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摘要：循环流化床半干法脱硫作为钢铁行业烧结烟气脱硫的主要技术流派之一，随着环保标准的严格实施及逐步提高，脱硫效率必须相应提高。根据CFB-FGD的工作原理及特点，分析了影响脱硫效率的主要因素，并提出了相应的方法及选择。
关键词：CFB-FGD 脱硫效率 喷枪
随着我国大气环境形势日益严峻，大气污染物控制的环保标准液不断提高，根据国家环保相关规定，新建烧结厂2012年10月1日起，现有烧结厂2015年1月1日起需执行《钢铁烧结、球团工业大气污染排放标准》（GB28662-2012），烧结烟气排放需达到如下标准：SO2≤200mg/Nm3，NOx≤300mg/Nm3，二噁英≤0.5ng-TEQ/ m3，颗粒物≤50mg/ Nm3。
据统计，截止2013年5月，全国钢铁工业共有454台烧结机配置了372套脱硫系统，其中180套采用湿法石灰石石膏法，32套采用循环流化床法，氨法31套，氧化镁法20套，旋转喷雾法26套。由此可见，循环流化床法已经成为仅次于湿法石灰石石膏法的主流技术，尤其是低温SCR脱硝技术的发展，循环流化床法已经成为联合脱硫脱硝一个主要的选择方向。
一、CFB-FGD脱硫塔内工艺原理及特点
烟气通过吸收塔底部的文丘里管加速，在吸收塔文丘里扩散段，烧结烟气与加入的吸收剂、循环脱硫灰充分预混合，进行初步的化学反应，在这一区域主要完成吸收剂与HCl、HF的反应。然后循环流化床体，物料在循环流化床里，气固两相由于气流的作用，产生激烈的湍动与混合，充分接触，在上升的过程中，不断形成絮状物向下返回，而絮状物在激烈湍动中又不断解体重新被气流提升，形成类似循环流化床锅炉所特有的内循环颗粒流，使得气固间的滑落速度高达单颗粒滑落速度的数十倍；吸收塔顶部结构进一步强化了絮状物的返回，进一步提高了塔内颗粒的床层密度，使得床内的Ca/S比高达50以上。这样循环流化床内气固两相流机制，极大地强化了气固间的传质与传热，为实现高脱硫率提供了根本的保证。
CFB-FGD烟气脱硫工艺的主要特点：① 没有喷浆系统及浆液喷嘴，喷入用于降低烟气温度的水，在塔内得到充分的蒸发，保证了进入后续除尘器中的灰具有良好的流动状态；②新鲜消石灰与循环床料在脱硫塔内混合，依靠烟气的悬浮，喷水降温反应；③新鲜消石灰在塔内循环时间累计可达30min以上，利用率可达98%；④脱硫塔内风速4m/s-6 m/s，烟气在塔内停留时间3-6s；⑤脱硫效率可达94%。⑥可根据工艺水喷水量来调节塔内温度；⑦可调整新鲜消石灰进入脱硫塔的量来控制烟囱出口SO2浓度；⑧可调整外排灰流量来控制脱硫塔内进出口压差。
二、CFB-FGD脱硫塔内过程化学反应
CFB-FGD脱硫塔内过程化学反应非常复杂，一般认为存在以下主要反应：
Ca(OH)2+ SO2=CaSO3•1/2 H2O +1/2 H2O
Ca(OH)2+ SO3=CaSO4•1/2 H2O +1/2 H2O
CaSO3•1/2 H2O+ 1/2O2=CaSO4•1/2 H2O
Ca(OH)2+ CO2=CaCO3 + H2O
2Ca(OH)2+ 2HCl=CaCl2•Ca(OH)2•2H2O（＞120℃）
Ca(OH)2+ 2HF=CaF2 + 2H2O
由上述反应可以看出，脱硫塔中进行的是气液固三相反应，其反应速率主要由以下步骤决定：①气相主体中的SO2靠湍流扩散到气膜表面；②SO2靠分子扩散通过气膜到达两相界面；③在界面上SO2从气相溶入液相；④液相SO2靠分子扩散从两相界面通过液膜；⑤液相SO2靠湍流扩散从液膜边界到液相主体；⑥Ca(OH)2固体扩散到液相主体中；⑦Ca(OH)2颗粒的溶解；⑧液相主体中SO2与Ca(OH)2进行反应。
上述SO2和Ca(OH)2的传质是分别同时进行的，并能相互影响，相互促进。Ca(OH)2和SO2反应的活性与浆滴中水分存在的时间有极大的关系。因为这些反应都是在液相中进行的，所以水分的蒸发限制了以上④-⑧步的反应。
三、影响CFB-FGD烟气脱硫效率的主要因素
固体颗粒物浓度和钙硫比的影响
CFB-FGD具有较高的脱硫效率，其中一个重要原因便是脱硫塔内存在高浓度石灰反应区，其浓度CS通常高达0.5-6kg/m3，相当于一般反应器的50-100倍。有实验表明，在塔内停留时间4.5s，塔内绝热饱和温度ΔT=14℃时，随着固体颗粒物浓度的提高，脱硫效率也随着提高。这是因为塔内反应生成物CaSO3由于在反应界面上产生，它将沉积在表面上，随着反应的进行和颗粒的塔内循环，部分未反应完全的颗粒表面就会留下一层惰性产物。此类产物将限制反应的速率，特别是形成一层致密层时，影响更加明显。由于床内强烈的湍流状态以及高的颗粒循环速率，提供了气液固三相连续接触面，颗粒之间的碰撞使得吸收剂表面的反应产物不断磨损剥落，从而避免了孔堵塞造成的吸收剂活性下降和反应气体通过产物层扩散的影响。新的石灰表面连续暴露在气体中，强化了塔内的传热和传质。
（2）烟气停留时间的影响
在CS=6 kg/m3，ΔT=14℃的实验条件下，烟气在脱硫塔内停留时间由3.5s增加到4.6s，脱硫效率有所增加，但增加的幅度较小。这表明，CFB-FGD中SO2的脱除反应大部分发生在1-3s的浆滴蒸发期内，当液相蒸发完毕时，反应基本停止。
（3）绝热饱和温度ΔT的影响
有实验表明，脱硫效率随着ΔT的降低而升高。ΔT在很大程度上决定了浆滴的蒸发干燥特性和脱硫特性。一方面，ΔT降低可使浆滴蒸发相对缓慢，SO2和Ca(OH)2的反应时间增大，有利于反应的进行；另一方面，ΔT过低，又会引起结露现象的产生，使烟气对脱硫塔的腐蚀增加，更为严重的是容易造成蹋床现象的发生。一般情况，露点温度约为53℃，ΔT控制在14℃-20℃，此时效率最高且最安全。
四、CFB-FGD工艺水系统喷枪的选择
从以上的理论分析不难看出，在CFB-FGD脱硫系统中，在脱硫塔塔型已确定时，脱硫效率的主要与石灰消化及添加系统和工艺水系统密切相关。工艺水系统则直接影响塔内温度ΔT，间接影响塔内气液固三相的产生，是CFB-FGD的核心系统。
在CFB-FGD脱硫工艺中，工艺水主要用于脱硫塔烟气冷却。工艺水通过水泵以一定压力通过喷嘴注入脱硫塔，根据脱硫塔出口温度调节阀门的开度控制喷水量，调节脱硫塔塔内温度。主要包括：工艺水泵、工艺水箱、喷枪和连接管道及控制阀门。其中喷枪为工艺水系统核心部件。
CFB-FGD工艺水系统常用的喷枪有两种：高压回流喷枪和双流体喷枪。
两种喷枪在实际工程中应用都较多，在提供一定角度，一定水流量的雾化锥，为烟气增湿降温方面并没有实质不同。目前国内大部分CFB-FGD脱硫系统采用高压回流喷枪，但有朝双流喷枪发展的趋势。
从上表可以看出：高压回流喷枪可以提供更大的增湿水量，因而可以获得较大的雾化面积，但是其增湿水雾化粒径较大（一般为100μｍ以上），比表面积小，所需蒸发时间长。且高压回流喷枪为水平喷嘴，雾化距离短，出口即雾化，且喷射在吸收剂的高浓度区（即床体）。
双流喷枪，雾化粒径较小（一般为60μｍ左右），相同耗水量的情况下，双流喷枪的液滴表面积是高压回流喷枪的3-5倍。雾化粒径小，干燥时间短，双流喷枪向上喷水，雾化距离短约1.5m。
由于流化床近壁处的气体速度明显小于核心区域的气体速度，颗粒呈中心上升，壁面向下回流的强烈内循环状态，造成核心区域与近壁处相比，颗粒浓度值低、气固滑移速度低、烟气脱硫效果差。因此，在工况烟气量（按85℃）≤30万m3/h，脱硫塔塔径≤4.5m时，宜采用双流喷枪，不易湿壁，方便调节，保证脱硫效率；在工况烟气量（按85℃）大于30万m3/h，脱硫塔塔径大于4.5m时，宜采用高压回流喷枪。
五、结语
影响CFB-FGD的因素是多种多样的，只有在理论实验，计算模拟和工程实践中不断检验才能真正掌握其精髓。随着大气污染治理的进一步深化，钢铁行业和焦化行业脱硫脱销一体化技术目前尚处在百家争鸣阶段，CFB-FGD凭其技术特点必然占得一席之地，而提高脱硫效率是必由之路。
参考文献：
[1]邢芳芳，姜琪，张亚志，等.钢铁工业烧结烟气多污染物协同控制技术分析[J].城市建设理论研究：电子版，2014,32（4）：75-78.
[2]钟秦.燃煤烟气脱硫脱硝技术及工程实例 北京：化学工业出版社，2007.5.
论文作者:蔡亮
论文发表刊物:《基层建设》2016年4期
论文发表时间:2016/6/15
标签：喷枪论文; 烟气论文; 塔内论文; 流化床论文; 双流论文; 效率论文; 工艺论文; 《基层建设》2016年4期论文;