煙氣海水脫硫技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用

薛 軍,楊 東,陳玉樂,王小立

(北京龍源環(huán)保工程有限公司,北京 100044)

煙氣海水脫硫技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用

薛 軍,楊 東,陳玉樂,王小立

(北京龍源環(huán)保工程有限公司,北京 100044)

簡述了北京龍源環(huán)保工程有限公司依托 863項目自主研發(fā)的大型燃煤電站煙氣海水脫硫成套技術(shù)及其基本原理和工藝流程,詳細介紹了該項目的研究內(nèi)容、步驟,及其研發(fā)技術(shù)在示范工程中的應(yīng)用。該技術(shù)的成功研發(fā)與應(yīng)用對我國海濱燃煤鍋爐煙氣脫硫工藝和設(shè)備的國產(chǎn)化,降低投資和運行成本具有重要意義。

海水;煙氣脫硫;SO2;示范工程

我國燃煤電廠 SO2排放量占全國總排放量的50%左右,是大氣污染控制的重點領(lǐng)域[1]。目前,我國大、中型火電廠的脫硫系統(tǒng)大多采用石灰石 /石膏濕法工藝,運行需消耗大量淡水和礦石資源,成本很高,排放的廢渣和廢水還會帶來二次污染等問題[2-3]。因此,有必要針對我國國情,因地制宜地開發(fā)其他切實可行的其他脫硫技術(shù),煙氣海水脫硫技術(shù)便是其中之一。海水脫硫技術(shù)的實際工程應(yīng)用表明,該工藝技術(shù)成熟、運行可靠,適宜在海濱電廠推廣應(yīng)用[4-5]。然而,煙氣海水脫硫技術(shù)在國內(nèi)的研發(fā)還處于起步階段,工業(yè)化應(yīng)用的主要核心技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備仍依賴進口,費用高昂,嚴(yán)重阻礙了該技術(shù)在我國的進一步應(yīng)用和發(fā)展。

在此背景下,北京龍源環(huán)保工程有限公司在國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃 (863計劃)支持下,結(jié)合多年的工程經(jīng)驗,與有關(guān)科研院、所協(xié)作,開發(fā)出具有自主知識產(chǎn)權(quán)的煙氣海水脫硫核心技術(shù)。

1 海水脫硫機理及工藝

海濱電廠用于機組冷卻的循環(huán)海水是一種天然堿資源,用其替代石灰石進行煙氣脫硫,既保護了環(huán)境,減少了礦石資源浪費,又降低了能耗,符合循環(huán)經(jīng)的濟理念。

海水自然堿度為 1.2～2.5mmol/l,pH值一般在 8.0左右,海水中含有大量和,使其具有較強的酸堿緩沖和吸收 SO2的能力,這是直接利用海水進行煙氣脫硫的理論依據(jù)。煙氣中 SO2被海水吸收轉(zhuǎn)化為和,此過程所產(chǎn)成的H+與海水中的、反應(yīng)生成 CO2和 H2O,這就使得海水具有較大的 SO2吸附容量。

海水吸收 SO2及其氧化:

海水的緩沖作用:

本項目所研發(fā)的海水脫硫技術(shù)的特點是只用海水和空氣而不添加任何化學(xué)物質(zhì),脫硫過程中不產(chǎn)生有害副產(chǎn)物。脫硫系統(tǒng)主要包括:煙氣系統(tǒng)、SO2吸收系統(tǒng)、海水供應(yīng)系統(tǒng)和海水水質(zhì)恢復(fù)系統(tǒng)。其中 SO2吸收系統(tǒng)的吸收塔和海水水質(zhì)恢復(fù)系統(tǒng)的曝氣池是該項技術(shù)的核心。海水脫硫主要工藝流程如圖 1所示。

圖 1 煙氣海水脫硫工藝流程

2 海水脫硫技術(shù)研發(fā)內(nèi)容

2.1 基礎(chǔ)研究

煙氣海水脫硫技術(shù)研究主要調(diào)查了我國沿海海水的水質(zhì)特性、吸收塔內(nèi)的 SO2吸收和氣液流動特性、吸收塔排出的酸性海水中四價硫氧化及 pH值恢復(fù)機理和動力學(xué)基礎(chǔ)等。試驗內(nèi)容包括各水質(zhì)參數(shù)和工藝參數(shù)對海水脫硫效果的定量影響;試驗方法是將實驗室小型試驗結(jié)果在大型移動式中試平臺上進行驗證。大量的基礎(chǔ)試驗數(shù)據(jù)與科學(xué)的理論分析為成套煙氣海水脫硫系統(tǒng)的工藝設(shè)計優(yōu)化和設(shè)備開發(fā)提供了理論依據(jù)和指導(dǎo)。

2.2 工藝研究

(1)新工藝的開發(fā)。借鑒實際工程經(jīng)驗,針對我國國情、燃煤條件和海水水質(zhì),在全面、深入地掌握工藝?yán)碚摶A(chǔ)的前提下,開發(fā)降低工程投資和運行成本、提高系統(tǒng)可靠性、適應(yīng)我國海水和煤質(zhì)條件以及電站運行機制的海水脫硫工藝。新工藝的要求主要包括:適應(yīng)高硫煤或煤質(zhì)不穩(wěn)定的國情;適應(yīng)國內(nèi)海水水質(zhì) (雜質(zhì)多);兩爐一塔配置;曝氣風(fēng)機優(yōu)化配置,適應(yīng)電廠各工況及氣候條件;GGH置于吸收塔上以降低阻力、節(jié)約空間等。

(2)物料衡算和設(shè)計軟件包的開發(fā)。脫硫系統(tǒng)的物料平衡計算是系統(tǒng)設(shè)計的核心技術(shù)之一。本項目設(shè)計軟件包構(gòu)建了合理的數(shù)學(xué)模型和算法,可快速、有效、直觀地指導(dǎo)工藝設(shè)計與優(yōu)化,加快設(shè)計進程,提高設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)化和精度。設(shè)計軟件包可以對煙氣量、空塔流速、塔徑、填料高度、上塔水量、曝氣池水量配比、曝氣風(fēng)量、煙道阻力、風(fēng)機與泵的選型、管道流速等進行優(yōu)化計算。

(3)計算機設(shè)計模擬優(yōu)化平臺的建立。建立大型 CFD計算模型,對吸收塔、曝氣池的結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵設(shè)備進行了優(yōu)化計算,通過分析塔內(nèi)氣液流動特征、多相化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)濃度分布特征、各物質(zhì)濃度和工藝參數(shù)對脫硫和海水恢復(fù)效率的影響等,進而對吸收塔的塔形、直徑、高度、接口位置及大小、噴淋裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化和位置布置、噴淋層位置、填料高度、曝氣池容積、曝氣管網(wǎng)結(jié)構(gòu)與布置等優(yōu)化提供了理論支持,保證了各優(yōu)化設(shè)計的科學(xué)合理和高效。

2.3 關(guān)鍵設(shè)備的開發(fā)

2.3.1 海水脫硫系統(tǒng)相關(guān)設(shè)備的改進和優(yōu)化

為了提高脫硫設(shè)備的國產(chǎn)化水平、降低工程造價,同時,也為了增強煙氣海水脫硫技術(shù)對我國煤質(zhì)和海水水質(zhì)的適應(yīng)性,在研究中開發(fā)了一系列關(guān)鍵設(shè)備,主要包括:吸收塔結(jié)構(gòu)布置、節(jié)能抗堵塞噴淋裝置、吸收塔散裝 /規(guī)整填料、電化學(xué)氧化電極材料及其系統(tǒng)、優(yōu)化的曝氣池結(jié)構(gòu)和曝氣管網(wǎng)等。系統(tǒng)性能改善主要表現(xiàn)在:氣液流場分布優(yōu)化、防止噴淋系統(tǒng)堵塞、提高氣液交換吸收效率、延長電極壽命、提高電化學(xué)氧化 (ECO)效率和海水恢復(fù)系統(tǒng)效率等。以上關(guān)鍵設(shè)備,如噴淋裝置、填料、電化學(xué)氧化系統(tǒng)等的性能檢驗均在國內(nèi)首個大型移動式煙氣海水脫硫中試試驗平臺上進行,一些關(guān)鍵參數(shù)在試驗中得到驗證。

2.3.2 中試試驗平臺

用于秦皇島發(fā)電有限責(zé)任公司的中試試驗平臺是以 300MW機組為基礎(chǔ),結(jié)合實驗室研究和工程實踐經(jīng)驗、按比例縮小設(shè)計的,設(shè)計中充分考慮了中試中的各種試驗要求,滿足各關(guān)鍵設(shè)備測試和工藝參數(shù)調(diào)整的需要。試驗用原煙氣由電廠原煙道引出,水質(zhì)恢復(fù)試驗的酸性海水取自中試吸收塔,也可直接用電廠吸收塔的排水;吸收塔和曝氣池分別置于 2個集裝箱內(nèi),并設(shè)置獨立的電氣和控制系統(tǒng),既可同時進行配合試驗,也可保證相對獨立,以適應(yīng)不同的試驗要求。

該中試平臺為可拆卸式,拆卸后能整合放置于2臺大型拖車上,可移動至任一海濱電廠進行煙氣海水脫硫工藝設(shè)計前的中試試驗。

3 自主技術(shù)的示范工程應(yīng)用

秦皇島電廠 3號機組 (300MW)脫硫是北京龍源公司首個使用自主知識產(chǎn)權(quán)的煙氣海水脫硫工程,設(shè)計燃煤硫分 0.84%,設(shè)計脫硫率≥95%,系統(tǒng)可用率不低于 95%,設(shè)計工況出口煙氣溫度不低于70℃,出水達到國家三類海水標(biāo)準(zhǔn),DO>3mg/l、COD≤4mg/l,系統(tǒng)設(shè) GGH。主要設(shè)計參數(shù)詳見表 1(本文煙氣量均為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)值)。

該技術(shù)將常用的方塔結(jié)構(gòu)優(yōu)化為圓塔;噴淋管采用環(huán)形結(jié)構(gòu),布水更為均勻;配置節(jié)能抗堵塞噴淋裝置,用較小的壓阻代價進一步優(yōu)化了布水;采用新研發(fā)的散裝填料與規(guī)整填料組合,具有更好的流體性能和比表面積,并進一步改善了布水、布氣均勻性和傳質(zhì)效率等。該工程于 2008年 12月投運,與電廠采用外方技術(shù)的 4號機組 (300MW)相比,各項性能指標(biāo)更為卓越,詳見表 2。由表 2可知,示范工程技術(shù)整體性能優(yōu)異,提升了對煤質(zhì)、海水水質(zhì)變化范圍的適應(yīng)性。

表 1 海水脫硫工程主要設(shè)計參數(shù)

表 2 海水脫硫示范工程技術(shù)與原外方技術(shù)性能比較

4 結(jié)語

我國擁有較長的海岸線,中國及亞洲地區(qū)海濱電廠數(shù)量龐大,沿海地區(qū)經(jīng)濟發(fā)達,人口稠密,環(huán)境保護要求嚴(yán)格,但大多數(shù)地區(qū)列在酸雨控制區(qū)和二氧化硫控制區(qū)內(nèi)、同時淡水資源嚴(yán)重不足,因此,進一步開發(fā)、優(yōu)化并在海濱地區(qū)推廣應(yīng)用海水脫硫技術(shù),對治理燃煤機組造成的大氣污染、節(jié)約淡水資源,具有重要意義。本研究項目開發(fā)成功的、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的煙氣海水脫硫技術(shù),可大幅增強該工藝對我國煤質(zhì)、海水水質(zhì)的適應(yīng)性和經(jīng)濟性,減少了對外方的技術(shù)的依賴,對實現(xiàn)我國海濱大型電廠海水脫硫工藝和裝置的國產(chǎn)化,降低投資、運行成本,具有極高的環(huán)境和經(jīng)濟價值。

[1]趙瑜.中國燃煤電廠大氣污染物排放及環(huán)境影響研究 [D].北京:清華大學(xué),2008.

[2]黃隆,劉勇,王大偉.石灰石—石膏脫硫與海水脫硫的應(yīng)用比較[J].廣東電力,2007,20(10):36-38.

[3]郭魯鋼,王海增,朱培怡,等.海水脫硫技術(shù)現(xiàn)狀[J].海洋技術(shù),2006,25(3):10-14.

[4]姚彤.海水煙氣脫硫工藝在我國的應(yīng)用狀況及發(fā)展前景[J].工程建設(shè)與設(shè)計,2004,(8):6-8.

[5]DL/T 5196-2004,火力發(fā)電廠煙氣脫硫設(shè)計技術(shù)規(guī)程[S].

[6]蔣文舉.煙氣脫硫脫硝技術(shù)手冊 [M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2007.

Development and application of Seawater-FGD technologywith self-owned intellectual property

Beijing Longyuan Environmental Protect ion Engineering Co.,Ltd.undertook the National High-tech R&D Program(863 Program),named Large-sized coal-fired power station boiler Seawater-FGD technology and demonstration,and developed the Seawater-FGD technology w ith self-owned intellectual property.The principle and process of Seawater-FGD were describes briefly and the details of the R&D project and its demonstrat ion were presented.The success of the Seawater-FGD technology and its p ractical application has important significance in realizing dom estic manufacture,reducing inves tm ent and operation co st.

seawater;flue gas desulphurization(FGD);sulfur dioxide;demonstrat ion p roject

X701.3

B

1674-8069(2010)01-036-03

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)(2007AA061801)

2009-09-14;

2010-01-09

薛軍 (1978-),男,江蘇泰州人,博士,主要從事煙氣脫硫研究與工程設(shè)計工作。E-mail:xuej@bjlyhb.cn