旋转喷雾半干法烟气净化技术研究进展

曾纪进，陈国艳，段翠九

（1.中德（中国）环保有限公司，北京 100142；2.福建省丰泉环保控股有限公司，福州 350007；3.清华大学热能工程系，北京 100084）

1 引言

喷雾干燥吸收工艺源于浆液的喷雾干燥加工工艺。喷雾干燥被广泛应用于液态进料固态粉末出料的现代加工工业中，如化工、制药、食品等[1]。丹麦Niro公司、美国Komline-Sanderson公司、比利时Seghers公司等都是制造旋转雾化器的厂家；旋转喷雾干燥法（SDA）用在脱硫工艺的研究始于20世纪70年代。经过多年的不断改进和应用，该脱硫工艺已成为一项十分成熟的、在世界范围应用业绩仅次于石灰石-石膏湿法工艺的脱硫技术，其脱硫效率与石灰石-石膏湿法工艺相当，但其占地面积、投资和运行费用却低得多[2]。因此，旋转喷雾干燥法脱硫工艺在中国火电厂脱硫市场应当成为一种有竞争力的选择。

我国于1984年在四川白马电厂建立了容量为1MW的旋转喷雾干燥法脱硫小型试验装置，处理烟气量为34,000Nm3/h。20世纪90年代，中日合作在山东黄岛电厂建设了100MW级的旋转喷雾干燥法脱硫试验装置，脱硫率可达70%以上[3]。

实际上，在欧美等发达国家和地区的大量应用业绩和成功运行经验表明，旋转喷雾干燥法脱硫工艺是一项技术成熟、可靠性高、脱硫率高的先进脱硫技术。在国内，一些垃圾焚烧发电厂也采用了该技术，如天津双港垃圾焚烧发电厂采用的是丹麦Niro的技术；深圳能源集团股份有限公司的南山、盐田、龙岗等垃圾焚烧发电厂都是采用Seghers的技术，在垃圾焚烧烟气脱硫过程中都显示出了运行稳定、脱硫效率高。

近几十年来，针对燃煤电厂喷雾半干法烟气处理特性，专家们已做了大量的研究工作[4，5]，但有关垃圾焚烧烟气的旋转喷雾半干法处理的研究还比较少。同时，由于垃圾成分及燃烧过程比煤的情形复杂得多。因此，有必要对旋转喷雾半干法脱硫工艺系统在垃圾焚烧中的应用进行深入研究。

2 旋转喷雾半干法脱硫机理

旋转喷雾半干法技术具有吸收和干燥的双重作用，主要过程和反应如下：

Ca(OH)2浆液被送到吸收塔顶部高速旋转达10,000～20,000r/min的雾化器的雾化盘内，浆液由旋转盘上部中间进入，然后扩散至旋转盘表面，形成一层薄膜，由于离心力的作用，薄膜逐渐向旋转盘外缘移动，经剪力作用而使薄膜雾化成50～150μm细小且均匀的液滴，如图1所示。液滴大小主要取决于雾化器转速和浆液量。

旋转雾化器工作示意图

在吸收塔内，烟气被有效地分布以便使其与被雾化的浆液充分混合接触发生吸收反应，也就是说，吸收塔具有混合反应器的功能。

烟气中的酸性成分（SO2、SO3、HCl）和石灰浆液滴中的碱性成分Ca(OH)2之间的反应主要发生在一个靠近喷雾器的区域，这个区域具有传热和质量传递最合适的条件。

主要反应有：

CaO + H2O = Ca(OH)2

H2O + SO2= H2SO3

H2SO3+ Ca(OH)2= CaSO3+H2O

而烟气中微量的酸性气体会发生下列反应：

SO3+ Ca(OH)2= CaSO4+ H2O

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

当石灰作为吸收剂时，化学反应产物为亚硫酸钙、硫酸钙、氯化钙和氟化钙。从整个吸收反应来看，SO2和其它酸性组分的吸收反应主要发生在浆液雾滴还未被干燥之前的气、液两相之问，但干燥之后的气、固两相接触仍然会发生吸收反应，即：SO2与烟气中悬浮的喷淋干燥后的多孔颗粒进行的反应，气、固反应在下游的颗粒收集器中还在进行，特别是在袋除尘器中，吸收反应更为显著。

肿瘤边缘相对清晰的有8例，边界全部或部分不清的有9例患者肿瘤周围脂肪间隙消失。肿瘤累及肠系静脉、动脉、胰腺的有4例。胃肠道间质瘤附近呈线性增厚的有1例，CT增强扫描表现为明显强化。

在吸收过程中CO2被认为可能会争相与碱性物质反应，然而，尽管CO2分压是SO2分压的50～200倍，分析干态反应产物的结果表明，只有少量的CO2被吸收。其原因是：与CO2相比，SO2是酸性更强；CO2较SO2溶解度低且反应速度慢。出于同样原因，HCl、HF和SO3比SO2酸性更强，更易于优先被吸收。事实证明，这些酸性更强但微量的组份几乎全部被吸收[5]。

3 影响喷雾液滴粒径的主要因素

影响烟气脱硫效率的因素很多，但主要因素是喷雾液滴的粒径大小。喷雾液滴的粒径大小直接影响到液滴与烟气的接触比表面积，影响到烟气中的酸性气体与Ca(OH)2液滴的反应速度。因此喷雾液滴的雾化效果，是影响烟气脱硫效率的主要因素。

3.1 雾化器转盘转速对雾滴粒径的影响

理论研究表明，若雾化器的其他条件不变，则雾滴粒径与雾化转盘转速成反比，即：

式中：D —— 雾滴粒径；N —— 雾化盘转速。指数P是根据雾化器不同的实际运行条件取值的。根据上述理论，为了获得细小且均匀的雾滴，当转盘转速很低时，可采用增加转盘转速的方法来提高石灰浆的雾化质量。

对于不同质量分数的石灰浆液，根据文献中的实验实测数据所反映的变化趋势基本上都满足雾滴粒径与转盘转速成反比的关系[5]。而且当转盘转速增加到12,000r/min以上，雾滴粒径随转速变化将不再明显，此时再继续增加转速，对减小雾滴粒径帮助不大。但是转盘有个最佳转速，在这个转速下石灰浆雾滴大小合适，净化垃圾焚烧产生的酸性气体效果最佳。实际最佳转速可以通过实验进行选取，一般垃圾焚烧烟气净化技术中，雾化器最佳转速选取为12,000～13,500r/min。

3.2 进料速率变化对雾滴粒径的影响

理论研究表明， 若雾化器的其他条件不变，则雾滴粒径与进料速率成正比，即：

3.3 石灰浆质量分数变化对雾滴粒径的影响

根据文献中的实验实测数据可知，随着浆液质量分数的增大，雾滴粒径增大。这是因为随着石灰浆质量分数的增加，料液黏度将增大，当其他条件不变时雾化石灰浆所需的能量就越多，使得雾滴粒径变大，这符合能量守恒原理[5]。

4 旋转喷雾半干法容易引起的问题

4.1 容器和管道的堵塞

容器与管道堵塞问题是由固体沉积引起的。由于浆液流速小于设计值，管道内存在流动停滞区，使用过量的石灰及飞灰等原因造成的。这些问题会导致要周期性地关闭受影响的部件以清除坚硬的沉积物。改进的方法包括修改管道设计，提高浆液流速，消除流动死角，提高浆液槽泵的吸入短管，改进搅拌和容器隔板的设计，在运行中周期性地转动设备。

尽管很多设备都会遇到堵塞问题，如去除大尺寸颗粒的滤网、石灰粉碎机的加料槽和输运系统中，但这些问题都可以通过技术改进解决。

4.2 吸收塔中的固体沉积

在许多电厂，吸收塔中的固体沉积分布已从局部扩展到整个壁面上，这是喷雾干燥脱硫工艺需要解决的最重要的问题之一。在设计工况下连续运行可冲刷掉少量的局部沉积物，对于大量沉积物则需要关闭吸收塔。在大型电厂中可以使用备用吸收塔。导致沉积物产生的主要原因是吸收塔内温度控制不合理，以及运行时喷入的固体浓度小于设计值。由于运行过程中安装在吸收塔出口管道内的热电偶表面逐渐被脱硫产物覆盖，因此读出的温度将变得不准确。

Sherburne电厂的初步运行试验表明，干球热电偶垂直接近于吸收塔壁且直接横穿喷雾旋转装置时测出的气体温度对于喷淋量的控制是可靠的。吸收塔壁附近的气体湍流度很高，因此温度探头能保持足够的清洁度。Donnelly等人报道在吸收塔出口温度控制回路中加入入口气体流量和温度的前馈信号，可使吸收塔出口温度更加稳定并且减少了固体沉积物[6]。

4.3 喷雾器的磨损和破裂

喷射石灰浆的喷雾器会遇到磨损和破裂的问题，特别是在达到最佳工况前的初始运行阶段。

Niro喷雾的转盘上下都有陶瓷耐磨挡板，耐磨挡板破裂后必须更换。Niro喷雾器在转盘周边热压一个金属环改造底部耐磨板以减小应力。另外，制造时的质量控制得到提高，所有的面板耐磨板在运输前都要经过超速旋转的测试。经过旋转测试的耐磨板没有在运行中受到损坏。根据Durnohr电厂的经验，在30min内可以使喷雾器与其备用装置互换[6]。

5 SDA工艺优势

旋转喷雾半干法脱硫工艺分别与石灰石-石膏湿法脱硫和烟气循环流化床脱硫工艺技术特点进行比较[6-8]。

与石灰石-石膏湿法脱硫工艺相比，SDA工艺脱除SO2效率同样可达95%以上；SO3几乎可以全部去除；系统非常简单，可用率更高，通常可达97%～99%；投资费用较低，可减少20%以上；吸收塔及后部设备、烟囱不用防腐；没有废水排放；运行、维护费用低，较湿法相比低30%以上，而且占地面积小。

与烟气循环流化床脱硫工艺相比，SDA工艺的液滴在绝热温度条件下反应区域大；适应锅炉负荷的能力大，能在烟气量20%～120%负荷下安全运行；系统启、停速度快，过程安全可靠；对吸收剂石灰质量敏感度低。吸收塔出口烟尘浓度低，后部除尘器可采用标准设计，滤袋磨损小。

6 结论

随着城市生活垃圾的逐年增加，垃圾的无害化处理显得日益迫切。焚烧处理虽然投资较大，但在垃圾的无害化、减量化方面优点明显，故在世界各国逐渐推广。然而垃圾在燃烧时，会产生有害物质和气体，其中SOx是最主要的污染气体之一，旋转喷雾半干法是有效的烟气净化技术。雾化器是垃圾焚烧尾气净化的关键设备，雾化效果直接影响吸收剂的利用率及去除硫化物的效率。雾化液滴大小是衡量雾化器雾化效果的重要指标，是影响去除垃圾焚烧尾气中硫化物效率的关键因素。雾化器的雾化轮存在一个最佳转速， 能产生合适大小的液滴，从而使去除硫化物的效率更高，也更经济。

[1]王雷，章明川，田凤国，等.运行参数对喷雾干燥烟气脱硫效率影响的数值模拟[J].热能动力工程，2005，20（3）：262-265.

[2]谷吉林.旋转喷雾干燥法（SDA）脱硫工艺系统应用及问题思考[C].第四届全国脱硫工程技术研讨会论文集，2006，09.

[3]汪波，王莹.喷雾干燥法在垃圾焚烧尾气净化中的应用[J].中国环保产业，2005，7： 26-29.

[4]王鹏程，唐一科，周雄.垃圾发电用离心雾化器雾化效果及影响因素分析[J].机械制造，2007，45（510）：22-24.

[5]王鹏程，张梦.垃圾发电用旋转雾化器雾化性能的实验研究[J].机床与液压，2010，38（18）：41-43.

[6]蒲舸，张力.石灰浆液喷嘴雾化特性[J].工程热物理学报，2008，29（9）： 1516-1517.

[7]饶志军.旋转喷雾技术及其机电系统的研究[D].天津大学，2005，4.

[8]张力，李午申，蒲舸.烟气净化双流体喷嘴雾化特性实验[J].环境工程，2006， 24（2）： 41-42.