半干法烟气脱硫技术在非电行业的应用

郭小虎 ，苟远波 ，韩松 ，杜文智，吴迪，李凯华

(1.西安航天动力研究所，西安 710100；2.西安航天源动力工程有限公司，西安 710100)

近年来，我国脱硫脱硝行业超低排放改造的重点主要集中在电力行业。随着90%以上的火电机组完成超低排放改造，火电行业超低排放改造逐渐进入尾声，超低排放改造的重点已悄然转移到排放强度更高的非电行业[1,2]。非电行业大气污染治理包括各种工业过程的烟气治理，涉及钢铁、建材、有色、化工、锅炉、焦化、焚烧发电等多个行业。据统计，我国钢铁产量占世界总产量的50%，水泥产量占世界总产量的60%，平板玻璃产量占世界总产量的50%，电解铝产量占世界总产量的65%。随着政策的陆续颁布，非电行业超低排放改造将迎来新一轮爆发式增长[3,4]。

1 半干法烟气脱硫技术

烟气脱硫是大气污染物超低排放改造的重点之一。烟气脱硫技术根据脱硫过程是否加入液体和脱硫产物的干湿状态分为湿法、半干法和干法。火电行业脱硫改造中80%以上都采用湿法脱硫工艺。湿法脱硫工艺具有脱硫效率高、烟气适应性好等特点，但同时也存在湿烟羽、腐蚀、废水、废渣等问题。干法脱硫无腐蚀、废水等污染问题，但存在脱硫效率低的缺点。半干法脱硫技术结合了湿法和干法脱硫技术的优点，兼具脱硫效率高和环境污染小的特点，在非电行业超低排放改造过程中具有优势。我国自21 世纪初引进国外先进脱硫技术，经过近20 年的实践，循环流化床技术和旋转喷雾干燥法逐渐成为主流半干法烟气脱硫技术[5,6]。

1.1 循环流化床技术

循环流化床（Circulating Fluid Bed，CFB）烟气脱硫技术以循环流化床原理为基础，是一种基于流态化的脱硫工艺。CFB 烟气脱硫技术由德国鲁奇公司于20 世纪80 年代最早开发应用，后经美国、丹麦、瑞士等国改良形成多项技术[7]。循环流化床技术的工艺流程如图1 所示。原烟气从脱硫塔的底部经过文丘里管上升进入塔内。生石灰在消化器内加水消化后，在消石灰仓储存。将一定量的消石灰粉和水在文丘里喉口上端加入，在脱硫塔内与烟气混合流动，并与烟气中的SO2反应，生成亚硫酸钙和硫酸钙。携带反应产物和煤灰的烟气冷却到稍高于露点以上的温度后，进入布袋除尘器。反应产物和煤灰被除尘器处理后，通过空气斜槽返回塔内，再次循环参与脱硫反应。剩余的脱硫反应产物和煤灰通过仓泵输灰至灰仓后外排。

图1 循环流化床脱硫技术工艺流程

CFB 烟气脱硫技术具有系统简单、运行可靠、占地面积小、煤种适应性广、无废水排放等优点。对比于湿法烟气脱硫，脱硫后的烟气可不经加热直接排出，同时，脱硫塔及后续设备均不存在腐蚀问题，可采用碳钢制作，降低设备投资成本。

1.2 喷雾干燥法烟气脱硫技术

旋转喷雾干燥（Spray Dryer Absorber，SDA）脱硫技术最早由美国和丹麦的两家公司于20 世纪70 年代联合研制，随后在工业上推广使用。SDA 脱硫技术的工艺流程如图2 所示。SDA 脱硫技术在整体流程上与CFB 技术类似，在吸收塔和吸收剂部分存在区别，该技术基于喷雾干燥的原理，将脱硫剂浆液以雾状形式喷入吸收塔，塔中吸收剂随即与烟气中的SO2发生反应。与此同时，高温烟气中的热量也使脱硫剂浆液中的水分蒸发，吸收液中的脱硫产物以干态灰渣形式排出。

图2 旋转喷雾干燥脱硫技术工艺流程

SDA 烟气脱硫技术具有系统简单，运行可靠，占地面积适中的优点。相比CFB 烟气脱硫技术，该技术只能用于中低硫煤的脱硫，且脱硫效率不及CFB。与CFB 烟气脱硫技术相同的是，SDA 技术也具有脱硫烟气不需加热、无下游设备腐蚀问题、无废水排放等半干法脱硫技术的优点。

1.3 其他

其他半干法脱硫技术如密相塔法、MEROS 法、ENS 法和LEC 法均因脱硫效率低、应用范围有限、系统操作不稳定等原因未在我国大量应用，因此本文不再详述。

1.4 技术对比

半干法烟气脱硫技术（CFB、SDA）相比湿法或干法烟气脱硫技术具有投资低、占地小、污染少等优势，对现有烟气脱硫技术做综合对比得下表。

半干法脱硫技术与湿/干法脱硫技术对比表

由上表可知，半干法烟气脱硫技术具有湿法脱硫效率高、反应速度快的优点，同时兼具干法无需防腐处理、无废水排放、能耗和水耗低的优点。在系统复杂度、占地面积、投资成本这3 项中，半干法脱硫技术也有其独有的优势，具有较大的推广应用潜力。

2 政策研究

2.1 钢铁行业

2019 年至今，河北、山西、陕西、河南、湖北、江苏、浙江、福建等地陆续出台《钢铁行业大气污染物超低排放标准》，要求有组织排放控制指标：烧结机机头、球团焙烧的颗粒物、SO2、NOx的排放小时均值别为10mg/m3、35mg/m3、50mg/m3；其他主要污染源的对应排放值为10mg/m3、50mg/m3、200mg/m3。钢铁行业超低排放改造已于2019 年开始陆续实施。根据2019 年4 月生态环境部等五部委联合发布的《关于推进实施钢铁行业超低排放的意见》，钢铁行业在2025 年年底前力争80%以上产能完成改造。

2.2 水泥行业

2020 年3 月，河南、河北等地陆续出台《水泥工业大气污染物超低排放标准》，要求水泥窑和窑尾余热利用系统颗粒物、SO2、NOx的排放限值分别为10mg/m3、30mg/m3、100mg/m3，烘干机、烘干磨、煤磨及冷却机系统的对应排放限值分别为10mg/m3、50mg/m3、150mg/m3。新建企业自2020 年5 月1 日起执行，现有企业自2021 年10 月1 日起执行。与现行国家标准（颗粒物、SO2、NOx限值分别为20mg/m3、50～100mg/m3、100～320mg/m3）相比，新规定表明政府正在加强对水泥行业大气污染排放的管控。

2.3 玻璃行业

2020 年3 月，河南、河北等地陆续出台《玻璃工业大气污染物超低排放标准》，要求电解槽工序烟气在基准氧含量8%的条件下，颗粒物、SO2、氟化物排放限制分别为20mg/m3、100mg/m3、400mg/m3，玻璃熔窑烟气的对应排放限值分别为10mg/m3、50mg/m3、200mg/m3。

2.4 非电锅炉

燃煤、燃气、燃油和燃生物质成型燃料等4 种非发电锅炉的相关排放限值正在制订中。河北省已出台的《锅炉大气污染物排放标准》要求燃煤、燃气、燃油、生物质燃料锅炉的颗粒物、SO2、NOx污染物排放限值分别为10mg/m3、35mg/m3、50mg/m3，5mg/m3、10mg/m3、50mg/m3，10mg/m3、20mg/m3、80mg/m3，20mg/m3、30mg/m3、150mg/m3。同时实行差异化管控，对于20 蒸吨/h 以上的锅炉，生物质锅炉的颗粒物和NOx限值分别为10mg/m3、80mg/m3，燃油锅炉的NOx限值为50mg/m3。

随着非电行业超低排放改造的持续推进和脱硫技术的不断实践，其他非电行业，如陶瓷、砖瓦、冶金、焦化、碳素等的超低排放标准正在陆续制订并实施。

3 改造难点

3.1 工况复杂

非电行业涉及钢铁、建材、焦化、有色、非金属、石化、垃圾焚烧等众多行业，各个工业行业的工艺过程都不相同，均有其特有的工艺参数、技术条件和场地限制。因此，非电行业的超低排放改造往往技术难度更高。在超低排放改造过程中，需要根据烟气流量、组成、污染物浓度、温度、湿度等参数，合理设计工艺系统使其满足超低排放指标，同时适应烟气量和污染物浓度的波动，技术难度较高。半干法烟气脱硫技术存在对烟气参数波动适应性差的缺点，这是非电行业超低排放改造中半干法脱硫技术应该克服的问题和改进的方向。

3.2 氮氧化物协同脱除

非电行业的工艺过程大多为高能耗、高污染，较高的工艺过程反应温度导致了较高的NOx排放。因此，脱硝是非电行业超低排放改造过程中的一大难点。现有的脱硫和除尘工艺的效率大多能满足非电行业超低排放要求，脱硝工艺主要采用选择性催化还原（SCR）技术，此外还有氧化法和活性炭法等。其中，SCR 技术脱硝效率高，能满足绝大多数企业要求，通常可与半干法脱硫技术组合形成半干法+SCR 脱硫脱硝工艺；氧化法和活性炭法脱硝的效率中等，也可与半干法结合形成一体化脱硫脱硝工艺。企业需根据自身实际，充分考虑源头减量、过程控制、污染物排放现状和超低排放指标，合理选择治理技术，实现环境治理和经济效益的最优化。

3.3 多污染物协同脱除

非电行业工艺过程都不相同，烟气组成复杂，除粉尘、SO2和NOx之外，往往含有SO3、HCl、HF、二噁英、重金属及其他微量污染物[8]。半干法烟气脱硫技术可利用碱性脱硫剂协同脱除酸性气体，利用臭氧等氧化剂氧化SO2，实现对SO2的协同脱除，利用活性炭吸附二噁英、重金属及其他有毒物质。半干法烟气脱硫技术，尤其是循环流化床烟气脱硫技术，通过吸收剂和吸附剂多次再循环，延长了固体物料与烟气的接触时间，增大了反应的接触面积，极大促进了多污染物的协同脱除。相比于湿法烟气脱硫技术，半干法烟气脱硫技术产物为干态，有利于实现规模化，且反应产物易于后处理，容易实现系统集成，是极具潜力的多污染物协同脱除技术。

4 结语

随着火电行业超低排放改造进入尾声，非电行业的超低排放改造将迎来爆发式增长。经过近20年的工程实践，半干法烟气脱硫技术中循环流化床和喷雾干燥法已成为市场认可的主流技术。相比湿法和干法烟气脱硫技术，半干法烟气脱硫技术具有脱硫效率高、反应速度快、无需防腐处理、无废水排放、能耗水耗低、系统简单、占地面积小、投资成本低的优势，具有较大潜力。钢铁、水泥、玻璃、非电锅炉等行业超低排放标准已陆续颁布实施，陶瓷、砖瓦、冶金、焦化、碳素等行业的相关标准也正在制订中，非电行业超低排放改造刻不容缓。半干法烟气脱硫技术在超低排放改造中需优化脱硫技术对复杂工况的适应性，结合企业源头减排、过程控制等前中端治理技术，以协同脱硝、协同脱除多污染物为目的，合理选择工艺路线，灵活采用组合式或一体化烟气净化工艺，实现非电行业超低排放改造中的环境治理和经济效益最优化。