新穎高效水膜旋紊脫硫除塵技術研究與應用

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簡介： 為執(zhí)行北京市與國際接軌的DB11/139—2002《鍋爐污染物綜合排放標準》，而成功開發(fā)了新穎高效水膜旋紊脫硫除塵新技術。它以輕燒氧化鎂一鍋爐沖渣水或氧化鈣一鍋爐沖渣水，或石灰石一鍋爐沖渣水，或生化外排水為脫硫液，通過水膜、旋流，紊流相組合的濕式脫硫除塵設備，用較省的投資，較低的運行費用，在總量控制范圍內(nèi)，滿足北京市嚴格的《鍋爐污染物綜合排放標準》，不產(chǎn)生二次污染，不產(chǎn)生結(jié)垢、堵塞、帶水等現(xiàn)象。該脫硫除塵新技術，于2002年成功應用于北京郵電大學（20t/h采暖鍋爐），北京燕京啤酒股份有限公司（20t/h工業(yè)蒸汽鍋爐），外排煙氣中的SO2<30mg/m3（第II時段標準為150 mg/m3），煙塵<30mg/m3（第II時段標準為50mg/m3）。NOx<180mg/m3(第Ⅱ時段標準為300mg/m3)。該新技術，目前正在各地推廣應用。
關鍵字：水膜旋紊脫硫除塵 脫硫除塵 水膜除塵器

1 研究背景

為了改善并提高大氣環(huán)境質(zhì)量，北京市1998年就開始實施控制大氣污染緊急措施，2002年又頒布了與國際接軌的DB11/139—2002《鍋爐污染物綜合排放標準》，按該標準，特別是2003年11月1日起開始執(zhí)行的第II時段標準，現(xiàn)有鍋爐，即使是大量配有麻石水膜除塵器的鍋爐，外排煙氣中的SO₂，煙塵等污染物也均不能達標。

針對大量配有麻石水膜除塵器的鍋爐，外排煙氣不能達標的現(xiàn)狀，如果采取全部拆除或部分拆除的辦法，再重新上煙氣脫硫除塵設施，不但投資大，而且產(chǎn)生大量難以處理的固體廢棄物，對企業(yè)，特別是資金緊缺的企業(yè)都難以接受。目前，最好的途徑，就是立足現(xiàn)狀，用較省的投資，較低的運行費用，來滿足新的更嚴格的煙氣排放標準。據(jù)此，成功開發(fā)了新穎高效水膜旋紊脫硫除塵新技術，2002年首先在北京郵電大學（20t/h采暖鍋爐）獲得成功應用，緊接著在北京燕京啤酒股份有限公司（20t/h工業(yè)蒸汽鍋爐）再次獲得成功應用。

2 煙氣脫硫技術展望

針對我國經(jīng)濟實力薄弱，環(huán)境標準日益與國際接軌的國情，我們不能選擇工業(yè)發(fā)達國家現(xiàn)行的高投入控制環(huán)境問題的模式，立足國內(nèi)，依靠自己的技術，研究投資省，運行費用低，處理效果好的國產(chǎn)化煙氣脫硫技術，是必由之路，使企業(yè)上得起，也用得起，在我國才具有廣闊的實用前景。

下面是我國近年來運行效果好的部分實用技術。

程志久、殷廣瑾等人發(fā)明的兩項發(fā)明專利技術，均都授權，第一項，“半干式煙氣脫硫與生產(chǎn)磁化肥的一體化方法和設備”（證書號：86016號），第二項，“煙道氣處理焦化剩余氨水或全部焦水廢水的方法”（證書號：84133號），二項發(fā)明專利解決了目前煙氣脫硫費用高的難題，都是半干式脫硫技術，都是利用專利技術中的特殊設備，將煙氣脫硫與焦化等高濃度難降解有機工業(yè)廢水處理一體化，都是以廢治廢技術，不僅處理效果好，還具有投資省，運行費用低，廢水經(jīng)處理后零排放，不產(chǎn)生二次污染的優(yōu)勢，1999年，首先在江蘇省淮鋼集團獲得成功應用，接著在山西省太鋼集團臨鋼公司，山東省萊鋼集團獲得成功應用。目前正在四川、河南、河北等地推廣應用，推廣應用階段，又將原專利技術進行了改進，改進后的技術，技術經(jīng)濟優(yōu)勢更大，實用性更強。

此外，漏塔板沸騰層濕法廢氣脫硫技術，旋流板旋流層濕法廢氣脫硫技術，以及這二項技術組合的濕法廢氣脫硫技術，目前在我國都有應用實例，都是脫硫除塵一體化技術，都具有上馬快，效率高，實用性強的特點。

新穎高效水膜旋紊脫硫除塵新技術，對鍋爐煙氣處理，特別是對已配有麻石水膜除塵器的鍋爐煙氣處理，可為最適合我國國情的脫硫除塵一體化的環(huán)保實用技術，它具有改動量小，上馬快，不另行占地；投資省，運行費用低，脫硫除塵效率高；設備不結(jié)垢，不堵塞，不帶水，不產(chǎn)生二次污染的巨大優(yōu)勢。

根據(jù)國務院關于兩控區(qū)酸雨和二氧化硫污染防治“十五”計劃的批復：確保2005年兩控區(qū)內(nèi)二氧化硫排放量比2000年減少20%。

據(jù)統(tǒng)計，2000年我國二氧化硫排放總量為1995萬噸，而兩控區(qū)內(nèi)二氧化硫排放量為1316.4萬噸，約占總量的66%，按“十五”計劃要求，到2005年，兩控區(qū)內(nèi)二氧化硫排放量不僅不能增加，還要比2000年減少20%，即減少263.3萬噸，可見，我國兩控區(qū)二氧化硫污染防治任務十分艱巨。

3 水膜旋紊脫硫除塵新技術

對已配有麻石水膜除塵器的鍋爐，在保留原水膜除塵器的基礎上，只在主塔內(nèi)部進行改造，即原水膜除塵器外型結(jié)構(gòu)不變，就連作業(yè)場地的平面布局也基本維持現(xiàn)狀，不存在另行占地問題。

在主塔內(nèi)增設了旋流器，紊流器，擋水器以及噴霧設施。其中旋流器、紊流器、噴霧設施，材質(zhì)均為316不銹鋼，以下以北京郵電大學工程為例，介紹本工藝設備的運行參數(shù)及運行效果。

3.1 工藝流程

鍋爐煙氣，首先經(jīng)原文丘里管，在管內(nèi)和霧化狀的脫硫液混合并接觸，煙氣中的SO₂被初步吸收，煙塵被浸濕，并相互碰撞形成顆粒狀，隨液流流向主塔下部，煙氣和霧狀脫硫液由切向進入主塔下部，并沿著塔壁旋轉(zhuǎn)向上，煙氣中的塵粒在離心力作用下甩向塔壁，隨液流沿塔壁流向主塔下部，并同時發(fā)生脫硫反應，煙氣中的SO₂，煙塵得到初步凈化。初步凈化后的煙氣上升到由旋流器構(gòu)成的旋流層，煙氣被二次凈化。二次凈化后的煙氣繼續(xù)上升到由紊流器構(gòu)成的紊流層，煙氣被再次凈化。經(jīng)多次凈化后的煙氣，經(jīng)主塔上部的擋水器，副塔及外置脫水器脫水后，由引風機經(jīng)煙囪達標排放。脫硫除塵后的廢水（PH 5—6），由主塔下部排水口排出，與鍋爐沖渣水一起依次排入沉渣池，沉淀池，清水池（即PH調(diào)節(jié)池），清水池的水用脫硫液調(diào)至PH 8—9，循環(huán)使用不外排，沉渣池中的渣，外運制磚，整個工藝過程不產(chǎn)生二次污染。

本工藝設有脫硫劑乳化液制備系統(tǒng)。北京郵電大學煙氣脫硫劑為輕燒氧化鎂，采用鍋爐沖渣水配制氧化鎂乳化液，這是以廢治廢措施，節(jié)約水資源。也可以采用生化外排廢水為脫硫液，這也是以廢治廢措施，不僅節(jié)約水資源而且節(jié)省脫硫劑費用，北京燕京碑酒股份有限公司就是如此，不僅脫硫除塵效率高，而且運行費用非常低。

本系統(tǒng)安裝了SLEP—2000工程在線監(jiān)測儀，主要監(jiān)測項目有：SO₂，煙塵，煙氣量，煙氣溫度，煙氣流速及氧氣含量等參數(shù)。

為了防止系統(tǒng)堵塞，擋水器及外置脫水器均設有反沖洗裝置。

本工藝操作簡單，通過液氣比、脫硫劑量等關鍵參數(shù)的控制，可以有效地控制外排煙氣中SO₂, 煙塵的排放濃度。對于含硫量低于0.5%的燃煤，脫硫劑氧化鎂的加入量為理論計算量的1/2時，外排SO₂濃度可控制在<30mg/m³，當液氣比為0.8時，外排煙塵濃度可控制在<30mg/m³。

3.2 研究的指導思想及效果分析

水膜除塵器，在我國歷史上是作出了環(huán)保貢獻的，它的優(yōu)點是，投資省，運行費用低，除塵效率比較高，設備耐磨，抗腐，使用壽命長，操作簡單，維修方便。它的不足之處，就是脫硫率很低，針對新的煙氣排放標準，除塵效率還需要進一步提高。

本研究的指導思想，就是充分利用水膜除塵器的優(yōu)點，采取措施克服它的不足之處。首先在文丘里管內(nèi)布設了噴霧設施，脫硫液以霧化狀與煙氣接觸，不僅大大增加了接觸面積，而且增加了碰撞動力，有利于提高脫硫效率和除塵效率。第二個措施，也是最主要的措施，就是在主塔內(nèi)，設置了旋流器，煙氣和脫硫液，在旋流器上通過高速旋轉(zhuǎn)碰撞，不僅增加了脫硫反應的反應動力，而且進一步增加了碰撞動力，當煙氣通過旋流器后，已獲得較高的脫硫除塵效率，經(jīng)實測，SO₂，煙塵均都達到北京市地方標準中的第II時段標準?？梢?，增設的旋流器，對提高脫硫除塵效率，起到了決定性作用。第三個措施，就是增設了紊流器，煙氣和脫硫液，在紊流器的上方，形成了激烈的水、氣、固三相紊流反應層，在紊流反應層中，脫硫反應更加充分，更加完善，在紊流反應層中，即使粒徑很小的煙塵也都能除去。今年3月份，北京郵電大學2臺20t/h燃煤鍋爐，在滿負荷甚至超負荷的狀態(tài)下，經(jīng)權威監(jiān)測單位監(jiān)測，SO₂濃度很低，甚至檢測不出；煙塵濃度也很低，有時測塵的濾紙都是白色的。可見，紊流器在旋流器的基礎上，又進一步提高了脫硫除塵效率。紊流器對旋流器而言，起到了總量控制的效果。

主塔內(nèi)增設的旋流器，是脫硫除塵的主角，它可以確保煙氣達標排放；而增設的紊流器，不僅確保煙氣達標排放，還確保煙氣在總量控制范圍內(nèi)達標排放。

北京市是我國兩控區(qū)中的SO₂污染控制區(qū)，兩控區(qū)的目標，2000年開始工業(yè)污染源實行SO₂達標排放和總量控制。主塔內(nèi)增設的紊流器，它確保總量控制，確保實現(xiàn)兩控區(qū)的目標。

3.3 本工程發(fā)生的主要脫硫反應

本工程為濕法脫硫技術，脫硫反應復雜。

脫硫劑為輕燒氧化鎂，采用鍋爐沖渣水配制氧化鎂乳化液，即脫硫液，該脫硫液主要成份就是懸浮態(tài)的Mg(OH)₂，此外還含有沖渣水中的Ca(OH)₂等堿性化合物。

Mg(OH)₂是中等強度的堿性化合物，溶解部分按堿的型式離解。它首先與酸性氧化物SO₂，在水溶液中發(fā)生酸堿中和反應。

Mg(OH)₂+ SO₂+H₂O→Mg SO₃+2H₂O ……………………………………………………（1）

反應產(chǎn)物為Mg SO₃，MgSO₃又繼續(xù)與SO₂，在水溶液中反應，生成Mg(HSO₃)₂

MgSO₃+ SO₂+H₂O→Mg(HSO₃)₂……………………………………………………………（2）

Mg(HSO₃)₂是很不穩(wěn)定的化合物，它和Mg(OH)₂反應生成MgSO₃。

Mg(HSO₃)₂ +Mg(OH)₂→2Mg SO₃+2H₂O …………………………………………………（3）

Mg SO₃也是不穩(wěn)定的化合物，它在O₂存在的條件下，本系統(tǒng)進行催化氧化反應，催化劑為粉煤灰中的鐵、銅化合物，最終反應生成物為穩(wěn)定的MgSO₄

Mg SO₃+1/2 O₂→MgSO₄……………………………………………………………………（4）

MgSO₄與沖渣水中的Ca(OH)₂反應生成CaSO₄沉淀，并同時再生Mg(OH)₂

MgSO₄+Ca(OH)₂→CaSO₄↓+Mg(OH)₂………………………………………………… （5）

上述這些反應，是本工程發(fā)生的主要脫硫反應。

化學反應是向沉淀方向進行的，可見反應（5）生成CaSO₄沉淀的化學反應，不僅活化了Mg(OH)₂，提高了SO₂吸收率，還減少了MgO的用量，降低了循環(huán)液中硫酸根的濃度。

3.4 主要工藝參數(shù)

脫硫劑為輕燒氧化鎂；

脫硫液為輕燒氧化鎂——鍋爐沖渣水；

Mg/S：0.6；

液/氣：0.5—1.0 l/m³；

系統(tǒng)阻力：1100—1300Pa

3.5 北京郵電大學工程總投資及年運行費用

2臺20 t/h采暖鍋爐工程總投資74.05萬元，包括主塔改造，脫水器，引風機等設備費用。

年運行費，按采暖季節(jié)，每年2900小時運行時間計算，一臺20t/h鍋爐年增加的運行費用為4.21萬元，其中脫硫劑費用1.09萬元，電費2.44萬元，維修等費用0.68萬元，2臺20t/h鍋爐年增加的運行費用為8.42萬元。由此增加的采暖費為每建筑平方米0.15—0.20元。這是普通百姓可以接受的費用。

3.6 北京郵電大學工程運行效果

工程于2002年11月1日投產(chǎn)，至2003年3月底，已連續(xù)正常運行了5個月，經(jīng)海淀區(qū)環(huán)保局，北京市環(huán)保局以及工程在線監(jiān)測儀監(jiān)測結(jié)果表明，北京郵電大學鍋爐外排煙氣，SO₂，煙塵等各項污染物，均超前達到北京市2003年11月1日起執(zhí)行的DB11/139—2002《鍋爐污染物綜合排放標準》中的第II時段標準，即SO₂<150mg/m³，煙塵<50mg/m³，NO_x<300mg/m³，煙氣黑度達林格曼I級。

表1為總量控制污染物，SO₂，煙塵的實測結(jié)果。

表1 北京郵電大學鍋爐外排煙氣實測結(jié)果

監(jiān)測結(jié)果

監(jiān)測單位

北京郵電大學是采暖鍋爐，而北京燕京啤酒股份有限公司是工業(yè)蒸汽鍋爐，自2002年11月投產(chǎn)至今，已連續(xù)正常運行了10個多月，監(jiān)測結(jié)果表明，本工程技術可行，運行穩(wěn)定、效果好，能確保鍋爐外排煙氣，在總量控制范圍內(nèi)滿足北京市嚴格的《鍋爐污染物綜合排放標準》，且不產(chǎn)生二次污染，不產(chǎn)生結(jié)垢、堵塞、帶水等現(xiàn)象。

4 北京郵電大學工程獲得的環(huán)境經(jīng)濟效益

4.1 環(huán)境效益

每年減少SO₂排放量約100噸，鍋爐外排煙氣中的SO₂，煙塵等各項污染物均超前達到北京市2003年11月1日起執(zhí)行的地方標準中的第II時段標準。脫硫除塵后的廢水，循環(huán)使用不外排，廢渣外運制磚，整個工藝過程不產(chǎn)生二次污染。有利于改善北京市區(qū)的大氣環(huán)境質(zhì)量和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量，環(huán)境效益顯著。

4.2 經(jīng)濟效益

不考慮節(jié)約水資源費，超標煙塵排污等費用，僅考慮節(jié)約SO₂排污費，每年12萬元，扣除年運行費用8.42萬元，每年至少為北京郵電大學創(chuàng)造經(jīng)濟效益3.58萬元。此外，還避免了因SO₂超標排放，每次10萬元的罰款損失，本工程獲得較好的經(jīng)濟效益。

5 結(jié)論

新穎高效水膜旋紊脫硫除塵新技術，是適合我國國情的脫硫除塵一體化的環(huán)保實用技術，它具有六大經(jīng)濟技術優(yōu)勢。

5.1 投資省，運行費用低；

5.2 脫硫除塵效率高，不產(chǎn)生二次污染；

平均脫硫率>95%，平均除塵效率>98%，煙氣達標排放，廢水循環(huán)使用不外排，廢渣綜合利用，整個工藝過程不產(chǎn)生二次污染。

5.3 環(huán)境經(jīng)濟效益好；

5.4 技改工作量小，上馬快，不另行占地；

5.5 設備耐磨，抗腐，不易堵塞，不帶水，主體設備使用壽命長，>15年（材質(zhì)為316不銹鋼）；

5.6 適應范圍廣，實用性強。

適用于改造現(xiàn)有麻石水膜除塵器的各類大、中、小型鍋爐，窯爐等的煙氣脫硫除塵，也適用于新建的各種鍋爐、窯爐等的煙氣脫硫除塵，能確保在總量控制范圍內(nèi)，滿足各種煙氣污染物排放標準的要求。