[内容摘要] 本文介绍了清华大学拥有独立自主知识产权的烟气脱硫与垃圾焚烧技术的开发与产业化情况，提出发展自主开发以及适合我国国情的烟气脱硫与垃圾焚烧技术是我国相关环保产业发展的必由之路。
一 烟气脱硫技术及其产业化
目前我国煤炭一年的产量和消费量高达12亿吨，二氧化硫的年排放量为2000多万吨，是世界上二氧化硫排放量最大国。预计到2010年，我国的煤炭消费量将达到18亿吨，如果不采取控制措施，二氧化硫的排放量将会达到3300万吨。按照脱硫专家的估算，每削减1万吨二氧化硫的费用大约在1亿元左右，那么到2010年，我们要保持现在的二氧化硫排放量，也要投资近千亿元，如果要进一步降低排放，投资将更大。控制二氧化硫排放量，既需要国家建设的合理规划，更需要适合我国国情、有针对性和较强应用前景的核心技术。
目前我国大型锅炉的二氧化硫污染控制技术都是从国外引进的，还没有形成具有自主知识产权的大型锅炉二氧化硫污染控制技术。清华大学热能工程系早在1985年就开始研究烟气脱硫，并且致力于发展具有自主知识产权的脱硫技术，煤清洁燃烧技术国家重点实验室、煤清洁燃烧技术国家工程研究中心也同时承担着很多有关烟气脱硫方面的国家重大项目，如973国家重点基础研究发展规划项目“燃煤污染控制的基础研究”，国家火炬计划项目“液柱喷射烟气脱硫系统”等，目前，清华大学已拥有烟气脱硫专利8项，也培养和锻炼了一批专业技术人员。清华同方和清华大学热能工程系、煤清洁燃烧技术国家重点实验室、煤清洁燃烧技术国家工程研究中心一起组建了清华同方能源环境公司，致力于具有自主知识产权的烟气脱硫技术产业化，形成民族的环保产业。目前利用液柱喷射烟气脱硫技术和干式循环流化床烟气脱硫技术已经完成了三个烟气脱硫工程，正在实施一个烟气湿法脱硫工程。
（一）液柱喷射烟气脱硫技术
液柱喷射烟气脱硫技术是在清华大学多年研究的基础上开发出来的。烟气从脱硫反应塔的下部进入反应塔，在反应塔内上升的过程中与脱硫剂循环液相接触，烟气中的SO2与脱硫剂发生反应，将SO2除去，然后经过高效除雾器，除去烟气中的液滴和细小浆滴，从脱硫反应塔排出进入气气交换器或进入烟囱。脱硫剂循环液由布置在烟气入口下面的喷嘴向上喷射，液柱在达到最高点后散开并下落。在浆液喷上落下的过程中，形成高效率的气液接触，从而促进了烟气中SO2的去除。另一方面，烟气在反应塔内上升的过程中，与由上到下的脱硫剂循环浆液充分接触，可以洗去部分细颗粒灰尘；烟气在经过除雾器时不仅能除去雾滴，同时能除去部分细灰。这样可以进一步提高系统除尘效率（图1）。
该项脱硫技术由于采用了液柱喷射的方法进行脱硫，避免了脱硫反应塔内尤其是喷嘴部位的结垢和堵塞问题，同时由于大量循环浆液和水膜的存在，能使整个系统的除尘效率大大提高。
1 液柱喷射烟气脱硫技术特点
液柱喷射烟气脱硫技术具有如下特点：
（1）气液传质交换充分，脱硫效率高。
在脱硫反应区域，液柱向上喷射，同时散开回落，整个反应区域内布满了脱硫循环浆液，脱硫剂浆液呈滴状或膜状，浆液与浆液之间不断碰撞，产生新的表面积。烟气经过此区域时，和循环浆液充分接触，将烟气中的SO2除去。同时，由于液柱是根据烟气在脱硫反应塔内的流场而布置的，使得烟气能够最充分地和脱硫剂浆液发生反应，从而保证高脱硫效率。
（2）脱硫反应塔内不产生结垢和堵塞。
由于采用的是液柱喷射烟气脱硫方法，脱硫反应区域内是空塔，这样使得在脱硫反应塔内避免了结垢或堵塞。同时，由于喷嘴的特殊设计，采用液柱喷射的方法，使得喷嘴处比喷雾塔和喷淋塔产生堵塞和结垢的可能性要小得多。
图1 液柱喷射烟气脱硫技术工艺原理图
（3）脱硫后烟气的高效除雾。
虽然采用液柱塔比采用喷淋塔或喷雾塔烟气中携带的含水量少，但烟气在脱硫过程中，由于和脱硫剂浆液充分接触，从而使得烟气中携带有一定的浆滴，在液柱喷射烟气脱硫技术中采用两级高效除雾器对烟气进行除雾，从而使得烟气经过脱硫后排放时几乎不含液滴，防止了后面的引风机或烟囱或气气交换器产生积水或结垢。
（4）脱硫产物为石膏，不产生二次污染。
脱硫反应区域脱硫剂吸收SO2的过程中，首先形成SO32—或HSO3—，若不加以充分氧化，则脱硫产物为CaSO3•1/2H2O，容易分解并造成二次污染。在循环氧化区域，SO32—或HSO3—经过充分氧化后，形成最终稳定的脱硫产物－CaSO4•2H2O，避免产生二次污染。而且经过进一步开发，脱硫石膏已经证明可以很好地进行再生利用，如在盐碱地改造以及作为混凝土缓凝剂等方面。
（5）脱硫剂利用率高
脱硫剂浆液的循环利用和工艺参数的优化选择，使得脱硫剂的利用率较高，从而降低运行成本。
2 液柱喷射烟气脱硫技术的产业化效果
(1) 沈阳化肥总厂烟气脱硫工程
1998到1999年间，日本JST集团出资资助清华大学拥有独立自主知识产权的湿法烟气脱硫技术进行技术和设备全部国产化的工业性示范，这是日本首次资助国外脱硫技术进行工业化示范，表明对清华大学烟气脱硫技术成熟度的充分肯定，也在一定程度上积极推动了利用我国自己烟气脱硫专利技术进行工业化推广的历史进程。项目完成后，日本科学技术振兴会和东京大学、东洋工程公司对工程进行了联合验收，被认为是世界上湿法烟气脱硫装置中做得较好的一个。
该工业示范项目由清华大学煤燃烧工程研究中心负责组织和实施。具体包括可行性研究、工艺设计、工程设计、土建施工、设备采购、设备制造与安装、设备调试运行、有关实验室研究、工程示范装置的性能试验与测试等。
2000年8月28日，教育部在沈阳主持召开了“新型液柱烟气脱硫除尘集成技术”的技术鉴定会。鉴定委员会由国家电力公司、国家环保局、国家计委、国家经贸委、北京冶金研究院、沈阳市环保局、东南大学等单位专家组成。鉴定委员会听取了该项目的工作报告、技术报告、查新报告等，审查了技术鉴定的文件资料，察看了现场试验装置的运行情况。经过认真讨论，得出以下鉴定意见：
1．新型液柱烟气脱硫除尘集成技术是我国自主开发的新工艺，属国内首创。示范装置工艺流程合理，自动水平程度较高，能满足工艺要求，能适应烟气量及SO2浓度的变化，采用生产废料电石泥为脱硫剂，以废治废。
2．示范装置的脱硫烟气为多管除尘器后的烟气，气量达24000Nm3/h。在液气比为10 ~ 12l/m3范围内，装置的脱硫效率可达到90%，除尘效率达90－96%。
3．该技术的综合水平达到了国际上同类脱硫技术的先进水平，具有较好的应用前景。
另外，该工程在脱硫产物―石膏的应用方面也取得了新突破。沈阳烟气脱硫副产物―脱硫石膏在沈阳康坪县以及内蒙古一带的盐碱地改造过程中起到了良好的效果，利用这种石膏改造过的不毛之地变成了绿油油的农田。沈阳市建材所也对该脱硫石膏进行了正式鉴定，认为完全可以替代天然石膏作为混凝土添加剂加以综合利用。此外，脱硫石膏对广东省红土壤的改造工作也被列入以清华大学为主要完成单位的全国重点基础研究发展规划项目子课题，我国农学专家已经充分肯定了脱硫石膏在生物化学方面对盐碱地改造所起到的特殊功效。
(2) 南宁冶炼厂烟气脱硫工程
南宁冶炼厂是我国生产铅锑的一个大型冶炼厂，每年排放二氧化硫达11500吨，是区域二氧化硫的一个主要污染源。该厂烟气脱硫工程处理的是经过除尘后的冶炼烟气，其平均二氧化硫含量高达11000ppm，同时负荷变化较大，给脱硫工程的实施带来很大的难度。清华同方能源环境公司运用清华大学具有自主知识产权的湿式液柱喷射烟气脱硫专利技术成功地解决了这一难题。使工厂外排二氧化硫由11500吨/年减少到575吨/年，排放浓度完全符合国家排放标准，且每年还可以生产石膏39604吨。就该工程处理的二氧化硫量来讲，相当于一台670t/h锅炉（以Sar=1.3%计）的脱硫工程。工程投产后，所在区域的大气环境得到较大程度的改善，为当地带来巨大的环保效益。该工程作为国家环保总局限期达标的“零点工程”之一，已于2001年元旦前夕正式投运并顺利达标，经测定，烟气入口处二氧化硫含量高达15000ppm，经过脱硫装置的净化，出口处二氧化硫含量骤减至300ppm。目前，脱硫装置运转一切正常。
2001年4月初该工程经南宁市环保局监测，达到了排放的要求，4月底已由广西壮族自治区经贸委、环保局联合验收。目前运行正常，脱硫效率达到97%。
(3) 杭州钢铁集团球团竖炉烟气脱硫项目
正在实施的杭州钢铁集团球团竖炉烟气脱硫工程，将在今年11月完工投运。该工程处理烟气量为165000Nm3/h，含二氧化硫浓度为5500mg/Nm3，设计脱硫效率大于90%。通过该项目的实施，将进一步巩固清华大学在自主知识产权烟气脱硫技术领域产业化进程中的领先地位。
（二）干式循环流化床烟气脱硫技术的开发与产业化
干式循环流化床烟气脱硫技术是清华大学独立开发的专利技术，它是在锅炉尾部利用循环流化床技术进行烟气净化，脱除烟气中大部分SO2等酸性气体。该技术具有如下特点：
1. 主要以锅炉飞灰作为循环物料，反应器内固体颗粒浓度均匀，固体内循环强烈，气固混合、接触良好，气固间传热、传质十分理想。
2. 通过混合造粒器，把浆液、飞灰、水分均匀混合，生成一定大小的带有一定量水分的颗粒，这样在反应塔中由于颗粒的水分蒸发与水分吸附、固体颗粒之间的强烈接触摩擦，造成反应塔中气、固、液三相之间极大的反应活性和反应表面积，对于塔中有害物质的去除具有非常理想的效果。
3. 固体物料被反应器外的高效旋风分离器和除尘器收集，再回送至反应塔，使脱除剂反复循环，在反应器内的停留时间延长，从而提高脱除剂的利用率，降低运行成本。
4. 通过向反应器内喷水，使烟气温度降至接近水蒸汽分压下的饱和温度，提高脱硫效率。
5. 反应器不易腐蚀、磨损。
6. 反应系统中的粉煤灰对脱硫反应有催化作用。
该项技术已经成功应用于清华大学试验电厂烟气脱硫工程，标志着我国继液柱喷射烟气脱硫技术之后，又一项具有自主知识产权的烟气脱硫技术的成熟，具有广阔的推广应用前景。该工程已于2000年底竣工。
二 垃圾焚烧技术及其产业化
城市生活垃圾是人类活动的伴随产物。随着城市人口增加和城市生活水平的提高，城市生活垃圾产量日益增长。日益增加的城市生活垃圾严重污染人类生活环境。如何实现城市生活垃圾无害化、减容化和资源化的“三化”处理已成为全世界关注的焦点。在常见的垃圾处理方法中，垃圾焚烧由于处理垃圾的无害化彻底，减容化程度深以及可能源化利用等优点而成为当今城市生活垃圾处理的主流。但是，垃圾焚烧容易产生二次污染，特别是产生的二恶英类剧毒物质对环境造成很大的危害，如何有效控制垃圾焚烧二恶英类物质的产生与扩散成为目前研究热点。解决垃圾焚烧二恶英污染问题直接关系到垃圾焚烧技术能否得到进一步推广应用。
该全面控制垃圾焚烧二恶英产生与扩散技术是由清华大学与清华同方股份有限公司共同开发，具有国际先进水平同时又适合我国国情的城市生活垃圾能源化利用及其二次污染防治专利技术。该技术目前正应用于许昌市垃圾焚烧发电工程项目。该技术的主体包括三个部分，即燃前垃圾预处理系统、等压组合式循环流化床焚烧系统和半干式循环流化床尾气净化系统。
（一） 燃前垃圾预处理系统
燃前垃圾预处理主要采用人工与机械相结合的方法，实现垃圾分选。垃圾分选主要分选出垃圾中可回收再利用的组分如金属、玻璃、硬塑料（聚氯乙烯）等回收利用，同时将不宜入炉焚烧的组分如尘土、砖头、瓦块、石头等分选出来单独填埋或作建筑材料，也可将垃圾中有机生物质分选出来作堆肥原料。总之，通过预处理可有效实现垃圾组分的综合利用，同时提高锅炉燃烧效率和运行稳定性，更重要的是预处理去除原生垃圾中的聚氯乙烯和金属，有利于从源头上减少垃圾焚烧二恶英生成的氯的来源和催化剂来源。
（二） 等压组合式循环流化床垃圾燃烧炉
垃圾焚烧采用等压组合式循环流化床垃圾焚烧炉实现预处理后垃圾先低温热解气化后再高温燃尽热解气体。等压组合式循环流化床由一个主床和两个副床组成，垃圾首先进入副床进行低温热解气化，热解温度低于750°C，热解产生的可燃气体以相互对吹的方式进入主床，并在主床内高温燃尽，主床内温度大于850°C，同时在主床内形成强大的扰动流场。这有利于实现垃圾的“三T”燃烧方式，从而控制二恶英的炉内生成。考虑高硫煤与垃圾混合燃烧，利用煤中硫来抑制垃圾焚烧二恶英炉后催化形成。在垃圾焚烧过程中添加脱氯添加剂实现炉内低温脱氯，将大部分气相中的氯转移到固体残渣中去，从而减少二恶英的炉内生成和炉后再合成。等压组合式循环流化床的结构示意图如图2所示。预处理后的垃圾由垃圾入口进入焚烧炉副床，并在副床内进行热解气化。垃圾气化产生的可燃气体进入主床高温燃尽，燃尽产生的尾气由水平烟道进入旋风分离器实现气固分离，分离下来的高温飞灰经过返料器进入副床，作为垃圾热解气化的热源（图2）。
图 2 等压组合式循环流化床结构示意图
（三）半干式循环流化床尾气净化系统
图3 半干式循环流化床尾气净化装置
垃圾焚烧尾气净化采用半干式循环流化床尾气净化装置，其基本原理就是利用碱性化合物来吸收酸性气体（如卤化氢、二氧化硫、氮氧化物等），同时利用多孔介质来吸附少量的二恶英类有机污染物和重金属。利用高传热、传质、强混合的流态化技术来增强有害物的脱除效率。采用高效除尘装置（布袋除尘器）来实现气固高度分离，从而防止二恶英等有害物的扩散。该系统主要包括：循环流化床净化装置、高效气固分离器、固体物料缓冲装置、排灰装置、添加剂加入装置和物料混合器组成。该系统构成示意图如图3所示。
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半干式循环流化床尾气净化系统实现尾气净化的过程如下：垃圾焚烧排出的烟气经过缩放喷管加速后喷入以碱性脱除剂和多孔吸附剂为床料的循环流化床净化装置，带动床料一起流化并发生酸性气体脱除反应和二恶英等有机化合物、重金属以及飞灰细颗粒的吸附。反应和吸附后形成的产物留在脱除剂中以固体形式与未完全反应的床料一道随烟气进入气固分离器。经气固分离器后固体颗粒进入到下面的缓冲罐中，大部分固体颗粒进入混合器与新鲜脱除剂和吸附剂混合，然后进入流化床烟气净化反应装置中循环使用。缓冲罐中多余的物料由溢流口排出。净化后的洁净烟气通过除尘器出口排出经引风机进入烟囱达标排放。
三 结语
大力发展具有自主知识产权的脱硫技术与垃圾焚烧技术势在必行，我国脱硫技术与垃圾焚烧技术的尽早全面产业化是必由之路。清华同方能源环境公司依靠清华大学强大的科研力量，已经建立起一支从可研、设计、施工到调试运行的强大与成熟的专业队伍，并逐步把具有独立自主知识产权的烟气脱硫技术与垃圾焚烧技术推向产业化。只有发展我们自己的技术和力量，才符合我国国情，才能充分适应我国环保产业的发展趋势，才能实现为了人类跨入又一个千年，还子孙后代一个清洁地球的宏伟目标。
