燃煤锅炉脱硫除尘技术及设备的现状评价
摘要：我国排放的二氧化硫已连续多年超过2000万吨，居世界首位。火电厂的二氧化硫排放占整个二氧化硫排放量的比重相当高。据统计燃煤工业锅炉的二氧化硫排放量占全国二氧化硫排放量达到40%左右。我国酸雨和二氧化硫污染严重，酸雨面积已经占国土面积的30%。同时我国能源结构的特点决定了控制燃煤二氧化硫的排放是我国控制二氧化硫污染的重点，目前燃煤锅炉在用的脱硫除尘技术已涉及到很多种工艺，各种工艺在运行过程中所具有的减排特性、可靠性、经济性等都存在较大的差别。调查了解掌握国内外目前主要的在用脱硫技术性能和生产使用情况。
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1.概述
燃煤锅炉在用的湿式脱硫除尘技术已涉及到很多种工艺，各种工艺在运行过程中所具有的减排特性、可靠性、经济性等都存在较大的差别。本文研究目的和内容是调查了解掌握国内外目前主要的在用脱硫技术性能和生产使用情况。我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国。1996年我国煤炭产量达13.97亿吨，占全国一次能源总产量的75%左右，绝大部分用于国内消费。随着我国工业化城市化进程的加快和人民生活水平的提高，煤炭消费量还将持续增长，预计到2000年煤炭消费量将增至15亿吨。
由于我国的经济结构和社会生活建立在国产能源的基础上，而煤炭又占常规能源探明储量的90%，因此，在今后相当长的时期内，煤炭仍将是我国的主要能源。
我国的大气污染与以煤为主的能源结构有着直接的关系。煤炭的大量燃烧是造成城市大气中二氧化硫和烟尘污染的最直接的原因。我国排放的二氧化硫已连续多年超过2000万吨，居世界首位。火电厂的二氧化硫排放占整个二氧化硫排放量的比重相当高。据统计燃煤工业锅炉的二氧化硫排放量占全国二氧化硫排放量达到40%左右。二氧化硫年日均值超过国家二级标准的城市不断增多，由二氧化硫排放引起的酸雨污染，现在扩展到长江以南、青藏高原以东的大部分地区，并呈继续扩大之势。对北方城市来说冬季采暖期由于用煤量增大以及冬季不利扩散的气象条件使二氧化硫和烟尘的污染变得更为严重，以北京市为例，1996年冬季采暖期大气中的二氧化硫和总悬浮颗粒物尤其是二氧化硫的污染是比非采暖期要严重得多。
二氧化硫和烟尘污染危害整个生态系统及建筑物等，已成为制约社会经济发展的重要环境因素，在“八五”和“九五”期间，对国际上现有的主要脱硫除尘技术组织了研究开发，取得了一定成绩，从总体上说，除尘工艺和设备已日趋完善，现已形成一定的规模生产能力，而对脱硫工艺和设备，除少数引进国外的脱硫工艺和设备能确保可靠、有效运行外，多数工艺和设备尚处在小试探索或中试阶段，到最后进入实用阶段，还有许多问题需要完善。
尽管总的来说安装脱硫装置的锅炉比例还很低，但目前在用的脱硫技术已涉及到很多种工艺，各种技术在运行过程中所具有的减排特性，可靠性，经济性等都是有差别的，它们将影响到技术的适用性和推广应用前景。
2.我国典型的烟气脱硫技术的引进、开发和使用情况
2.1火电厂烟气脱硫现状
我国火电厂烟气脱硫技术的研发起始于六十年代初，进入七十年代后，先后开展了10多项不同规模、不同工艺的试验研究，取得了阶段性成果。但由于技术、经济等多方面的原因，一直未能在大型火电厂机组上得到应用。
近几年来，随着我国经济发展的增长和环境标准的渐趋严格以及对火电厂二氧化硫污染治理力度的加大，促使火电厂烟气脱硫行业的发展，取得了长足进步。主要表现在以下几个方面：
(1)在国内技术和经验不能满足国内脱硫市场需求的情况下，通过多种合作方法，引进了在国际上已进入商业化市场或具有良好商业发展前景的多种脱硫技术。并在此基础上，构建了10多个具有较强经济实力和技术研发能力的烟气脱硫工程公司，有些公司经过努力已实现几个亿甚至近10亿元工程业绩，初步形成了一批火电厂烟气脱硫工程骨干企业，为技术、设备国产化和参与国外脱硫市场的竞争，奠定坚实的基础。
(2)在引进和消化吸收的基础上，先后建设了一批不同脱硫工艺的示范工程，全国已建成的脱硫工程已达到530万千瓦，在建的脱硫机组不超过1000万千瓦。在这些脱硫工程中以采用石灰石—石膏法脱硫工艺为主，约占70%；其次是烟气循环流化床和海水烟气脱硫工艺，约占20%；其它脱硫工艺如：喷雾干燥和炉内喷钙尾部增湿活化等，只占20%左右，通过示范工程建设和消化吸收，在工艺、施工设计和运行调试中积累了相当经验，并培养了一批技术骨干力量，为进一步发展具有我国特色烟气脱硫行业起到积极的推动作用。
(3)烟气脱硫工程技术和设备的国产化程度不断提高。有些骨干企业已能承接我国火力发电厂主导机组的烟气脱硫工程总承包，具备从工程设计、设备供应、加工安装、运行调试等项工作依靠国内技术力量自行独立完成的条件和能力，不但使工程造价大幅度下降，同时也带动国内相关机电产品的开发和生产，新的产业链已初步形成。北京国电龙源环保工程有限公司承接4个脱硫工程机组总容量已达190万千瓦，其中北京京能热电厂1×200MW机组上配用的烟气脱硫工程是在引进技术、消化吸收的基础上依靠自己的技术力量，完成了石灰石—石膏法脱硫的工艺设计和工程设计，设备国产化率达80%以上，从而使工程造价大幅度降低，达到500元/千瓦左右。北京京能热电厂的脱硫机组经调试，各项技术性能均已达到设计要求，已投入正常运转。武汉凯迪电力股份有限公司也已承接1610MW装机容量的烟气脱硫工程，广州恒达电厂1×210MW机组采用的回流式循环流化床脱硫工程也已投入运行。
2.2火电厂烟气脱硫技术
2.2.1石灰石—石膏法烟气脱硫技术。
石灰石—石膏法脱硫工艺是世界上应用最广泛的一种脱硫技术，日本、德国、美国的火力发电厂采用的烟气脱硫装置约90%采用此工艺。
它的工作原理是：将石灰石粉加水制成浆液作为吸收剂泵入吸收塔与烟气充分接触混合，烟气中的二氧化硫与浆液中的碳酸钙以及从塔下部鼓入的空气进行氧化反应生成硫酸钙，硫酸钙达到一定饱和度后，结晶形成二水石膏。经吸收塔排出的石膏浆液经浓缩、脱水，使其含水量小于10%，然后用输送机送至石膏贮仓堆放，脱硫后的烟气经过除雾器除去雾滴，再经过换热器加热升温后，由烟囱排入大气。由于吸收塔内吸收剂浆液通过循环泵反复循环与烟气接触，吸收剂利用率很高，钙硫比较低，脱硫效率可大于95%。
2.2.2旋转喷雾干燥烟气脱硫技术
旋转喷雾干燥烟气脱硫技术于70年代中开始研究开发，80年代初开始工业性应用，该技术与湿式石灰石—石膏法烟气脱硫技术相比，具有流程短，系统简单，能耗低，无腐蚀，无废水排放等优点。
该装置是石灰由斗式提升机送至石灰储仓，经仓下部的螺旋给料机加入消化槽与水混合消化，同时经终产物仓下部的螺旋给料机将反应物加入混合槽与水混合，两种浆液按比例同时泵入吸收槽，配制成所需要的吸收液，然后泵入高位槽经喷雾器在干燥塔内雾化，并与经烟气分配器进入干燥塔的烟气混合，浆液雾滴在蒸发干燥过程中，钙与烟气中的硫氧化物发生反应，生成硫酸钙和亚硫酸钙。反应后的烟气进入布袋除尘器在除去烟气中携带的已被干燥的吸收剂及烟尘的同时，烟气中的硫氧化物再次与一部分吸附在滤袋上尚未反应完全的吸收剂继续发生反应，进一步脱除硫氧化物。
2.2.3磷铵肥法烟气脱硫技术
磷铵肥法烟气脱硫技术属于回收法，以其副产品为磷铵而命名。该工艺过程主要由吸附（活性炭脱硫制酸）、萃取（稀硫酸分解磷矿萃取磷酸）、中和（磷铵中和液制备）、吸收（磷铵液脱硫制肥）、氧化（亚硫酸铵氧化）、浓缩干燥（固体肥料制备）等单元组成。它分为两个系统：
烟气脱硫系统—烟气经高效除尘器后使含尘量小于200mg/Nm3，用风机将烟压升高到7000Pa，先经文氏管喷水降温调湿，然后进入四塔并列的活性炭脱硫塔组（其中一只塔周期性切换再生），控制一级脱硫率大于或等于70%，并制得30%左右浓度的硫酸，一级脱硫后的烟气进入二级脱硫塔用磷铵浆液洗涤脱硫，净化后的烟气经分离雾沫后排放。
肥料制备系统—在常规单槽多浆萃取槽中，同一级脱硫制得的稀硫酸分解磷矿粉（P2O5含量大于26%），过滤后获得稀磷酸（其浓度大于10%），加氨中和后制得磷氨，作为二级脱硫剂，二级脱硫后的料浆经浓缩干燥制成磷铵复合肥料。
2.2.4炉内喷钙尾部增湿烟气脱硫技术
炉内喷钙脱硫技术由两步固硫反应组成，首先将石灰石粉料喷入炉膛热烟气中，石灰石热解后生成的氧化钙与烟气中的二氧化硫发生反应，脱除一部分二氧化硫，然后烟气进入锅炉尾部的活化反应器，通过有序的喷水增湿，一部分尚未反应的氧化钙转变为有较高脱硫活性的氢氧化钙，继续与烟气中二氧化硫发生反应从而完成脱硫的全过程。
2.2.5简易石灰石—石膏法烟气脱硫技术
我国的燃煤烟气脱硫技术尚处在引进、研究和开发阶段，而且不同的脱硫工艺技术，其设备投资、运行费用、技术性能和经济性均有很大差异。虽然我国已对国际上现有烟气脱硫技术的一些主要类型引进、消化、研究和开发，但还仅仅处在探索和示范阶段，目前还难以形成规模生产和应用的能力，其设备投资和运行费用，虽因脱硫工艺技术的不同而有差异，但总体上说投资和运行费用还较大，每脱除一吨二氧化硫的运行成本湿法为1100元左右，干法/半干法在800元左右，从经济承受能力来衡量，不容易很快为企业接受，尤其对工业锅炉的用户存在着烟气脱硫工艺技术的管理及技术要求与操作人员素质和管理水平不相适应的矛盾，更难以为企业所接受。
3.我国工业锅炉湿式脱硫除尘技术的现状
3.1湿式脱硫除尘器在工业锅炉上的应用范围在不断扩大
由于传统的湿式除尘器具有结构简单，对烟尘的捕集效率高且稳定，比其他高效除尘器静电除尘器、布袋除尘器的投资和运行费用低，并对有害气体有一定的净化作用等优点，而为较多工业锅炉用户选用，湿式除尘器在工业锅炉上的应用正在逐步扩大。
湿式除尘器之所以能在6t/h以上工业锅炉上得到较为普遍的应用，主要是因为：
第一，凡是采用湿式除尘器的工业锅炉除尘效果相当显著，绝大多数锅炉的烟尘排放浓度可以达到一类地区（100mg/Nm3）和二类地区（250mg/Nm3）的排放标准，其周围环境均不会因烟尘污染而受到影响。
其次，湿式除尘器对细颗粒的捕集十分有效，一般旋风除尘器的分割粒径dC50在5-15微米之间，而湿式除尘器的分割粒径dC50的范围可在1-5微米之间，因此，对于烟尘浓度大，细颗粒多的抛煤机炉、煤粉炉和沸腾炉，在配用湿式除尘器或者对沸腾炉和煤粉炉在前置一级中效旋风除尘器后可以达到二类地区的排放标准。
第三，湿式除尘器具有一定的脱硫作用。由于水是一种极好的溶剂，当文丘里离心水膜除尘器在使用清水介质时，也可有10%左右的脱硫效率，在使用碱性水时脱硫效率还会提高。
3.2 在用典型湿式脱硫除尘器的结构简介
在用湿式脱硫除尘器的品种繁多，结构也不尽相同，但从其脱硫除尘原理（即水与含尘气流的接触方式）分，大致有三种形式。
喷淋水滴
利用机械喷雾或其他方式，使水形成大小不同的水滴，分散于含尘气流中，与气流中的尘粒相互碰撞凝聚，在捕集尘粒的同时，水中的碱性物质与气体中的二氧化硫发生化学反应，脱去二氧化硫。该技术主要使用与蒸发量<10t/h燃煤层燃锅炉的脱硫除尘。
离心水膜
利用水进入脱硫除尘器后，在其内表面形成一层水膜和进入装置内气流中尘粒受惯性和离心力的作用撞击到水膜中，而完成脱硫除尘过程。该技术主要实用于蒸发量≥10t/h燃煤层燃锅炉。
气泡
当脱硫除尘器的某个部位形成一定厚度的水层时，当含尘气流穿过或撞击水层时，由于受气流速度，水的表面张力等因素的影响，将产生大小不等的气泡，同时在气泡形成和自行破裂的过程中，将尘粒和二氧化硫除去。该技术脱硫效果好，适用于燃煤层燃锅炉。
3.2.1文丘里离心水膜脱硫除尘器
它是由文丘里管与水膜除尘器两部分组成。含尘气体进入文丘里管，在收缩段喉管处的气体流速达50-70m/s。在接近喉管处喷入水，在水滴被高速气流迅速破碎的过程中，尘粒与细水滴开始有效碰撞、凝聚，进入扩散段后，由于烟道截面逐渐扩大，气流减速，使尘粒与水滴再次碰撞，凝聚而形成灰水滴，流入水膜除尘器后形成旋转气流，灰水滴受离心力的作用撞击由溢流槽流入筒体内壁水形成的水膜而被捕集。该技术脱硫除尘效率较高，可用于蒸发量≥10t/h燃煤层燃锅炉。
3.2.2自激式脱硫除尘器
当含尘气体进入脱硫除尘器后，气流冲击水面产生大量的水滴和水雾，并充满进气室空间后，烟气中的部分二氧化硫气体和尘粒与水滴和水雾发生碰撞、凝聚和吸收从而被除去。然后烟气被迫通过由上、下叶片组成的“S”型通道，此通道的下部浸没在水里，当较高气流速度的烟气穿过液面时，又会激起一片水滴和水雾，进一步脱去烟气中二氧化硫和细微尘。
3.2.3喷淋式脱硫除尘器
它是湿式脱硫除尘器结构最简单的一种。由于除尘效率低，一般不单独使用，大多作为多管旋风除尘器后的第二级脱硫除尘器。
3.3在用湿式脱硫除尘器的用水
据调查湿式脱硫除尘器的用水主要有以下几种：新水、工业废水、锅炉自身排污水以及除尘灰水回用等。目前国内工业锅炉湿式脱硫除尘器上使用新水（井水、自来水等）的占绝大多数，脱硫除尘后的灰水直接或经沉淀后排放到城市下水道或天然水体。排放的水质一般呈酸性，固体悬浮物较多，部分有害物质如硫化物、氟等也部分溶于水中，尽管此种用水方式流程简单，但耗水量大，而当除尘灰水一接触大气后，溶解在水中的硫化物会释放出来，加上酸性水的直接排放，造成一定程度的污染转移，并产生设备管道的腐蚀和堵塞。
采用工业废水作为湿式脱硫除尘设备的用水，这是一种以废治废，综合利用的好办法，但这样做的单位为数不多。由于工业废水的情况较为复杂，有的可直接利用，有的要经过一级或多级处理后方可使用。
利用锅炉自身的排污水和锅炉房的冲渣水作为锅炉脱硫除尘用水，这是一种值得提倡的以废治废的技术方法，例如首都钢铁公司特种钢厂将锅炉房的所有废水，包括锅炉排污水，冲渣水，水处理装置的反馈水，风机轴承的冷却水，一同流入沉淀池，经灰水分离后再回用，这样不但节约了用水，同时还可把炉渣和飞灰中碱性物质析出来用以脱硫，可提高脱硫效率。
3.4腐蚀是湿式脱硫除尘技术应用中尚需进一步研究解决的一个共性问题
湿式脱硫除尘技术内在的腐蚀环境十分复杂，它与多种因素有关，例如温度、脱硫液的pH值和氯离子浓度、煤种和运行工况等。
(1)18-8型不锈钢和STSIR-15Cu改性高硅铸铁的化学稳定性最好。高硅铸铁更适合于湿式脱硫除尘技术腐蚀严重的部位。
(2)以玻璃鳞片和PPS涂层的腐蚀率相比较，以PPS涂层性能为优。
(3)两种橡胶均有良好的耐腐蚀性能。
(4)非金属材料中的花岗岩和陶瓷的防腐耐磨性能良好。
上述试验结果为湿式脱硫除尘系统各部位的合理选材，提供了一定依据。
3.5湿式脱硫除尘设备的生产概况
我国环保设备的生产厂家以乡镇企业为主，规模小，技术含量、管理水平均较低，生产湿式脱硫除尘设备的厂家也不例外。近几年来，随着“大气污染防治法”修订后，强化了燃煤烟气脱硫控制措施，贯彻SO2排放实施总量控制的政策规定，涌现出一批燃煤工业锅炉脱硫的骨干企业。另据调查，当前为各设计院广泛选用的湿式花岗岩脱硫除尘器，其生产厂家主要集中在浙江、福建、湖南三省。
从上述调查和分析中不难看出，要使传统的湿式除尘器在脱硫功能上发挥作用和新型湿式脱硫除尘器在烟气SO2治理中得到推广应用，就要不断提高产品的技术性能和制造质量。
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