雙堿法脫硫與CFB 煙氣脫硫在燃煤電廠中的比選

李陽 慧明

0 引言

隨著人民生活水平提高，全球?qū)Νh(huán)境保護(hù)意識更加明確，世界各國都加強(qiáng)了環(huán)保綜合治理力度，而我國更是能源大國，對環(huán)保治理逐步走上規(guī)范化管理快車道[1]。國務(wù)院于2007年5月23日下發(fā)了由發(fā)展改革委會同有關(guān)部門制定的《節(jié)能減排綜合性工作方案》，明確提出要推動燃煤電廠二氧化硫治理工程，并加強(qiáng)煙氣脫硫設(shè)施運(yùn)行監(jiān)管。新建電廠必須配套脫硫設(shè)施，老電廠要通過改造新增脫硫設(shè)置，因此，綜合分析脫硫效率和投資運(yùn)行費(fèi)用，選擇一項合適的脫硫工藝對于電廠來說也顯得格外重要。本文通過對目前應(yīng)用較普遍的脫硫技術(shù)在脫硫工藝、應(yīng)用范圍、脫硫效率、投資和運(yùn)行費(fèi)用等方面的綜合分析，為企業(yè)選擇一種合適的脫硫技術(shù)提供了參考[2]。

1 煙氣脫硫技術(shù)概況

目前，世界上煙氣脫硫的方法已達(dá)100多種，工業(yè)上應(yīng)用的方法也約有20種之多。其中濕法脫硫技術(shù)應(yīng)用約占整個工業(yè)化脫硫裝置的85%，而濕式石灰石/石灰法(又稱雙堿法)又占濕法的約80%，在當(dāng)今技術(shù)中占主導(dǎo)地位。循環(huán)流化床(CFB)煙氣脫硫技術(shù)近幾年發(fā)展迅速，是一種適用于燃煤電廠的干法脫硫工藝，本文將就這兩種工藝在燃煤電廠中的應(yīng)用做對比。

2 脫硫工藝流程及脫硫原理

2.1 雙堿法脫硫技術(shù)

煙氣經(jīng)電除塵器除塵后，通過增壓風(fēng)機(jī)、煙氣換熱器(GGH)(可選)降溫后進(jìn)入吸收塔。在吸收塔內(nèi)煙氣向上流動且被向下流動的循環(huán)漿液以逆流方式洗滌。循環(huán)漿液則通過噴漿層內(nèi)設(shè)置的噴嘴噴射到吸收塔中，以便脫除SO2，SO3，HCl和HF，與此同時在“強(qiáng)制氧化工藝”的處理下反應(yīng)的副產(chǎn)物被導(dǎo)入的空氣氧化為石膏(CaSO4·2H2O)，并消耗作為吸收劑的石灰石。循環(huán)漿液通過漿液循環(huán)泵向上輸送到噴淋層中，通過噴嘴進(jìn)行霧化，可使氣體和液體得以充分接觸。

在吸收塔中，石灰石與二氧化硫反應(yīng)生成石膏，這部分石膏漿液通過石膏漿液泵排出，進(jìn)入石膏脫水系統(tǒng)。在吸收塔出口，煙氣一般被冷卻到46℃～55℃左右，且為水蒸氣所飽和。通過GGH將煙氣加熱到80℃以上，以提高煙氣的抬升高度和擴(kuò)散能力。最后，潔凈的煙氣通過煙道進(jìn)入煙囪排向大氣。

雙堿法脫硫原理如下:

SO2+H2O—H2SO3吸收;

CaCO3+H2SO3—CaSO3+CO2+H2O中和;

CaSO3+1/2O2—CaSO3氧化;

CaSO3+1/2H2O—CaSO3·1/2H2O結(jié)晶;

CaSO4+2H2O—CaSO4·2H2O結(jié)晶;

CaSO3+H2SO3—Ca(HSO3)2pH控制。

同時煙氣中的HCl，HF與CaCO3的反應(yīng)，生成CaCl2或CaF3。吸收塔中的pH值通過注入石灰石漿液進(jìn)行調(diào)節(jié)與控制，一般pH值在5.5～6.2之間。

2.2 CFB煙氣脫硫技術(shù)

CFB煙氣脫硫技術(shù)脫硫劑用的是生石灰。脫硫工藝的脫硫過程是在吸收塔內(nèi)完成的。生石灰粉(或小顆粒)經(jīng)制漿系統(tǒng)摻水、攪拌、消化后制成具有很好反應(yīng)活性的熟石灰Ca(OH)2漿液，制成后的吸收劑漿經(jīng)泵送至吸收塔上部，由噴嘴或旋轉(zhuǎn)噴霧器將石灰漿吸收液均勻地噴射成霧狀微粒，這些霧狀石灰漿吸收液與引入的含二氧化硫的煙氣接觸，發(fā)生強(qiáng)烈的物理化學(xué)反應(yīng)，低濕狀態(tài)的石灰漿吸收液吸收煙氣中的熱量，大部分水分汽化蒸發(fā)，變成含有少量水分的微粒灰渣，在石灰漿吸收液吸熱的同時，吸收煙氣中的二氧化硫[3]。

CFB煙氣脫硫技術(shù)的脫硫原理是Ca(OH)2粉末和煙氣中的SO2和幾乎全部的SO3，HC1，HF等酸性氣體，在Ca(OH)2粒子的液相表面發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)如下:

Ca(OH)2+2HC1—CaCl2+2H2O

Ca(OH)2+2HF—CaF2+2HO

Ca(OH)2+SO3—CaSO4+H2O

Ca(OH)2+SO2—CaSO+H2O

Ca(OH)2+SO2+1/2O2—CaSO4+H2O

它以CFB為原理，通過物料在反應(yīng)塔內(nèi)的循環(huán)和高倍率的外循環(huán)，形成含固量很高的煙氣流化床，從而強(qiáng)化了脫硫吸收劑顆粒之間、煙氣中SO2，SO3，HCl，HF等氣體與脫硫吸收劑間的傳熱傳質(zhì)性能，將運(yùn)行溫度降低到露點附近，并延長了固體物料在反應(yīng)塔內(nèi)的停留時間，提高了SO2與脫硫吸收劑間的反應(yīng)效率、吸收劑的利用率和脫硫效率。

3 雙堿法脫硫與CFB煙氣脫硫優(yōu)劣比較

以100 MW機(jī)組脫硫改造為例進(jìn)行具體分析，對雙堿法脫硫和CFB煙氣脫硫技術(shù)進(jìn)行比較，具體數(shù)據(jù)見表1。

3.1 雙堿法脫硫

3.1.1 優(yōu)點

1)系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，氣液接觸充分，具有高脫硫率和高除塵率，一般可達(dá)95%以上，工業(yè)化應(yīng)用廣泛;2)煙氣處理量大，煤種適應(yīng)性強(qiáng)，對高硫煤、大容量機(jī)組優(yōu)勢突出;3)適用于各種容量機(jī)組，對負(fù)荷變化能做出快速響應(yīng)，適應(yīng)性強(qiáng)，檢修維護(hù)簡單;4)吸收劑廉價、易得且利用率高達(dá)90%，鈣硫比一般在1.03左右。

表1 雙堿法脫硫和CFB煙氣脫硫技術(shù)對比結(jié)果

3.1.2 缺點

1)GGH易結(jié)垢、堵塞和腐蝕。GGH結(jié)垢、堵塞使得凈煙氣排放溫度達(dá)不到設(shè)計要求，并對下游設(shè)施造成腐蝕，同時，使系統(tǒng)水耗和電耗增加，甚至可能造成分機(jī)喘振，影響主機(jī)的安全運(yùn)行;2)pH值控制不好，將影響系統(tǒng)化學(xué)反應(yīng)速度和加劇對吸收塔的腐蝕;3)吸收塔液位控制太高或太低將影響脫硫效率。吸收塔液位太低將縮短煙氣與漿液的反應(yīng)時間;而液位太高，將制約除霧器及GGH的沖洗;4)對褐煤和煙煤的脫硫石膏必須進(jìn)一步進(jìn)行處理方可利用，這將使得濕法脫硫裝置的投資費(fèi)用有所增加。同時，隨著該裝置的不斷投入運(yùn)行，脫硫石膏的產(chǎn)量將相應(yīng)增加。例如目前德國市場上的石膏原料75%由火電廠提供，脫硫石膏將逐步替代天然石膏，并且有過剩的可能。中國目前已有數(shù)臺石灰石/石膏濕法脫硫裝置投入運(yùn)行，但生產(chǎn)的脫硫石膏由于含雜質(zhì)和水分不符合要求而無法利用。為使脫硫石膏可以利用需投入一筆建設(shè)費(fèi)用，根據(jù)國外的有關(guān)資料，此費(fèi)用比拋棄石膏的費(fèi)用高30%左右。另外，石灰石/石膏法脫硫裝置宜用于擁有石灰石資源且缺乏天然石膏資源的地區(qū)，否則會增加脫硫裝置的投資費(fèi)用、運(yùn)行費(fèi)用，減少脫硫副產(chǎn)品的收益。

總結(jié):與CFB煙氣脫硫技術(shù)相比，雙堿法石灰石消耗量極大。設(shè)備建設(shè)成本高，運(yùn)行費(fèi)用高，設(shè)備龐大，占地面積需要量大。

3.2 CFB煙氣脫硫技術(shù)

3.2.1 工藝優(yōu)點

1)流化床吸收塔內(nèi)具有優(yōu)良的傳質(zhì)傳熱條件，使塔內(nèi)的水分迅速蒸發(fā)，并且可脫除幾乎全部的SO3，煙氣溫度高于露點20℃以上，可確保吸收塔及其下游設(shè)備不會產(chǎn)生腐蝕。吸收塔及其下游設(shè)備不會產(chǎn)生粘結(jié)和堵塞，也不會產(chǎn)生腐蝕;2)由于脫硫劑的利用率高，它所產(chǎn)生的脫硫副產(chǎn)物排放量少。副產(chǎn)品綜合利用價值高，無廢水排放等二次污染;3)塔內(nèi)完全沒有任何運(yùn)動部件和支撐桿件，操作氣速合理，塔內(nèi)磨損小，沒有堆積死角，設(shè)備使用壽命長、檢修方便;4)在煤的含硫量增加或要提高脫硫效率時，無需增加任何設(shè)備，僅增加脫硫劑就可以滿足要求;5)能夠脫除SO3，HCl，HF等，增加活性碳粉，還可以脫出二惡英;6)工程投資少，占地面積小。

總結(jié):CFB法煙氣脫硫技術(shù)具有技術(shù)成熟可靠、脫硫劑利用率高、脫硫效率高、運(yùn)行穩(wěn)定、運(yùn)行費(fèi)用低、無結(jié)垢堵塞現(xiàn)象等優(yōu)點，適合新老機(jī)組，特別是中、小機(jī)組煙氣脫硫改造。

3.2.2 缺點

1)由于噴漿或噴水與流化床料接觸不均勻，塔壁易結(jié)垢;2)為維持流化料床的穩(wěn)定，需要保持一定的流速，導(dǎo)致負(fù)荷適應(yīng)性差，易塌床;

3)終產(chǎn)物亞硫酸鈣穩(wěn)定性差，暴露在大氣中易分解SO2到大氣中，如不能找到綜合利用的途徑，需要集中填埋。

4 結(jié)語

通過對比分析可以看出，CFB法煙氣脫硫技術(shù)系統(tǒng)簡單、運(yùn)行費(fèi)用低、無結(jié)構(gòu)堵塞現(xiàn)象、單位投資較小、建設(shè)周期短、占地面積小，適合于老機(jī)組沒有預(yù)留脫硫設(shè)施的改造。

雙堿法脫硫技術(shù)可處理大煙氣量且具有適用煤種廣，脫硫效率高、運(yùn)行穩(wěn)定。但建設(shè)成本高，運(yùn)行費(fèi)用高，設(shè)備龐大，占地面積大。

作為現(xiàn)代燃煤電廠的重要環(huán)保設(shè)施，脫硫系統(tǒng)的重要性日益突出，脫硫系統(tǒng)投運(yùn)與否、是否同步、是否穩(wěn)定運(yùn)行，已經(jīng)受到社會和政府職能部門越來越多的關(guān)注。因此，脫硫工藝的選擇成為脫硫設(shè)施運(yùn)行穩(wěn)定與否的前提。各火電廠可根據(jù)企業(yè)自身特點結(jié)合本文結(jié)論，合理選擇脫硫工藝，為火電廠脫硫系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性提供參考依據(jù)。

[1]紀(jì) 煜，王景斌.電廠濕法脫硫運(yùn)行中存在問題及解決辦法[J].內(nèi)蒙古石油化工，2010(10):12-15.

[2]張君杰.脫硫技術(shù)在火電廠的應(yīng)用分析[J].環(huán)境科學(xué)與管理，2009(34):8.