【技术干货】涡轮增压湍流脱硫新技术

摘要：作者在招标、投标、评标工作中，看到业主的脱硫招标文件有各种脱硫技术，这均为各大气污染物的超低排放做出了贡献，但有一种涡轮增压湍流脱硫技术在冶金行业做得很成功，在西南地区燃煤含硫在3%以上工程中环保达标尤为突出，而在宣传推广上缺少力度，这些好的技术在实施大气超低排放改造工程中未能引起更多的关注，实属可惜，本文介绍一下涡轮增压湍流脱硫技术，就是希望引起大家的重视。

1大气排放新标准

我国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，年煤产量大约72%的电力、60%的民用商品能源以及70%的化工原料均靠煤，2016年3月全国两会期间报导还有40多万台小型燃煤锅炉，煤的直接燃烧是最重要的人为空气污染源，大气污染造成了巨大的经济损失，1995年统计，仅酸雨造成的经济损失就达到1165亿元，约占当年国民生产总值2%。人为空气污染源，同时加剧了对人类和生物的生存环境的危害，尤其是可吸入颗粒物PM2.5的排放危害最为严重，我国卫生部已认定慢性障碍性的呼吸道疾病是中国前导的死因之一，据统计占死亡的1/4以上。

面临如此日益严峻的环保形势，国家制订更严格的环保标准《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)，要求自2014年7月1日起，现有火力发电厂锅炉及燃气轮机组必须执行新规定的烟尘、SO2、NOx排放限值根据国务院批复实施的《重点区域大气污染防治“十二五”规划》的相关规定，国家环境保护部颁布了《关于执行大气污染物特别排放限值的公告》(公告2013年第14号)，在重点控制区的火电、钢铁、石化、水泥、有色、化工等六大行业以及燃煤锅炉项目执行大气污染物特别排放限值；2014年9月12日，国家发展和改革委员会、环境保护部、国家能源局联合下发《煤电节能减排升级与改造计划(2014—2020年)》，就燃煤发电行业的节能减排提出了更严格的要求和升级改造“时间表”，要求东部地区(辽宁、北京、天津、河北、山东、上海、江苏、浙江、福建、广东、海南等11省市)新建燃煤发电机组大气污染物排放浓度基本达到燃气轮机组排放限值(即在基准氧含量6%条件下，固体颗粒物、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不高于10、35、50mg/Nm3)，中部地区(黑龙江、吉林、山西、安徽、湖北、湖南、河南、江西等8省)新建机组原则上接近或达到燃气轮机组排放限值，鼓励西部地区新建机组接近或达到燃气轮机组排放限值。

2目前的脱硫技术

目前烟气脱硫技术种类达几十种，按照脱硫过程中吸收剂是否加水及脱硫副产品干湿的形态，烟气脱硫技术可分为干法、半干法和湿法三大类脱硫工艺。

2.1干法脱硫工艺，主要是利用固体吸收剂，多以石灰石粉为吸收剂，由气力输送把石灰石细粉喷入炉膛850~1150℃温度区，石灰石受热分解为氧化钙CaO，和二氧化碳CO2，氧化钙与烟气中的二氧化硫SO2反应生成亚硫酸钙（CaSO3），亚硫酸钙与飞灰一起在锅炉尾部通过除尘器收集排出。由于该反应是在气固两相之间进行，受到传质过程的影响，反应速度较慢，吸收剂利用率较低。干法脱硫的最大优点是治理中无废水、酸性废弃物排出，减少了二次污染；缺点是脱硫效率低,当钙硫比控制在2.0~2.5时，系统脱硫率可达到65～80%。该脱硫工艺在芬兰、美国、加拿大、法国等国家得到应用，采用这一脱硫技术的最大单机容量已达30万千瓦。

2.2半干法脱硫工艺，即喷雾干燥法脱硫工艺以石灰为脱硫吸收剂，石灰经消化并加水制成消石灰乳，消石灰乳由泵打入位于吸收塔内的雾化装置，在吸收塔内，被雾化成细小液滴的吸收剂与烟气混合接触，与烟气中的SO2发生化学反应生成CaSO3,烟气中的SO2被脱除。与此同时，吸收剂带入的水分迅速被蒸发而干燥，烟气温度随之降低。脱硫反应产物及未被利用的吸收剂以干燥的颗粒物形式随烟气带出吸收塔，进入除尘器被收集下来。脱硫后的烟气经除尘器除尘后排放。为了提高脱硫吸收剂的利用率，一般将部分除尘器收集物加入制浆系统进行循环利用。该工艺有两种不同的雾化形式可供选择，一种为旋转喷雾轮雾化，另一种为气液两相流。

喷雾干燥法脱硫工艺具有技术成熟、工艺流程较为简单、系统可靠性高等特点，脱硫率可达到85%以上。该工艺在美国及西欧一些国家有一定应用范围(8%)。脱硫灰渣可用作制砖、筑路，但多为抛弃至灰场或回填废旧矿坑。

2.3湿法烟气脱硫工艺，它的工作原理是：将石灰石（或石灰）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，是采用液体吸收剂在离子条件下的气液反应，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%。是工业行业大规模应用的、有效的脱硫方法。占据全球脱硫装机总量的90%以上，具有适用煤种广、脱硫剂廉价易得、脱硫效率高达90%以上、烟气处理量大、吸收剂的利用率高、对煤种和机组负荷变化适应性强等诸多优点。但脱硫后烟气温度较低，设备的腐蚀较干法严重。

湿法烟气脱硫可以结合业主自身特点，采用石灰石/石膏法脱硫、氨法脱硫、双碱法脱硫、以废治废(应用现场碱性废液或工业电石渣)脱硫等方案。

我国引进的石灰/石灰石——石膏湿法脱硫技术主要有德国的鲁奇能捷斯比晓夫技术、美国巴威公司B&W技术、德国的巴高克博希格能源公司BBP技术、意大利LDRECO公司技术、奥地利AE公司技术和日本千代田技术等，以上除日本千代田吸收塔采用鼓泡塔形式外，其余吸收塔均为喷淋塔。

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。目前石灰/石灰石—石膏湿法脱硫系统目前也已成为我国烟气脱硫的主导系统

3脱硫技术的发展

3.1脱硫提效的背景

各种脱硫装置的基本原理和其结构性能优势的形成，都是力求使烟气与石灰浆液实现大面积、高强度、高效率、延时的气液充分混合接触，达到高效节能。当前，在脱硫领域提效、节能、降低运行费用降低等方面已达到极限，这说明当前的脱硫除尘净化系统需要通过更新换代方式，才能满足新的环保要求。喷淋法难于进一步提高效率、净化率的原因大致有有一下几点：

a)难以掌控优化提高石灰浆液的喷淋密度；

如果喷淋液滴大，会使气液接触面积减少且坠落快速；如果使喷淋密度高则循环泵的耗电量会很大；如果喷淋液滴细小则容易与烟气混为一体形成并存形态，容易被气流带走，烟气脱水也困难，同时也难于形成高强度的气液冲击接触，冲击范围局限在喷嘴附近。

b)喷淋所形成的气液接触能力较低，

喷淋塔内空间利用很不充分，只能依靠将塔体加高来获取气液接触时效的增加，塔高通常在40-50m；此外浆液要形成一定的喷淋细度与分散度，需很高的管道压力，使浆液喷淋循环系统形成了‘高扬程+高流量’的状况，耗电量很大、运行费用很高。大直径高塔又导致不同净化程度的气流形成紊流，使净化效果不稳定。

c)石灰石的研磨细度

由于对喷嘴与喷淋细度的严格要求，喷淋法对于石灰石的研磨细度要求比鼓泡法高一倍多，对石灰颗粒细度的均衡性要求会更高，否则喷嘴容易堵塞；因此喷淋法对于石灰石的研磨能耗与工耗的增加很多，喷嘴容易磨损导致喷淋设计效果变差，导致净化效率下降。

3.2脱硫领域提效的新工艺

才能实现突破性的提高，各科研机构、各环保公司、各大电力集团公司为实现大气污染物超低排放作出了不懈的努力，提出并实施了多种脱硫改造技术方案，下面列举的就是其中的几种。

a)多层喷淋工艺+提高氧化空气

增大吸收塔系统的液气比(L/G)，可以显著提高吸收塔SO2等污染物脱除能力。通常可以采用增加喷淋层数和增大喷淋密度两种方式来增加吸收塔的液气比。对原浆液循环泵增容和喷淋层的优化布置，来增加喷淋循环量，使传质均匀，提高SO2的脱除效率。

b)旋汇耦合脱硫技术

旋汇耦合脱硫技术基于多相紊流掺混的强传质机理，利用气体动力学原理，通过特制的旋汇耦合装置产生气液旋转翻覆湍流空间，加强气液固接触、完成高效传质过程，从而达到气体净化的目的。旋汇耦合脱硫技术的关键部件为旋汇耦合器，旋汇耦合器安装在吸收塔内，喷淋层的下方、吸收塔烟气入口的上方，通过旋汇耦合器安装位置湍流空间内气液固三相充分接触，增强气液膜传质、提高传质速率，进而提高脱硫接触反应效率。

c)合金托盘+提高总循环量

结合B&W公司的托盘技术和通用喷淋塔技术，在塔内设置一层托盘，再增加喷淋密度以增加塔内液气比,通过托盘使烟气在塔内的分布更加均匀，达到高效脱硫的目的。烟气进入吸收塔后，首先通过位于喷淋层下方的托盘，与托盘上的液膜进行气、液项的均质调整，使得吸收区域的整个高度以上可以实现气体与浆液的最佳接触。由于托盘可保持一定高度液膜，增加了吸收塔中的气液接触时间，可以起到充分吸收气体中部分污染成分的作用，增大的液气比最终保证吸收塔出口净烟气达标排放。从以往脱硫系统应用情况来看，空塔技术的业绩高于合金托盘技术；电厂对合金托盘检修、运行缺乏认知度，且托盘在运行过程中容易堵塞，当有堵塞后，气流将分布不均匀，从而影响脱硫效率，且使用托盘后，烟气系统的阻力也将有所提高，长期运行的经济性较差。

d)双塔双循环，

随着国内环保标准的提高，尤其是西南省份高硫煤地区，入口10000mg/Nm3，要求达到100mg/Nm3以下，需要脱硫效率99%以上，难度很大，需要在原来脱硫塔基础上再串塔，或者是增加塔体高度，即双塔双循环，或者单塔双循环，主要是增大液气比，本来液气比就已经很高，串塔后，液气比还要增大一倍或者更高；这样投资费用高，运行费用大，引风机需要改造。

e)联辊法脱硫除尘净化装置

西北某大学提出一种称为联辊法湿法脱硫除尘净化系统的整体技术方案，该系统通过‘高速除尘器+联辊塔’形成了新的系统工艺，据介绍，具有流程短、体积小、投资少、易操作、无故障，以及使建设运营费用、电力消耗费用大幅降低，使净化效率与净化效果大幅度提高，通过系统能力实现清洁排放。

f)、鼓泡法工艺

鼓泡塔工艺与装置是由日本千代田公司开发研制，又称：千代田工艺，即：在鼓泡反应器内将加压烟气喷射到石灰浆液的液面下较深处，在烟气鼓泡上浮过程中产生气液接触效果，实现脱硫除尘的作用，其可通过调控烟气输气管路浸入液面深度变化的方式，调控鼓泡法脱硫除尘的净化能力与效果。

鼓泡法将SO2的吸收、氧化、中和、结晶和除尘在一个吸收塔反应器中完成，使系统过程简单；鼓泡法省去了喷淋法的循环泵和喷淋装置。鼓泡法对于石灰石研磨细度与均衡程度要求大为降低，生成的石膏晶体大容易脱水，质量好；但鼓泡塔的内部结构复杂，安装维护维修的难度大，占地大，气流阻力大，吸收过程动力消耗大。

4涡轮增压湍流脱硫新技术

4.1涡轮增压湍流传质塔的原理

脱硫核心设备为传质塔，其形式有多种，如喷淋塔、填料塔，但要达到较高除尘脱硫效率，喷淋塔、填料塔必须设计成气速低、体积大、浆液分配匀，这些设备或结构复杂或对喷嘴选型材质要求高，甚至会形成结晶和结垢现象。

采用涡轮增压湍流除尘脱硫塔进行传质，不是从减少烟气流速，或者是增大塔体直径，或者增大液气比等手段来被动增加气液传质系数，而是在塔内建立了湍流传质场，形成乳化层，强制增大气液的比表面积，充分加大气液的传质系数，从而达到更高的除尘脱硫效率。

涡轮增压湍流传质是一种有别于现有FGD湿法分离机理的崭新概念——建立了湍流传质场，在湍流传质场中，参与传质的各相都处于分散状态。即多相物料在湍流传质场中，实现多相都处于分散状态，多相分散的基元互相撞击、凝并，实现基元细化，大大提高相间的接触面积——气、液、固比表面积，同时，基元间实现着高速的表面更新，保持稳定高速的传质，特别是在传质场中，存在化学反应时，相间远离平衡，传质始终保持高速，这就大大提高了设备的分离、反应效率。

涡轮湍流传质场是利用气流本身的能量，通过改变流道的大小和方向，加速(矢量加速)气流速度和增强气流的扩散，形成超强湍流场，液体进入超强湍流场，被撞击分散，气体本身在撞击液体时也伴随分散。要建立湍流场，气流速度一般都要选在12m/s以上，甚至高达30m/s，因而传质塔可建得很小，水量也用得很少。在湍流场中，液体的比表面积比起喷淋塔、填料塔、板式塔的液体比表面积成数十倍的增加。

4.2涡轮增压湍流除尘脱硫塔的特点

(1)效率高，设置有单级涡轮增压湍流装置的脱硫塔，效率可达95%以上，设置有两级涡轮增压湍流装置的脱硫塔，效率可达到99%以上。

(2)阻力小，比同类型脱硫设备(美国的动力波洗涤器阻力约5000pa),阻力只1200-1800pa,当脱硫效率达到99%以上时，其压阻最高2000Pa上下，与喷淋塔阻力相当.

(3)耗能低（液气比小），设计脱硫效率在95%时，液气比约3:1,；设计脱硫效率在99%以上时，液气比约6:1(最高只有6:1(即每处理1m³烟气用6L浆液，以下同)，而重庆铬璜电厂(日本三菱技术)取25-26:1，北京一热(德国比晓夫技术)取25-26:1。

(4)不易结垢。采用涡轮增压湍流塔技术除尘或脱硫设备内部没有喷头和运动部件，不存在管道堵塞和结垢现象，并且适合各种脱硫剂；如石灰石、氧化镁、氧化钙、电石渣、氢氧化钠、各种废碱液、氨水等。对于一般的空塔喷淋脱硫塔，由于喷淋液喷出后与SO2接触，PH有一个从高到低的渐变过程，往往在渐变过程中，特别是在高PH区容易形成物理性或化学性结垢，这一过程往往又难以消除，比如在气液接触死角或循环液冲不到的地方，或局部水分蒸发快的地方（干湿搭接区域），都是易结垢之处；

而涡轮增压湍流脱硫塔内结构简单、没有死角；进浆没有喷嘴，而且浆液一旦进入湍流发生器内，立即与循环液混合，几乎不存在PH过度段，因而没有形成垢的条件，浆液在器内沿器壁高度旋转，即使有物理性垢附着在器壁，涡轮增压湍流脱硫塔的自清洁能力强。

(5)维护极其方便：由于塔内气速高，处理烟气的设备内经小。涡轮增压湍流脱硫设备结构简单、塔内不设置转动件，不设置喷嘴，不设置填料，因此在运行过程中基本不存在脱硫塔的维修工作量。

4.3涡轮增压湍流脱硫新技术应用实例

北京中冶隆生环保科技发展有限公司涡轮增压湍流设备在脱硫行业应用及其广泛，具有很多优势。主要用于对各类锅炉和炉窑脱硫、除尘、脱氟技术升级改造。

燃煤锅炉行业：西南地区燃煤含硫量一般在3~7%（例如贵州省大部地区），烟气入口浓度一般在8000mg/Nm3—15000mg/Nm3左右，要求出口二氧化硫浓度控制在400mg/Nm3以下，由此，脱硫效率均在95~99%。采用该技术改造后，二氧化硫轻松达标，根据实测，一般都在几十毫克范围，而且，还具有运行稳定，运行费用低等特点。

燃煤冶金炉窑行业：燃煤冶金炉窑或化工回转窑，一般烟气二氧化硫含量很高，尤其是矿石本身含硫，通过原矿焙烧，烟气二氧化硫都在10000mg/Nm3，甚至高达30000mg/Nm3（如中国黄金贵州金兴矿业公司）以上。出口二氧化硫设计控制在100mg/Nm3，其脱硫效率99.5%以上。采用该技术改造后，二氧化硫均达到或优于设计指标，并且具有运行稳定，运行费用低等特点。

列举几个案例如下：

（1）中铝山东分公司240t/h煤粉炉，

脱硫塔入口烟气二氧化硫浓度4100mg/Nm3，2013年12月16日中国铝业股份有限公司山东分公司委托山东华度检测有限公司对4号锅炉脱硫塔进行检测，其烟气检测结果报告单，脱硫塔出口烟气二氧化硫浓度21(mg/Nm3)，小于地方要求值50mg/Nm3。

(2)中国黄金集团贵州金兴矿业有限公司沸腾炉烟气脱硫项目：

脱硫塔入口烟气二氧化硫浓度：30000mg/Nm3，脱硫塔出口烟气二氧化硫浓度100mg/Nm3，优于业主要求值427mg/Nm3脱硫效率99.9%

(3)贵州轮胎股份有限公司75t/h锅炉烟气脱硫项目：

脱硫塔入口烟气二氧化硫浓度：13000mg/Nm3，脱硫塔出口烟气二氧化硫浓度200mg/Nm3，脱硫效率98.5%；

(4)贵州茅台酒股份有限公司锅炉烟气脱硫项目

脱硫塔入口烟气二氧化硫浓度：7000~8000mg/Nm3，脱硫塔出口烟气二氧化硫浓度100mg/Nm3，脱硫效率98.7%；

(5)贵州红星股份有限公司碳酸钡焙烧回转窑烟气脱硫项目：

脱硫塔烟气入口浓度18000mg/Nm3，脱硫塔出口烟气二氧化硫浓度400mg/Nm3，脱硫效率98.0%；

4.4应用该技术部分业绩表(2016年3月止)（略）

原标题：【技术干货】涡轮增压湍流脱硫新技术