濕法脫硫系統(tǒng)增效節(jié)能研究

李 超，劉建民，呂 晶

(東北電力科學(xué)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110006)

近年來，隨著煙氣脫硫工藝的迅速發(fā)展，石灰石—石膏濕法煙氣脫硫工藝由于其適應(yīng)范圍廣、工藝成熟、脫硫效率高、脫硫劑來源豐富且價格較低，已成為我國燃煤電廠的首選工藝。然而濕法脫硫在實(shí)際應(yīng)用中，由于煤質(zhì)變化、運(yùn)行操作不當(dāng)或其它因素的制約，往往達(dá)不到設(shè)計(jì)效果［1］。運(yùn)行人員為保證二氧化硫達(dá)標(biāo)排放，往往以犧牲運(yùn)行成本為代價，盲目增大石灰石供漿量或增加漿液循環(huán)泵的運(yùn)行數(shù)量，造成脫硫系統(tǒng)運(yùn)行不經(jīng)濟(jì)。在脫硫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)不能更改的前提下，為保證脫硫效率，實(shí)現(xiàn)脫硫系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行，投加有機(jī)酸是一種可行的方式。

該研究結(jié)合實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)試驗(yàn)兩部分，首先在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行石灰石活性試驗(yàn)，采用效果最好的有機(jī)酸進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用試驗(yàn)。工業(yè)試驗(yàn)是在康平電廠600 MW機(jī)組石灰石—石膏濕法脫硫系統(tǒng)進(jìn)行，其研究目的是確定有機(jī)酸工業(yè)應(yīng)用的最佳投加量及對脫硫效率的影響，找到不同工況條件下的最佳漿液循環(huán)泵組合方式［2］，指導(dǎo)脫硫運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)脫硫系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)節(jié)能運(yùn)行。

1 有機(jī)酸強(qiáng)化脫硫反應(yīng)機(jī)理

通過查閱國內(nèi)外相關(guān)資料，得知使用含有有機(jī)酸的CaCO3溶液進(jìn)行吸收SO2時，主要需考慮以下幾個主要反應(yīng)［3］。

式中 H2A——有機(jī)酸;

圖1 石灰石—石膏法工藝有機(jī)酸強(qiáng)化石灰石和SO2傳質(zhì)機(jī)理示意圖

AH－、A2－——有機(jī)酸水解產(chǎn)生的離子;

aq、s、l——分別代表氣相、固相和液相。

整個反應(yīng)過程涉及氣—液、液—液、液—固3個相間過程，為便于理解有機(jī)酸優(yōu)化脫硫反應(yīng)機(jī)理，整個反應(yīng)過程如圖1所示。

由圖1可見，在氣相表面和液膜中，溶解的SO2與水按式 (1)反應(yīng)離解出H+;在液膜和液相主體邊界，AH－與 H+按式 (2)反應(yīng)生成H2A(aq)，使H+被傳遞到液相主體，液膜中H+濃度的降低加速了式 (1)平衡向右移動，從而促進(jìn)了SO2的溶解，提高了脫硫效率;在固相和液膜中，式(4)溶解的與式(3)離解的H+按式(5)反應(yīng)生成;在液相主體，H+與按式 (6)反應(yīng)生成CO2和H2O，液相主體中濃度的降低，分別使式(5)和式(6)平衡向右、向左移動，從而促進(jìn)了CaCO3的溶解。

由此可見，有機(jī)酸的存在，強(qiáng)化了H+由氣相向固相的傳遞，同時促進(jìn)了SO2和CaCO3的溶解，加速了SO2的化學(xué)吸收，提高了脫硫效率。

2 實(shí)驗(yàn)室石灰石活性試驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室以康平電廠的石灰石為研究對象，采用濃度為3%的己二酸、乙二酸和檸檬酸3種有機(jī)酸進(jìn)行石灰石活性研究。3種有機(jī)酸對石灰石活性提高情況如圖2所示。

圖2 3種有機(jī)酸對石灰石活性影響曲線

由圖2可見，投加有機(jī)酸后，隨著鹽酸滴加量的增大，石灰石溶解的速度越來越快。在轉(zhuǎn)化分?jǐn)?shù)為50%時，投加3種有機(jī)酸比不投加有機(jī)酸前石灰石溶解時間不同程度縮短。其中，投加己二酸后，石灰石溶解時間縮短最多，可縮短1 200 s，檸檬酸和乙二酸效果相對較差，分別可縮短石灰石溶解時間約700 s和500 s。說明己二酸對石灰石活性提高效果最好，因此，選定己二酸進(jìn)行進(jìn)一步工業(yè)應(yīng)用研究。

3 己二酸實(shí)現(xiàn)脫硫系統(tǒng)增效節(jié)能

3.1 己二酸最佳投加量

同一工況下，脫硫效率隨己二酸投加量的變化如圖3所示。

圖3 脫硫效率隨己二酸投加量的變化

由圖3可見，加入不同量的己二酸后，原煙氣SO2濃度脫硫效率均有不同程度提高。隨著己二酸投加量的增加，脫硫效率相應(yīng)提高，己二酸與石灰石的質(zhì)量比為0．25%和0．3%時比為0．2%時提高的幅度大。當(dāng)己二酸與石灰石質(zhì)量比由0．25%上升為0．3%時，脫硫效率增加的幅度較小，而且在不同的原煙氣SO2濃度下，0．3%時的脫硫效率比0．25%時還低。從經(jīng)濟(jì)性考慮，己二酸與石灰石質(zhì)量比為0．25%即可達(dá)到較好的脫硫效率，綜合經(jīng)濟(jì)和技術(shù)因素，確定己二酸與石灰石的最佳質(zhì)量比為 0．25%。

由圖3還可看出，隨著原煙氣SO2濃度的增加，脫硫效率下降幅度較快。不投加己二酸時，原煙氣SO2濃度由2 600 mg/Nm3增至3 500 mg/Nm3時，脫硫效率由94．5%下降到90．5%，脫硫效率下降了4%。而投加己二酸后，原煙氣SO2濃度由2 600 mg/Nm3增至3 500 mg/Nm3時，脫硫效率由98．0%下降到95．5%，脫硫效率僅下降2．5%。這是因?yàn)榧憾岬募尤爰訌?qiáng)了傳質(zhì)反應(yīng)，在原煙氣SO2濃度較高時，減緩了脫硫效率的下降速度。

3.2 己二酸實(shí)現(xiàn)脫硫系統(tǒng)增效運(yùn)行

康平電廠600 MW機(jī)組脫硫系統(tǒng)有3臺漿液循環(huán)泵，在不同工況條件下，漿液循環(huán)泵的組合方式不同，脫硫效率也不同。投加己二酸后，不同工況條件及漿液循環(huán)泵組合方式下，己二酸對脫硫效率的影響如表1所示。

表1 不同工況條件及漿液循環(huán)泵組合方式下己二酸對脫硫效率的影響

由表1可見，不同工況條件和漿液循環(huán)泵組合方式下，通過投加己二酸可穩(wěn)定提高脫硫效率2%以上。在機(jī)組負(fù)荷很高時，脫硫效率提高最明顯，原煙氣SO2濃度在3 400～3 600 mg/Nm3時，投加己二酸后脫硫效率可由93．6%上升到96．5%，脫硫效率增加2．9%。由有機(jī)酸強(qiáng)化脫硫反應(yīng)的機(jī)理可知，有機(jī)酸的存在強(qiáng)化了H+的傳遞，提高石灰石的反應(yīng)速率，降低反應(yīng)鈣硫化，減小了液氣比和水分的蒸發(fā)。

由于己二酸僅對脫硫工藝起到強(qiáng)化傳質(zhì)作用，因此，受脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)的制約，己二酸對脫硫效率的提高可維持的最大工況條件是系統(tǒng)Ca/S接近1。脫硫系統(tǒng)原始設(shè)計(jì) Ca/S一般在1．025～1．03，己二酸的作用是讓脫硫系統(tǒng)Ca/S最大限度接近1，即石灰石全部有效利用。因此，己二酸作用的最大工況條件為原煙氣SO2質(zhì)量濃度增大至系統(tǒng)額定最大石灰石供漿出力，即系統(tǒng)實(shí)際Ca/S為1。

3.3 己二酸實(shí)現(xiàn)脫硫系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行

投加己二酸后，強(qiáng)化了脫硫反應(yīng)，提高了脫硫效率，為實(shí)現(xiàn)脫硫系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行提供了條件。脫硫系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行是在維持一定脫硫效率和凈煙氣SO2濃度的前提下，優(yōu)化漿液循環(huán)泵組合，減少運(yùn)行成本，實(shí)現(xiàn)脫硫系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。在同一工況條件，維持一定脫硫效率的前提下，可通過減少漿液循環(huán)泵運(yùn)行臺數(shù)或優(yōu)化漿液循環(huán)泵組合的方式，減小系統(tǒng)液氣比和設(shè)備運(yùn)行電耗，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行［4］。

投加己二酸前后，康平電廠不同工況條件下的漿液循環(huán)泵組合方式及系統(tǒng)液氣比變化情況如表2所示。由表2可見，投加己二酸后，不同工況條件下漿液循環(huán)泵的組合方式發(fā)生了很大變化。在機(jī)組負(fù)荷為450～600 MW、原煙氣SO2濃度為3 400～3 600 mg/Nm3時，投加己二酸后，漿液循環(huán)泵可由投加己二酸前的3臺泵同時運(yùn)行變?yōu)?號、3號泵運(yùn)行，每小時可省電852 kWh，液氣比減小30%。

當(dāng)系統(tǒng)處于較高負(fù)荷和較低負(fù)荷時，液氣比分別可減小30%和50%。

當(dāng)機(jī)組負(fù)荷在340～450 MW、原煙氣SO2濃度為3 000～3 400 mg/Nm3時，投加己二酸后漿液循環(huán)泵可由投加己二酸前2臺泵運(yùn)行的3種組合方式，變?yōu)榻y(tǒng)一采取1號、2號泵運(yùn)行，即2臺小泵運(yùn)行，每小時省電62～166 kWh。

在機(jī)組處于低于340 MW的低負(fù)荷運(yùn)行、原煙氣SO2濃度小于2 800 mg/Nm3時，投加己二酸后，可采取1臺泵運(yùn)行的方式，即只采取3號泵運(yùn)行的方式，每小時可省電914 kWh，較投加己二酸前約省電55%，效果顯著。單臺泵運(yùn)行也實(shí)現(xiàn)了在較低液氣比的情況下脫硫系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。投加己二酸后，2臺泵改為單臺泵脫硫效率變化情況如表3所示。

表2 投加己二酸前后康平電廠漿液循環(huán)泵組合方式及液氣比變化情況

表3 2臺泵改為單臺泵脫硫效率變化情況

4 脫硫系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算與分析

成本計(jì)算依據(jù)［5］:康平電廠600 MW機(jī)組上網(wǎng)電價以0．3元/kWh計(jì)，石灰石價格以230元/t計(jì)，脫硫系統(tǒng)年運(yùn)行小時以6 000 h計(jì)，己二酸價格以17 500元/t計(jì)，石膏的價格很低，不列入脫硫成本計(jì)算中。

己二酸用量:單臺600 MW機(jī)組首次用量在1 t左右。首次投加后，在脫硫系統(tǒng)運(yùn)行過程中，由于己二酸隨脫硫廢水及煙氣帶水等因素有所損耗，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的補(bǔ)充，通過計(jì)算和實(shí)際觀察，600 MW機(jī)組脫硫系統(tǒng)運(yùn)行中的加藥量為40 kg/d。

投加己二酸后，優(yōu)化了不同工況條件下的漿液循環(huán)泵組合方式，節(jié)省了脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行成本，不同工況條件運(yùn)行費(fèi)用不同。主要分析電廠實(shí)際運(yùn)行中最典型的2種情況:機(jī)組全年負(fù)荷均勻波動，各負(fù)荷段時間分布相同;機(jī)組全年處于大負(fù)荷。

a． 脫硫系統(tǒng)年運(yùn)行6 000 h，其中450～600 MW、400～450 MW、340～400 MW、340 MW 以下負(fù)荷分別以1 500 h計(jì)時，經(jīng)濟(jì)效益分析如表4所示。

表4 脫硫系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化前后經(jīng)濟(jì)效益對比

由表4可見，當(dāng)機(jī)組全年負(fù)荷均勻波動時，投加己二酸后，脫硫系統(tǒng)年運(yùn)行成本可減少107．9萬元，其中電耗減少幅度較大，每年可減少79．47萬元。投加己二酸后，脫除每t SO2的相對成本減少了33．4元，經(jīng)濟(jì)效果顯著。

b． 機(jī)組全年6 000 h運(yùn)行負(fù)荷均為450～600 MW、原煙氣SO2濃度為3 400～3 600 mg/Nm3時，經(jīng)濟(jì)效益分析如表5所示。

表5 大負(fù)荷工況下脫硫系統(tǒng)優(yōu)化前后經(jīng)濟(jì)效益對比

由表5可見，當(dāng)機(jī)組全年處于大負(fù)荷運(yùn)行時，投加己二酸后，脫硫系統(tǒng)總成本每年可減少205．2萬元，其中電耗每年可減少153．36萬元，石灰石運(yùn)行費(fèi)用每年可減少61．09萬元，脫除每t SO2的相對成本減少了49．84元。由表2可見，在大負(fù)荷工況下，維持脫硫效率在92%時，投加己二酸后，漿液循環(huán)泵可由投加己二酸前的3臺泵運(yùn)行變?yōu)?號、3號泵運(yùn)行，節(jié)省了運(yùn)行電耗，當(dāng)機(jī)組全年處于較低負(fù)荷運(yùn)行時，由于系統(tǒng)只運(yùn)轉(zhuǎn)3號泵，脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行成本也大幅減少。

在機(jī)組處于較高和較低負(fù)荷時，節(jié)能空間最大，投加己二酸后，脫硫系統(tǒng)節(jié)能效果最顯著。

5 結(jié)論

a． 實(shí)驗(yàn)室研究表明，己二酸、乙二酸、檸檬酸對石灰石的活性提高均有促進(jìn)作用。己二酸對石灰石活性的提高效果最好，可縮短石灰石溶解時間1 200 s，檸檬酸次之，乙二酸效果最差，分別可縮短石灰石溶解時間約700 s和500 s。

b． 工業(yè)試驗(yàn)研究表明，當(dāng)己二酸與石灰石的質(zhì)量比為0．25%時，對脫硫效率的提高效果最佳。投加己二酸后，不同工況條件下的脫硫效率可穩(wěn)定提高2%以上。

c． 通過投加己二酸，優(yōu)化了系統(tǒng)漿液循環(huán)泵的組合方式，減少了系統(tǒng)運(yùn)行電耗，同時減小液氣比，實(shí)現(xiàn)了脫硫系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化運(yùn)行。

d． 投加己二酸后，康平電廠600 MW機(jī)組全年負(fù)荷按均勻分配時，每年可減少運(yùn)行成本107．9萬元，脫除每t SO2成本減少33．4元。全年按大負(fù)荷運(yùn)行時，每年可減少運(yùn)行成本205．2萬元，脫除每t SO2成本減少49．84元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

e． 通過實(shí)驗(yàn)室石灰石活性研究，選定己二酸作為工程應(yīng)用研究對象，但缺少其它有機(jī)酸在工程應(yīng)用上的數(shù)據(jù)，建議補(bǔ)充其它常用有機(jī)酸對脫硫系統(tǒng)影響的數(shù)據(jù)，以優(yōu)選有機(jī)酸，實(shí)現(xiàn)脫硫系統(tǒng)節(jié)能最大化。

f． 不同機(jī)組脫硫系統(tǒng)在不同工況條件下，己二酸的最佳投加量不同。在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)電廠脫硫系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行情況，重新摸索己二酸的投加方式，以充分完善數(shù)據(jù)，科學(xué)應(yīng)用研究成果實(shí)現(xiàn)脫硫系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行。

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