫。最早的烟气脱硫技术在本世纪初就己经出现。近几十年来，国外对烟气的脱硫、脱硝进行了大量的研究。在工业发达国家，工业脱硫装置的应用发展很快。我国近十多年来也开展了烟气脱硫技术的研究。至今，烟气脱硫技术的种类非常多，按脱硫的方式和产物的处理形式一般可分为干法，半干法和湿法三大类。
1.湿法烟气脱硫技术（WFGD技术）
含有吸收剂的溶液或浆液在湿状态下脱硫和处理脱硫产物。该法具有脱硫反应速度快、设备简单、脱硫效率高等优点，但普遍存在腐蚀严重、运行维护费用高及易造成二次污染等问题。
湿法烟气脱硫可分为石灰石-石膏法，石灰石膏法，海水法，氨法，氧化镁法等。目前应用最广泛的为石灰石-石膏法。
2.干法烟气脱硫技术（DFGD技术）
脱硫吸收和产物处理均在干状态下进行。该法具有无污水废酸排出、设备腐蚀小，烟气在净化过程中无明显温降、净化后烟温高、利于烟囱排气扩散等优点，但存在脱硫效率低，反应速度较慢、设备庞大等问题。干法烟气脱硫技术由于能较好地回避湿法烟气脱硫技术存在的腐蚀和二次污染等问题，近年来得到了迅速的发展和应用。
3.半干法烟气脱硫技术（SDFGD技术）
半干法兼有干法与湿法的一些特点，是脱硫剂在干燥状态下脱硫在湿状态下再生（如水洗活性炭再生流程）或者在湿状态下脱硫在干状态下处理脱硫产物（如喷雾干燥法）的烟气脱硫技术。特别是在湿状态下脱硫在干状态下处理脱硫产物的半干法，以其既有湿法脱硫反应速度快、脱硫效率高的优点，又有干法无污水废酸排出、脱硫后产物易于处理的好处而受到人们广泛的关注。
2 高脱硫效率湿法烟气脱硫
根据目前电力行业的出口污染物排放标准，一般地区新建燃煤机组SO2出口排放浓度为100mg/Nm3，重点地区新建燃煤机组SO2出口排放浓度为50mg/Nm3，而在一些污染情况较严重的特大型城市及周边，地方政府为了满足国家环境保护“十二五”规划的要求，制定了相应的地方排放标准，如天津、河北等省市要求燃煤机组SO2出口排放浓度为35mg/Nm3，这就要求火力发电厂脱硫系统具备更高的脱硫效率，根据燃煤含硫量的情况，通常机组的脱硫效率需达98%甚至99%以上。目前有实施业绩或在技术研发阶段能达到高脱硫效率的脱硫技术有以下几种：
（1）低液气比旋汇耦合脱硫技术
石灰石-石膏湿法旋汇耦合脱硫技术（下述简称为旋汇耦合技术）为国电清新公司脱硫专利技术，该技术基于多相紊流掺混的强传质机理，利用气体动力学原理，通过特制的旋汇耦合装置产生气液旋转翻覆湍流空间，加强气液固接触、完成高效传质过程，从而达到气体净化的目的。该技术通过进行了各种脱硫技术参数的试验，对全面了解和深入研究脱硫技术的特点，掌握脱硫工艺中各种技术参数的相互联系，推动脱硫工艺技术进步发挥了积极作用。
旋汇耦合脱硫技术的关键部件为旋汇耦合器，旋汇耦合器安装在吸收塔内，喷淋层的下方、吸收塔烟气入口的上方，通过旋汇耦合器安装位置湍流空间内气液固三相充分接触，增强气液膜传质、提高传质速率，进而提高脱硫接触反应效率。其工作示意图如下图1：
旋汇耦合专利技术是将进塔烟气由层流变成湍流状态，大大增加了气体的漩流速度，与同类脱硫技术相比，具有以下几大技术特点：
a） 均气效果好
吸收塔内气体分布不均匀，是造成脱硫效率低和运行成本高的重要原因，安装旋汇耦合器的的脱硫塔，均气效果比一般空塔提高15%-30%，脱硫装置能在比较经济、稳定的状态下运行。
b） 传质效率高
烟气脱硫的工作机理，是SO2从气相传递到液相的相间传质过程，传质速率是决定脱硫效率的关键指标。
c） 降温速度快
烟气通过旋流和汇流的耦合，旋转、翻覆形成湍流都很大的气液传质体系，烟气温度迅速下降，有利于塔内气液充分反应，各种运行参数趋于最佳状态。
d） 适应范围宽和系统能耗低
此技术适用于不同工艺、不同煤种和工况，以及原料不同的石灰石粒径。由于脱硫效率高，液气比小，比同类技术能节约电能消耗。
（2）单塔双循环技术/双塔双循环技术
双循环技术是德国诺尔公司的一种湿法脱硫技术，基本原理如下图2所示：
本技术实际上是采用两级吸收塔串联使用，两级循环分别设有独立的循环浆池，喷淋层，根据不同的功能，每个循环具有不同的运行参数：
烟气首先经过一级循环（图中Quench Zone），此级循环的脱硫效率根据入口烟气SO2浓度可控制在30～90%，循环浆液PH控制在4.6～5.0，浆液停留时间在4～6分钟，此级循环的主要功能是保证优异的亚硫酸钙氧化效果和充足的石膏结晶时间，根据资料显示，在酸性环境下PH=4.5时，氧化效率是最高的，同时可以大大提高石膏品质，提高石膏脱水率，据国外资料显示，采用双循环系统后石膏含水率可以从10%降低到6%。
经过一级循环的烟气直接进入二级循环（图中Absorber Zone），此级循环实现主要的脱硫洗涤过程，PH可以控制在非常高的水平，达到5.8～6.4，这样可以大大降低循环浆液量。
（3）低液气比B&W湿法脱硫技术
该技术利用气体动力学原理，通过在吸收塔中设置专利的合金带孔托盘装置使吸收塔内气体流速较好的均布，避免局部烟速高，对脱硫效率的影响;另外，合金托盘可保持一定高度液膜，增加烟气在吸收塔内停留时间，加强气液固接触、完成高效传质过程，有效降低液气比，提高吸收剂利用率，从而达到气体净化的目的。增设托盘装置需增加吸收塔高度。B&W湿法脱硫技术示意图如下：
B&W湿法脱硫技术具有
a）均气效果好;
b）系统能耗低;
c）检修维护方便等特点;
但系统阻力较大，由于浆液通过托盘，如开孔直径不合适，容易造成堵塞等问题。
（4）中液气比辅助喷淋脱硫技术
辅助喷淋脱硫技术为上海某项目采用的脱硫增效技术。在原喷淋层间增加专利设计的辅助喷淋层，增加辅助喷淋泵，在一定程度上增加液气比，改善喷淋效果，并增加浆液池容积，改善氧化效果，以达到提高SO2吸收效率的目的。
此技术较适用于对原有系统进行改造，而工期较紧张不宜增加吸收塔高度时有一定优势。
（5）高液气比脱硫技术
在吸收塔内原有喷淋层基础上，通过增加喷淋层及循环浆液泵等设备，增加液气比，并增加浆液池容积，改善氧化效果，提高脱硫效率。
此技术需增加塔高度，同时，由于液气比较大，吸收塔浆池高度对比其他技术较高，故而氧化系统的压头较高，系统运行电耗较大，初期投资也相应较高。
（6）活性焦干法脱硫技术
活性焦脱硫在国内外得到了广泛的研究，日本、德国以及中国等国家已经有了成功的商业应用。国内一些公司也引进国外的先进技术。
活性焦干法脱硫工艺可分为吸附、解析和硫回收三个部分。吸附过程主要利用活性焦的微孔和其突出的表面积，将SO2、NOX、O2、H2O及烟气中的汞等杂质吸附在活性焦的表面活性位上，转变为吸附态分子后进入解析装置进行解析，解析后的SO2可制成硫磺、硫酸等产品。
活性焦干法技术有较突出的优点为：
a）脱硫效率高，由于活性焦的吸附能力强，脱硫效率能达到99%及以上，脱硝效率能过80%以上，同时有吸附其他污染物的功能。
b）副产物利用条件较好，变废气为应用较广的化工产品，减少其他技术带来的二次污染问题。
c）节约水资源和吸附剂，由于吸收过程中不需要使用水，吸附剂可以通过解析再生，适用于缺水的北方地区。
但由于初期投资较高，需要蒸汽进行解析等原因，国内的应用相对较少。
（7）有机胺湿法脱硫技术
有机胺湿法烟气脱硫技术利用有机胺吸收烟气中的SO2，然后通过解析得到高纯度的SO2，同时吸收剂再生循环利用，可解决石灰石-石膏湿法脱硫的副产物污染问题，同时脱硫效率能过98-99%，效率较高。
作为一种新兴的环保脱硫技术，有经济合理性和技术可行性，主要特点有以下几方面：
a）对初始烟气中SO2含量适应性较好，脱硫率高，一般能达到98%以上;
b）脱硫系统在弱酸性气液相环境下运行，不存在固体废弃物的二次污染，不会发生结塘、磨损和堵塞等问题;
c）设备占地面积为石灰石-石膏法的1/5，投资成本较低，可用于老的火电厂脱硫改造，优势明显;
d）副产品SO2商业价值高，为企业带来了显著的经济效益;
由于初期投资较高，吸收剂成本较高，需要蒸汽进行解析等原因，国内的应用也相对较少。
3 讨论与展望
在环境污染形势日趋严峻，污染物排放总量和排放浓度要求严格的环境下，追求更高的脱硫效率势在必行，目前我国火力发电厂烟气脱硫面临较大的压力，同时存在一些问题，如高脱硫效率造成系统厂用电率上升严重;对原有系统进行改造受场地限制;燃煤含硫量太高导致脱硫系统设计复杂，运行成本较大;受系统停机时间限制导致工程质量无法保证等问题，期望国内外有先进和高效的脱硫技术，能妥善地解决此类问题。
