1.4　濕式煙氣脫硫設備的研究進展

從上述文獻來看，濕式再生煙氣脫硫效率和投資的高低不僅取決于脫硫劑及其工藝，還取決于脫硫設備。因而開發傳質效率高的脫硫設備、降低一次性投資，提高脫硫效率、降低運行成本也是當前煙氣脫硫的研究熱點之一。目前，在脫硫設備的研究方面，除了對現有吸收塔改造、內構件的結構優化等，也涌現出一些新型脫硫反應器，具有極大地優勢，展現出廣闊的應用前景，如旋流板塔、超重力旋轉填料床等。

1.4.1　脫硫吸收塔的改進研究

濕式再生煙氣脫硫系統中核心設備之一就是吸收裝置和再生裝置，常用的有填料塔、板式塔、噴淋空塔等傳統塔，其中填料塔和板式塔通常存在阻力損失較大，操作彈性不夠寬，氣速受液泛限制而使設備單位體積的處理能力小、易堵，塔內液體受重力場限制，流動緩慢，分散性差、傳質速率小，使投資和運行費用較大等問題；盡管噴淋空塔壓降相對較小，處理氣量能大一些，但要求吸收液循環量大，同樣存在傳質速率小，設備體積龐大等問題。尤其是針對煙氣脫硫除塵過程，堵塔問題十分嚴重，1995年，譚天恩等發明了旋流板塔除塵脫硫一體化裝置，簡稱旋流板塔，如圖1-12所示，它是一種噴射型塔板洗滌器，關鍵部件為旋流塔板。

塔板葉片如同風車葉片，氣流在葉片導流作用下產生旋轉和離心運動，吸收液通過中間盲板均勻分配到各葉片上，形成薄液層，在旋轉向上的氣流帶動下產生旋轉和離心運動，將液層分散成細小液滴，經旋流離心作用甩向塔壁，匯集于收集槽，經導流管進入下一層塔板的中間盲板，再次分散吸收。煙氣在壓力作用下從塔底部進入，穿過各層塔板，并在旋流塔板的結構部位形成大表面積的水膜，促進SO₂反應吸收速率。塔板開孔率大，允許通過氣速高，可以高負荷運行，且壓降低，處理能力和操作彈性大。其氣液接觸時間較短，適合氣-液快速反應吸收和直接接觸傳熱等過程。因此，脫硫過程中所用的脫硫劑需要能夠與SO₂實現快速反應，不適合用碳酸鈣等反應速度較慢的脫硫劑。隨后，在旋流板塔的基礎上，吳忠標、李立清、張志強等分別開發了大通量高效旋流板塔、噴淋旋流組合塔、沖擊旋流塔、湍球塔、旋流板塔組合等脫硫裝置，主要是對旋流板塔結構進行了創新、優化和組合，增加氣液接觸面積、簡化結構、降低氣相阻力，并結合相應脫硫吸收劑開發了系列的煙氣脫硫除塵工藝，提高了脫硫效率，緩解了結垢堵塞現象，運行更加穩定，脫硫效率一般為70%～95%，除塵效率為90%～99.5%，全塔氣相壓降為1～1.3kPa。

為滿足不斷嚴格的SO₂排放標準，進一步提高脫硫效率，尤其是能適應鍋爐負荷波動和煤種變化等實際情況。一些環保公司結合現場施工和工程運行經驗，通過在塔內增設多套具有導向和接力作用的旋流氣動裝置，利用煙氣自身的動能產生氣動旋流，使煙氣在同樣高度的筒體內旋轉次數增加、延長通過路徑，加劇氣相湍動，煙氣與吸收液在時間和空間上得到充分的碰撞、接觸、溶解和反應吸收，使得脫硫率得到提高。另外，通過調整旋流板旋轉仰角、角度和葉片尺寸來滿足煙氣的不同工況，提高脫硫率，降低阻力。經過多年的開發與完善，目前已成為國內濕法脫硫的主流設備，但仍存在液體循環量大，運行費用和投資高等問題。

河北工業大學的張少峰等結合旋流板、篩板的優點，借鑒立體復合式塔板的結構，開發了一種立體旋液式并流塔板，如圖1-13所示，通過流體力學性能和海水脫硫實驗的考察。結果表明，采用全塔并流的操作方式避免了液泛和返混等不利現象的發生，具有較好的操作彈性，在大通量、高液氣比條件獲得到了好的傳質性能，得到了實驗條件下的影響規律和適宜操作參數，其液氣比在8～30L/m³之間均可正常操作，并具有良好的吸收性能，脫硫率在85%左右。

總體來看，針對目前濕式脫硫工藝的主流吸收設備吸收塔進行大量的開發，改進、優化和完善，旨在強化傳質效率和降低壓降，提高設備的利用率和脫硫率，促進煙氣脫硫的大規模應用。但塔中液體流動僅借助于重力或比較小的離心力實現液體的分散和煙氣接觸反應，由于外力場比較弱，導致傳質效率的提高有限，設備體積仍然龐大，一次性投資高。為此，新型脫硫設備的開發成為煙氣脫硫研究的又一熱點。

1.4.2　降膜式脫硫反應器

針對傳統填料塔和板式塔脫硫過程存在結垢、堵塞、出口煙氣易攜帶液滴，引起尾部設備的腐蝕，成本高，投資大等問題，賽俊聰等結合雙循環濕式脫硫及降膜式反應器的特點，提出一種橫向沖刷式雙循環降膜濕法新型脫硫反應器，并引入翅片管束作為降膜載體用于反應器。脫硫反應器主體包括頂部的儲液槽、布液器、翅片管束、吸收塔體及底部集液槽。其脫硫過程為：在給料槽中按一定比例配好的吸收液送入頂儲液槽，漿液通過布液器分配給有序排列的管束，然后在翅片管束的表面形成均勻的液膜，被煙氣橫向沖刷與擾動，煙氣中的SO₂與液膜吸收反應而被脫除。橫向沖刷式雙循環降膜濕法新型煙氣脫硫反應器結構如圖1-14所示。

橫向沖刷的煙氣在管束間交替擴張和收縮的彎曲通道里流動，在管束間產生強烈的混合和擾動，使煙氣對液膜的擾動作用增強，下降液膜形成強烈的湍流狀態，使煙氣與下降液膜接觸得更加充分，氣-液傳質系數得到提高，有利于吸收的完成；同時，可減緩結垢速度。但研究結果中，脫硫率不高，低于70%，有待進一步的改進優化。

李玲潔等提出了一種列管式并流降膜塔脫硫反應器，分別以NaClO₂和H₂O₂為氧化吸收劑，考察了實驗條件對脫硫效率的影響規律，獲得了86%～92%的脫硫率。相比于鈣基脫硫方法，該設備簡單，占地面積小，維護工作量少，適合于中小型燃煤鍋爐煙氣脫硫。張學景等以列管式逆流降膜塔為脫硫反應器，氫氧化鈉溶液為吸收劑，進行了吸收反應傳質建模和模擬煙氣脫硫實驗研究，進口SO₂濃度以及吸收液循環流量對傳質速率影響的計算值與實驗值的最大相對誤差小于20%，脫硫率在70%以上。

總體來看，降膜式脫硫反應器允許有較高的氣體負荷，能促進液膜的湍動，傳質效率高，由于反應器中液體停留時間短，主要適合瞬間、快速的脫硫反應，具有不容易堵塞等特點。但相比于填料塔，有效傳質面積小，脫硫率難以滿足排放要求。

1.4.3　撞擊流脫硫反應器

因撞擊流反應器能顯著強化微觀混合和相間傳遞的特性，傳質系數是傳統技術的幾倍到十幾倍。Tamir、Matthias、李發永、Berman等在3層同軸圓筒形撞擊流吸收器中研究了Ca（OH）₂懸浮液吸收煙氣中的SO₂。與傳統吸收方法相比吸收效率顯著提高，但其裝置和流程比較復雜，難以在工程實際中應用。伍沅等發明了一種撞擊流氣液反應器，并進行了模擬煙氣脫硫性能實驗，結構如圖1-15所示。

撞擊流氣液反應器模擬煙氣脫硫實驗過程為：模擬煙氣分兩股，以相同流量通過進氣管，攜帶由噴嘴分散成滴狀的吸收劑（吸收劑也分成兩股進入進氣管）從進氣管射出進入撞擊流吸收室后在中心處相向撞擊，形成高度湍動的撞擊區，在其中完成吸收。吸收SO₂后的分散相液體依靠重力下落，經排液管排出。在吸收室的上方設置擋板除霧，凈化后的氣體經排氣管放空。結果表明，該吸收器具有良好的脫硫效果。為了適應處理大氣量的要求，伍沅等設計了多功能組合撞擊流氣液反應器。在此基礎上，李勤等以Ca（OH）₂漿液為吸收劑進行脫硫實驗，在液氣比為0.84L/m³、進口煙氣中SO₂濃度為3200mg/m³、煙氣流速為7m/s、霧化壓力為1.0MPa、鈣硫比為1.4時，吸收劑利用率為55%～64%，脫硫效率為92%～94%，總體積傳質系數達0.5～11/s，高于一般的反應器，證明其優良的傳質性能。然后以稀氨水為吸收劑進行脫硫實驗，液氣比為0.52L/m³，SO₂入口濃度為2800mg/m³，氨水濃度為2%時，脫硫效率達96%左右。

可見，撞擊流技術在煙氣脫硫方面具有體積傳質系數高、所需設備體積小、流體阻力小等優勢，適用于堿液脫硫的快速不可逆的化學吸收過程，為滿足現行排放標準其脫硫率還需要進一步提高。

1.4.4　超重力脫硫反應器

在化學工程領域，以小的設備體積、少的資源及能量消耗獲得更高的傳遞效果為目標的過程強化是化工界不斷追求的目標。超重力技術是近年來新發展的強化相間傳質、反應及混合的新型技術，在過程強化方面效果突出。自20世紀70年代誕生以來，得到了迅速發展。目前，已在氣體凈化、廢水處理、納米材料合成、有機合成等方面得到初步應用，投資省，節能降耗效果顯著，具有廣闊的應用前景。

（1）超重力的基本原理及其特點

超重力是指物質在比地球重力大得多的環境下，所受到的力（包括離心力、引力或排斥力），超重力場即是任一瞬間物質在旋轉體內各點所受的離心力分布總和。在地球上，獲得超重力最簡便有效的方法就是通過高速旋轉產生的離心力來實現，其強度取決于旋轉體的轉速和直徑大小。通常，用于化工過程強化的超重力是通過填料層的高速旋轉來實現，這種裝置稱為超重力裝置或超重機（High Gravity Rotary Device，Higee），也稱為旋轉填料床（Rotating Packed Bed，RPB）或旋轉填充床、旋轉床，其典型結構如圖1-16所示。

旋轉填料床由殼體、軸、轉子、填料、液體分布器和密封裝置等組成。電動機帶動轉子及其填料高速旋轉，液體由轉子中央的液體分布器分布后，均勻噴灑在填料的內緣進入填料層，在離心力作用下，沿徑向由內向外流動，最后以切線方向離開轉子被甩到殼體內壁收集，匯集于底部經液體出口流出。對于氣-液逆流接觸方式的旋轉填料床，氣體在壓力作用下，進入旋轉填料床的外腔分布后，由轉子的外緣穿過填料向內緣運動，與液體在填料中逆流接觸，到達轉子內緣后，經中心的氣體出口排出。氣、液在此過程中與填料多次碰撞、分散與聚并，液體以微米甚至納米級的液膜、液絲和液滴等形態存在，形成極大的且快速更新的相界面，從而強化了氣液間的混合、傳質與反應過程。傳質系數比塔設備提高1～3個數量級，單位設備體積的生產能力提高1～2個數量級。因此，旋轉填料床又稱為“化學工業的晶體管”。

與常規傳質設備相比，具有如下一些特點：

①強化傳質效果顯著，傳遞系數提高了1～3個數量級；

②微觀混合均勻，時間極短；

③對于氣液接觸過程，氣相壓降小，能耗少；

④填料持液量小；

⑤物料停留時間短（0.1～1s），特別適用于一些競爭性化學反應過程；

⑥開、停車方便，且達到穩定時間短；

⑦設備體積小，占地面積和投資省，安裝維修方便；

⑧填料層具有自清洗作用，不易結垢、堵塞。

（2）超重力煙氣脫硫研究進展

旋轉填料床作為一種新型高效傳質反應器，用于強化SO₂的吸收過程已成為研究熱點。陳昭瓊等將螺旋型旋轉吸收器應用于煙氣脫硫，在模擬煙氣平均氣速0.16m/s，SO₂進口濃度3000mg/m³，液氣比10～16L/m³，轉速500～1300r/min的條件下，用清水作吸收劑，脫硫率達70%～80%，用含催化劑Mn²⁺的水溶液作吸收劑，脫硫率達90%～95%；且脫硫率隨液氣比和轉速的增加而升高，轉速的影響最為顯著。同時采用CO₂-NaOH體系測定了該吸收器的比相界面積、液相傳質系數和液膜厚度隨操作參數的變化規律，在實驗條件下，比相界面積為5～11cm²/cm³，是B-25型旋流塔板的20倍，液相傳質系數約為0.08cm/s，且均隨轉速的增加而增大，液膜厚度約為0.1～0.25mm，結果表明，螺旋型旋轉吸收器具有氣液接觸時間長、液膜厚度比重力下薄，傳質效果好、不易堵塞等優點。

柳來栓等以Mg（OH）₂、Ca（OH）₂、H₂O為吸收劑，以逆流旋轉填充床為吸收設備，進行了模擬煙氣脫硫實驗，在空床平均氣速為0.35m/s，氣液反應時間為0.21s的條件下，著重考察了吸收液流量、吸收劑濃度、進氣SO₂濃度和旋轉床轉速對3種吸收劑的傳質速率影響。結果表明，3種吸收劑吸收SO₂的傳質速率隨旋轉床轉速、液體流量和進氣SO₂濃度的增大而升高，其中堿性懸浮液的傳質速率是純水的3～4倍；在超重力場下，Ca（OH）₂懸浮液吸收SO₂的過程仍受液膜傳質阻力影響，并非完全氣膜控制，適宜質量濃度為0.05%，Ca/S比為1.68時，脫硫率達92%。

潘朝群等以多級霧化超重力旋轉床作為NaOH-Ca（OH）₂雙堿法煙氣脫硫工藝中的吸收設備，在平均空床氣速為2.06m/s，氣液反應時間為0.19s的條件下，進行了模擬煙氣脫硫實驗。結果表明，脫硫率隨再生液的pH值、液氣比的升高而增大，隨進氣SO₂濃度的升高而降低，在適宜工藝條件pH=12.6～13，液氣比1.9～2.2L/m³下，進氣SO₂濃度6350mg/m³的脫硫率達60%～85%，這很難滿足目前的排放標準。

王永剛等以逆流旋轉填充床為吸收設備，NaOH溶液為吸收液，在平均空床氣速為0.53m/s，氣液反應時間為0.13s的條件下，進行了模擬煙氣中SO₂的脫除實驗研究。結果表明：脫硫率和氣相總體積傳質系數K_Ga隨液氣比和NaOH濃度的增加而增大；隨旋轉床轉速的增大，先減小后增大，隨進氣中SO₂濃度的增加而減小；在適宜工藝條件：進氣中SO₂質量濃度小于5g/m³，吸收液濃度為0.1mol/L，轉速為1200～1600r/min，液氣比為3～4L/m³，脫硫率達99%以上，K_Ga>0.211/s。

師彬等分別以乙醇胺和乙二胺/磷酸緩沖溶液為吸收劑，在逆流旋轉填充床中對模擬工業廢氣中的SO₂進行了脫除實驗研究。結果表明，脫硫率隨液氣比、吸收劑溫度和濃度的增加而升高，隨平均空床氣速的增加而降低，隨旋轉床轉速的增加先升高后降低；乙醇胺為吸收劑的適宜條件：平均空床氣速為0.15m/s，氣液反應時間為0.16s，液氣比為1.25L/m³，旋轉床轉速為700r/min，吸收劑溫度為45℃和乙醇胺質量濃度7%，當進氣中SO₂體積濃度為3%時，出口氣體中的SO₂濃度為750mg/m³；乙二胺/磷酸緩沖溶液為吸收劑的適宜條件：平均空床氣速為0.10m/s，氣液反應時間為0.26s，液氣比為2L/m³，旋轉床轉速為700r/min，吸收劑溫度為35～55℃、pH=7和乙二胺濃度為0.3mol/L，當進氣中SO₂體積濃度為1.5%時，脫硫率達92%～95%；單級還達不到現有的排放標準。

王俊等以并流旋轉填料床為脫硫設備，分別以亞硫酸鈉、氫氧化鈉和碳酸鈉為吸收劑，在平均空床氣速為1.62m/s，氣液反應時間為0.07s的條件下進行了模擬煙氣脫硫實驗研究。結果表明，脫硫率和氣相總體積傳質系數K_Ga隨鈉離子濃度、旋轉床轉速和液氣比的升高而增大，隨NaOH在液相中的比例增加而增加，隨進氣中SO₂濃度的增加而減小；在相同操作條件下，碳酸鈉溶液的脫硫效果比亞硫酸鈉好，碳化硅整形填料的脫硫效果好于不銹鋼絲網填料，但前者的制作過程繁瑣、工藝復雜、韌性有所欠缺；在進氣SO₂濃度為3420～3580mg/m³，吸收液中Na⁺濃度為0.25mol/L，液氣比為0.88L/m³，超重力因子為100的條件下，脫硫效率高達91.5%（出口氣體中SO₂濃度約為300mg/m³），還需要進一步脫除。

姜秀平等以逆流旋轉填料床為吸收設備，檸檬酸鈉緩沖溶液為吸收劑，在平均空床氣速為0.07m/s，氣液反應時間為0.50s的條件下進行了模擬煙氣脫硫實驗研究。結果表明，脫硫率和氣相總體積傳質系數K_Ga隨超重力因子、液氣比、吸收液中檸檬酸濃度和pH值的增加而增大，隨進氣中SO₂濃度的增加而減小；在適宜工藝條件：檸檬酸濃度為1mol/L、初始pH值為4.5左右，超重力因子為54～90，液氣比為3～7L/m³下，進氣SO₂濃度為4500mg/m³時的脫硫效率達98%左右，出口SO₂濃度可降至100mg/m³，K_Ga達1.4～21/s。穆文菲等以上述相同的設備和吸收劑，在平均空床氣速為0.24m/s，氣液反應時間為0.15s，進氣中SO₂濃度為8571mg/m³的條件下，進行了模擬煙氣脫硫實驗研究。結果表明，在超重力因子為54～90，檸檬酸濃度為1.5mol/L，初始pH值為5.0，液氣比為7L/m³的適宜工藝條件下，脫硫率穩定在99%左右。表明旋轉填料床具有適應煙氣SO₂濃度變化范圍寬，脫硫率高。

綜合超重力煙氣脫硫研究文獻，不難發現：旋轉填料床的平均空床氣速為0.07～2.06m/s，氣液反應時間為0.07～0.54s，液氣比為0.5～7L/m³，其中，潘朝群等研究的多級霧化超重力旋轉床的平均空床氣速最高為2.06m/s，其次是王俊研究的并流旋轉填料床平均空床氣速1.62m/s，兩者在適宜條件下的脫硫率最高達85%和91.5%，顯然難于滿足現有的排放標準，其他研究的平均空床氣速為0.07～0.51m/s，脫硫率能夠滿足現有的排放標準。對比現在常用的噴淋空塔氣速為3～4.5m/s，液氣比為13～16L/m³，氣液反應時間為2～5s來看，旋轉填料床的反應時間大大縮短，液氣比更小，強化脫硫效果顯著，設備體積大大地縮小，可節省投資和空間，但氣速偏低，需要進一步研究較高氣速下的工藝條件及其設備結構對脫硫率和傳質系數的影響，以充分發揮旋轉填料的優勢。

1.4.5　結論

我國是以煤為主要能源消費的國家，近十年來，SO₂排放量一直位居世界首位，也是我國大氣主要污染物之一，并以酸雨、霧霾等多種形式對生態環境造成了嚴重破壞，特別是近幾年，出現長時間霧霾天氣的頻率越來越高，對國民經濟和人民生活造成了極大的負面影響，因而繼續增加煙氣脫硫投入、提高脫硫效率，嚴格執行煙氣排放新標準勢在必行，特別是中小型鍋爐的煙氣排放。而目前我國煙氣脫硫使用最多的是比較成熟的濕式石灰/石灰石-石膏法和循環流化床半干法煙氣脫硫技術，它很難經濟地達到新排放標準，且隨著煙氣脫硫設備運行數量不斷增加和規模不斷擴大，脫硫副產物石膏的處理問題變得日益突出；而另一方面，我國硫資源相對缺乏。所以，濕式再生煙氣脫硫技術將成為新一輪技術發展的主流方向，是適合我國國情的脫硫技術，既可實現煙氣中SO₂的資源化治理，緩解我國大量進口硫黃的現狀，又能產生良好的經濟效益，以抵消脫硫裝置的部分運行費用，達到治理環境和發展經濟的雙贏目的，對于環保和國家經濟建設意義重大。

目前濕式再生脫硫工藝中的脫硫劑以磷酸鈉鹽最具有應用潛力，相對其他可再生的脫硫劑具有更穩定的物理化學性質，不降解變質、不揮發、損失小，且為常規的化工原料（鈉堿和磷酸）、廉價易得，硫容量大，脫硫反應快，效率高等優勢。但關于該工藝的脫硫機理研究較少，缺乏對工藝的優化和創新，導致與其他濕式可再生煙氣脫硫工藝一樣，主要采用塔設備作為吸收和再生裝置，存在再生能耗高、系統復雜、工藝長、投資大、亞硫酸的氧化等缺點而未被廣泛應用。因而，有必要對其脫硫機理進行深入研究，尋求高效率的傳質、傳熱設備、創新工藝，降低氧化，以進一步降低成本，對促進濕式磷酸鈉鹽脫硫以及再生煙氣脫硫技術的發展和應用具有重要的理論價值和現實意義。

因目前濕式脫硫工藝中主要采用塔設備，具有處理量大、技術成熟等優勢，但存在傳質系數低，設備體積龐大，投資運行成本高等問題，雖開發出了旋流板塔對其脫硫效率有所提高，但增加幅度不大，效果不突出，還難以達到由于排放標準日益嚴苛而進行的深度脫硫工藝改造升級的要求。而旋轉填料床能夠極大地強化氣-液間的傳質，且具有物料停留時間短等特點，如將其用于磷酸鈉緩沖溶液煙氣脫硫的吸收和解吸工藝中，一方面可極大地強化SO₂的吸收和解吸過程的傳質，提高吸收和解吸速率，縮小設備體積，降低液氣比及費用；另一方面，可大幅度縮短吸收階段脫硫液與煙氣中氧氣的接觸時間，降低亞硫酸鹽的氧化速率、副鹽的生成和吸收劑的消耗，提高SO₂的回收率。因此，針對上述情況，提出旋轉填料床-磷酸鈉濕式再生煙氣脫硫工藝，并采用了θ環高效填料作為旋轉填料床的填料，進行了工藝及其工藝參數對脫硫率、解吸再生率的影響規律研究，擬探索出一種低成本、高效率的資源化煙氣脫硫工藝及其裝置，這將對節能減排工作產生深遠地影響，具有重大的環境經濟價值。