煙氣脫硫裸塔技術(shù)概述

孫厚杰

(深圳市天藝帝國環(huán)保工程有限公司，深圳 518000)

煙氣脫硫裸塔技術(shù)概述

孫厚杰

(深圳市天藝帝國環(huán)保工程有限公司，深圳 518000)

通過對通常石灰石濕法噴淋吸收塔漿液池造成的供漿瓶頸延遲響應(yīng)以及攪拌延遲響應(yīng)的分析，提出裸塔工藝解決方案以及該工藝極其簡單的無前饋單回路PID控制方案，該工藝方案吸收氧化中和瞬間同時(shí)在噴淋區(qū)完成，漿液池只進(jìn)行石膏結(jié)晶，無增壓風(fēng)機(jī)、氧化風(fēng)機(jī)、除霧器、旁路，無須防腐，解決了目前占國內(nèi)外煙氣脫硫市場近95%的石灰石濕法脫硫裝置建設(shè)、運(yùn)行、維修維護(hù)成本高等難題，同時(shí)提出了緊脫硫緩脫硝的政策建議。

漿液池供漿瓶頸;吸收氧化噴淋區(qū);瞬間同時(shí)完全反應(yīng);零壓損

1 常規(guī)石灰石濕法噴淋吸收塔工藝系統(tǒng)響應(yīng)分析

通常濕法吸收塔將石灰石漿液注入漿液池?cái)嚢韬笤俳?jīng)過循環(huán)泵形成噴淋液，攪拌能力決定了漿液的混合均勻程度，以及系統(tǒng)不可預(yù)期波動的程度。攪拌能力越弱，吸收漿液混合均勻所需時(shí)間τ越長，同時(shí)將導(dǎo)致隨機(jī)的滯后時(shí)間與波動，造成紊亂甚至根本無法調(diào)節(jié)；系統(tǒng)越趨于穩(wěn)定時(shí)間越短，易于控制，但所需攪拌功率越大。忽略其他因素，此時(shí)SO2吸收量Q是一定時(shí)間τ內(nèi)供漿量平均流量U的函數(shù)，Q=f（U、τ），而不是瞬時(shí)流量V的函數(shù)，平均值U是供漿流量V與τ的函數(shù)。由于漿液池體積是固定的，噴淋漿液石灰石流量當(dāng)量不能隨供漿石灰石流量馬上變化，這個系統(tǒng)瓶頸決定了供漿系統(tǒng)響應(yīng)的滯后時(shí)間ξ的特性，漿凝池體積越小，系統(tǒng)隨動性越好、調(diào)峰能力越強(qiáng)，否則滯后嚴(yán)重、控制困難。由于漿液循環(huán)時(shí)間及吸收時(shí)間相對很短，因此系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間就決定于τ與ξ，但二者是同時(shí)發(fā)生，系統(tǒng)響應(yīng)延遲時(shí)間就決定于遲滯的時(shí)間，但干擾是疊加性的，使系統(tǒng)越發(fā)難以控制。

脫硫率η是SO2吸收量Q與煙氣含硫量G的比值：η=Q/G。因此，脫硫效率就決定于Q逼近G的程度，理想的脫硫率在理想狀態(tài)下噴淋漿液CaCO3，當(dāng)量流量近似等于計(jì)算負(fù)荷需求量，在脫硫負(fù)荷長期穩(wěn)定、漿液池石灰石供需動態(tài)平衡下，即為CaCO3供漿當(dāng)量流量。此時(shí)假設(shè)τ值足夠小，600MW機(jī)組80%脫硫負(fù)荷運(yùn)行，漿液池一般約2000m3，循環(huán)泵循環(huán)總量一般不超過1500m3/h，石灰石供漿量為24m3/h（按石耗6～8t/h，漿液濃度δ30%，密度ρ1.2g/cm3計(jì)），則噴淋漿液石灰石濃度δ必須維持在0.48%（吸收塔漿液密度一般維持在1.08g/cm3）左右才能保證石灰石噴淋量為6～8t/h，保證預(yù)期脫硫率。運(yùn)行期間石灰石供漿流量用于提高噴淋回流漿液石灰石濃度（視為0）從而達(dá)到與循環(huán)輸出的動態(tài)平衡，這個0.48%決定了漿液池的pH值并單值對應(yīng)。假設(shè)此時(shí)出現(xiàn)滿負(fù)荷階躍擾動并保持足夠長期穩(wěn)定運(yùn)行，石耗增至8～10t/h，則必須將漿液池石灰石濃度δ提高到0.6%（這期間循環(huán)泵滿負(fù)荷運(yùn)行，如果循環(huán)量減少，則漿液石灰石濃度需相應(yīng)提高，pH值相應(yīng)提高，已達(dá)到吸收所需石耗），即漿液池濃度δ提高0.12%，需要額外注入約2.6t的石灰石，也即在階躍擾動前后動態(tài)平衡過渡期間，需要多加入7.3m3石灰石漿液以彌補(bǔ)漿液池濃度的提高。此時(shí)需要提高濃度的不僅是噴淋回流量，而主要是漿液池漿液，這是系統(tǒng)響應(yīng)滯后瓶頸現(xiàn)象的決定性因素。

如按Ca/S前饋預(yù)先控制30m3/ h的吸收漿液流量，給予漿液濃度提高的有效流量為6m3/ h（按循環(huán)漿液石灰石全部用于吸收計(jì)算），即使始終按此速度提高濃度，達(dá)到新的動態(tài)平衡也需要約1h。

因供漿當(dāng)量與循環(huán)當(dāng)量的瓶頸循環(huán)當(dāng)量不能馬上提高，隨著濃度的逐漸提高，有效流量逐漸減少：

實(shí)際所需時(shí)間：ξ=p∫dδ/V（t）|（ δ0，δ′）

其中，dδ：即時(shí)濃度，即時(shí)所需額外石灰石量的函數(shù)；

V（t）：有效流量，即時(shí)供需當(dāng)量流量差；

δ0：擾動前CaCO3濃度；

δ′：擾動后CaCO3濃度；

p：系數(shù)。

有效流量V（t）是即時(shí)供需當(dāng)量流量差，決定于濃度δ的增長，是濃度δ單值遞減函數(shù)，近似模擬經(jīng)驗(yàn)公式：V（t）= ke-t，k為系數(shù)。所以新的動態(tài)供需平衡必須用微分增量控制陡然加入來實(shí)現(xiàn)，否則將是無限期的。

常規(guī)控制方案為Ca/S前饋、脫硫率η反饋的PID調(diào)節(jié)，但由于瓶頸遲滯，供漿流量難以掌控，再加上攪拌造成的噴淋石灰石當(dāng)量濃度的波動，漿液pH極易超調(diào)，引起震蕩。

實(shí)際運(yùn)行中，大部分中和反應(yīng)在漿液池中進(jìn)行，進(jìn)入循環(huán)的石灰石濃度要低于上述濃度，但系統(tǒng)遲滯基本等效，只是中和反應(yīng)轉(zhuǎn)移了位置，而位置的轉(zhuǎn)移只是影響了吸收中和時(shí)間。也因此降低了脫硫能力（噴淋末端酸度很大），增強(qiáng)了腐蝕強(qiáng)度與幾率。

實(shí)際運(yùn)行τ值無法做到足夠小，瓶頸ξ導(dǎo)致的遲滯等問題變得更加復(fù)雜、嚴(yán)重，不均勻混合使脫硫率出現(xiàn)不可預(yù)期的波動，以及各種副作用。τ值只能盡量做小：增大攪拌能力，擴(kuò)大吸收漿液應(yīng)急供漿能力來縮小系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間。同時(shí)漿液池越小，ξ越小，石灰石濃度變化越快，系統(tǒng)響應(yīng)越快。但不利于石灰石溶解，離子、粒子濃度大而活性差，不利于亞硫酸鹽氧化、中和等反應(yīng)，進(jìn)而影響吸收；漿液停留時(shí)間短（避免濃度過大）影響石膏結(jié)晶。

實(shí)際運(yùn)行脫硫負(fù)荷也無法保持長期穩(wěn)定，由于煤質(zhì)變化及供電調(diào)度需求往往在幾秒至十幾秒鐘內(nèi)大幅度變化，尤其目前電煤緊張，煤源復(fù)雜，煤質(zhì)良莠參差，電業(yè)調(diào)度負(fù)荷頻繁大幅度變化，導(dǎo)致煙氣量及含硫量大幅變化，此時(shí)脫硫負(fù)荷穩(wěn)定周期T值遠(yuǎn)小于ξ值及τ值，石灰石噴淋當(dāng)量流量只是一條平緩曲線。雖然輔以pH值（決定于δ）控制，但pH值同樣具有系統(tǒng)、測量延遲，并受脫硫負(fù)荷、循環(huán)量變化影響，常規(guī)吸收塔控制系統(tǒng)無法隨脫硫負(fù)荷快速波動，致使大量SO2偷襲式排入大氣，同時(shí)難免導(dǎo)致吸收池內(nèi)CaCO3沉積結(jié)晶或酸度過大。而沉積的鈣則會帶來諸多弊病，往往使脫硫率居下不上，pH值居上不下。種種弊端阻撓了脫硫率的攀升，遏制了脫硫業(yè)的發(fā)展。

綜上分析，用實(shí)時(shí)計(jì)算漿液池漿液所需補(bǔ)充的石灰石吸收漿液量做微分D前饋控制、脫硫率η做反饋，輔以濃度δ調(diào)節(jié)（因δ目前測量比較困難，成本高，所以暫時(shí)不直接用于反饋，仍用η做反饋，優(yōu)于漿液池pH值受負(fù)荷、循環(huán)量、供漿狀態(tài)等影響較大且不能穩(wěn)定在最佳值，pH值宜做監(jiān)視），能得到比較穩(wěn)定理想的控制效果，隨動性、波動性大為改善。對于頻繁波動負(fù)荷，微分系數(shù)應(yīng)小一些，以適應(yīng)負(fù)荷的上下波動。

2 裸塔工藝系統(tǒng)響應(yīng)分析、控制方案

最佳的系統(tǒng)響應(yīng)特性是拋掉漿液池概念，解決系統(tǒng)瓶頸，將吸收漿液（或絕大部分）直接加入循環(huán)管道，利用循環(huán)泵同時(shí)攪拌，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間ξ、τ“零”的突破（只是循環(huán)流程及吸收反應(yīng)的遲滯），同時(shí)將氧化空氣直接加入噴淋區(qū)，加快系統(tǒng)吸收等響應(yīng)速度，反應(yīng)進(jìn)程良以群聚，莠以類別。由此控制已是水到渠成，只需采用脫硫率η作反饋、調(diào)節(jié)輸出供漿量的PID單回路即可，簡單明了，無需前饋。

3 裸塔工藝原理

吸收塔為天方地圓型式（如下圖），出入口為等徑方形，按一定比例收縮于原煙道、凈煙道，塔內(nèi)無除霧器，因此徹底解決了常規(guī)塔煙氣紊流偏流問題。石灰石吸收漿液直接注入漿液循環(huán)泵入口附近吸收塔底部，絕大部分吸收漿液直接進(jìn)入噴淋，氧化空氣從噴淋區(qū)底部直接進(jìn)入，氣液接觸時(shí)間為1s、煙速5～6m/s。

吸收塔剖視示意圖

噴淋液在行程中酸度的增加、CO2瞬時(shí)且徹底的釋放等有利反應(yīng) ，使經(jīng)過預(yù)溶解處理的過飽和CaCO3漿液迅速溶解，噴淋末端酸度增大，促使CaCO3中和溶解，這個動態(tài)平衡促使吸收溶解比較完全，因此循環(huán)泵出口的循環(huán)漿液可維持在CaCO3過飽和狀態(tài)，pH值預(yù)期可遠(yuǎn)在6之上。由于過量氧化風(fēng)的加入、激烈的氣液攪拌瞬間完成各項(xiàng)反應(yīng)，尤其高pH值漿液出現(xiàn)在噴淋行程上部，而亞硫酸鹽的產(chǎn)生與氧化主要發(fā)生在噴淋行程下部，超大量氧化空氣使氧化即時(shí)徹底，高pH吸收漿液不會影響亞硫酸鹽的氧化。所以高pH值的循環(huán)漿液對吸收的影響只是正面的。

裸塔工藝較大幅度提高了L/G比，有效地增加了吸收率。 逆流交鋒煙氣，第一時(shí)間接觸酸液，及時(shí)充分地中和了吸收液中的H+，遏制了因噴淋液下降過程中酸度增加而分解逃逸的SO2，吸收反應(yīng)是單項(xiàng)吸收而不是通常的平衡式。最大限度地提高了Ca/S比，同時(shí)激烈的氣液交互沖擊，使大量產(chǎn)生的泡膜破碎，幾乎使全部CO2直接而徹底地進(jìn)入煙氣，解除了CO2對噴淋漿液中CaCO3溶解的遏制。如下方程式是單向方程式而不是通常噴淋技術(shù)中的動態(tài)平衡方程式，此項(xiàng)性能遠(yuǎn)優(yōu)于鼓泡塔（CaCO3在鼓泡池中溶解） 。

過量氧化空氣逆流補(bǔ)充，保證了噴淋液中SO32-濃度自始至終非常低甚至根本就不存在，尤其在噴淋（吸收氧化） 區(qū)底部的煙氣很少，噴淋液酸度不再增加，但遭遇到大量富氧空氣而使SO32-離子幾乎全部氧化成SO42-離子，因此進(jìn)入漿液池的噴淋液沒有亞硫酸鹽，不需要通常的羅茨氧化風(fēng)機(jī)。

裸塔工藝高效地利用了氣膜，突破了通常吸收塔L/G比的極限，尤其適合含硫量大的劣質(zhì)煤。氣液激烈擾動，液滴破碎細(xì)小，增大了吸收液膜面積及效率，因此可以縮短氣液接觸時(shí)間即噴淋行程；可以提高煙速，減少幾乎只有石膏結(jié)晶的漿液池體積及其攪拌功率。

裸塔工藝與噴泡塔工藝流程、反應(yīng)機(jī)理略同，而與鼓泡塔不同的是只有石膏結(jié)晶在漿液池中進(jìn)行，SO2的吸收、CaCO3的溶解中和，以及CO2的釋放均在噴淋區(qū)進(jìn)行，這正是裸塔型式的特點(diǎn)。鼓泡塔在0.5s的時(shí)間中完成鼓泡脫硫，具有98%的脫硫率、99%的CaCO3利用率、90%的除塵率，而裸塔的預(yù)期脫硫率則在0.99以上，CaCO3利用率、除塵率等指標(biāo)期望接近或超過鼓泡塔，而建設(shè)運(yùn)行成本更是鼓泡塔等工藝所望塵莫及的。

裸塔工藝可一次性瞬間完成吸收、中和、氧化等反應(yīng)，其化學(xué)進(jìn)程機(jī)制與鼓泡塔相同，幾乎無任何副反應(yīng)生成（如COD等產(chǎn)物），不產(chǎn)生CaSO3等亞硫酸鹽蒸發(fā)。尤其是亞硫酸鹽及石膏主要在噴淋行程的下半部產(chǎn)生，亞硫酸鹽隨即被鏟除，因大量漿液與急速煙流相逢造成大量的液膜、紊流，下部石膏在蒸發(fā)升騰過程中與煙塵等雜質(zhì)一起被石灰石堿液沖洗過濾掉，無法到達(dá)噴淋行程頂部并排除，因此，凈煙氣幾乎沒有石膏污垢。噴淋漿液行程頂部是pH非常高的漿液，因此凈煙氣不含酸霧呈現(xiàn)堿性，不用設(shè)除霧器，后續(xù)煙道煙囪等設(shè)備設(shè)施可以不做防腐處理。

凈煙氣水霧的增加決定于L/G比及噴淋液溫升，當(dāng)比值較小時(shí)，液體全部蒸發(fā)，但總量不一定很大，當(dāng)比值很大時(shí)，漿液溫度上升很小，蒸發(fā)量很小，此函數(shù)有個蒸發(fā)量最大的極限值，因此L/G比的選擇要兼顧噴淋液即液膜溫升較小、水霧蒸發(fā)量小，以使其攜帶的污垢很小，裸塔工藝L/G比的選擇應(yīng)盡量大，使噴淋液蒸發(fā)量、溫升、水霧攜帶污垢量減少。同時(shí)氣液接觸時(shí)間的大大縮短，大幅度降低了溫升，并且大量冷空氣首先直接進(jìn)入噴淋區(qū)，對溫度逐漸增高的液膜起到逆程冷卻作用。由于漿液池?zé)豳|(zhì)的增加，漿液池溫度將升高，所以裸塔工藝原煙道、吸收塔不做防腐并加強(qiáng)散熱（冷凍區(qū)特殊考慮），或可考慮增加簡易金屬除霧器（壓損控制在30Pa以下）以控制水霧量。

由于通常吸收塔短路區(qū)實(shí)際煙速比較高，因此本方案煙速的提高并不能帶來更多的水霧污垢攜帶量。隨著鍋爐設(shè)計(jì)的日臻完善，能源綜合利用日趨合理高效，鍋爐排煙溫度將繼續(xù)降低，屆時(shí)排煙攜帶石膏等污染物現(xiàn)象將得到更加徹底的根除。

由于沒有除霧器、噴淋區(qū)，漿液池高度可大幅降低。經(jīng)過計(jì)算，600MW機(jī)組脫硫裸塔高度約為25m，大大提高了抗風(fēng)抗震抗剪切等能力。

至此，增壓風(fēng)機(jī)實(shí)際上僅僅為了克服漿液噴淋造成的煙氣壓損，通過將裸塔噴淋區(qū)分為順流動力氧化區(qū)（順流噴淋區(qū)）與逆流動力氧化區(qū)（逆流噴淋區(qū)），且兩區(qū)噴淋漿液量與配風(fēng)量比值為2:1，結(jié)構(gòu)對稱，塔內(nèi)煙氣壓損“零突破”，從而取消了增壓風(fēng)機(jī)，成為名副其實(shí)的裸塔。

4 緊脫硫緩脫硝

應(yīng)用裸塔技術(shù)，1臺脫硫裝置1年僅用電即可節(jié)約近3千萬度，節(jié)煤1萬多t。目前全國火電裝機(jī)容量已達(dá)7.5億kW，若全上裸塔裝置，1年將節(jié)電近375億度，節(jié)煤1300萬t，這已經(jīng)相當(dāng)于一個中等發(fā)達(dá)國家全年的用電量，如奧地利2006年的用電量為670億度。兩臺600MW機(jī)組假設(shè)投資8000萬改造脫硫裝置，2～3年即可收回成本。

據(jù)中電聯(lián)預(yù)計(jì)，2020年我國火電裝機(jī)將達(dá)到16億kW，屆時(shí)裸塔的技術(shù)優(yōu)勢、經(jīng)濟(jì)效益將更加明顯、可觀，等于年節(jié)省近2000多萬t煤，而2009年我國煤炭消費(fèi)約為28億t，電煤消費(fèi)約占50%，這已不是一個小比例，且裸塔每年還可少排放溫室氣體CO23000萬t。

2010年，全國60萬kW及以上火電廠用電率為6.79%，比上年增加0.17個百分點(diǎn)，導(dǎo)致用電率增加的一個重要原因就是2008年有一大批機(jī)組新增了脫硫設(shè)施。如果60萬kW發(fā)電機(jī)組都采用裸塔脫硫裝置，最少可使電廠的用電率下降1.25%。

由于裸塔建設(shè)運(yùn)行維護(hù)成本極低（約為常規(guī)塔的10%），高效低耗，用來脫硫可實(shí)現(xiàn)全國乃至全球范圍的SO2“零”排放，同時(shí)因濕法石灰石脫硫工藝可脫除近50%的氮氧化物，所以不必再進(jìn)行脫硝（酸雨中硫氮比為10:1），酸雨也會得到很好的治理。

氮元素是農(nóng)作物及植物不可或缺的營養(yǎng)元素，在農(nóng)業(yè)中占重要地位。且氮氧化物可制造臭氧，在一定程度上可彌補(bǔ)南極臭氧洞。因此，鑒于目前國內(nèi)外環(huán)保、大氣污染狀況，我們可以采取緊脫硫緩脫硝的政策。

由于裸塔建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)成本極低，污染廠礦將有充足的資金及極大的熱情響應(yīng)國家脫硫政策，從而使脫硫環(huán)保事業(yè)進(jìn)入良性循環(huán)，使環(huán)保自身得以可持續(xù)發(fā)展，使國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)可持續(xù)發(fā)展得以有力支撐，進(jìn)入良性循環(huán)。

5 不可持續(xù)的可持續(xù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略

因脫硫造成電廠用電率升高，企業(yè)虧損，利潤下降，再上脫硝，發(fā)電成本增加，工業(yè)企業(yè)用電成本提高，又將引起其他行業(yè)一系列經(jīng)濟(jì)、價(jià)格波動，將影響經(jīng)濟(jì)發(fā)展，甚至導(dǎo)致惡性循環(huán)、經(jīng)濟(jì)危機(jī)，使可持續(xù)經(jīng)濟(jì)發(fā)展戰(zhàn)略不可持續(xù)。而脫硫脫硝白白浪費(fèi)的一次能源將影響國家長遠(yuǎn)經(jīng)濟(jì)建設(shè)、目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。由于裸塔建設(shè)、運(yùn)行維護(hù)成本極低，又取消脫硝政令，污染廠礦將有充足的資金及積極的熱情響應(yīng)國家脫硫政策，從而使脫硫環(huán)保事業(yè)進(jìn)入良性循環(huán)，使環(huán)保自身得以可持續(xù)發(fā)展，使國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略得到有力支撐，進(jìn)入良性循環(huán)。

[1]孫厚杰.電廠濕法煙氣脫硫吸收塔（申請?zhí)?01010179965.3）[P].北京：中國國家知識產(chǎn)權(quán)局，CN101816888A，2010-09-01.

[2]中華人民共和國科學(xué)技術(shù)部.2008中國科學(xué)技術(shù)發(fā)展報(bào)告[R].

[3]于洋,等.中國經(jīng)濟(jì)改革與發(fā)展:政策與績效[M].大連：東北財(cái)經(jīng)大學(xué)出版社.2005.

[4]環(huán)境保護(hù)部，國家發(fā)展和改革委員會，國土資源部，住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部水利部，農(nóng)業(yè)部，衛(wèi)生部，國家統(tǒng)計(jì)局，國家林業(yè)局，中國氣象局，中國地震局，國家海洋局，等.2009中國環(huán)境狀況公報(bào)[R].

[5]國家電力監(jiān)管委員會，國家電力監(jiān)管委員會，國家能源局，國家能源局，等.2008年電力企業(yè)節(jié)能減排情況通報(bào)[R].2009-10.

[6]環(huán)境保護(hù)部.2008年環(huán)境統(tǒng)計(jì)年報(bào)[R].

[7]中投顧問.2010-2015年中國化肥市場投資分析及前景預(yù)測報(bào)告[R].

[8]王槊.中電投總經(jīng)理陸啟洲：我國火電50年內(nèi)仍將主導(dǎo)[Z].中電新聞.

Nude Tower Technology of FGD

SUN Hou-jie

X701.3

A

1006-5377（2011）08-0051-04

國家火炬計(jì)劃優(yōu)先發(fā)展技術(shù)領(lǐng)域（2010年）；國家重點(diǎn)新產(chǎn)品計(jì)劃優(yōu)先發(fā)展技術(shù)領(lǐng)域（2010年）。