張原

（1.福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000；2.福建龍凈脫硫脫硝工程有限公司，福建 龍巖 364000）

新型煙氣循環(huán)流化床脫硫技術(shù)創(chuàng)新研究

張原1、2

（1.福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000；2.福建龍凈脫硫脫硝工程有限公司，福建 龍巖 364000）

闡述了LJD新型節(jié)水煙氣循環(huán)流化床脫硫除塵脫汞一體化工藝的機理，介紹了該技術(shù)的創(chuàng)新點及技術(shù)優(yōu)勢，指出該LJD新工藝，可實現(xiàn)95%以上的脫硫率，污染物排放可滿足最新的環(huán)保排放要求，有助于我國大氣污染問題的加快解決。

LJD干法;節(jié)水;重金屬Hg;協(xié)同凈化;減排PM2.5

前言

我國企業(yè)在引進國外半工業(yè)性技術(shù)的基礎上，經(jīng)過消化、吸收和不斷自主創(chuàng)新，目前，新型的LJD干法煙氣循環(huán)流化床脫硫除塵脫汞一體化工藝，已可實現(xiàn)95%以上的脫硫率并可長期穩(wěn)定運行。該技術(shù)可幾乎100%脫除SO3、HCl、HF等酸性污染物，同時對包括Hg、Pb等在內(nèi)的多種重金屬也具有高效的協(xié)同凈化效率，特別是對煙氣中的一、二次PM2.5均具有深度凈化效率，有助于我國大氣污染問題的加快解決。

1 LJD - FGD工藝的機理研究

任何一種煙氣脫硫工藝的化學反應原理都是一致的，就是酸堿中和。因此如何創(chuàng)造適合酸堿中和的化學反應氛圍/條件，就成為提高脫硫效率的根本性問題。要實現(xiàn)高效脫硫，必須使煙氣中SO2氣體與堿性吸收劑在液相中以瞬間可完成的離子型反應的形式進行。

濕法脫硫?qū)崿F(xiàn)煙氣脫硫的步驟：氣態(tài)SO2溶解于水中；溶解于水中的SO2以H2SO3的形式逐級電離出H+和HSO3-以及SO32-；當溶液中H+迅速與溶液中堿性吸收劑反應消耗時，電離平衡不斷向右進行，最終完成SO2向SO32-鹽的轉(zhuǎn)化，進入后續(xù)處理，從而實現(xiàn)高效脫硫。影響濕法脫硫效率的關(guān)鍵因素是氣液接觸的充分性和漿液的pH值。

對于煙氣循環(huán)流化床干法脫硫工藝來說，其氣固接觸十分充分，影響高效脫硫的關(guān)鍵因素在于如何穩(wěn)定實現(xiàn)一個從氣固接觸在短時間內(nèi)過渡到可瞬間完成的液相離子型酸堿中和的化學反應環(huán)境。

SO2在LJD新型節(jié)水煙氣循環(huán)流化床反應器內(nèi)，與脫硫吸收劑Ca(OH)2發(fā)生反應被脫除，氣、固、液三相發(fā)生如下幾個步驟的變化（見圖1）。1）SO2在煙氣主體中進行遷移擴散；2）SO2從氣相主體通過氣膜擴散到氣液界面；3）SO2從氣液界面通過液膜擴散到液相主體；4）SO2在液相中溶解成液態(tài)組分；5）Ca(OH)2顆粒組分溶解離解形成離子態(tài)；6）Ca(OH)2離子態(tài)組分從固體表面通過液固界面進入液相主體；7）SO2液態(tài)組分與Ca(OH)2離子態(tài)組分在液相主體中進行化學反應，化學反應方程式為：SO32-+Ca2++H2O→CaSO3·1/2H2O + 1/2H2O。

圖1 鈣基吸收劑脫硫反應模型

因此，在Ca(OH)2溶解于液膜中電離生成形成Ca2+的基礎上，實現(xiàn)SO2高效脫除的關(guān)鍵控制步驟是上述的第2和第3步驟，只要SO2能在干法脫硫塔內(nèi)完成第2和第3步驟，就一定能被脫除。因此，完成第2和第3步驟的速率越大，脫硫效率就越高。只要為步驟2和步驟3的實現(xiàn)創(chuàng)造條件與環(huán)境，理論上LJD新型節(jié)水煙氣循環(huán)流化床脫硫除塵脫汞一體化工藝技術(shù)就可以實現(xiàn)幾乎100%的脫硫效率。

2 LJD新型節(jié)水煙氣循環(huán)流化床脫硫除塵脫汞一體化工藝的技術(shù)創(chuàng)新點

（1）LJD流化床反應器內(nèi)的文丘里管上部區(qū)域存在激烈湍動、分布均勻的高顆粒密度床層。如圖2所示，塔內(nèi)高密度區(qū)的顆粒濃度高達20kg/m3以上，局部的Ca/S比達到50 :1，大大提高了SO2與Ca(OH)2的接觸率。

圖2 反應器內(nèi)的吸收劑反應示意圖

（2）LJD流化床的激烈運動機制，強化了氣固混合，大大提高了氣固之間的傳質(zhì)、傳熱速率。LJD塔內(nèi)文丘里管上部激烈湍動區(qū)的氣固間滑落速度控制在5m/s左右，在氣流的帶動下固體顆粒之間的摩擦力達到最大值，極大地削薄了Ca(OH)2顆粒表面的氣膜厚度，降低了氣膜阻力，大大提高了SO2分子進入Ca(OH)2顆粒表面液相區(qū)的速率。

（3）脫硫反應生成的CaSO3或CaSO4等產(chǎn)物包裹在吸收劑表面，會阻礙新鮮吸收劑的表面與煙氣接觸反應從而造成吸收劑利用率不足，導致脫硫效率下降。但LJD流化床內(nèi)物料激烈湍動的流化態(tài)運動特征，物料顆粒間相互激烈摩擦，很容易將吸收劑表面包裹的脫硫生成物剝離，露出新鮮的Ca(OH)2表面重新參與反應，從而進一步提高Ca(OH)2的利用率。

（4）脫硫效率高低除了與反應速度有關(guān)外，還與氣固的接觸時間有關(guān)，接觸時間越長，脫硫效率越高，吸收劑利用也更徹底。LJD工藝循環(huán)流化床反應塔的設計高度滿足煙氣在塔內(nèi)的反應時間高達6～8s，可保證LJD獲得更高的脫硫效率。

（5）LJD反應器下游配套特種超低壓脈沖布袋除塵器。布袋除塵器設在脫硫后負責煙塵的最后把關(guān)是最合理的方式。布袋除塵器在保證煙塵排放小于30mg/Nm3的同時，也有助于進一步提高脫硫效率。因為濾袋表面的粉餅層中還含有一定量的Ca(OH)2，可以繼續(xù)與未脫除的SO2進行脫硫反應，而特種超低壓脈沖布袋除塵器在低溫下進一步的脫硫反應和清灰過程中，不會出現(xiàn)“節(jié)流制冷效應”，可保證系統(tǒng)連續(xù)工作。

正是因為以上特點，LJD新型節(jié)水煙氣循環(huán)流化床脫硫除塵脫汞一體化工藝裝置可以在經(jīng)濟的Ca/S下比（一般為1.3～1.6）達到較高的脫硫率。對于高脫硫率的要求，LJD只需根據(jù)SO2的濃度和Ca/S比，計算所需增加的消石灰量，加大注入量即可實現(xiàn)脫硫率在95%以上。

（6）針對中國脫硫項目的特點，國內(nèi)企業(yè)開發(fā)出智能化核心工藝軟件包，大大提高了LJD工藝運行的可靠性，同時保證了整個系統(tǒng)的高脫硫效率。對干法脫硫系統(tǒng)相關(guān)的脫硫效率、反應溫度、反應床層、除塵器參數(shù)、物料循環(huán)、工藝水、煙氣工況、環(huán)保排放指標等工藝關(guān)鍵參數(shù)實行智能化協(xié)同控制。在智能感知功能、智能控制功能、智能控制優(yōu)化功能、智能管理功能、自動復活功能等方面取得了很好的突破與應用，許多項目可以實現(xiàn)“一鍵啟動”和“無人值守”的智能化運行。智能化的成功應用可大大減少人工調(diào)整的不確定性，使LJD工藝隨主機投運率達到99%以上，同時也保證了LJD工藝的高脫硫效率和優(yōu)良的環(huán)保排放指標。

3 LJD-FGD工藝技術(shù)在新排放標準和強化PM2.5控制形勢下的技術(shù)優(yōu)勢

《火電廠大氣污染排放標準》（GB13223-2011）調(diào)整了SO2、NOx及煙塵的排放限值，并新增了汞及其化合物排放限值。另外，國家《環(huán)境空氣細顆粒物污染防治技術(shù)政策（試行）》首次提出了PM2.5總量控制的要求，并將在47個城市實行大氣污染物排放特別限值，大幅提高了包括煙塵、SO2等在內(nèi)的排放要求。這些標準和要求的變化，對于低硫燃煤機組和城市工業(yè)鍋爐，LJD新型節(jié)水煙氣循環(huán)流化床脫硫除塵脫汞一體化工藝技術(shù)將具有非常明顯的技術(shù)經(jīng)濟性優(yōu)勢。

3.1 滿足國家關(guān)于PM2.5總量控制的要求，同時高效脫除一、二次PM2.5且成本低

LJD新型節(jié)水煙氣循環(huán)流化床脫硫除塵脫汞一體化工藝技術(shù)的再循環(huán)物料量高達數(shù)百噸/小時，因此鍋爐前級電除塵器的除塵效率高低對脫硫反應沒有任何影響，這意味著一些為滿足脫硫而進行改造的項目，選擇LJD工藝無需對前級的電除塵器進行任何改造。LJD反應器后配套布袋除塵器，通過篩濾、碰撞、滯留、擴散、靜電等效應，使濾袋表面積聚了一層粉餅層。粉餅層配合濾袋既承擔了過濾作用，同時還可實現(xiàn)一定的補充脫硫效率。

另外，在流化床塔內(nèi)劇烈湍動的高密度顆粒床層的作用下，煙氣中大部分PM2.5的亞微米超細顆粒經(jīng)過塔內(nèi)的噴水增濕逐漸凝并吸附在大顆粒上，使原本布袋除塵器都難以阻擋的PM2.5的亞微米超細顆粒得以高效濾除。一次PM2.5的脫除效率為99%。LJD干法脫硫前后一次PM2.5的脫除效率見圖3。

圖3 LJD干法脫硫前后一次PM2.5的脫除效率

煙氣中的一些濕法脫硫難以脫除、排出大氣后形成二次PM2.5的SO3酸性顆粒物，在LJD流化床的高顆粒密度的作用下，也被有效地脫除形成脫硫灰，然后通過布袋除塵器得以去除，杜絕了濕法脫硫后形成的二次PM2.5的問題。

對于LJD新型節(jié)水煙氣循環(huán)流化床脫硫除塵脫汞一體化工藝，由于布袋除塵器放在脫硫塔后，加上脫硫過程已脫除了全部SO3，因而其排放的一次、二次煙塵顆粒物全部小于20mg/Nm3。

3.2 良好的負荷適應性，并可靈活采取“多機一塔”的布置方式，節(jié)省投資

LJD新型節(jié)水煙氣循環(huán)流化床脫硫除塵脫汞一體化工藝技術(shù)采用了100%煙氣再循環(huán)技術(shù)，在循環(huán)調(diào)節(jié)擋板和煙氣凈化系統(tǒng)出口煙氣量進行PID聯(lián)鎖調(diào)節(jié)，可以保證煙氣凈化系統(tǒng)在鍋爐煙氣量30%～110%的情況下穩(wěn)定運行，具有良好的負荷適應性；系統(tǒng)在沒有鍋爐熱煙氣過來時，可以采用內(nèi)部循環(huán)運行，待鍋爐啟動后，脫硫運行與鍋爐運行達到無縫銜接。正是因為設置了清潔煙氣再循環(huán)回路，LJD工藝可以采取“兩機一塔”或者“多機一塔”的布置方式，滿足場地或者節(jié)省投資的要求。

3.3 多種污染物協(xié)同脫除

LJD新型節(jié)水煙氣循環(huán)流化床脫硫除塵脫汞一體化工藝技術(shù)對燃煤煙氣中其他組分的污染物具有協(xié)同脫除效果，單一反應器可實現(xiàn)NOx、HF、HCl、SO3、重金屬等大氣污染物協(xié)同脫除。

（1）通過外加還原劑，可實現(xiàn)NOx的協(xié)同脫除。LJD新型節(jié)水煙氣循環(huán)流化床脫硫除塵脫汞一體化工藝技術(shù)預留了通過添加還原脫氮劑實現(xiàn)一定NOx脫除的接口。通過增設共用循環(huán)流化床脫硫反應塔的低溫COA脫硝裝置（專利技術(shù)），注入還原劑，可在脫硫的同時實現(xiàn)大約40%的脫硝率，以配合前級的SCR或者SNCR，低成本地滿足NOx的達標排放要求。

（2）HF、HCl、SO3協(xié)同脫除。SO3、HCl、HF等酸性氣體在流化床內(nèi)，可先于SO2得到幾乎100%的高效脫除（SO3的高效脫除避免了二次PM2.5的生成）。

（3）重金屬協(xié)同脫除。循環(huán)流化床工藝通過吸收劑大比表面積的吸附作用，在脫硫同時能夠去除煙氣中的微量重金屬污染物。以重金屬汞為例，循環(huán)物料中的Ca(OH)2與氣態(tài)汞元素單質(zhì)Hg0(g)的相互作用可能發(fā)生在：1）SO2的存在促進了Ca(OH)2對氣態(tài)汞元素單質(zhì)Hg0(g)的化學吸附；2）煙氣中含有一定量的HCl，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，HCl可以通過與Ca(OH)2發(fā)生反應提供活性位或者將氣態(tài)汞元素單質(zhì)Hg0(g)氧化成氣態(tài)離子汞（Hg2+）來促進對汞的吸附，完成脫汞過程。協(xié)同脫除重金屬汞技術(shù)可為企業(yè)排放滿足環(huán)保新標準的要求節(jié)省上千萬的投資。圖4為榆社電廠干法脫硫脫汞監(jiān)測報告，該電廠的總脫汞率達到83%。

圖4 榆社電廠干法脫硫脫汞測試報告

3.4 節(jié)水、無廢水產(chǎn)生

對于燃煤電廠，煙氣循環(huán)流化床脫硫工藝運行溫度高于濕法脫硫工藝25℃以上，可比濕法脫硫節(jié)水35%左右。特別是當煙氣中含水量高或添加含水吸收劑（如電石渣粉）時，節(jié)水效果更加明顯。另外，通過添加少量的節(jié)水劑，進一步激活煙氣中的水，延長吸收劑Ca(OH)2表面的液膜存續(xù)時間，可大幅度提高脫硫效率，實現(xiàn)高度節(jié)水。這一節(jié)水技術(shù)對我國西部富煤缺水地區(qū)意義重大。

由于LJD系統(tǒng)的吸收劑及LJD的副產(chǎn)物都是干粉狀態(tài)的物質(zhì)，可密封輸送，LJD系統(tǒng)沒有任何廢水產(chǎn)生，因此整個系統(tǒng)沒有廢水二次污染。

3.5 脫硫系統(tǒng)不需防腐，可使用原煙囪排放

LJD新型節(jié)水煙氣循環(huán)流化床脫硫除塵脫汞一體化工藝在具有高SO2脫硫率的同時，實現(xiàn)了對SO3、HCl、HF以及重金屬等在內(nèi)的多組分煙氣污染物的高效凈化，經(jīng)凈化后的煙氣沒有腐蝕性。脫硫塔出口的煙溫在露點15℃以上，無需再熱排放，煙囪出口煙氣透明，沒有尾跡，感觀效果好。因此LJD新型節(jié)水煙氣循環(huán)流化床脫硫除塵脫汞一體化裝置及煙囪不需要防腐，也避免了一些改造項目因為無法對煙囪進行防腐，不得不另建脫硫煙囪而帶來的排放點增加問題。

4 結(jié)論

經(jīng)過不斷創(chuàng)新研究，LJD新型節(jié)水煙氣循環(huán)流化床脫硫除塵脫汞一體化工藝完全可以滿足95%以上的脫硫率要求，污染物排放滿足GB13223-2011規(guī)定的SO2小于100mg/Nm3（或50mg/Nm3）、粉塵小于30mg/Nm3（或20mg/Nm3）、汞小于30ug/Nm3的新標準要求。

該技術(shù)工況適應性強、脫硫率調(diào)節(jié)靈活，具有包括對SO3、HCl、HF及Hg、Pb等多種重金屬污染物在內(nèi)的高效協(xié)同凈化能力，并對煙氣中的一、二次PM2.5均具有高效凈化效率，是一種投資省、綜合凈化效益高的煙氣治理領域創(chuàng)新技術(shù)，為我國的煙氣治理開創(chuàng)了新路。

楊博，宋存義，何佳.水和水蒸汽對鈣基吸收劑脫硫性能影響的研究[J].科學技術(shù)與工程，2007，7（6）：1273-1275.

Innovation Research on Desulfurization Technology of New Type Flue Gas Circulating Fluidized Bed

ZHANG Yuan

X701.3

A

1006-5377（2014）03-0010-04

國家863計劃（2013AA065403），福建省科技重大專項（2011HZ0005-1），國際科技合作項目（2010DFB93990）。