水膜旋紊脱硫除尘技术研究与应用

1 研究背景

为了改善并提高大气环境质量，北京市1998年就开始实施控制大气污染紧急措施，2002年又颁布了与国际接轨的DB11/139—2002《锅炉污染物综合排放标准》，按该标准，特别是2003年11月1日起开始执行的第II时段标准，现有锅炉，即使是大量配有麻石水膜除尘器的锅炉，外排烟气中的SO2，烟尘等污染物也均不能达标。
针对大量配有麻石水膜除尘器的锅炉，外排烟气不能达标的现状，如果采取全部拆除或部分拆除的办法，再重新上烟气脱硫除尘设施，不但投资大，而且产生大量难以处理的固体废弃物，对企业，特别是资金紧缺的企业都难以接受。目前，最好的途径，就是立足现状，用较省的投资，较低的运行费用，来满足新的更严格的烟气排放标准。据此，成功开发了新颖高效水膜旋紊脱硫除尘新技术，2002年首先在北京邮电大学（20t/h采暖锅炉）获得成功应用，紧接着在北京燕京啤酒股份有限公司（20t/h工业蒸汽锅炉）再次获得成功应用。


2 烟气脱硫技术展望

针对我国经济实力薄弱，环境标准日益与国际接轨的国情，我们不能选择工业发达国家现行的高投入控制环境问题的模式，立足国内，依靠自己的技术，研究投资省，运行费用低，处理效果好的国产化烟气脱硫技术，是必由之路，使企业上得起，也用得起，在我国才具有广阔的实用前景。
下面是我国近年来运行效果好的部分实用技术。
程志久、殷广瑾等人发明的两项发明专利技术，均都授权，第一项，“半干式烟气脱硫与生产磁化肥的一体化方法和设备”（证书号：86016号），第二项，“烟道气处理焦化剩余氨水或全部焦水废水的方法”（证书号：84133号），二项发明专利解决了目前烟气脱硫费用高的难题，都是半干式脱硫技术，都是利用专利技术中的特殊设备，将烟气脱硫与焦化等高浓度难降解有机工业废水处理一体化，都是以废治废技术，不仅处理效果好，还具有投资省，运行费用低，废水经处理后零排放，不产生二次污染的优势，1999年，首先在江苏省淮钢集团获得成功应用，接着在山西省太钢集团临钢公司，山东省莱钢集团获得成功应用。目前正在四川、河南、河北等地推广应用，推广应用阶段，又将原专利技术进行了改进，改进后的技术，技术经济优势更大，实用性更强。
此外，漏塔板沸腾层湿法废气脱硫技术，旋流板旋流层湿法废气脱硫技术，以及这二项技术组合的湿法废气脱硫技术，目前在我国都有应用实例，都是脱硫除尘一体化技术，都具有上马快，效率高，实用性强的特点。
新颖高效水膜旋紊脱硫除尘新技术，对锅炉烟气处理，特别是对已配有麻石水膜除尘器的锅炉烟气处理，可为最适合我国国情的脱硫除尘一体化的环保实用技术，它具有改动量小，上马快，不另行占地；投资省，运行费用低，脱硫除尘效率高；设备不结垢，不堵塞，不带水，不产生二次污染的巨大优势。
根据国务院关于两控区酸雨和二氧化硫污染防治“十五”计划的批复：确保2005年两控区内二氧化硫排放量比2000年减少20%。
据统计，2000年我国二氧化硫排放总量为1995万吨，而两控区内二氧化硫排放量为1316.4万吨，约占总量的66%，按“十五”计划要求，到2005年，两控区内二氧化硫排放量不仅不能增加，还要比2000年减少20%，即减少263.3万吨，可见，我国两控区二氧化硫污染防治任务十分艰巨。


3 水膜旋紊脱硫除尘新技术

对已配有麻石水膜除尘器的锅炉，在保留原水膜除尘器的基础上，只在主塔内部进行改造，即原水膜除尘器外型结构不变，就连作业场地的平面布局也基本维持现状，不存在另行占地问题。
在主塔内增设了旋流器，紊流器，挡水器以及喷雾设施。其中旋流器、紊流器、喷雾设施，材质均为316不锈钢，以下以北京邮电大学工程为例，介绍本工艺设备的运行参数及运行效果。
3.1 工艺流程
锅炉烟气，首先经原文丘里管，在管内和雾化状的脱硫液混合并接触，烟气中的SO2被初步吸收，烟尘被浸湿，并相互碰撞形成颗粒状，随液流流向主塔下部，烟气和雾状脱硫液由切向进入主塔下部，并沿着塔壁旋转向上，烟气中的尘粒在离心力作用下甩向塔壁，随液流沿塔壁流向主塔下部，并同时发生脱硫反应，烟气中的SO2，烟尘得到初步净化。初步净化后的烟气上升到由旋流器构成的旋流层，烟气被二次净化。二次净化后的烟气继续上升到由紊流器构成的紊流层，烟气被再次净化。经多次净化后的烟气，经主塔上部的挡水器，副塔及外置脱水器脱水后，由引风机经烟囱达标排放。脱硫除尘后的废水（PH 5—6），由主塔下部排水口排出，与锅炉冲渣水一起依次排入沉渣池，沉淀池，清水池（即PH调节池），清水池的水用脱硫液调至PH 8—9，循环使用不外排，沉渣池中的渣，外运制砖，整个工艺过程不产生二次污染。
本工艺设有脱硫剂乳化液制备系统。北京邮电大学烟气脱硫剂为轻烧氧化镁，采用锅炉冲渣水配制氧化镁乳化液，这是以废治废措施，节约水资源。也可以采用生化外排废水为脱硫液，这也是以废治废措施，不仅节约水资源而且节省脱硫剂费用，北京燕京碑酒股份有限公司就是如此，不仅脱硫除尘效率高，而且运行费用非常低。
本系统安装了SLEP—2000工程在线监测仪，主要监测项目有：SO2，烟尘，烟气量，烟气温度，烟气流速及氧气含量等参数。
为了防止系统堵塞，挡水器及外置脱水器均设有反冲洗装置。
本工艺操作简单，通过液气比、脱硫剂量等关键参数的控制，可以有效地控制外排烟气中SO2, 烟尘的排放浓度。对于含硫量低于0.5%的燃煤，脱硫剂氧化镁的加入量为理论计算量的1/2时，外排SO2浓度可控制在<30mg/m3，当液气比为0.8时，外排烟尘浓度可控制在<30mg/m3。


3.2 研究的指导思想及效果分析
水膜除尘器，在我国历史上是作出了环保贡献的，它的优点是，投资省，运行费用低，除尘效率比较高，设备耐磨，抗腐，使用寿命长，操作简单，维修方便。它的不足之处，就是脱硫率很低，针对新的烟气排放标准，除尘效率还需要进一步提高。
本研究的指导思想，就是充分利用水膜除尘器的优点，采取措施克服它的不足之处。首先在文丘里管内布设了喷雾设施，脱硫液以雾化状与烟气接触，不仅大大增加了接触面积，而且增加了碰撞动力，有利于提高脱硫效率和除尘效率。第二个措施，也是最主要的措施，就是在主塔内，设置了旋流器，烟气和脱硫液，在旋流器上通过高速旋转碰撞，不仅增加了脱硫反应的反应动力，而且进一步增加了碰撞动力，当烟气通过旋流器后，已获得较高的脱硫除尘效率，经实测，SO2，烟尘均都达到北京市地方标准中的第II时段标准。可见，增设的旋流器，对提高脱硫除尘效率，起到了决定性作用。第三个措施，就是增设了紊流器，烟气和脱硫液，在紊流器的上方，形成了激烈的水、气、固三相紊流反应层，在紊流反应层中，脱硫反应更加充分，更加完善，在紊流反应层中，即使粒径很小的烟尘也都能除去。今年3月份，北京邮电大学2台20t/h燃煤锅炉，在满负荷甚至超负荷的状态下，经权威监测单位监测，SO2浓度很低，甚至检测不出；烟尘浓度也很低，有时测尘的滤纸都是白色的。可见，紊流器在旋流器的基础上，又进一步提高了脱硫除尘效率。紊流器对旋流器而言，起到了总量控制的效果。
主塔内增设的旋流器，是脱硫除尘的主角，它可以确保烟气达标排放；而增设的紊流器，不仅确保烟气达标排放，还确保烟气在总量控制范围内达标排放。
北京市是我国两控区中的SO2污染控制区，两控区的目标，2000年开始工业污染源实行SO2达标排放和总量控制。主塔内增设的紊流器，它确保总量控制，确保实现两控区的目标。


3.3 本工程发生的主要脱硫反应
本工程为湿法脱硫技术，脱硫反应复杂。
脱硫剂为轻烧氧化镁，采用锅炉冲渣水配制氧化镁乳化液，即脱硫液，该脱硫液主要成份就是悬浮态的Mg(OH)2，此外还含有冲渣水中的Ca(OH)2等碱性化合物。
Mg(OH)2是中等强度的碱性化合物，溶解部分按碱的型式离解。它首先与酸性氧化物SO2，在水溶液中发生酸碱中和反应。
Mg(OH)2+ SO2+H2O→Mg SO3+2H2O……………………………………………………（1）
反应产物为Mg SO3，MgSO3又继续与SO2，在水溶液中反应，生成Mg(HSO3)2
MgSO3+ SO2+H2O→Mg(HSO3)2……………………………………………………………（2）
Mg(HSO3)2是很不稳定的化合物，它和Mg(OH)2反应生成MgSO3。
Mg(HSO3)2 +Mg(OH)2→2Mg SO3+2H2O…………………………………………………（3）
Mg SO3也是不稳定的化合物，它在O2存在的条件下，本系统进行催化氧化反应，催化剂为粉煤灰中的铁、铜化合物，最终反应生成物为稳定的MgSO4
Mg SO3+1/2 O2→MgSO4……………………………………………………………………（4）
MgSO4与冲渣水中的Ca(OH)2反应生成CaSO4沉淀，并同时再生Mg(OH)2
MgSO4+Ca(OH)2→CaSO4↓+Mg(OH)2………………………………………………… （5）
上述这些反应，是本工程发生的主要脱硫反应。
化学反应是向沉淀方向进行的，可见反应（5）生成CaSO4沉淀的化学反应，不仅活化了Mg(OH)2，提高了SO2吸收率，还减少了MgO的用量，降低了循环液中硫酸根的浓度。


3.4 主要工艺参数
脱硫剂为轻烧氧化镁；
脱硫液为轻烧氧化镁——锅炉冲渣水；
Mg/S：0.6；
液/气：0.5—1.0 l/m3；
系统阻力：1100—1300Pa


3.5 北京邮电大学工程总投资及年运行费用
2台20 t/h采暖锅炉工程总投资74.05万元，包括主塔改造，脱水器，引风机等设备费用。
年运行费，按采暖季节，每年2900小时运行时间计算，一台20t/h锅炉年增加的运行费用为4.21万元，其中脱硫剂费用1.09万元，电费2.44万元，维修等费用0.68万元，2台20t/h锅炉年增加的运行费用为8.42万元。由此增加的采暖费为每建筑平方米0.15—0.20元。这是普通百姓可以接受的费用。


3.6 北京邮电大学工程运行效果
工程于2002年11月1日投产，至2003年3月底，已连续正常运行了5个月，经海淀区环保局，北京市环保局以及工程在线监测仪监测结果表明，北京邮电大学锅炉外排烟气，SO2，烟尘等各项污染物，均超前达到北京市2003年11月1日起执行的DB11/139—2002《锅炉污染物综合排放标准》中的第II时段标准，即SO2<150mg/m3，烟尘<50mg/m3，NOx<300mg/m3，烟气黑度达林格曼I级。
表1为总量控制污染物，SO2，烟尘的实测结果。



北京邮电大学是采暖锅炉，而北京燕京啤酒股份有限公司是工业蒸汽锅炉，自2002年11月投产至今，已连续正常运行了10个多月，监测结果表明，本工程技术可行，运行稳定、效果好，能确保锅炉外排烟气，在总量控制范围内满足北京市严格的《锅炉污染物综合排放标准》，且不产生二次污染，不产生结垢、堵塞、带水等现象。


4 北京邮电大学工程获得的环境经济效益

4.1 环境效益
每年减少SO2排放量约100吨，锅炉外排烟气中的SO2，烟尘等各项污染物均超前达到北京市2003年11月1日起执行的地方标准中的第II时段标准。脱硫除尘后的废水，循环使用不外排，废渣外运制砖，整个工艺过程不产生二次污染。有利于改善北京市区的大气环境质量和生态环境质量，环境效益显著。


4.2 经济效益
不考虑节约水资源费，超标烟尘排污等费用，仅考虑节约SO2排污费，每年12万元，扣除年运行费用8.42万元，每年至少为北京邮电大学创造经济效益3.58万元。此外，还避免了因SO2超标排放，每次10万元的罚款损失，本工程获得较好的经济效益。


5 结论

新颖高效水膜旋紊脱硫除尘新技术，是适合我国国情的脱硫除尘一体化的环保实用技术，它具有六大经济技术优势。
5.1 投资省，运行费用低；
5.2 脱硫除尘效率高，不产生二次污染；
平均脱硫率>95%，平均除尘效率>98%，烟气达标排放，废水循环使用不外排，废渣综合利用，整个工艺过程不产生二次污染。
5.3 环境经济效益好；
5.4 技改工作量小，上马快，不另行占地；
5.5 设备耐磨，抗腐，不易堵塞，不带水，主体设备使用寿命长，>15年（材质为316不锈钢）；
5.6 适应范围广，实用性强。
适用于改造现有麻石水膜除尘器的各类大、中、小型锅炉，窑炉等的烟气脱硫除尘，也适用于新建的各种锅炉、窑炉等的烟气脱硫除尘，能确保在总量控制范围内，满足各种烟气污染物排放标准的要求。