液膜式湿法烟气脱硫技术的研究
内容提要
1、研究现状及课题背景
2、课题的主要思想
3、完成的工作的工作
4、结束语
1、湿法烟气脱硫技术的研究现状及课题背景
1.1湿法烟气脱硫技术的研究现状
烟气脱硫技术按工艺特性一般可分为湿法, 干法和
半干法三种 。 其中, 湿法是目前在实际运用中应用最广,
工艺应用最多的脱硫方法, 它们约占世界上现有烟气脱
硫装置的 80%左右, 其中石灰石 — 石膏法为 36.7%,其
它湿法为 48.3%。 湿式石灰石 -石膏法烟气脱硫技术最早
是由英国皇家化学工业公司提出的, 经过近三十年的发
展, 目前它已成为世界上技术最成熟, 实用业绩最多,
运行状况最稳定的脱硫工艺, 脱硫率在 90%以上 。 该方
法脱硫的基本原理是用石灰石浆液吸收烟气中的 SO2，
先生成亚硫酸钙, 然后亚硫酸钙被氧化为硫酸钙, 因而
分为吸收和氧化两个过程, 副产品石膏可回收利用, 亦
可抛弃处置 。
我国早在 70年代就开始了电站锅炉烟气脱硫技术的研
究工作，几乎与美国同时起步，涉及各类方法。但由于技
术、管理、经济和环境意识等多方面的原因以及缺乏相应
政策的推动，大部分技术尚停留在中试甚至小试阶段，仅
有的几项经过中试应用的技术也还未能大范围推广。随着
国家对环境保护的日益重视，同时为了促进国内烟气脱硫
技术的开发研究，七五、八五期间国家有目的、有计划地
引进了一批国外的先进技术和示范装置。这些引进的烟气
脱硫设备虽然技术先进，运行稳定，自动化程度高，对我
国的烟气脱硫事业有很大的推动作用，对我们积累设计、
运行和管理等方面的经验是十分有用的，但这些设备的投
资及运行费用极为昂贵，对于我国这样一个发展中国家来
说是难以承受的。由于脱硫系统的投资和运行费用均很高
（我国目前烟气脱硫装置脱除 SO2成本在 1500元 /ｔ以上，
要比规定的 SO2 排放费 200元 /ｔ高几倍 [5] ），因此，在没
有实行, 排放权交易, 制度的情况下，燃煤电厂的脱硫系
统一般不会在低于排放标准控制值的状态下运行，即使对
于
已建成投产的烟气脱硫脱硫设备也因其不菲的运行费用而
不得不照例关闭停运 。 但是, 随着排放标准的不断修订,
允许的 SO2排放浓度或总量将会有所降低, 排放收费将会
越来越高, 这将是必然的趋势 。
为此, 国家经贸委颁发了, 火电厂烟气脱硫关键技术与设
备国产化规划要点, (国经贸资源 (2000)156 ),指出烟气脱
硫关键技术与设备国产化是降低工程造价, 加快火电厂二
氧化硫治理速度, 提高机电制造企业竞争能力, 培育新的
经济增长点的需要, 指明了烟气脱硫国产化的目标 。 各环
境设备开发商积极研究开发适合我国国情的烟气脱硫脱硫
设备, 目前在国内比较盛行的是湿法烟气脱硫装置 。 现在
全国有数百家烟气脱硫设备制造厂, 且生产的脱硫设备多
用在中小型锅炉上, 采用的脱硫剂大多数为石灰, 少数为
废碱液 。 但由于现有的脱硫设备自控水平低, 浆液 pH值
难以稳定, 实际运行时脱硫效率很低, 设备现存的问题还
没有得到很好的解决, 因此无法满足我国污染物排放的要
求, 烟气脱硫技术及设备还需要在实践中不断完善 进而
解决脱硫设备运行和管理中存在的问题。
1.2课题研究背景
湿式烟气脱硫技术在机理上很成熟，其过程是气液反
应过程，反应速率快，钙的利用率高，脱硫效果好。但
目前不论从设备本身，还是从实际应用上说,还存在许
多问题。其中腐蚀问题最为突出。 湿法脱硫技术主要是
利用浆液洗涤烟气，通过增加气液接触面积来获得较高
的脱硫效率。这导致出口烟气携带液滴，烟气流速越高，
烟气带水量越多，易造成风机带水，管道和设备腐蚀等 。
因此，需要在出口增设除雾器和烟气再热系统 （ Stack
Gas Reheat）, 通过烟气再热的方法来提高出口烟气温
度，防止腐蚀。
1.2.1腐蚀机理
湿法烟气脱硫技术是利用喷淋的浆液洗涤烟气，大
部分污染物和腐蚀元素在吸收塔内就被除去了，一般出
口烟气中仅含有少部分 SO3,SO2、氯化物、氟化物和硫酸
雾等。但是，烟气中带水量多, 而且由于硫氧化物的
存在，烟气露点温度提高，使系统出口烟气温度降到
露点以下。既使用最有效的除雾器，饱和烟气所携带
的水滴和水雾也会凝结，水雾在烟气出口设备上凝结
后吸收烟气中的腐蚀元素，从而腐蚀管路和设备。
一般按照金属腐蚀破坏形态可把金属腐蚀分为全
面腐蚀和局部腐蚀。在富酸环境下的塔体和管路的腐
蚀都属于全面腐蚀。全面腐蚀既可能是腐蚀程度相同
的均匀腐蚀，也可以是腐蚀程度不同的非均匀腐蚀。
而局部腐蚀的形态很多，可以发生孔蚀、缝隙腐蚀、
晶间腐蚀、应力腐蚀开裂等，虽然发生面积较小，但
大危害更大。也可按照腐蚀发生的温度把金属腐蚀分
为高温和低温腐蚀。 脱硫塔体和出口管路的腐蚀都属
于低温腐蚀。
当水滴在塔体和管路上凝结时, 形成很薄的液膜,
吸收了烟气中的硫化物形成酸液, 从而产生腐蚀 。 而
在一些狭小的细缝存在有与腐蚀有关的物质, 由于缝
隙限制了物质的扩散, 从而建立了以缝隙为阳极的浓
差电池, 造成了缝隙内部的局部腐蚀 。
阳极反应过程,Fe → Fen+ + ne
阴极反应过程,2H+ +2e → H2↑
如果在与应力的共同作用下则易发生应力腐蚀开裂，
后果极其严重。
1.2.2目前的解决办法
出于对暴露在富酸环境下的设备和管路状况考虑，大
部分设备采取了烟气再热方法来提高出口烟气温度以防
止腐蚀。
比较常见的有五种烟气再热形式 。 分别为 串联式再
热法, 间接热空气喷射再热法, 直接燃烧再热法, 烟气
旁通法, 再生式再热法等 。 例如华能珞璜发电厂首家
引进 2× 360MW三菱重工烟气脱硫装置就是采用再生式
再热型式, 于 1992 年投入运行 。 但在使用过程中发现,
烟气加热系统翅片管束的表面结露, 形成的 H2SO4不仅
? 加剧管束酸性腐蚀, 缩短使用寿命, 而且极易粘结烟
尘, 造成烟气流通截面积逐渐减小, 烟气侧阻力增大 。
? 烟气再热系统提高了出口烟气温度, 防止了腐蚀,
同时还有利于污染物的扩散 。 但是烟气再热系统本身
的腐蚀问题却无法解决, 有时甚至影响了整个脱硫系
统的正常运行, 既增大了资本投资, 同时又额外增加
了运行和维护费用 。
? 目前的解决方法不论是湿壁烟囱还是烟气再热系
统, 从根本上讲, 不是采用耐腐蚀合金材料, 就是被
动维修, 增加了投资费用, 却没有从根本上解决问题 。
如果开发一种能减少烟气带水量, 并且保持一定饱和
温距 （ 烟气温度和烟气露点温度之差 ） 的设备, 就能
从根本上解决低温腐蚀问题, 可能去掉除雾器和烟气
再热系统, 降低整个烟气脱硫系统的投资, 运行和维
护费用 。
几种主要再热方式的比较
1．串联式再热系统
设计简单, 技术成熟 。
容易造成管路堵塞和腐蚀 。
2,直接燃烧再热系统
投资少, 运行可靠, 不易堵灰, 腐蚀, 维护费用低 。
需用额外燃料, 运行费用高, 在脱硫后的烟气中又加入
了二氧化硫 。 部分设备遭到了热燃气的严重损坏, 降低
了系统的可靠性和效率, 燃料燃烧不完全和火焰不很稳
定 。
3,间接热空气再热系统
运行可靠, 不易堵灰和腐蚀, 能耗低 。
需要更多的高温, 高压蒸汽；增加了烟气体积, 加大了
管道尺寸和引风机容量 。
4,烟气旁通再热系统
能量消耗低, 投资少, 运行可靠 。
烟气混合处容易腐蚀 。
5,再生式再热系统
能量消耗低, 减少了脱硫系统的补充水, 降低了烟气绝
热饱和温度, 有利于 SO2的吸收 。
投资费用大, 热交换器易腐蚀和堵塞, 需要高效率的除
雾器 。
2、课题的核心思想和基本原理
2.1核心思想
针对湿法烟气脱硫系统出口烟气带水引起的腐蚀等问
题，设计一种反应器，使之在具有较高脱硫效率的前提
下，尽量减少烟气携带液滴甚至没有，使出口烟气只含
有未饱和的水蒸气，并具有一定的饱和温距。这样就可
以减轻尾部设备的腐蚀，改善设备的工作条件。如果有
可能，就可以去除除雾器，甚至烟气再热系统，降低设
备的初投资及运行和维护费用。
根据这一指导思想，设计了一台实验装置。在反应
器内布置了一定数量的按一定形式有序排列的鳍片管束，
浆液在管束外表面形成垂直下降的液膜，烟气横向冲刷
管束，并产生强烈的扰动，从而使气液具有较充分的接
触，脱出烟气中的二氧化硫。鳍片管束表面的轴向鳍片
把圆柱形液膜分成几部分，使表面液膜在较高烟气流速
下，也不易被吹散、撕裂，防止了烟气携带液滴。
2.2基本原理
2.2.1化学反应机理
试验采用石灰 （ CaO） 制成浆液 （ Ca(OH)2） 作为脱硫剂 。
主要化学反应如下：
1 CaO+H2O → Ca(OH)2(l)
2 SO2（ g） → SO2（ l）
3 O2（ g） → O2(l)
4 SO2(l)+H2O → H2SO3
5 H2SO3 → H++HSO3-
6 HSO3- → H-+SO32-
生成的 SO32-离子和 Ca2+离子反应生成 CaSO3,氧化后生
成 CaSO4结晶长大, 生成石膏 。
7 Ca2++ SO32- → CaSO3
8 CaSO3+H2O → CaSO3·H2O
9 HSO3-+O2（ l） → HSO4-+H+
10 HSO4-→ SO42-+ H+
11 Ca2++SO42- → CaSO4(l)
12 CaSO4(l)+2H2O → CaSO4·2H2O(s)
13 CaSO4(l)+2H2O → CaSO4·2H2O(s)
从反应机理来看, 反应的控制步骤应是第二步, 即 SO2
的吸收过程 。
2.2.2 结构原理
根据气液传质的双膜理论, 气液传质阻力主要集中在
相界面两侧的气液两层薄膜中 。 碱性石灰浆液吸收二氧
化硫是属于伴有化学反应的化学吸收 。 反应主要是由气
膜的传质阻力控制的 。 在本装置中, 通过烟气在横向冲
刷鳍片管束时, 使烟气处于强烈的扰动状态, 有利于降
低气相的传质阻力 。
根据垂直下降液膜的波动理论, 垂直下降的波动液
膜有助于气液传质速率的提高 。 强烈扰动的烟气使鳍片
管外表的下降液膜表面处于强烈的湍动状态, 促进液相
薄膜中溶质的扩散, 从而有利于传质过程的进行 。
同时, 与管内气体吸收相比, 本实验通过鳍片管束
对烟气的强烈扰动, 可以使气液接触更加充分 。
鳍片管表面的轴向鳍片把圆形液膜分成几部分, 改
变了表面液膜的形状, 由于液膜表面张力的作用, 使得
下降液膜即使在较高烟气流速下也不易被吹散, 撕裂,
从而可以减少烟气带水, 减轻尾部设备的腐蚀 。
3,已经完成的实验工作
3.1烟气脱硫实验系统简介
本试验系统如图 -1所示, 总体上可分为以下几个部
分：浆液循环系统, 模拟烟气系统及反应器本体部分 。
3.1.1浆液循环系统
把石灰和水混合配制成一定比例的浆液, 由浆液泵
将石灰浆液输送到反应器 。 浆液流量由流量调节阀, 液
体量计调节, 以适应不同的液气比和钙硫比 。 反应后的
浆液经过滤处理后, 可循环利用 。
3.1.2 烟气模拟系统
烟气模拟系统包括：气体混合部分、加热部分 ﹑ 温
控部分 ﹑ 烟气特性测试部分及尾气处理部分。本试验采
用的模拟烟气是通过在空气中混入一定的 SO2气体获得的。
用气体流量调节阀和流量计控制气体流量大小，即脱硫
系统的入口 SO2浓度和烟气流量。混合后的烟气进入到加
热器，通过调压器调节到各种试验工况所需的温度。烟
气温度由仪表自动控制。经由脱硫塔的烟气中残余 SO2气
体，经过氢氧化钠溶液清洗后排入大气。
3.1.3反应器
所说的反应器是指由若干的一定排列形式的鳍片管
束和孔板组成。浆液通过孔板在一定形状的鳍片管束表
面形成下降液膜，烟气横向冲刷鳍片管束。空塔烟气流
排入大气
1-洗气瓶 2,3,5,6,7- 测点 4-塔体 8- 流量计 9-调节阀 10-
加热器 11- 温控仪 12- 混合室 13,14-流量计 15- 高压空
气 16-SO2 气瓶 17-水泵 18-填料箱 19-PH 计 20- 浆液槽 21-
排污口
图 — 2 烟气脱硫系统图
速为 10m/s左右。
图 -1鳍片管束的几种形式
3.2 已完成的实验工作
3.2.1沿程烟气含水量的变化
本实验的钙硫比为 1.5，气液比为 2.1 M3/ L，固定入
口烟气温度 T=65℃ 和烟气速度 V=7.2m/。入口烟气相对
湿度 W=18.5%，饱和温距 Δ T=33℃,含水量 d=21.61g/kg
烟气；出口烟气温度 T=50℃, W=29.5%,Δ T=22.5℃,
含水量 d=23.3g/kg烟气。图 -3给出了烟气含湿量的沿程变
化。由图 -1可见，随着烟气行程的延长（即管排数的增
加），烟气含水量有所增加，但从入口到出口烟气含水
量的变化很小,Δ d=1.7 g/kg烟气。湿法烟气脱硫技术出
口烟气中的含水量主要由两部分组成：即烟气携带的液
滴和烟气中含有的水蒸汽。在本实验中，烟气含水量增
加，主要可能由两种因素造成：一是烟气流速过大，造
成液膜被撕破，细小的液滴烟气被带走，并有一部分被
蒸发，使烟气含水量增大；二是随着烟气行程延长，液
膜表面水的蒸发量增加，导致烟气含水量增大。实验中，
（硫酸钙或亚硫酸钙等）附着在内壁表面。经过半年来
调试、试验，在集气箱内表面仅有极其微量的白色的在
反应器出口设有透明的集气箱，如果烟气中携带液滴，
则会有液滴在集气箱表面凝结，水蒸发后应有白色沉积
物沉积物出现，说明被烟气带走的液滴量极其微小。实
验结果表明,出口烟气含水量增加主要是由液膜表面水
的蒸发引起的，鳍片管束使得下降液膜不易被撕破，几
乎没有液滴被带走。
0 2 4 6 8 10
0
5
10
15
20
25
30
T=65℃
V=7.2m/s
含水量g/kg
Z管排
图-1 沿程烟气含水量的变 化
4 5 6 7 8
0
5
10
15
20
25
30
T=55℃
含水量g/kg
速度m/s
图-2烟气流 速对含水量的影 响
3.2.2烟气流速对烟气含水量的影响
实验条件同上，固定入口烟气温度 T=55℃,改变烟气
速度分别为 V=8.0,7.2,6.7,4.6,3.5m/s。入口烟气流
速 V=8.0m/s时，出口相对湿度 W=33.8%,Δ T=19.5℃,
d=18.7g/kg烟气；入口烟气速度 V=3.5m/s时，出口烟气相
对湿度 W=43.8%，含水量 d=23.01g/kg烟气。由图 --2可见，
改变入口烟气流速，进出口烟气含水量差变化较大，
Δ d=4.31 g/kg烟气。烟气流速增大，烟气含水量降低。
正常情况下，烟气流速提高，烟气对鳍片管束表面液膜
冲刷、扰动更强烈，烟气带水量应该更多，实验结果却
不是这样。这可能有两个原因：一是由于反应塔内烟气
流速增大，烟气停留时间减少，使得单位时间内液膜表
面水的蒸发量减少，因而出口烟气含水量明显降低；二
是在反应器内布置的一定形状并按一定规律排列的鳍片
管束起到了重要作用，特别是鳍片管束的表面形状改变
了表面液膜的形状，把圆柱形的液膜分成了几部分，
有效地防止了液膜被撕裂及烟气带水。因为如果液膜
被撕裂，烟气中就会携带大量的液滴，就会导致烟气湿
度大幅度上升。因此，实验结果表明：在反应器内布置
的一定形状并按一定规律排列的鳍片管束可以有效地防
止了液膜被撕裂和烟气带水，并且在液膜没有被撕裂的
情况下，烟气流速越高，带水量越少。
3.2.3液流量对烟气湿度的影响
实验条件同上，固定反应器入口烟气流速为 8.0m/s，
烟气温度分别为 T=55,35℃ 。由图 -3可见，烟气温度为
35℃,接近室温时，烟气含水量随液流量的变化很小，
当烟气温度上升到 55℃ 时，烟气含水量随液流量的增大
而增加。但是，变化也不大。这也说明在反应器内布置
的一定形状并按一定规律排列的鳍片管束起到了重要作
用。在较高烟气流速下，既使在液流量增大的情况下，
有效地防止了液膜被撕裂及烟气带水，含水量增加主要
是由于温度升高导致水蒸发量增大引起的。
2 3 4 5 6 7
12
13
14
15
16
17
含水
量g/kg烟气
液流 量m
3
/h
图-3 液流 量对烟气湿度的影 响
t=55℃,v=8.0m/s
t=35℃,v=8.0m/s
3.2.4烟程沿气脱硫效率
实验条件同上, 固定入口烟气温度 T=65℃ 和塔内烟气速
度 V=7.0m/s,入口二氧化硫浓度 Cso2=1000ppm。 图 -5给
出了脱硫效率沿程分布情况 。 由图 -4可见, 随着烟气行
程增加, 烟气停留时间 （ 脱硫反应时间 ） 延长, 脱硫效
率增加, 即随着流经鳍片管排数的增加, 脱硫效率提高 。
当烟气流经 20排管束时, 烟气脱硫效率可达到 80%左右 。
反应器内沿程阻力为 90Pa左右 。 反应器内有序排列的带
有鳍片的管束既增加了管束表面液膜的面积, 同时又使
烟气产生强烈的扰动, 气液接触更加充分 。 另外, 下降
液膜本身的波动以及烟气对液膜表面的强烈扰动都有利
于传质过程的进行, 从而有利于脱硫反应的完成 。
3.2.5烟气流速对脱硫效率的影响
实验条件同上, 分别固定入口烟气温度 T=65℃, T=53℃,
T=42℃, 改变烟气速度分别为 V=8.0,7.2,6.7,4.6、
3.5m/s。 烟气脱硫效率的变化如图 -5所示 。 由图 -5
可知, 随着烟气流速的提高, 烟气脱硫效率降低；随着
烟气温度从 T=42℃, T=53℃, T=65℃ 不断升高, 脱硫效
率提高 。 烟气流速对脱硫效率的影响主要体现在两个方
面：一是烟气流速提高, 增强了烟气对液膜表面的扰动,
使气液接触更加充分, 同时提高传质速率和气液传质系
数 。 二是烟气流速改变, 使得烟气停留时间改变 。 当烟
气流速增大时, 停留时间减少, 气液反应不充分, 脱硫
效率降低 。 从图 -5 看, 后者对脱硫效率的影响比前者大 。
3 4 5 6 7 8
25
30
35
40
45
50
55
脱硫效
率%
速度M/S
图-5 烟气流 速对脱硫效 率的影 响
T=65℃
T=53℃
T=42℃
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
10
20
30
40
50
60
脱硫
效
率
管排 数
图-4 沿程烟气脱硫效 率
3.2.6 管束排列形式对烟气湿度的影响
固定入口烟气温度 T=55℃, 烟气流速 7.2M/S,其余条
件同上 。 图 -4给出了不同管束排列形式的烟气含水量的
沿程变化 。 由图 -6可见, 随着烟气行程的延长 （ 即管排
数的增加 ）, 烟气含水量有所增加, 但从入口到出口烟
气含水量的变化不大 。 其中顺列布置的管束的烟气含水
量变化最小, 加密错列管束的含水量变化最大 。 说明烟
气扰动程度对烟气带水的影响较大 。 由于管束只有 10排,
顺列布置的管束易形成烟气走廊, 气液接错不充分, 液
膜表面水蒸发量少, 故烟气带水较少；而加密错列布置
的管束对烟气的扰动最强烈, 气液接触较充分, 液膜表
面水蒸发量大 。
3.2.7 管束排列形式对烟气脱硫效率的影响
分别固定入口烟气温度 T=65℃ 和塔内烟气速度
V=7.0m/s,入口二氧化硫浓度 Cso2=1200ppm。 图 -5给出
了不同管束型式的脱硫效率沿程分布情况 。 由图 -7可见,
0 2 4 6 8 10
0
5
10
15
20
含水量g/kg烟气
管排数
图-6 不同管束形式对烟气湿度的影 响
加密错列
顺列
错列
随着烟气行程增加, 烟气停留时间 （ 脱硫反应时间 ） 延长,
脱硫效率增大, 即随着流经翅片管排数的增加, 脱硫效
率提高 。 但是, 不同管束排列形式, 烟气脱硫效率相差
较大 。 顺列管束的烟气脱硫效率最低, 其次是错列管束,
加密错列管束的效率最高 。 这说明烟气扰动程度对脱硫
效率的影响非常大 。 由于管排数较少, 只有 10排, 气液
接触不充分, 故顺列布置的管束脱硫效率较低 。 而加密
错列布置的管束对烟气的扰动最强烈, 气液接触较充分,
而且强烈湍动的烟气有助于降低气液传质阻力, 从而有
利于传质过程的进行, 反应塔内阻力最大为 100Pa左右 。
4,结束语
? 以上简单介绍了本研究的一些先期工作，限于实验
条件和实验手段，实验可能存在一些误差。但是，经过
一些先期实验研究工作，完全可以表明：本研究在获得
较满意的脱硫效率同时，可以减少烟气携带液滴，甚至
没有，从而可以减轻低温腐蚀,甚至可以简化系统设备。
另外，该装置还可以同时除尘。
0 2 4 6 8 10
0
10
20
30
40
50
60
脱硫效
率
管排数
图-7 不同管束形式对脱硫效 率的影 响
加密错列
错列
顺列
4.1 结垢问题
实验过程中发现在鳍片边缘及管壁中间有较严重的
结垢现象。一般为亚硫酸钙软垢，容易清除。控制结
垢的方法一般通过调节 PH值，或通过化学方法。
4.2 PH值的控制
在实验中,PH值极难控制。主要是系统持液量小，
导致 PH值不稳定。
4.3 液膜不易吹散的机理分析
4.4传质机理分析
内容提要
1、研究现状及课题背景
2、课题的主要思想
3、完成的工作的工作
4、结束语
1、湿法烟气脱硫技术的研究现状及课题背景
1.1湿法烟气脱硫技术的研究现状
烟气脱硫技术按工艺特性一般可分为湿法, 干法和
半干法三种 。 其中, 湿法是目前在实际运用中应用最广,
工艺应用最多的脱硫方法, 它们约占世界上现有烟气脱
硫装置的 80%左右, 其中石灰石 — 石膏法为 36.7%,其
它湿法为 48.3%。 湿式石灰石 -石膏法烟气脱硫技术最早
是由英国皇家化学工业公司提出的, 经过近三十年的发
展, 目前它已成为世界上技术最成熟, 实用业绩最多,
运行状况最稳定的脱硫工艺, 脱硫率在 90%以上 。 该方
法脱硫的基本原理是用石灰石浆液吸收烟气中的 SO2，
先生成亚硫酸钙, 然后亚硫酸钙被氧化为硫酸钙, 因而
分为吸收和氧化两个过程, 副产品石膏可回收利用, 亦
可抛弃处置 。
我国早在 70年代就开始了电站锅炉烟气脱硫技术的研
究工作，几乎与美国同时起步，涉及各类方法。但由于技
术、管理、经济和环境意识等多方面的原因以及缺乏相应
政策的推动，大部分技术尚停留在中试甚至小试阶段，仅
有的几项经过中试应用的技术也还未能大范围推广。随着
国家对环境保护的日益重视，同时为了促进国内烟气脱硫
技术的开发研究，七五、八五期间国家有目的、有计划地
引进了一批国外的先进技术和示范装置。这些引进的烟气
脱硫设备虽然技术先进，运行稳定，自动化程度高，对我
国的烟气脱硫事业有很大的推动作用，对我们积累设计、
运行和管理等方面的经验是十分有用的，但这些设备的投
资及运行费用极为昂贵，对于我国这样一个发展中国家来
说是难以承受的。由于脱硫系统的投资和运行费用均很高
（我国目前烟气脱硫装置脱除 SO2成本在 1500元 /ｔ以上，
要比规定的 SO2 排放费 200元 /ｔ高几倍 [5] ），因此，在没
有实行, 排放权交易, 制度的情况下，燃煤电厂的脱硫系
统一般不会在低于排放标准控制值的状态下运行，即使对
于
已建成投产的烟气脱硫脱硫设备也因其不菲的运行费用而
不得不照例关闭停运 。 但是, 随着排放标准的不断修订,
允许的 SO2排放浓度或总量将会有所降低, 排放收费将会
越来越高, 这将是必然的趋势 。
为此, 国家经贸委颁发了, 火电厂烟气脱硫关键技术与设
备国产化规划要点, (国经贸资源 (2000)156 ),指出烟气脱
硫关键技术与设备国产化是降低工程造价, 加快火电厂二
氧化硫治理速度, 提高机电制造企业竞争能力, 培育新的
经济增长点的需要, 指明了烟气脱硫国产化的目标 。 各环
境设备开发商积极研究开发适合我国国情的烟气脱硫脱硫
设备, 目前在国内比较盛行的是湿法烟气脱硫装置 。 现在
全国有数百家烟气脱硫设备制造厂, 且生产的脱硫设备多
用在中小型锅炉上, 采用的脱硫剂大多数为石灰, 少数为
废碱液 。 但由于现有的脱硫设备自控水平低, 浆液 pH值
难以稳定, 实际运行时脱硫效率很低, 设备现存的问题还
没有得到很好的解决, 因此无法满足我国污染物排放的要
求, 烟气脱硫技术及设备还需要在实践中不断完善 进而
解决脱硫设备运行和管理中存在的问题。
1.2课题研究背景
湿式烟气脱硫技术在机理上很成熟，其过程是气液反
应过程，反应速率快，钙的利用率高，脱硫效果好。但
目前不论从设备本身，还是从实际应用上说,还存在许
多问题。其中腐蚀问题最为突出。 湿法脱硫技术主要是
利用浆液洗涤烟气，通过增加气液接触面积来获得较高
的脱硫效率。这导致出口烟气携带液滴，烟气流速越高，
烟气带水量越多，易造成风机带水，管道和设备腐蚀等 。
因此，需要在出口增设除雾器和烟气再热系统 （ Stack
Gas Reheat）, 通过烟气再热的方法来提高出口烟气温
度，防止腐蚀。
1.2.1腐蚀机理
湿法烟气脱硫技术是利用喷淋的浆液洗涤烟气，大
部分污染物和腐蚀元素在吸收塔内就被除去了，一般出
口烟气中仅含有少部分 SO3,SO2、氯化物、氟化物和硫酸
雾等。但是，烟气中带水量多, 而且由于硫氧化物的
存在，烟气露点温度提高，使系统出口烟气温度降到
露点以下。既使用最有效的除雾器，饱和烟气所携带
的水滴和水雾也会凝结，水雾在烟气出口设备上凝结
后吸收烟气中的腐蚀元素，从而腐蚀管路和设备。
一般按照金属腐蚀破坏形态可把金属腐蚀分为全
面腐蚀和局部腐蚀。在富酸环境下的塔体和管路的腐
蚀都属于全面腐蚀。全面腐蚀既可能是腐蚀程度相同
的均匀腐蚀，也可以是腐蚀程度不同的非均匀腐蚀。
而局部腐蚀的形态很多，可以发生孔蚀、缝隙腐蚀、
晶间腐蚀、应力腐蚀开裂等，虽然发生面积较小，但
大危害更大。也可按照腐蚀发生的温度把金属腐蚀分
为高温和低温腐蚀。 脱硫塔体和出口管路的腐蚀都属
于低温腐蚀。
当水滴在塔体和管路上凝结时, 形成很薄的液膜,
吸收了烟气中的硫化物形成酸液, 从而产生腐蚀 。 而
在一些狭小的细缝存在有与腐蚀有关的物质, 由于缝
隙限制了物质的扩散, 从而建立了以缝隙为阳极的浓
差电池, 造成了缝隙内部的局部腐蚀 。
阳极反应过程,Fe → Fen+ + ne
阴极反应过程,2H+ +2e → H2↑
如果在与应力的共同作用下则易发生应力腐蚀开裂，
后果极其严重。
1.2.2目前的解决办法
出于对暴露在富酸环境下的设备和管路状况考虑，大
部分设备采取了烟气再热方法来提高出口烟气温度以防
止腐蚀。
比较常见的有五种烟气再热形式 。 分别为 串联式再
热法, 间接热空气喷射再热法, 直接燃烧再热法, 烟气
旁通法, 再生式再热法等 。 例如华能珞璜发电厂首家
引进 2× 360MW三菱重工烟气脱硫装置就是采用再生式
再热型式, 于 1992 年投入运行 。 但在使用过程中发现,
烟气加热系统翅片管束的表面结露, 形成的 H2SO4不仅
? 加剧管束酸性腐蚀, 缩短使用寿命, 而且极易粘结烟
尘, 造成烟气流通截面积逐渐减小, 烟气侧阻力增大 。
? 烟气再热系统提高了出口烟气温度, 防止了腐蚀,
同时还有利于污染物的扩散 。 但是烟气再热系统本身
的腐蚀问题却无法解决, 有时甚至影响了整个脱硫系
统的正常运行, 既增大了资本投资, 同时又额外增加
了运行和维护费用 。
? 目前的解决方法不论是湿壁烟囱还是烟气再热系
统, 从根本上讲, 不是采用耐腐蚀合金材料, 就是被
动维修, 增加了投资费用, 却没有从根本上解决问题 。
如果开发一种能减少烟气带水量, 并且保持一定饱和
温距 （ 烟气温度和烟气露点温度之差 ） 的设备, 就能
从根本上解决低温腐蚀问题, 可能去掉除雾器和烟气
再热系统, 降低整个烟气脱硫系统的投资, 运行和维
护费用 。
几种主要再热方式的比较
1．串联式再热系统
设计简单, 技术成熟 。
容易造成管路堵塞和腐蚀 。
2,直接燃烧再热系统
投资少, 运行可靠, 不易堵灰, 腐蚀, 维护费用低 。
需用额外燃料, 运行费用高, 在脱硫后的烟气中又加入
了二氧化硫 。 部分设备遭到了热燃气的严重损坏, 降低
了系统的可靠性和效率, 燃料燃烧不完全和火焰不很稳
定 。
3,间接热空气再热系统
运行可靠, 不易堵灰和腐蚀, 能耗低 。
需要更多的高温, 高压蒸汽；增加了烟气体积, 加大了
管道尺寸和引风机容量 。
4,烟气旁通再热系统
能量消耗低, 投资少, 运行可靠 。
烟气混合处容易腐蚀 。
5,再生式再热系统
能量消耗低, 减少了脱硫系统的补充水, 降低了烟气绝
热饱和温度, 有利于 SO2的吸收 。
投资费用大, 热交换器易腐蚀和堵塞, 需要高效率的除
雾器 。
2、课题的核心思想和基本原理
2.1核心思想
针对湿法烟气脱硫系统出口烟气带水引起的腐蚀等问
题，设计一种反应器，使之在具有较高脱硫效率的前提
下，尽量减少烟气携带液滴甚至没有，使出口烟气只含
有未饱和的水蒸气，并具有一定的饱和温距。这样就可
以减轻尾部设备的腐蚀，改善设备的工作条件。如果有
可能，就可以去除除雾器，甚至烟气再热系统，降低设
备的初投资及运行和维护费用。
根据这一指导思想，设计了一台实验装置。在反应
器内布置了一定数量的按一定形式有序排列的鳍片管束，
浆液在管束外表面形成垂直下降的液膜，烟气横向冲刷
管束，并产生强烈的扰动，从而使气液具有较充分的接
触，脱出烟气中的二氧化硫。鳍片管束表面的轴向鳍片
把圆柱形液膜分成几部分，使表面液膜在较高烟气流速
下，也不易被吹散、撕裂，防止了烟气携带液滴。
2.2基本原理
2.2.1化学反应机理
试验采用石灰 （ CaO） 制成浆液 （ Ca(OH)2） 作为脱硫剂 。
主要化学反应如下：
1 CaO+H2O → Ca(OH)2(l)
2 SO2（ g） → SO2（ l）
3 O2（ g） → O2(l)
4 SO2(l)+H2O → H2SO3
5 H2SO3 → H++HSO3-
6 HSO3- → H-+SO32-
生成的 SO32-离子和 Ca2+离子反应生成 CaSO3,氧化后生
成 CaSO4结晶长大, 生成石膏 。
7 Ca2++ SO32- → CaSO3
8 CaSO3+H2O → CaSO3·H2O
9 HSO3-+O2（ l） → HSO4-+H+
10 HSO4-→ SO42-+ H+
11 Ca2++SO42- → CaSO4(l)
12 CaSO4(l)+2H2O → CaSO4·2H2O(s)
13 CaSO4(l)+2H2O → CaSO4·2H2O(s)
从反应机理来看, 反应的控制步骤应是第二步, 即 SO2
的吸收过程 。
2.2.2 结构原理
根据气液传质的双膜理论, 气液传质阻力主要集中在
相界面两侧的气液两层薄膜中 。 碱性石灰浆液吸收二氧
化硫是属于伴有化学反应的化学吸收 。 反应主要是由气
膜的传质阻力控制的 。 在本装置中, 通过烟气在横向冲
刷鳍片管束时, 使烟气处于强烈的扰动状态, 有利于降
低气相的传质阻力 。
根据垂直下降液膜的波动理论, 垂直下降的波动液
膜有助于气液传质速率的提高 。 强烈扰动的烟气使鳍片
管外表的下降液膜表面处于强烈的湍动状态, 促进液相
薄膜中溶质的扩散, 从而有利于传质过程的进行 。
同时, 与管内气体吸收相比, 本实验通过鳍片管束
对烟气的强烈扰动, 可以使气液接触更加充分 。
鳍片管表面的轴向鳍片把圆形液膜分成几部分, 改
变了表面液膜的形状, 由于液膜表面张力的作用, 使得
下降液膜即使在较高烟气流速下也不易被吹散, 撕裂,
从而可以减少烟气带水, 减轻尾部设备的腐蚀 。
3,已经完成的实验工作
3.1烟气脱硫实验系统简介
本试验系统如图 -1所示, 总体上可分为以下几个部
分：浆液循环系统, 模拟烟气系统及反应器本体部分 。
3.1.1浆液循环系统
把石灰和水混合配制成一定比例的浆液, 由浆液泵
将石灰浆液输送到反应器 。 浆液流量由流量调节阀, 液
体量计调节, 以适应不同的液气比和钙硫比 。 反应后的
浆液经过滤处理后, 可循环利用 。
3.1.2 烟气模拟系统
烟气模拟系统包括：气体混合部分、加热部分 ﹑ 温
控部分 ﹑ 烟气特性测试部分及尾气处理部分。本试验采
用的模拟烟气是通过在空气中混入一定的 SO2气体获得的。
用气体流量调节阀和流量计控制气体流量大小，即脱硫
系统的入口 SO2浓度和烟气流量。混合后的烟气进入到加
热器，通过调压器调节到各种试验工况所需的温度。烟
气温度由仪表自动控制。经由脱硫塔的烟气中残余 SO2气
体，经过氢氧化钠溶液清洗后排入大气。
3.1.3反应器
所说的反应器是指由若干的一定排列形式的鳍片管
束和孔板组成。浆液通过孔板在一定形状的鳍片管束表
面形成下降液膜，烟气横向冲刷鳍片管束。空塔烟气流
排入大气
1-洗气瓶 2,3,5,6,7- 测点 4-塔体 8- 流量计 9-调节阀 10-
加热器 11- 温控仪 12- 混合室 13,14-流量计 15- 高压空
气 16-SO2 气瓶 17-水泵 18-填料箱 19-PH 计 20- 浆液槽 21-
排污口
图 — 2 烟气脱硫系统图
速为 10m/s左右。
图 -1鳍片管束的几种形式
3.2 已完成的实验工作
3.2.1沿程烟气含水量的变化
本实验的钙硫比为 1.5，气液比为 2.1 M3/ L，固定入
口烟气温度 T=65℃ 和烟气速度 V=7.2m/。入口烟气相对
湿度 W=18.5%，饱和温距 Δ T=33℃,含水量 d=21.61g/kg
烟气；出口烟气温度 T=50℃, W=29.5%,Δ T=22.5℃,
含水量 d=23.3g/kg烟气。图 -3给出了烟气含湿量的沿程变
化。由图 -1可见，随着烟气行程的延长（即管排数的增
加），烟气含水量有所增加，但从入口到出口烟气含水
量的变化很小,Δ d=1.7 g/kg烟气。湿法烟气脱硫技术出
口烟气中的含水量主要由两部分组成：即烟气携带的液
滴和烟气中含有的水蒸汽。在本实验中，烟气含水量增
加，主要可能由两种因素造成：一是烟气流速过大，造
成液膜被撕破，细小的液滴烟气被带走，并有一部分被
蒸发，使烟气含水量增大；二是随着烟气行程延长，液
膜表面水的蒸发量增加，导致烟气含水量增大。实验中，
（硫酸钙或亚硫酸钙等）附着在内壁表面。经过半年来
调试、试验，在集气箱内表面仅有极其微量的白色的在
反应器出口设有透明的集气箱，如果烟气中携带液滴，
则会有液滴在集气箱表面凝结，水蒸发后应有白色沉积
物沉积物出现，说明被烟气带走的液滴量极其微小。实
验结果表明,出口烟气含水量增加主要是由液膜表面水
的蒸发引起的，鳍片管束使得下降液膜不易被撕破，几
乎没有液滴被带走。
0 2 4 6 8 10
0
5
10
15
20
25
30
T=65℃
V=7.2m/s
含水量g/kg
Z管排
图-1 沿程烟气含水量的变 化
4 5 6 7 8
0
5
10
15
20
25
30
T=55℃
含水量g/kg
速度m/s
图-2烟气流 速对含水量的影 响
3.2.2烟气流速对烟气含水量的影响
实验条件同上，固定入口烟气温度 T=55℃,改变烟气
速度分别为 V=8.0,7.2,6.7,4.6,3.5m/s。入口烟气流
速 V=8.0m/s时，出口相对湿度 W=33.8%,Δ T=19.5℃,
d=18.7g/kg烟气；入口烟气速度 V=3.5m/s时，出口烟气相
对湿度 W=43.8%，含水量 d=23.01g/kg烟气。由图 --2可见，
改变入口烟气流速，进出口烟气含水量差变化较大，
Δ d=4.31 g/kg烟气。烟气流速增大，烟气含水量降低。
正常情况下，烟气流速提高，烟气对鳍片管束表面液膜
冲刷、扰动更强烈，烟气带水量应该更多，实验结果却
不是这样。这可能有两个原因：一是由于反应塔内烟气
流速增大，烟气停留时间减少，使得单位时间内液膜表
面水的蒸发量减少，因而出口烟气含水量明显降低；二
是在反应器内布置的一定形状并按一定规律排列的鳍片
管束起到了重要作用，特别是鳍片管束的表面形状改变
了表面液膜的形状，把圆柱形的液膜分成了几部分，
有效地防止了液膜被撕裂及烟气带水。因为如果液膜
被撕裂，烟气中就会携带大量的液滴，就会导致烟气湿
度大幅度上升。因此，实验结果表明：在反应器内布置
的一定形状并按一定规律排列的鳍片管束可以有效地防
止了液膜被撕裂和烟气带水，并且在液膜没有被撕裂的
情况下，烟气流速越高，带水量越少。
3.2.3液流量对烟气湿度的影响
实验条件同上，固定反应器入口烟气流速为 8.0m/s，
烟气温度分别为 T=55,35℃ 。由图 -3可见，烟气温度为
35℃,接近室温时，烟气含水量随液流量的变化很小，
当烟气温度上升到 55℃ 时，烟气含水量随液流量的增大
而增加。但是，变化也不大。这也说明在反应器内布置
的一定形状并按一定规律排列的鳍片管束起到了重要作
用。在较高烟气流速下，既使在液流量增大的情况下，
有效地防止了液膜被撕裂及烟气带水，含水量增加主要
是由于温度升高导致水蒸发量增大引起的。
2 3 4 5 6 7
12
13
14
15
16
17
含水
量g/kg烟气
液流 量m
3
/h
图-3 液流 量对烟气湿度的影 响
t=55℃,v=8.0m/s
t=35℃,v=8.0m/s
3.2.4烟程沿气脱硫效率
实验条件同上, 固定入口烟气温度 T=65℃ 和塔内烟气速
度 V=7.0m/s,入口二氧化硫浓度 Cso2=1000ppm。 图 -5给
出了脱硫效率沿程分布情况 。 由图 -4可见, 随着烟气行
程增加, 烟气停留时间 （ 脱硫反应时间 ） 延长, 脱硫效
率增加, 即随着流经鳍片管排数的增加, 脱硫效率提高 。
当烟气流经 20排管束时, 烟气脱硫效率可达到 80%左右 。
反应器内沿程阻力为 90Pa左右 。 反应器内有序排列的带
有鳍片的管束既增加了管束表面液膜的面积, 同时又使
烟气产生强烈的扰动, 气液接触更加充分 。 另外, 下降
液膜本身的波动以及烟气对液膜表面的强烈扰动都有利
于传质过程的进行, 从而有利于脱硫反应的完成 。
3.2.5烟气流速对脱硫效率的影响
实验条件同上, 分别固定入口烟气温度 T=65℃, T=53℃,
T=42℃, 改变烟气速度分别为 V=8.0,7.2,6.7,4.6、
3.5m/s。 烟气脱硫效率的变化如图 -5所示 。 由图 -5
可知, 随着烟气流速的提高, 烟气脱硫效率降低；随着
烟气温度从 T=42℃, T=53℃, T=65℃ 不断升高, 脱硫效
率提高 。 烟气流速对脱硫效率的影响主要体现在两个方
面：一是烟气流速提高, 增强了烟气对液膜表面的扰动,
使气液接触更加充分, 同时提高传质速率和气液传质系
数 。 二是烟气流速改变, 使得烟气停留时间改变 。 当烟
气流速增大时, 停留时间减少, 气液反应不充分, 脱硫
效率降低 。 从图 -5 看, 后者对脱硫效率的影响比前者大 。
3 4 5 6 7 8
25
30
35
40
45
50
55
脱硫效
率%
速度M/S
图-5 烟气流 速对脱硫效 率的影 响
T=65℃
T=53℃
T=42℃
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11
10
20
30
40
50
60
脱硫
效
率
管排 数
图-4 沿程烟气脱硫效 率
3.2.6 管束排列形式对烟气湿度的影响
固定入口烟气温度 T=55℃, 烟气流速 7.2M/S,其余条
件同上 。 图 -4给出了不同管束排列形式的烟气含水量的
沿程变化 。 由图 -6可见, 随着烟气行程的延长 （ 即管排
数的增加 ）, 烟气含水量有所增加, 但从入口到出口烟
气含水量的变化不大 。 其中顺列布置的管束的烟气含水
量变化最小, 加密错列管束的含水量变化最大 。 说明烟
气扰动程度对烟气带水的影响较大 。 由于管束只有 10排,
顺列布置的管束易形成烟气走廊, 气液接错不充分, 液
膜表面水蒸发量少, 故烟气带水较少；而加密错列布置
的管束对烟气的扰动最强烈, 气液接触较充分, 液膜表
面水蒸发量大 。
3.2.7 管束排列形式对烟气脱硫效率的影响
分别固定入口烟气温度 T=65℃ 和塔内烟气速度
V=7.0m/s,入口二氧化硫浓度 Cso2=1200ppm。 图 -5给出
了不同管束型式的脱硫效率沿程分布情况 。 由图 -7可见,
0 2 4 6 8 10
0
5
10
15
20
含水量g/kg烟气
管排数
图-6 不同管束形式对烟气湿度的影 响
加密错列
顺列
错列
随着烟气行程增加, 烟气停留时间 （ 脱硫反应时间 ） 延长,
脱硫效率增大, 即随着流经翅片管排数的增加, 脱硫效
率提高 。 但是, 不同管束排列形式, 烟气脱硫效率相差
较大 。 顺列管束的烟气脱硫效率最低, 其次是错列管束,
加密错列管束的效率最高 。 这说明烟气扰动程度对脱硫
效率的影响非常大 。 由于管排数较少, 只有 10排, 气液
接触不充分, 故顺列布置的管束脱硫效率较低 。 而加密
错列布置的管束对烟气的扰动最强烈, 气液接触较充分,
而且强烈湍动的烟气有助于降低气液传质阻力, 从而有
利于传质过程的进行, 反应塔内阻力最大为 100Pa左右 。
4,结束语
? 以上简单介绍了本研究的一些先期工作，限于实验
条件和实验手段，实验可能存在一些误差。但是，经过
一些先期实验研究工作，完全可以表明：本研究在获得
较满意的脱硫效率同时，可以减少烟气携带液滴，甚至
没有，从而可以减轻低温腐蚀,甚至可以简化系统设备。
另外，该装置还可以同时除尘。
0 2 4 6 8 10
0
10
20
30
40
50
60
脱硫效
率
管排数
图-7 不同管束形式对脱硫效 率的影 响
加密错列
错列
顺列
4.1 结垢问题
实验过程中发现在鳍片边缘及管壁中间有较严重的
结垢现象。一般为亚硫酸钙软垢，容易清除。控制结
垢的方法一般通过调节 PH值，或通过化学方法。
4.2 PH值的控制
在实验中,PH值极难控制。主要是系统持液量小，
导致 PH值不稳定。
4.3 液膜不易吹散的机理分析
4.4传质机理分析
