NIRO喷雾干燥脱硫（SDA）技术白皮书

目 录1 导 论 .11.1 烟气脱硫（FGD）的需求 .11.2 NIRO 喷雾干燥法在烟气脱硫中的地位 .32 NIRO SDA 工艺：原理与应用 .42.1 NIRO SDA 工艺概况 .42.1.1 常见喷雾吸收原理 .42.1.2 NIRO SDA 工艺化学过程 .52.1.3 氯化物对吸收过程的影响 .62.1.4 烟气中气态汞的去除 .62.2 影响石灰利用的物理和化学因素 .82.2.1 物理因素 .82.2.2 化学因素 .92.3 工艺设计及系统特点 .102.3.1 旋转雾化器 .102.3.2 气体分布 .112.3.3 产物收集 .112.3.4 结垢和堵塞 .112.3.5 燃煤、燃油、燃气对系统的影响 .122.3.6 旁路 .122.3.7 系统适应性及锅炉负荷变化的影响 .122.3.8 污水 .132.3.9 海水的利用 .132.4 建筑材料、腐蚀以及再热要求 .142.5 除尘器的选择 .153 脱硫渣的处理与使用 .163.1 脱硫渣的性质 .163.2 低飞灰含量的 SDA 脱硫渣 .173.3 SDA 脱硫渣与飞灰的混合物 .183.4 SDA 脱硫渣 /飞灰混合物在加水条件下的物理性质 .193.5 SDA 脱硫渣 /飞灰混合物的用途 .194 中高硫煤的使用经验 .204.1 介绍 .204.2 工厂介绍 .204.3 性能测试结果 .244.4 一般操作经验 .264.4.1 Salzburg Mitte.264.4.2 Studstrup .285 总 结 .316 NIRO SDA 用于发电厂 FGD 业绩表 .32NIRO 喷雾干燥脱硫（SDA）技术白皮书广州市天赐三和环保工程有限公司 11 导 论1.1 烟气脱硫（FGD）的需求二氧化硫是当前排放量较大，对地球环境危害甚为严重的大气污染物，煤炭和石油等矿物燃料的燃烧、金属冶炼、化工生产及其它含硫工业原料的生产均会产生含二氧化硫的烟气。其中，煤炭和石油燃烧过程排出的二氧化硫数量最大，约占世界总排放量的 90%。二氧化硫随烟气排入大气汇合氮氧化物一起形成酸雨，会造成严重的环境污染，破坏农业、林业、水生动植物等生态系统，从而危害人类的健康，也会引起建筑物的损害。过去 30 年里，由于煤炭和石油等矿物燃料燃烧排放的含有二氧化硫等废气引起的土壤、水域等的酸性污染已经越来越得到了人们的重视。科学研究表明，人为的酸性气体排放，已经在全世界范围内引起了森林破坏、农作物建筑物及文物古迹的毁坏，同时影响了人类的健康。欧洲、美国和日本等国家地区已经实施了严格的二氧化硫控制法规，并建立了大量的烟气脱硫（FGD）装置。目前中国是世界上二氧化硫排放量最大的国家，在二氧化硫等废气的污染下，中国的生态环境遭到了严重的破坏。目前，中国受酸雨危害的国土面积占国土总面积的 40%以上，其中以西南地区、长江以南、青藏高原以东的大部分地区和四川盆地最为严重。因此，二氧化硫的严重污染在对人类身体健康造成了极大损害的同时，也严重阻碍了国民经济的可持续发展，所以，如何降低二氧化硫的排放量，防治二氧化硫的污染，已成为中国目前及未来相当长时间内的主要社会环境问题。在中国，虽然近年来经济飞速发展，但经济实力和发达国家还有很大的差距，对烟气脱硫的技术和理念不应该盲从发达国家，必须寻找一些适合中国国情的价廉高效的脱硫技术。烟气脱硫（FGD）技术有很多，世界上主要的最先进的烟气脱硫（FGD）技术列举如下： 炉内喷钙法 喷雾干燥吸收法（SDA）NIRO 喷雾干燥脱硫（SDA）技术白皮书广州市天赐三和环保工程有限公司 2 湿式石灰/石灰石石膏法 再生硫磺和硫化物 等等 毫无疑义，按用户的特殊条件，以上每一种技术都会有它的用途。湿式石灰石-石膏法是一种常用的烟气脱硫方法，每年全世界由于这种脱硫方法，产生了大量代价昂贵的脱硫石膏，但这些石膏大部分并没有得到商业利用，而是以填埋的方式处理，这种情况在德国、英国、意大利等国家已经得到了充分的证明。本材料将对 NIRO 喷雾干燥法脱硫（以下简称 SDA 法）的性能进行详细介绍，该技术是一种可以灵活应用在各种条件下的烟气脱硫技术，已经在世界各地有了非常广泛应用。NIRO 的喷雾干燥脱硫技术，结合 NIRO 在其它行业 70 年的喷雾干燥的成功运行经验，从七十年代末期开始工业化应用。在美国、欧洲和世界其他地方，已经建成了 13132MW 以上的电厂配套的脱硫装置，是世界上最成熟和使用最广泛的干法脱硫技术。应用实例为（a）电厂规模为 860MW 的高硫煤，SO2浓度达到 7000mg/Nm3; (b)脱硫率达到 97%；（c）老厂改造项目，可利用原有的电除尘作为主除尘器；（d）根据用户的需要，在进入 NIRO 吸收塔前，可以采用预除尘，也可以不需要预除尘。 （e）非常高的可用率，装置可用率达到97%，甚至 99%以上。和其他大部分的脱硫技术一样，NIRO 喷雾干燥法脱硫的副产物必须利用和处置，本材料会介绍几种综合利用的方法。在发达国家中，脱硫渣的处置方法基本以填埋和土地修复为主。在此需要说明的是，NIRO 喷雾干燥法脱硫的主要竞争技术是湿式石灰石石膏法，该法也同样面临如何处理脱硫产物的问题，大部分石膏也采用填埋的方式处置。另一方面，在争论脱硫技术的二次污染的问题上，NIRO 的喷雾干燥法脱硫由于没有任何废水产生，这将明显优于湿式石灰石法。中国许多地方是缺水地区，NIRO 喷雾干燥法脱硫的耗水量明显小于湿式石灰石烟气脱硫法，这对 NIRO 喷雾干燥法脱硫的推广应用非常有利。用户的脱硫方法的选择，最重要的是判断该脱硫方法的性能价格比。NIRO的喷雾干燥法脱硫和常规湿法相比，投资小很多。在相同条件下，NIRO 喷雾干燥法脱硫的运行费包括能耗、人力、化学品等和常规湿法差不多，但在脱硫设NIRO 喷雾干燥脱硫（SDA）技术白皮书广州市天赐三和环保工程有限公司 3备的维护费用上要低很多。把运行费、维护费和投资综合考虑时，NIRO 喷雾干燥法脱硫对绝大多数用中低硫煤和油的用户非常有吸引力。在此技术介绍书中，我们把 NIRO 喷雾干燥法脱硫和湿法技术进行全方位的比较，并详细介绍两个在欧洲燃烧中高硫煤电厂的 NIRO 喷雾干燥法脱硫装置的运行情况。1.2 NIRO 喷雾干燥法在烟气脱硫中的地位NIRO 是一家总部在丹麦哥本哈根的跨国公司，在全世界有超过 30 个子公司和办事处，在中国上海也有办事处。NIRO 公司成立于 1933 年，是喷雾干燥技术的世界领导者。在上世纪 70 年代，NIRO 改进了喷雾技术开始用到燃烧后的酸性气体吸收上。到上世纪 80 年代，经过十来年的运行，NIRO 的喷雾脱硫技术已广泛地应用于欧洲、北美和亚洲的脱硫市场。NIRO 喷雾干燥脱硫（SDA）技术白皮书广州市天赐三和环保工程有限公司 42 NIRO SDA 工艺：原理与应用2.1 NIRO SDA 工艺概况2.1.1 常见喷雾吸收原理 图 1 典型的 SDA 工艺早在 50 多年前，人们就将喷雾干燥广泛运用于现代工艺，它是一种将液体按要求雾化喷入干燥塔在热气体干燥下成为粉末的技术。喷雾干燥吸收（SDA）就源于此。当未经处理的热烟气经过分散进入喷雾干燥吸收室时，利用雾化的平均直径 60m /d 的精细石灰浆液滴对其进行接触，在气液接触过程中，烟气的酸性成分（SO 2等）很快就被碱性液滴吸收，同时水分也被迅速蒸发。通过控制气体分布、浆液流速、液滴直径等，使吸收反应的液滴到达喷雾干燥吸收室壁之前，保证液滴的干燥，使之最后形成粉末状的脱硫产物（亚硫酸钙为主） 。一部分干燥产物包括飞灰和反应物落入吸收室底端后被收集转运。处理后NIRO 喷雾干燥脱硫（SDA）技术白皮书广州市天赐三和环保工程有限公司 5的烟气进入布袋式除尘器或静电除尘器，经过除尘，悬浮颗粒物被去除，而气体则用引风机将其从除尘器引出后直接排放。除尘器收集的部分固体物质被循环利用，这有助于降低反应剂的消耗，其余的均被处理掉。NIRO SDA 系统包括了部分干燥产物的循环利用，这主要有以下几方面优点：（1） 使石灰浆液滴中的固体物质浓度达到一定的标准，这样有利于 SDA系统的操作，并保证烟气脱硫（FGD）系统中有效地进行雾化、吸收和干燥。（2） 干燥物中过量的石灰可重新被用作吸收剂。（3） 反应产物即使不继续反应，也会在每个石灰浆液滴内形成一个核，这样新的吸收剂在其上面不断沉积，使与未处理烟气进行反应的石灰表面增大。工程经验表明，脱硫渣的循环利用使反应剂的消耗下降了 30-50%，可以大大降低脱硫运行成本。SDA 工艺有干燥的粉末产生，因此在喷雾干燥之后需要一个合适的除尘器（以与其他湿法 FGD 系统中的除尘器相区别） ，部分吸收反应也发生在除尘器中（特别是布袋除尘系统） 。2.1.2 NIRO SDA 工艺化学过程喷雾干燥技术，它具有吸收和干燥的双重作用，主要过程和反应如下：将碱性浆液雾化成无数微小液滴。在吸收室内，烟气被有效地分布以便使其与被雾化的浆液充分混合接触以发生吸收反应，也就是说，吸收室具有混合反应器的功能。烟气中的酸性成分（SO 2，SO 3，HCl）和石灰浆液滴中的碱性成分 Ca(OH)2之间的反应主要发生在一个靠近喷雾器的区域，这个区域具有传热和质量传递最合适的条件。主要反应有：SO2+ Ca(OH)2CaSO 3+H2O少量 SO2也发生如下反应:NIRO 喷雾干燥脱硫（SDA）技术白皮书广州市天赐三和环保工程有限公司 6SO2+1/2 O2+ Ca(OH)2CaSO 4+H2O而烟气中微量的酸性气体会发生下列反应：SO3+ Ca(OH)2CaSO 4+H2O2HCl+ Ca(OH)2CaCl 2+2H2O其主反应动力学可表述如下：R SO2=KgA2P SO2 式中：R SO2为 SO2吸收率，K g为传质系数；A 为表面积；P SO2为 SO2的分压。获得高吸收率的主要原因是：由于烟气和液滴以 160-200m/s 较高的相对速率脱离雾化器，因此传质系数Kg值较大。液体雾化效果好，表面积 A 也很大，在雾化过程中每升被雾化的碱性浆液形成了 200m2的表面积。与石灰的反应产物主要是 CaSO3、CaSO 4、CaCO 3和 CaCl2。虽然 SO2主要被液滴吸收，但还有部分 SO2被悬浮在烟气中已雾化干燥的微粒吸收发生气固反应。在吸收过程中，应该考虑 CO2与 SO2的竞争吸收，但即使 CO2的分压是 SO2的 50-200 倍，最后对干的反应产物进行分析发现只有少量的 CO2被吸收。CO2低吸收率的原因是，SO 2是一种比 CO2更强的酸，而且其溶解性也更强，因此，当液滴被干燥的时候碱性物质也只跟 SO2起反应。同理，HCl 和 SO3与SO2相比，更易被吸收。实际上，这些微量的强酸几乎被完全吸收。2.1.3 氯化物对吸收过程的影响在 SDA 工艺中，氯化物的影响较为明显。主要原因是氯化物具有较强的吸湿性，有助于延长雾化液滴的保湿时间，从而提高反应效率。绝大部分反应就是在这种情况下发生的。 当氯化物存在时，吸湿的 CaCl2盐比 CaSO3、CaSO 4更难以干燥，这样经雾化后的液滴还没完全干燥，就相应地延长了吸收时间。NIRO 喷雾干燥脱硫（SDA）技术白皮书广州市天赐三和环保工程有限公司 72.1.4 烟气中气态汞的去除近年来，燃烧过程中产生的各种重金属越来越引起人们的重视。利用 SDA工艺能去除 90%的气态汞，这是因为有很多干的灰粒形成了许多能吸收或吸附汞的载体。奥地利等国已经利用动力设备测量法对这些现象进行了核实，丹麦、瑞典和荷兰的许多研究机构也对此发表了不少论文。NIRO 喷雾干燥脱硫（SDA）技术白皮书广州市天赐三和环保工程有限公司 82.2 影响石灰利用的物理和化学因素2.2.1 物理因素大部分吸收发生在喷雾干燥吸收室内。图 2.2 表示出了烟气和雾化液滴在约 10s（秒）停留时间内的温度变化曲线。烟气温度在 1s 内降到出口温度值Tout，同时雾化液滴温度增至烟气的绝热饱和温度 Tadsat，并一直保持在这个水平直至水分扩散成为蒸发的限制性因数。在干燥过程的首要阶段，干燥率与T adsat（T out- Tadsat）成正比，T adsat越大，干燥率就越高。图 2.3 描述了T adsat越高，雾化液滴的保湿时间越短（例如从图 2.2 中的 5s 降到图 2.3 中的 2s） 。由于液滴在湿