气动乳化技术在火电厂锅炉烟气脱硫工程中的应用
摘要：本文从技术、经济角度，对气动乳化技术在石灰石-石膏法烟气脱硫工程中的应用特点进行了分析，并以75t/h锅炉烟气治理项目为例，设计出一套简单实用的工艺流程，供参考。
关键字：气动乳化技术, 火电厂, 烟气脱硫工程
一、前言
二氧化硫是形成酸雨的主要因素之一。酸雨是一种全球性的污染问题，它不仅使河湖、土壤酸化，影响鱼类、森林和农作物生长繁殖，而且腐蚀建筑物和文物古迹，并危及人体健康。酸雨主要源于废气排放，二氧化硫、硫的氢化物（或氮的氧化物）溶入雨水中后，导致其pH值降低。
我国排放的二氧化硫90%来自于燃煤，排放量位居世界第一。我国的煤炭消耗以火电行业为主。
2003年底，全国发电装机容量达到3.84亿千瓦，其中火电装机容量2.86亿千瓦，占74.3%。全国发电量达到19080亿千瓦时，其中火电发电量15800亿千瓦时，占82.8%。火电机组原煤消费量为8.5亿吨，比2000年增长了2.6亿吨（增长了44%），占全国煤炭消费总量的54%，二氧化硫产生量约1500万吨，占全国产生量的56%。
2004年全国投产发电装机容量约5000万千瓦，创下世界史上一个国家一年内发电机组投产最多的记录。2005年底煤电装机约3.36亿千瓦，原煤消耗量约10亿吨，约占全国煤炭消费总量的56%，二氧化硫产生量约1800万吨，约占全国产生量的60%。预计，到2010年发电总装机容量将达到6.47亿千瓦，其中火电4.76亿千瓦，占74%，煤炭消费量达到14亿吨，将占全国煤炭消费总量的60%以上，二氧化硫产生量约2300多万吨，占全国产生量的60%以上。2020年火电装机容量将达6.6亿千瓦，煤炭消费量达到18亿吨以上，二氧化硫产生量约3100万吨，占全国产生量65%以上。
有关研究表明，我国基本消除酸雨污染所允许的最大二氧化硫排放量为1200-1400万吨，2020年实现小康生活水平，二氧化硫排放总量应控制在大气环境容量允许范围内。到2020年，火电行业二氧化硫排放量应控制在700万吨以内，削减量达到2000多万吨。
因此，火电行业二氧化硫削减任务非常艰巨，是我国二氧化硫总量控制的关键行业。
二、目前火电厂燃煤脱硫技术简介
（一）、燃烧前煤脱硫技术
主要为煤炭洗选脱硫，即在燃烧前对煤进行净化，去除原煤中部分硫分和灰分。分为物理法、化学法和微生物法等。我国当前的煤炭入洗率较低，大约在20%左右。提高煤炭的入洗率有望显著改善燃煤二氧化硫污染。然而，选洗仅能去除煤中无机硫的80%，占煤中硫总含量的15%～30%，无法满足燃煤二氧化硫污染控制要求，故只能作为燃煤脱硫的一种辅助手段。
（二）、燃烧中煤脱硫技术
煤燃烧过程中加入石灰石或白云石作脱硫剂，碳酸钙、碳酸镁受热分解生成氧化钙、氧化镁，与烟气中二氧化硫反应生成硫酸盐，随灰分排出。在我国采用的燃烧过程中脱硫的技术主要有两种：型煤固硫和流化床燃烧脱硫技术。
（三）、燃烧后烟气脱硫技术
烟气脱硫的基本原理是酸碱中和反应。烟气中的二氧化硫是酸性物质，通过与碱性物质发生反应，生成亚硫酸盐或硫酸盐，从而将烟气中的二氧化硫脱除。最常用的碱性物质是石灰石、生石灰和熟石灰，也可用氨和海水等其它碱性物质。共分为湿法烟气脱硫技术、干法烟气脱硫技术、半干法烟气脱硫技术三类，如下：
1、湿法烟气脱硫技术
湿法烟气脱硫技术是指吸收剂为液体或浆液。由于是气液反应，所以反应速度快，效率高，脱硫剂利用率高。该法的主要缺点是脱硫废水二次污染；系统易结垢，腐蚀；脱硫设备初期投资费用大；运行费用较高等。
（1）石灰石-石膏法烟气脱硫技术
该技术以石灰石浆液作为脱硫剂，在吸收塔内对烟气进行喷淋洗涤，使烟气中的二氧化硫反应生成亚硫酸钙，同时向吸收塔的浆液中鼓入空气，强制使亚硫酸钙转化为硫酸钙，脱硫剂的副产品为石膏。该系统包括烟气换热系统、吸收塔脱硫系统、脱硫剂浆液制备系统、石膏脱水和废水处理系统。由于石灰石价格便宜，易于运输和保存，因而已成为湿法烟气脱硫工艺中的主要脱硫剂，石灰石-石膏法烟气脱硫技术成为优先选择的湿法烟气脱硫工艺。该法脱硫效率高（大于95%），工作可靠性高，但该法易堵塞腐蚀，脱硫废水较难处理。
（2）氨法烟气脱硫技术
该法的原理是采用氨水作为脱硫吸收剂，氨水与烟气在吸收塔中接触混合，烟气中的二氧化硫与氨水反应生成亚硫酸氨，氧化后生成硫酸氨溶液，经结晶、脱水、干燥后即可制得硫酸氨（肥料）。该法的反应速度比石灰石—石膏法快得多，而且不存在结构和堵塞现象。
另外，湿法烟气脱硫技术中还有钠法、双碱脱硫法和海水烟气脱硫法等，应根据吸收剂的来源、当地的具体情况和副产品的销路实际选用。
2、半干法烟气脱硫技术
主要介绍旋转喷雾干燥法。该法是美国和丹麦联合研制出的工艺。该法与烟气脱硫工艺相比，具有设备简单，投资和运行费用低，占地面积小等特点，而且烟气脱硫率达75%-90%。
该法利用喷雾干燥的原理，将吸收剂浆液雾化喷入吸收塔。在吸收塔内，吸收剂在与烟气中的二氧化硫发生化学反应的同时，吸收烟气中的热量使吸收剂中的水分蒸发干燥，完成脱硫反应后的废渣以干态形式排出。该法包括四个在步骤：1）吸收剂的制备；2)吸收剂浆液雾化；3）雾粒与烟气混合，吸收二氧化硫并被干燥；4）脱硫废渣排出。该法一般用生石灰做吸收剂。生石灰经熟化变成具有良好反应能力的熟石灰，熟石灰浆液经高达15000～20000r/min的高速旋转雾化器喷射成均匀的雾滴，其雾粒直径可小于100微米，具有很大的表面积，雾滴一经与烟气接触，便发生强烈的热交换和化学反应，迅速的将大部分水分蒸发，产生含水量很少的固体废渣。
3、干法烟气脱硫技术
干法采用固体粉末或颗粒为吸附剂，干法脱硫后烟气仍具有较高的温度（100℃），排出后易扩散。主要有炉内喷钙法和活性炭法。由于炉内喷钙法的吸收剂及反应原理与湿法有些相似，这里不再详述，只介绍一下活性炭法。
活性炭法是利用活性炭的活性与较大的比表面积使烟气中的二氧化硫在活性炭表面上与氧及水蒸气反应生成硫酸而被吸附。吸附后的活性炭经再生，可以获得硫酸，液体二氧化硫，单质硫等产品。该法不仅可以控制二氧化硫的排放，还能回收硫资源，是一种发展前景较好的脱硫工艺。
选择脱硫技术时，除了考虑脱硫效果外，还应看该方法的综合技术经济指标，从投资额、技术成熟程度、废料和二次污染处置的难易程度和吸收剂的来源是否广泛和价格高低等方面考虑，选择最适宜的方法。
三、气动乳化脱硫技术应用原理
气动乳化脱硫与现有多数处理技术不同，它利用固、液、气三相紊流掺混的强传质机理，提高了液体的比表面积，从而大大提高了脱硫效率。
气动乳化是这样形成的：在一圆形管状容器中，经加速的待处理烟气以一定角度从容器下端进入容器，形成旋转上升的紊流气流，与容器上端流下的不稳定溶液相碰，烟气高速旋切流下溶液，溶液被切碎，气液充分混合，并形成一层稳定的乳化液层。在乳化过程中，乳化液层逐渐增厚，上流的气动托力与乳化液的重力达到平衡。随着烟气的流动，部分乳化液被带走，最早形成的乳化液将被新形成的乳化液所取代。在乳化液层内，烟气载有的有害物质，与乳化液中的微细液粒接触，从而被吸收。最后经气液分离装置进行气液分离，洁净烟气排放，乳化液循环或再处理。
气动乳化技术主要应用于石灰石/石膏湿法及半干法烟气脱硫系统中。
烟气由脱硫反应塔底部切向进入塔内，同时石灰石/石灰乳送入下部吸收液散布器内,均匀分布四周。含硫烟气在塔底部与石灰石/石灰乳混和，并在烟气带动下上升。气流的搅拌作用下，烟气同乳液均匀混合，相互高速旋切掺混，乳液液滴不断被气体破碎，并愈切愈细，增大了气体与液体的接触表面，气、液、固三相掺混均匀，提高了它们之间的传质速率。烟气在到达脱硫反应塔中部反应区时，塔体直径增加，烟气流速降低，且由于乳液颗粒比重高于烟气，因此在脱硫反应塔中部形成悬浮的吸收液乳化层区，烟气中SO2在此被大部分吸收中和，从而达到脱硫目的。烟气净化过程中一部分乳化液被气流带走，但由于乳化液的不断补充，形成的乳化层保持一定容量，并不断更新，保持较高的脱硫效率。烟气带走的乳液在出口气液分离装置的作用下，气液分离，乳液引入到循环或脱水系统中,烟气进入上部烟道排出。
在乳化层中，液滴的比表面积比水膜、喷淋等方法大数十倍，因此，单位液量捕集和吸收有害物质的效率将显著增大。对于有害物质来说，液滴趋细，活化能力增强，更有利于化学净化过程。
脱硫过程主反应如下：
GaO+H2O=Ga(OH)2 石灰消化
2Ga(OH)2+2SO2=2GaSO3·1/2H2O+H2O 中和吸收
GaCO3+H2O+SO2=GaSO2·H2O+CO2 中和吸收
2GaSO3·1/2H2O+2SO2+H2O=2Ga(HSO3)2 PH 控制
2GaSO3·1/2H2O+O2+3H2O=2GaSO4·2H2O氧化结晶
四、气动乳化技术在烟气脱硫系统中的应用
依据气动乳化技术的应用原理，以75t/h燃煤锅炉为例，对其排放烟气进行净化治理。
1、设计参考数据：
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2、工艺流程（见下图）
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石灰石粉料经给料装置进入搅拌池，搅拌成石灰石乳液，再经泥浆泵打入到脱硫反应塔吸收液散布器上。锅炉烟气经布袋除尘器除尘后从脱硫反应塔下方进入，与石灰石/石灰乳混和，在气流的搅拌作用下，烟气同石灰石/石灰乳液均匀混合，烟气在到达脱硫反应塔中部反应区时，塔体直径增加，烟气流速降低，烟气中SO2在反应区中大部分被吸收，净化后的烟气通过上部管道从烟囱中排出。反应完成后的乳液经空气氧化形成石膏晶体，进入石膏脱水系统。
3、投资概算
该脱硫系统投资主要包括：
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该系统总投资约为190万元，而其他湿法脱硫投资一般在300万元左右。
4、运行费用
（1）、支出
①.石灰石粉（90%过325目）用量：1台75T/h锅炉每小时燃煤20t/h，烟气量：16万m3/h，燃煤含硫量2%（总硫），脱硫系统入口SO2浓度（理论计算）：4000mg/m3，烟气温度150℃，即每小时排放SO2量为640kg/h，每小时需加入石灰石粉量1100kg。Ga/S（摩尔比）=1.1（投产后按烟气实际情况调整）。年石灰石粉用量7920吨。按每吨300元计，共237.6万元。
②.用水量：石灰石乳液浓度按30%左右配比，每小时用水2567kg。年耗水量18482吨。按每吨2元计，共3.7万元。
③.电耗：年耗电36万kW.h，按0.5元/kW.h计，共18万元。
④.人工：8人，4班3运转，按每人年工资支出1万元计，共8万元
⑤.设备维修、维护：10万元
（2）、收入
①.减少二氧化硫排放4147.2吨，按0.6元/公斤计，减少排污费支出：248.8万元。
②.生产石膏：脱水后石膏纯度可达90%以上。按锅炉燃煤20t/h计算，每年约产15000吨石膏。出售收入：30万元。
（237.6+3.7+18+8+10）-（248.8+30）=1.5万元
即年减排二氧化硫排污费节省费用与设备运行费用基本持平。
5、技术优势
气动乳化脱硫技术的主要特点是：
①.同普通湿法脱硫相比，吸收塔省去喷淋雾化设备，石灰石乳液循环及亚硫酸钙氧化过程均在吸收塔外，减少了设备的结垢和堵塞；
②.吸收液悬浮在脱硫反应器内，吸收液被破碎为极细微粒，气液接触比表面积大，传质效率高于现有火电厂湿法脱硫系统，脱硫效率高，故所需吸收液的循环量小，用水少，故所需的水处理设备规模小，可降低能耗及物耗，一次性投资少，运行费用低。
③.运行操作简单，可用性好。
④.气动乳化脱硫反应器占地面积小，土建投资少，不仅适用于新建项目，更适用于老厂改造。
五、结语
气动乳化技术简单实用，脱硫反应塔结构紧凑，占地面积小，设备使用效率高，可靠性好。且由于吸收液供给无喷嘴、无堵塞问题，所需吸收液较少，从而减小了水耗及运行设备规模，降低了运行成本。另外，配套设备均可采用国产设备，大大减少了—次性投资。
吸收液的循环量小，液气比L/G≤0.3kg/m3，而在我国珞璜电厂及太原第一热电厂的石灰石-石膏法脱硫工艺L/G分别达26kg/m3和16kg/m3，与其相比，气动乳化脱硫技术节省了大量的水资源。
目前，国产烟气气动乳化脱硫技术已进入实用阶段。2006年2月16日，由燕山石化和中国航天科技集团公司共同开发完成的“大型锅炉烟气气动乳化脱硫工业化技术开发”项目通过石化技术鉴定，鉴定认为，该技术具有创新性，属国际先进水平，有良好的推广应用前景。
参考文献：
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