旋轉(zhuǎn)噴霧半干法煙氣凈化技術(shù)研究進(jìn)展

曾紀(jì)進(jìn)，陳國艷，段翠九

（1.中德（中國）環(huán)保有限公司，北京 100142；2.福建省豐泉環(huán)?？毓捎邢薰?，福州 350007；3.清華大學(xué)熱能工程系，北京 100084）

1 引言

噴霧干燥吸收工藝源于漿液的噴霧干燥加工工藝。噴霧干燥被廣泛應(yīng)用于液態(tài)進(jìn)料固態(tài)粉末出料的現(xiàn)代加工工業(yè)中，如化工、制藥、食品等[1]。丹麥Niro公司、美國Komline-Sanderson公司、比利時(shí)Seghers公司等都是制造旋轉(zhuǎn)霧化器的廠家；旋轉(zhuǎn)噴霧干燥法（SDA）用在脫硫工藝的研究始于20世紀(jì)70年代。經(jīng)過多年的不斷改進(jìn)和應(yīng)用，該脫硫工藝已成為一項(xiàng)十分成熟的、在世界范圍應(yīng)用業(yè)績僅次于石灰石-石膏濕法工藝的脫硫技術(shù)，其脫硫效率與石灰石-石膏濕法工藝相當(dāng)，但其占地面積、投資和運(yùn)行費(fèi)用卻低得多[2]。因此，旋轉(zhuǎn)噴霧干燥法脫硫工藝在中國火電廠脫硫市場應(yīng)當(dāng)成為一種有競爭力的選擇。

我國于1984年在四川白馬電廠建立了容量為1MW的旋轉(zhuǎn)噴霧干燥法脫硫小型試驗(yàn)裝置，處理煙氣量為34,000Nm3/h。20世紀(jì)90年代，中日合作在山東黃島電廠建設(shè)了100MW級(jí)的旋轉(zhuǎn)噴霧干燥法脫硫試驗(yàn)裝置，脫硫率可達(dá)70%以上[3]。

實(shí)際上，在歐美等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)的大量應(yīng)用業(yè)績和成功運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，旋轉(zhuǎn)噴霧干燥法脫硫工藝是一項(xiàng)技術(shù)成熟、可靠性高、脫硫率高的先進(jìn)脫硫技術(shù)。在國內(nèi)，一些垃圾焚燒發(fā)電廠也采用了該技術(shù)，如天津雙港垃圾焚燒發(fā)電廠采用的是丹麥Niro的技術(shù)；深圳能源集團(tuán)股份有限公司的南山、鹽田、龍崗等垃圾焚燒發(fā)電廠都是采用Seghers的技術(shù)，在垃圾焚燒煙氣脫硫過程中都顯示出了運(yùn)行穩(wěn)定、脫硫效率高。

近幾十年來，針對(duì)燃煤電廠噴霧半干法煙氣處理特性，專家們已做了大量的研究工作[4，5]，但有關(guān)垃圾焚燒煙氣的旋轉(zhuǎn)噴霧半干法處理的研究還比較少。同時(shí)，由于垃圾成分及燃燒過程比煤的情形復(fù)雜得多。因此，有必要對(duì)旋轉(zhuǎn)噴霧半干法脫硫工藝系統(tǒng)在垃圾焚燒中的應(yīng)用進(jìn)行深入研究。

2 旋轉(zhuǎn)噴霧半干法脫硫機(jī)理

旋轉(zhuǎn)噴霧半干法技術(shù)具有吸收和干燥的雙重作用，主要過程和反應(yīng)如下：

Ca(OH)2漿液被送到吸收塔頂部高速旋轉(zhuǎn)達(dá)10,000～20,000r/min的霧化器的霧化盤內(nèi)，漿液由旋轉(zhuǎn)盤上部中間進(jìn)入，然后擴(kuò)散至旋轉(zhuǎn)盤表面，形成一層薄膜，由于離心力的作用，薄膜逐漸向旋轉(zhuǎn)盤外緣移動(dòng)，經(jīng)剪力作用而使薄膜霧化成50～150μm細(xì)小且均勻的液滴，如圖1所示。液滴大小主要取決于霧化器轉(zhuǎn)速和漿液量。

旋轉(zhuǎn)霧化器工作示意圖

在吸收塔內(nèi)，煙氣被有效地分布以便使其與被霧化的漿液充分混合接觸發(fā)生吸收反應(yīng)，也就是說，吸收塔具有混合反應(yīng)器的功能。

煙氣中的酸性成分（SO2、SO3、HCl）和石灰漿液滴中的堿性成分Ca(OH)2之間的反應(yīng)主要發(fā)生在一個(gè)靠近噴霧器的區(qū)域，這個(gè)區(qū)域具有傳熱和質(zhì)量傳遞最合適的條件。

主要反應(yīng)有：

CaO + H2O = Ca(OH)2

H2O + SO2= H2SO3

H2SO3+ Ca(OH)2= CaSO3+H2O

而煙氣中微量的酸性氣體會(huì)發(fā)生下列反應(yīng)：

SO3+ Ca(OH)2= CaSO4+ H2O

2HCl + Ca(OH)2= CaCl2+ 2H2O

當(dāng)石灰作為吸收劑時(shí)，化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物為亞硫酸鈣、硫酸鈣、氯化鈣和氟化鈣。從整個(gè)吸收反應(yīng)來看，SO2和其它酸性組分的吸收反應(yīng)主要發(fā)生在漿液霧滴還未被干燥之前的氣、液兩相之問，但干燥之后的氣、固兩相接觸仍然會(huì)發(fā)生吸收反應(yīng)，即：SO2與煙氣中懸浮的噴淋干燥后的多孔顆粒進(jìn)行的反應(yīng)，氣、固反應(yīng)在下游的顆粒收集器中還在進(jìn)行，特別是在袋除塵器中，吸收反應(yīng)更為顯著。

腫瘤邊緣相對(duì)清晰的有8例，邊界全部或部分不清的有9例患者腫瘤周圍脂肪間隙消失。腫瘤累及腸系靜脈、動(dòng)脈、胰腺的有4例。胃腸道間質(zhì)瘤附近呈線性增厚的有1例，CT增強(qiáng)掃描表現(xiàn)為明顯強(qiáng)化。

在吸收過程中CO2被認(rèn)為可能會(huì)爭相與堿性物質(zhì)反應(yīng)，然而，盡管CO2分壓是SO2分壓的50～200倍，分析干態(tài)反應(yīng)產(chǎn)物的結(jié)果表明，只有少量的CO2被吸收。其原因是：與CO2相比，SO2是酸性更強(qiáng)；CO2較SO2溶解度低且反應(yīng)速度慢。出于同樣原因，HCl、HF和SO3比SO2酸性更強(qiáng)，更易于優(yōu)先被吸收。事實(shí)證明，這些酸性更強(qiáng)但微量的組份幾乎全部被吸收[5]。

3 影響噴霧液滴粒徑的主要因素

影響煙氣脫硫效率的因素很多，但主要因素是噴霧液滴的粒徑大小。噴霧液滴的粒徑大小直接影響到液滴與煙氣的接觸比表面積，影響到煙氣中的酸性氣體與Ca(OH)2液滴的反應(yīng)速度。因此噴霧液滴的霧化效果，是影響煙氣脫硫效率的主要因素。

3.1 霧化器轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速對(duì)霧滴粒徑的影響

理論研究表明，若霧化器的其他條件不變，則霧滴粒徑與霧化轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速成反比，即：

式中：D —— 霧滴粒徑；N —— 霧化盤轉(zhuǎn)速。指數(shù)P是根據(jù)霧化器不同的實(shí)際運(yùn)行條件取值的。根據(jù)上述理論，為了獲得細(xì)小且均勻的霧滴，當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速很低時(shí)，可采用增加轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速的方法來提高石灰漿的霧化質(zhì)量。

對(duì)于不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的石灰漿液，根據(jù)文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)所反映的變化趨勢基本上都滿足霧滴粒徑與轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速成反比的關(guān)系[5]。而且當(dāng)轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)速增加到12,000r/min以上，霧滴粒徑隨轉(zhuǎn)速變化將不再明顯，此時(shí)再繼續(xù)增加轉(zhuǎn)速，對(duì)減小霧滴粒徑幫助不大。但是轉(zhuǎn)盤有個(gè)最佳轉(zhuǎn)速，在這個(gè)轉(zhuǎn)速下石灰漿霧滴大小合適，凈化垃圾焚燒產(chǎn)生的酸性氣體效果最佳。實(shí)際最佳轉(zhuǎn)速可以通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行選取，一般垃圾焚燒煙氣凈化技術(shù)中，霧化器最佳轉(zhuǎn)速選取為12,000～13,500r/min。

3.2 進(jìn)料速率變化對(duì)霧滴粒徑的影響

理論研究表明， 若霧化器的其他條件不變，則霧滴粒徑與進(jìn)料速率成正比，即：

3.3 石灰漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對(duì)霧滴粒徑的影響

根據(jù)文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)實(shí)測數(shù)據(jù)可知，隨著漿液質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增大，霧滴粒徑增大。這是因?yàn)殡S著石灰漿質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加，料液黏度將增大，當(dāng)其他條件不變時(shí)霧化石灰漿所需的能量就越多，使得霧滴粒徑變大，這符合能量守恒原理[5]。

4 旋轉(zhuǎn)噴霧半干法容易引起的問題

4.1 容器和管道的堵塞

容器與管道堵塞問題是由固體沉積引起的。由于漿液流速小于設(shè)計(jì)值，管道內(nèi)存在流動(dòng)停滯區(qū)，使用過量的石灰及飛灰等原因造成的。這些問題會(huì)導(dǎo)致要周期性地關(guān)閉受影響的部件以清除堅(jiān)硬的沉積物。改進(jìn)的方法包括修改管道設(shè)計(jì)，提高漿液流速，消除流動(dòng)死角，提高漿液槽泵的吸入短管，改進(jìn)攪拌和容器隔板的設(shè)計(jì)，在運(yùn)行中周期性地轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備。

盡管很多設(shè)備都會(huì)遇到堵塞問題，如去除大尺寸顆粒的濾網(wǎng)、石灰粉碎機(jī)的加料槽和輸運(yùn)系統(tǒng)中，但這些問題都可以通過技術(shù)改進(jìn)解決。

4.2 吸收塔中的固體沉積

在許多電廠，吸收塔中的固體沉積分布已從局部擴(kuò)展到整個(gè)壁面上，這是噴霧干燥脫硫工藝需要解決的最重要的問題之一。在設(shè)計(jì)工況下連續(xù)運(yùn)行可沖刷掉少量的局部沉積物，對(duì)于大量沉積物則需要關(guān)閉吸收塔。在大型電廠中可以使用備用吸收塔。導(dǎo)致沉積物產(chǎn)生的主要原因是吸收塔內(nèi)溫度控制不合理，以及運(yùn)行時(shí)噴入的固體濃度小于設(shè)計(jì)值。由于運(yùn)行過程中安裝在吸收塔出口管道內(nèi)的熱電偶表面逐漸被脫硫產(chǎn)物覆蓋，因此讀出的溫度將變得不準(zhǔn)確。

Sherburne電廠的初步運(yùn)行試驗(yàn)表明，干球熱電偶垂直接近于吸收塔壁且直接橫穿噴霧旋轉(zhuǎn)裝置時(shí)測出的氣體溫度對(duì)于噴淋量的控制是可靠的。吸收塔壁附近的氣體湍流度很高，因此溫度探頭能保持足夠的清潔度。Donnelly等人報(bào)道在吸收塔出口溫度控制回路中加入入口氣體流量和溫度的前饋信號(hào)，可使吸收塔出口溫度更加穩(wěn)定并且減少了固體沉積物[6]。

4.3 噴霧器的磨損和破裂

噴射石灰漿的噴霧器會(huì)遇到磨損和破裂的問題，特別是在達(dá)到最佳工況前的初始運(yùn)行階段。

Niro噴霧的轉(zhuǎn)盤上下都有陶瓷耐磨擋板，耐磨擋板破裂后必須更換。Niro噴霧器在轉(zhuǎn)盤周邊熱壓一個(gè)金屬環(huán)改造底部耐磨板以減小應(yīng)力。另外，制造時(shí)的質(zhì)量控制得到提高，所有的面板耐磨板在運(yùn)輸前都要經(jīng)過超速旋轉(zhuǎn)的測試。經(jīng)過旋轉(zhuǎn)測試的耐磨板沒有在運(yùn)行中受到損壞。根據(jù)Durnohr電廠的經(jīng)驗(yàn)，在30min內(nèi)可以使噴霧器與其備用裝置互換[6]。

5 SDA工藝優(yōu)勢

旋轉(zhuǎn)噴霧半干法脫硫工藝分別與石灰石-石膏濕法脫硫和煙氣循環(huán)流化床脫硫工藝技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行比較[6-8]。

與石灰石-石膏濕法脫硫工藝相比，SDA工藝脫除SO2效率同樣可達(dá)95%以上；SO3幾乎可以全部去除；系統(tǒng)非常簡單，可用率更高，通?？蛇_(dá)97%～99%；投資費(fèi)用較低，可減少20%以上；吸收塔及后部設(shè)備、煙囪不用防腐；沒有廢水排放；運(yùn)行、維護(hù)費(fèi)用低，較濕法相比低30%以上，而且占地面積小。

與煙氣循環(huán)流化床脫硫工藝相比，SDA工藝的液滴在絕熱溫度條件下反應(yīng)區(qū)域大；適應(yīng)鍋爐負(fù)荷的能力大，能在煙氣量20%～120%負(fù)荷下安全運(yùn)行；系統(tǒng)啟、停速度快，過程安全可靠；對(duì)吸收劑石灰質(zhì)量敏感度低。吸收塔出口煙塵濃度低，后部除塵器可采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，濾袋磨損小。

6 結(jié)論

隨著城市生活垃圾的逐年增加，垃圾的無害化處理顯得日益迫切。焚燒處理雖然投資較大，但在垃圾的無害化、減量化方面優(yōu)點(diǎn)明顯，故在世界各國逐漸推廣。然而垃圾在燃燒時(shí)，會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì)和氣體，其中SOx是最主要的污染氣體之一，旋轉(zhuǎn)噴霧半干法是有效的煙氣凈化技術(shù)。霧化器是垃圾焚燒尾氣凈化的關(guān)鍵設(shè)備，霧化效果直接影響吸收劑的利用率及去除硫化物的效率。霧化液滴大小是衡量霧化器霧化效果的重要指標(biāo)，是影響去除垃圾焚燒尾氣中硫化物效率的關(guān)鍵因素。霧化器的霧化輪存在一個(gè)最佳轉(zhuǎn)速， 能產(chǎn)生合適大小的液滴，從而使去除硫化物的效率更高，也更經(jīng)濟(jì)。

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