浅析循环流化床烟气脱硫技术

　　摘要：循环流化床烟气脱硫技术（CFB-FGD）是一种半干法脱硫工艺。该技术具有结构简单、易于操作，运行费用低的特点，而且能够在很低的钙硫比的情况下获得较高的脱硫效率，是一种适合我国国情的一种脱硫技术。本文详细介绍了循环流化床烟气脱硫技术的特点，分析了其脱硫原理以及影响脱硫效率的因素，并论述了循环流化床烟气脱硫技术存在的问题及国内的研究状况。
　　关键词：循环流化床；烟气脱硫；脱硫技术；脱硫效率
　　引言：我国是大气污染最严重的国家之一，而SO2是目前大气污染物中影响最广、数量最大的一种气体污染物。在1997年我国的SO2排放总量就已经达到2346万t，居世界第一位。SO2是酸雨的形成的主要原因，酸雨能够影响人体的健康，腐蚀建筑物，破坏森林、水生物的生态平衡，使土壤酸性贫瘠。SO2气体的大量排放给我国的自然环境带来了巨大影响。因此控制和减少SO2的排放，研究脱硫技术具有很强的现实意义。
　　循环流化床烟气脱硫工艺(CFB-FGD)是控制SO2气体污染方法中的一种，它是由德国鲁奇(Lurgi)公司于80年代后期开发的一种新的半干法技术。随着世界脱硫市场的扩大，循环流化床烟气脱硫工艺已经引起了人们越来越多的关注，丹麦的FLS公司、德国的Wulff公司、日本的日立公司以及瑞典的ABB公司都对这种工艺进行了开发研究。目前已达到工业化应用的有3种流程，它们分别是：Lurgi-Bischoff公司的烟气脱硫技术；Wulff公司的RCFB烟气脱硫技术；FLS公司的烟气脱硫GSA技术。下面将针对循环流化床烟气脱硫技术进行简单的分析。
　　1循环流化床烟气脱硫技术特点
　　烟气脱硫技术归纳起来有三种：湿法洗涤、半干法、和干法。湿法洗涤的特点是脱硫效率比较高，但是运行及维护费用也比较高，投资大而且容易造成二级污染；干法的特点是投资少，但是脱硫效率低，钙的利用率低，脱硫剂浪费较为严重。半干法脱硫效率以及运行维护费用均适中，但钙的利用率不高，不适合高硫煤烟气处理。循环流化床烟气脱硫技术则属于一种半干法脱硫工艺。这种工艺以循环流化床原理为基础，通过对吸收剂的多次再循环利用，来延长烟气与吸收剂的接触时间，从而大大地提高了吸收剂的利用率和脱硫效率。它不但具有干法脱硫工艺的优点，而且还能在很低的钙硫比条件下，达到湿法工艺的脱硫效率。具体说来，它具有以下特点：
　　1.1脱硫效率高
　　其不仅脱硫效率高，且能有效脱除SO3、氯化物和氟化物等有害气体。在钙硫比为1.1~1.5时，脱硫效率可达到90%以上，是目前各种干法、半干法烟气脱硫工艺中最高的，甚至可以赶上湿法工艺；对SO3、氯化物和氟化物等气体脱除效率远高于湿法工艺，可以达到90%~99%，因而对反应塔以及烟道、烟囱等设备的腐蚀性较小，可直接使用干烟囱排放脱硫烟气，而不采用烟气再热器，对现有的烟囱也可不进行防腐处理。
　　1.2成本低
　　工艺流程简单，所需系统设备少，仅为湿法工艺的40%~50%，且传动部件少，提高了系统的可靠性并降低了检修和维护费用；占地面积为湿法工艺的30%~40%，系统布置灵活，适合现有机组的改造和场地紧缺机组的新建；工程投资运行费用和脱硫成本相当于湿法工艺的50%~70%；能源消耗如电耗、水耗等，仅为湿法工艺的30%~50%。
　　1.3对燃煤硫分的适应性强
　　它对燃煤硫分的适应性强，可用0.3%~6.5%的燃煤硫分。且应用于中低硫煤时(<2%)，其经济性优于湿法工艺。对锅炉负荷变化的适用性强，而且启停方便，负荷跟踪特性好，可在30%负荷时投用，对基本负荷和调峰机组适用性均很好。
　　此外，在脱硫吸收剂中加入少量的铁基催化剂，能够脱除60%~90%氮氧化物，在脱硫脱氮一体化方面具有发展潜力。
　　2循环流化床烟气脱硫原理
　　循环流化床烟气脱硫原理是利用循环流化床强烈的传热和传质特性，在流化床内加入石灰脱硫剂从而达到脱硫、并除掉部分有害气体的目的。其具体工艺过程为：烟气进入循环流化床反应器，然后在其中与石灰浆反应，石灰浆固体在反应器内同时完成蒸发和脱硫的过程。烟气经过分离器和除尘器后，部分物料循环进入流化床反应塔，其他的物料则收集后集中处理。利用物料的循环增长脱硫剂的停留时间，来提高钙利用率和反应器的脱硫效率。事实上在脱硫过程中，有诸多因素会影响脱硫效率，概括如下：
　　2.1脱硫剂表面有无水分能够影响脱硫效率
　　实验表明，如果循环流化床内没有喷水，循环流化床烟气脱硫效率较低。循环流化床烟气脱硫实际上是处于干法和湿法之间的半干法烟气脱硫。脱硫剂表面没有水分时，脱硫机理为：首先SO2气体扩散到脱硫剂表面；然后SO2在表面和脱硫剂结合，反应生成CaSO3，在氧化条件下部分氧化生成CaSO4；而部分的SO2通过孔隙内气相扩散进入脱硫剂内部参加反应，在此过程中，由于CaO比CaSO4和CaSO3的体积小。CaSO4有可能堵住内部孔隙而使得脱硫效率比较低。而当脱硫剂表面含有水分时，脱硫机理则为：SO2从主流体向颗粒表面的外部气相传质，而后颗粒表面对SO2进行吸收溶解，形成HSO3-，SO32-；然后硫份在液相中扩散，Ca(OH)2颗粒在液相中发生溶解；最后钙与硫的液相反应。
　　在脱硫剂中含有水分的情况下，之所以更有利于脱硫，是因为：（1）水分在颗粒内部的渗透在Ca(OH)2颗粒间形成液膜，使气体分子在孔隙和产物层内的扩散转变为液相中的离子扩散，减小了扩散路径和阻力。（2）颗粒表面的水分通过吸收溶解SO2，形成有利于反应进行的新反应成份HSO3-、SO32-，含有水分的脱硫剂进入循环床内，就等于首先进行湿法脱硫，同时脱硫剂表面的水分蒸发，然后进行的是干法脱硫。一定条件下，湿法脱硫占得比重越大，循环流化床的脱硫率就越高，但如果湿法所占比例太大，则会影响循环流化床的正常运行，而且固体废物中水分也会不好处理。
　　2.2钙硫比、含水量、塔内温度、塔内平均温度和绝热饱和温度差等脱硫运行中的参数，也会影响脱硫效率
　　一般情况下，钙硫摩尔比越大脱硫效率越高，但过大的钙硫比是不必要的，实际操作中选择的钙硫比为1.1~1.40。脱硫剂要由一定的含水量，颗粒在进入塔内可以通过造粒过程制成含有一定水分，一定粒径的脱硫剂颗粒，同时可以向脱硫塔内喷水，要求喷水要均匀。一般要求颗粒表面含水量控制在3~7%之间，过量的含水量对增大脱硫率效果并不明显。有实验表明，颗粒表面含水量从0增加到0.08脱硫反应速率增加了27.4倍，而含水量从0.08增加到0.5反应速率增加的却不到1倍。
　　循环流化床脱硫的最佳温度为70oC~90oC。但由于受烟气温度的控制，塔内实际温度往往高于此值，通过向塔内喷水可以降低温度，但喷水量受运行条件影响，不能过大。实际上，塔内温度可以控制在90~150oC，而一般情况下是100~120℃之间。
　　塔内平均温度和绝热饱和温度之差(△T)对脱硫率也有很大影响。△T越大，脱硫剂表面的水在蒸发的就越快，脱硫效率就会越低；△T越小，脱硫剂表面水蒸发就越慢，有可能在颗粒到达避面时还没有蒸发完，颗粒容易附在避面上。通常认为，在△T为15℃~20℃时，脱硫效率可以达到最高值为80%以上。
　　3循环流化床烟气脱硫技术存在的问题
　　3.1脱硫副产品的综合利用问题
　　循环流化床烟气脱硫工艺的脱硫副产品中含有亚硫酸钙。由于亚硫酸钙的化学性能不稳定，在自然环境下逐渐氧化为硫酸钙的过程中体积会增大，这将会影响到原粉煤灰的综合利用。为避免此种情况发生，脱硫系统则必须布置在锅炉除尘器之后，且必须增设脱硫除尘器，用于捕集脱硫副产品。目前，国内外也正在开发对脱硫副产品综合利用的新途径。
　　3.2对作为吸收剂的石灰的要求比较高
　　在石灰工业较为成熟的发达国家，得到高质量的商品石灰相对容易，因此以高品位石灰作为吸收剂不会出现供应上的问题。但对我国来讲，石灰的供应品位低、供应量不足、质量不稳定、价格过高、供应源分布不均等现象仍然存在。而且石灰对人体也有一定的危害，因此如果系统密封性和安全措施不够好的话，有可能对人造成伤害。
　　3.3反应塔的压力降波动大且系统压力降较大
　　反应塔内大量物料不断地湍动会引起反应塔的压力波动较大，这样会造成锅炉炉膛负压的不稳定。如将脱硫增压风机设置在脱硫系统上游，可适当减小影响。系统的压力降也较大。需要增加新的脱硫风机才可以克服如此大的压降，运行费用还会因为高的压力损失而有所增加。
　　4国内循环流化床烟气脱硫的研究现状及发展
　　我国在1961年就开始了对烟气脱硫技术的研究，但目的是为了防止锅炉尾部受热面的低温腐蚀。1986年燃煤二氧化硫污染技术被我国列为重点研究课题，60多个高校、科研和生产单位先后对脱硫工艺进行了研究以及实验。如清华大学、中绿公司、东南大学等。东南大学热能工程研究所用干消化石灰粉末作脱硫剂在变速循环流化床进行了脱硫实验研究，Ca/S=1.1，在喷入适量水的情况下，脱硫效率达到了85%。1999年又建造一处理量为1500Nm3/h的实验台，并将之投入了工业应用。清华大学热能工程系煤清洁燃烧国家重点实验室进行的是小型循环流化床烟气脱硫的试验研究，试验装置为高6000mm、直径280mm的竖直筒体，用电加热空气进行模拟烟气，顶端采用端头结构以增强内循环，采用脱硫剂为石灰浆，在Ca/S为1.4并控制床内温度接近露点温度的情况下，脱硫效率达到了96%以上。
　　总体来讲，虽然我国对循环流化床烟气脱硫技术的研究起步较早，但是发展缓慢。我国目前使用的脱硫装置大部分还是采用进口，而且价格昂贵。与发达国家相比，在循环流化床烟气脱硫方面我国大部分的技术还停留在小试或中试阶段，虽然一部分已经有了工业试验，但还都没有大规模推广使用。
　　现在循环流化床烟气脱硫技术各个国家都在积极探索研究，并逐步朝着系统简单化、设备大型化、控制自动化发展，因此国内应用循环流化床烟气脱硫技术的比例也在逐步提高。随着对循环流化床烟气脱硫技术认识的深入、以及对脱硫灰综合利用的改进开发，循环流化床烟气脱硫技术应用的前景将会更加广阔。
　　5结语
　　循环流化床烟气脱硫技术通过对吸收剂的循环利用，提高了脱硫效率，与其他脱硫技术相比在诸多方面具有很大的优越性。就目前的技术水平而言，传统的脱硫工艺在设备投资、运行等方面还有存在一些问题，因此，对我国这样一个环境形势严峻而经济实力相对薄弱的国家来说讲，寻找更高效、经济、可靠的脱硫方法尤为必要。循环流化床烟气脱硫技术无疑是今后发展的一个方向。
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