循環(huán)懸浮式半干法脫硫工藝在火電廠的應(yīng)用

陳作炳，張 雷，石志良

(武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢430070)

某發(fā)電有限責(zé)任公司目前有兩臺25 MkW火力發(fā)電機(jī)組，鍋爐燃料采用煤矸石，公司原有處理能力達(dá)15 000 m3/h的靜電除塵設(shè)備，但無脫硫裝備。在省煤器出口端的煙氣溫度為190℃，煙氣量為100 000 m3/h，從煙氣測試的數(shù)據(jù)來看，二氧化硫含量為2 800mg/m3，超過國家在該地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)。為保護(hù)環(huán)境，實現(xiàn)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，決定在原有靜電除塵設(shè)備前設(shè)計脫硫裝備。

現(xiàn)有的燃燒后煙氣脫硫工藝主要有干法脫硫、半干法脫硫和濕法脫硫［1－2］。濕法脫硫工藝以其成熟的工藝和較高的脫硫效率應(yīng)用最為廣泛，其不足是工藝過程復(fù)雜、一次性投資大、占地面積大、有廢水排放;干法脫硫工藝雖然工藝簡單，但受到脫硫效率和脫硫劑利用率低等因素的影響而應(yīng)用較少;半干法脫硫工藝具備工藝簡單、脫硫效率較高、占地面積小、無廢水排放等特點，有逐步取代其他脫硫工藝的趨勢。

1 工藝可行性分析

經(jīng)過在某電廠的實地勘測發(fā)現(xiàn)，鍋爐省煤器緊連著后面的電除塵器，中間間隔不到10 m。該電廠以煤矸石為燃料，尾氣二氧化硫含量高。因此所采用的脫硫工藝必須滿足占地面積小、脫硫效率高、運(yùn)行費(fèi)用較低并且無二次污染的要求。

通過對脫硫工藝的優(yōu)缺點分析，筆者認(rèn)為采用循環(huán)懸浮式半干法脫硫工藝是最理想的。目前國內(nèi)外對半干法脫硫工藝的研究也越來越重視［3－4］。

2 循環(huán)懸浮式半干法脫硫工藝過程

2.1 循環(huán)懸浮式半干法脫硫工藝特點

(1)漿液霧化方式。該工藝采用低壓力的雙流體噴嘴向脫硫塔內(nèi)噴射脫硫劑石灰漿，是在懸浮物料的濕表面上吸收二氧化硫，并且有較高的傳熱、傳質(zhì)效果。循環(huán)物料直接從底部進(jìn)入反應(yīng)器，避免了噴嘴的磨損腐蝕問題或物料循環(huán)量的技術(shù)限制。

(2)物料再循環(huán)。在循環(huán)懸浮式半干法工藝中，物料再循環(huán)［5－6］是由旋風(fēng)分離器下的物料分配箱來實現(xiàn)的，物料分配箱直接把物料引入反應(yīng)器底部。

(3)高的吸收效率。循環(huán)懸浮式半干法反應(yīng)器能夠承受塔內(nèi)高濃度的再循環(huán)物料，物料濃度能達(dá)到458～1 830 g/N·m3。這些懸浮顆粒為石灰漿液(附著在顆粒表面)和煙氣提供了較大的接觸面積，使循環(huán)懸浮式半干法工藝可以達(dá)到接近濕法脫硫的性能水平。

(4)石灰耗量少。由于反應(yīng)塔內(nèi)高的循環(huán)倍率和精確工藝控制使得循環(huán)懸浮式半干法反應(yīng)器有較高的石灰利用率。

(5)運(yùn)行費(fèi)用低。循環(huán)懸浮式半干法系統(tǒng)內(nèi)部沒有運(yùn)轉(zhuǎn)部件，能保證設(shè)備相對連續(xù)、無須維護(hù)地運(yùn)行。噴嘴孔徑比傳統(tǒng)半干法中的大，很少堵塞，噴嘴磨損也較低。

(6)內(nèi)部無結(jié)垢。由于反應(yīng)器內(nèi)是顆粒流化床，因此反應(yīng)器內(nèi)壁面受到懸浮顆粒的連續(xù)沖刷，避免了結(jié)垢［7］。同時在設(shè)備任何部分沒有濕/干交界面，避免了嚴(yán)重的腐蝕問題。

(7)占地面積少。由于反應(yīng)器內(nèi)具有較高的懸浮濃度，因此反應(yīng)時間相對較短。循環(huán)懸浮式半干法反應(yīng)器的直徑相對減小。

(8)能夠脫除重金屬。丹麥垃圾焚燒電廠的試驗結(jié)果表明，循環(huán)懸浮式半干法工藝不僅能夠脫除煙氣中的酸性氣體，還能脫去重金屬，如汞、鎘、鉛等。

2.2 循環(huán)懸浮式半干法脫硫工藝原理

循環(huán)懸浮式半干法脫硫工藝是以循環(huán)流化床理論為基礎(chǔ)，脫硫劑在流化床內(nèi)與煙氣接觸完成脫硫過程的。脫硫劑通過在脫硫塔內(nèi)的循環(huán)以及外部的強(qiáng)制外循環(huán)，使得脫硫劑與煙氣充分接觸，可以提高吸收劑的利用率［8］。整個工藝流程圖如圖1所示。

圖1 循環(huán)懸浮式半干法脫硫工藝流程圖

循環(huán)懸浮式半干法脫硫工藝過程包括石灰漿制備、噴漿、吸收反應(yīng)、脫硫劑再循環(huán)和收塵等過程。從鍋爐出來的待處理的燃煤煙氣經(jīng)煙道彎管垂直上升，進(jìn)入吸收塔底部的文丘里管。當(dāng)煙氣經(jīng)過文丘里喉管時，其流速達(dá)到最大并形成強(qiáng)烈的紊流，這時脫硫劑石灰漿經(jīng)過雙流體噴嘴霧化后向上噴入。石灰漿顆粒與煙氣接觸，完成脫硫傳質(zhì)傳熱過程。

由于脫硫塔文丘里管及脫硫塔頂部的特殊結(jié)構(gòu)設(shè)計，使得塔內(nèi)形成強(qiáng)烈的紊流，同時塔頂?shù)奈锪显谥亓Φ淖饔孟路椿斓矫摿蛩撞康奈闪髦?，形成脫硫塔?nèi)部的物料循環(huán)［9－10］。

反應(yīng)干燥后的脫硫劑以及煙塵經(jīng)塔頂彎管進(jìn)入旋風(fēng)除塵器進(jìn)行預(yù)除塵，旋風(fēng)分離器分離下來的固體顆粒大部分被螺旋輸送機(jī)送回脫硫塔底部進(jìn)行再循環(huán)，以提高脫硫劑的利用率。預(yù)除塵后的煙氣再經(jīng)過電除塵器后直接由煙囪排放。

3 循環(huán)懸浮式半干法脫硫工藝關(guān)鍵技術(shù)

3.1 系統(tǒng)工藝參數(shù)及其控制方法

在整個脫硫系統(tǒng)中，兩個重要的工藝參數(shù)是熟石灰的量和工藝水的量。根據(jù)待處理煙氣二氧化硫含量計算理論需要的熟石灰量，并加入脫硫劑用量系數(shù)即鈣硫比，該工藝設(shè)定鈣硫比為1.3。根據(jù)脫硫系統(tǒng)進(jìn)出口煙氣溫度下降量計算需要的工藝水量，該計算可以將整個過程視為絕熱過程，根據(jù)設(shè)定的出口煙氣溫度計算進(jìn)出脫硫塔前后溫度下飽和水蒸氣的含量，其差值就是脫硫過程中損失的工藝水量。

整個脫硫系統(tǒng)的控制分兩個環(huán)節(jié)，第一個環(huán)節(jié)是石灰量的控制，根據(jù)脫硫塔入口二氧化硫濃度和設(shè)定的出口二氧化硫濃度計算需要的石灰量，并根據(jù)出口二氧化硫濃度計信號對石灰量進(jìn)行反饋控制;另一個環(huán)節(jié)是根據(jù)脫硫塔入口煙氣溫度和設(shè)定的出口煙氣溫度計算需要的工藝水量，并根據(jù)出口熱電偶的信號對工藝水量進(jìn)行反饋控制。

3.2 循環(huán)懸浮式半干法脫硫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)

整個脫硫系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵在于文丘里管和脫硫反應(yīng)塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計。該半干法脫硫系統(tǒng)脫硫塔內(nèi)空塔流速控制在6.1～6.7 m/s，使得塔內(nèi)物料形成流化床并保證物料的均勻性，同時也保證脫硫劑在塔內(nèi)的停留時間以及煙氣和脫硫劑的接觸時間為2.5 s;塔底文丘里喉口流速控制在35 m/s左右。保證流化床的形成，防止脫硫塔內(nèi)物料塌陷;旋風(fēng)分離器選擇標(biāo)準(zhǔn)Lapple模型，旋風(fēng)分離器入口速度控制在20 m/s左右，保證大顆粒物料的分離效率和較低的壓降。煙氣流速假定在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，通用計算公式為:

式中:S為煙氣的通流面積;v為煙氣的表觀流速;Lg為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下煙氣流量。

4 結(jié)論

該脫硫裝置在實際使用中，經(jīng)環(huán)保部門監(jiān)測，脫硫效率達(dá)到85%以上，二氧化硫及粉塵排放均達(dá)到當(dāng)?shù)嘏欧艠?biāo)準(zhǔn)。系統(tǒng)總阻力控制在700 Pa以下;脫硫系統(tǒng)工作過程中對電站鍋爐工況無影響;脫硫系統(tǒng)試運(yùn)行時未發(fā)生流化床床層塌陷和脫硫塔塔壁粘壁的現(xiàn)象。

該脫硫系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)半干法的效率低下和易結(jié)垢的難題，能夠長期穩(wěn)定地運(yùn)行且運(yùn)行維護(hù)成本低。

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