CFB與NID脫硫工藝技術(shù)經(jīng)濟性比較

汪 波

（沈陽華聯(lián)除塵凈化設備廠，沈陽 110021）

1 脫硫系統(tǒng)的可靠性

1.1 循環(huán)流化床（CFB）法

從國內(nèi)的電廠（或燒結(jié)廠）實際運行情況來看，雖然各廠家在設計時也都滿足了自己的特定情況要求，但據(jù)報道，從幾家引進CFB的公司在中小機組的示范裝置上來看，大多都存在一些嚴重問題。經(jīng)大量、長時間調(diào)試整改后，有的仍達不到設計要求，有的甚至需要更換重要部件，有的機組甚至無法按正常出力運行。

循環(huán)流化床脫硫工藝運行可靠性差主要表現(xiàn)在：1）床層難以建立，即使建立起來運行也不穩(wěn)定，難以持久，隨時都有塌床的可能；2）空氣斜槽中循環(huán)物料堵塞嚴重，無法正常運行，這已成為所有循環(huán)流化床脫硫工藝的通?。?）濕壁現(xiàn)象嚴重；4）控制系統(tǒng)無法投入自動運行，從目前已運行的脫硫系統(tǒng)來看，基本上都是靠手動來完成運行的；5）脫硫系統(tǒng)抗沖擊能力差，對機組負荷的適應性差。因故障、停電等原因使其停運時，會導致塔內(nèi)固態(tài)物沉積，重新啟動需清理沉積固態(tài)物，當后部除塵器或回灰系統(tǒng)發(fā)生堵塞進行檢修時，負荷的變化會引起煙氣流速的變化，從而影響脫硫反應及裝置的運行。最重要的是業(yè)內(nèi)對循環(huán)流化床脫硫工藝的脫硫機理尚存在爭議。

塌床、濕壁和循環(huán)灰堵塞是循環(huán)流化床脫硫運行中最常見，也是對系統(tǒng)運行危害最大的事故，而且目前仍無解決的方法。因此在循環(huán)流化床脫硫運行過程中，經(jīng)常會發(fā)生因濕壁形成堵塞的現(xiàn)象。如河北某鋼廠400m2燒結(jié)機脫硫，2009年2月投入運行，運行不到1個月就出現(xiàn)了嚴重的濕壁，并在塔內(nèi)壁四周形成約500mm厚的一層堅硬結(jié)垢圈，造成堵塞，使得石灰及循環(huán)物料無法正常加入，只能由工人進入塔內(nèi)鑿開結(jié)構(gòu)層（見圖1）。雖經(jīng)多次整改，但因工藝本身固有的缺陷，每次整改后仍難保持長時間正常運行。

當煙氣量、煙溫實時波動且波動范圍較大時，流化床噴水量無法根據(jù)煙氣負荷精確控制、床內(nèi)截面流速難以做到均勻一致，也是造成流化床內(nèi)結(jié)垢堵塞以及該工藝可靠性差的原因之一。

流化床在脫硫過程中，是靠床壓來控制循環(huán)物料的加入，由于空塔流速與床壓密切相關，而在實際控制中并沒有建立空塔速度、循環(huán)灰量與床壓之間的關系，也就是說床壓與循環(huán)灰量的關系并不是真實的。因此，僅靠床壓來控制循環(huán)灰量是不可能的。并且噴水量是靠出口溫度來控制的，因此，當床層發(fā)生變化時，無法保證床內(nèi)物料的濕度，就會造成物料大量結(jié)塊而塌床。特別是當煙溫實時波動范圍較大時，流化床噴水量無法根據(jù)煙氣負荷精確控制，床內(nèi)的截面流速也難以做到均勻一致，從而成為流化床內(nèi)結(jié)垢堵塞的根本原因，也是脫硫系統(tǒng)不能正常運行的主要原因。

圖1 人工在塔內(nèi)開鑿結(jié)垢層的現(xiàn)場

由于喉口氣流速度較高，且此處是循環(huán)物料加入部位，因此該區(qū)域的磨損非常嚴重。雖然該處通常設置有耐磨層，但由于耐磨層的結(jié)構(gòu)施工等原因，脫落現(xiàn)象十分普遍，造成喉口部位磨損非常嚴重。

在大型化商業(yè)運行的脫硫塔中，溫度的控制是比較困難的，已成為制約脫硫裝置大型化發(fā)展的主要因素之一。當脫硫塔直徑越來越大時，各個大面積截面上的溫度要保持均勻性，需采取許多有效措施，目前，循環(huán)流化床（CFB）、NID脫硫裝置還沒有在較大容量機組上使用的業(yè)績，與此有很大的關系。

1.2 NID法

與循環(huán)流化床法（CFB）相比，NID脫硫系統(tǒng)運行的可靠性更低。主要表現(xiàn)在：1）增濕消化器內(nèi)槳葉結(jié)垢（如圖2所示）；2）后部袋式除塵器易結(jié)露。在增濕消化器內(nèi)，飛灰+脫硫副產(chǎn)物+生石灰+消化石灰+水（3%～5%）攪拌，與攪拌混凝土相似（混凝土含水6%）。由于水量與煙氣濕度、物料的特性密切相關，在攪拌死角很容易出現(xiàn)黏結(jié)物，這些黏結(jié)物易在增濕消化器內(nèi)凝固并黏結(jié)在消化器的壁上。

圖2 增濕消化反應器內(nèi)槳葉結(jié)垢

攪拌槳葉的故障因注水量受鍋爐負荷、煙氣濕度、脫硫率要求等多種因素的影響，以及機械攪拌的局限性?；液退茈y達到均勻混合，因此無法保證灰保持一定的流動性，這樣就不可避免會產(chǎn)生灰堆積、板結(jié)。另外，石灰、脫硫灰、水三者一起混合攪拌，其混合物類似混凝土，一旦結(jié)垢，則會非常堅硬，攪拌槳葉很難攪動，最終會造成攪拌變形或斷裂（見圖3、圖4、圖5）。

圖3 增濕消化反應器內(nèi)大面積結(jié)垢

圖4 增濕消化反應器內(nèi)攪拌葉片變形

圖5 增濕消化反應器內(nèi)損壞的攪拌葉片

從圖6、圖7可以看出，由于增濕消化器通過法蘭直接與煙道相聯(lián)，一旦增濕消化器內(nèi)出現(xiàn)結(jié)垢，就必須停爐清除凝結(jié)物，因此會對鍋爐的正常運行造成非常大的影響。

圖6 NID增濕消化器示意圖

圖7 NID增濕消化器

增濕消化器內(nèi)的凝結(jié)物料，通過溢流進入到反應煙道后，煙氣無法托起較重的凝結(jié)物料，凝結(jié)物料將會直接掉落到煙道底部，這就是NID脫硫系統(tǒng)在煙道反應器底部設置螺旋輸送機并不間斷向外排放物料的原因。煙道底部外排物料造成脫硫系統(tǒng)復雜、可靠性降低，還造成了脫硫劑的大量浪費。

2 脫硫效率

2.1 循環(huán)流化床（CFB）法

在循環(huán)流化床（CFB）脫硫塔中，煙氣流速約為5m/s，由于氣固間有很大的滑落速度，顆粒物的上行平均速度約為1.0m/s，對于50MW機組，流化床（CFB）脫硫塔高約40m，顆粒物通過脫硫塔的停留時間約為40s，即使只循環(huán)50次，總的停留時間也高達2000s。因此CFB脫硫效率比NID工藝略高。

到目前為止，從已運行的循環(huán)流化床脫硫裝置來看，普遍存在脫硫效率不高，在穩(wěn)定運行狀態(tài)下一般在75%～80%，并且在實際操作中難以適應鍋爐煙氣的波動。

2.2 NID法

在NID反應煙道中，由于顆粒與煙氣之間沒有相對的滑落速度，均以15～18m/s的速度通過反應煙道，而反應煙道的高度不大于15m。脫硫劑一次通過煙道的停留時間在1s左右，即使按NID所宣稱的其倍率為200，其總停留時間也只有200s。所以NID的脫硫效率不會高于其所宣傳的85%以上。

在國外，NID脫硫工藝一般用于脫硫率要求小于70%的場合，主要用于垃圾焚燒尾氣的處理。尾氣中是以HCl、重金屬為主要污染物而不是SO2。且脫硫不是主要目的，主要目的是通過加入活性炭吸附二英及重金屬，并通過后部的袋式除塵器收集下來。因此NID是一種非常簡易的脫硫工藝。

即使個別項目的NID工藝脫硫率達到80%，但這些項目的脫硫劑品質(zhì)均要求純度大于90%，且Ca/S比大于1.5，這種脫硫劑價格非常昂貴，一般企業(yè)是難以接受的。

3 脫硫系統(tǒng)壓力損失

脫硫系統(tǒng)在脫硫效率相同的情況下，壓力損失是脫硫系統(tǒng)運行費用的主要因素。脫硫系統(tǒng)的壓力損失主要由二部分構(gòu)成，一部分是固有壓降，主要是由煙氣通過反應器不同的阻力系數(shù)的幾何結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的煙氣壓降；另一部分是物料喂入反應器產(chǎn)生的物料壓降，反應器內(nèi)有多少物料，對應的壓降也就有多少。要求脫硫效率越高，物料量就需要越多，壓降就越大。

3.1 循環(huán)流化床（CFB）法

循環(huán)流化床（CFB）脫硫工藝的煙氣壓降主要是煙氣通過文氏管時產(chǎn)生的（見圖8）。部分壓力損失大于NID的彎管損失，由于煙氣在流化床脫硫塔內(nèi)的流速只有5m/s，所以煙氣在脫硫塔內(nèi)的壓降較小，CFB的幾何壓降與NID壓降接近。

3.2 NID法

NID的煙道反應器的下部入口是急彎的扁長矩形的U形結(jié)構(gòu)（見圖9），煙氣通過這一部位時產(chǎn)生的阻力損失較大。另外，由于NID的反應煙道出口濃度為1000mg/m3，如此高濃度的大質(zhì)量煙氣流，以15m/s高速急彎變向進入后部袋式除塵器時，產(chǎn)生的煙氣壓降也比循環(huán)流化床（CFB）要大。

圖8 循環(huán)流化床脫硫系統(tǒng)

圖9 NID脫硫工藝系統(tǒng)

4 脫硫系統(tǒng)對機組及后部袋式除塵器的影響

4.1 循環(huán)流化床（CFB）法

因故障、停電等原因造成CFB停運，會導致塔內(nèi)的固態(tài)物沉積，重新啟動時需清理沉積固態(tài)物。當后除塵器或循環(huán)灰系統(tǒng)發(fā)生堵塞進行檢修時，負荷的變化會引起煙氣流速的變化，從而影響脫硫反應及裝置的運行，抗沖擊負荷能力弱、對機組負荷的適應性差。

設計煙氣量如果與實際的煙氣量相差很大，也可能會造成塌床。為了在負荷變化時設備也能穩(wěn)定運行，工藝中加設了凈煙氣再循環(huán)系統(tǒng)，這樣雖然使得設備在低負荷時能正常運行，但打開回風煙道后，就會因為凈煙氣的快速補充使得脫硫島入口負壓瞬時減小，對鍋爐爐膛正常負壓造成影響，發(fā)生爐膛正壓向外冒火的嚴重事故，如山東某化工廠脫硫項目中就曾出現(xiàn)過鍋爐爐膛正壓向外冒火的嚴重事故。同時，凈煙氣的快速補給也給風機正常運行帶來負面影響，嚴重時會引起風機的喘振。而且鍋爐負荷突變促使凈煙氣反應滯后，如補給滯后，也會造成塌床現(xiàn)象發(fā)生。

由于脫硫過程將大量粉塵反復循環(huán)，所以有大量粉塵隨氣流進入后部除塵器中，必然會增加除塵器的負荷。而循環(huán)流化床脫硫工藝多數(shù)采用袋式除塵器用來凈化煙氣，雖然設計時采用了相關措施，但粉塵對濾袋的磨損還是非常嚴重的。如廣州某垃圾發(fā)電廠除塵器的濾袋在運行半年左右就被循環(huán)灰磨得千瘡百孔（見圖10）。

圖10 循環(huán)灰對濾袋的磨損

4.2 NID法

脫硫系統(tǒng)對鍋爐的影響主要是來自工藝設備的故障和系統(tǒng)運行中對鍋爐爐膛負壓的影響。

NID工藝是將消化、增濕和混合三種過程在同一裝置內(nèi)完成，因此NID配套的三級消化、增濕、混合器故障率較高。由于這一裝置直接裝在后部袋式除塵器的灰斗下并且通過法蘭與煙道相聯(lián)。因此消化、增濕、混合器的故障都會直接影響鍋爐的運行。

另外，NID工藝采用的是混合器溢流方式將物料喂入煙道反應器內(nèi)，喂入的物料量較大（煙塵濃度從30 mg/m3急升至1000mg/m3），煙道內(nèi)的物料阻力會急升1000Pa左右，由于風機受控于爐膛的負壓信號，所以無法適應這一劇烈的脈動壓降變化。因此NID工藝在啟動時對鍋爐的運行影響非常大，容易造成爐膛熄火。這就是鍋爐操作工為什么非常害怕操作NID系統(tǒng)投運的主要原因。

NID采用扁長形的煙道作為反應器，煙道高度為15～20m，煙道截面寬度小于4m，厚度小于1.5m。NID煙道截面寬度不能大于4m的原因是：增濕消化器喂料口通過法蘭直接與煙道相聯(lián)，煙道的寬度只能略大于增濕消化器的長度，而增濕消化器的長度由于機械結(jié)構(gòu)的原因，不能設計過大，為了氣流分布均勻，因此單個矩形煙道的處理煙氣量不能大于30萬m3/h。當處理大煙氣量時，必須采用多個矩形煙道反應器并聯(lián)，每個反應器對應一個消化混合器，系統(tǒng)復雜。在處理大煙氣量時，脫硫反應器超過2個時，由于不對稱，每個反應器的阻力不一致（數(shù)量越多，反應器阻力偏差越大），將影響鍋爐（或燒結(jié)機）的穩(wěn)定運行。任何一個增濕消化器損壞，都將造成對應的煙道反應器煙氣短路，導致脫硫系統(tǒng)退出運行。因此，多個并聯(lián)煙道反應器的脫硫系統(tǒng)的投運率較低。并且物料在混合器內(nèi)很難攪拌均勻，煙道反應器底部在工作時不斷掉灰，必須在反應器底部設置連續(xù)的機械螺旋排灰裝置，將物料提升喂入氣力倉泵外送，但由于反應器底部掉落的物料顆粒粗、含水量大，氣力輸送發(fā)生堵管的幾率也較高。

消化增濕混合器內(nèi)部機械構(gòu)件多，加上攪拌的是石灰、水和再循環(huán)脫硫灰的混合物，溫度若控制不好，增濕消化器內(nèi)就容易結(jié)垢，導致機械故障率高，維修工作量大。由于消化混合器直接通過法蘭與煙道反應器相連，一旦消化混合器出現(xiàn)故障，則脫硫系統(tǒng)必須退出運行，且只有當燒結(jié)機停運后才能檢修消化混合器。在處理大煙氣量時，由于消化混合器數(shù)量多，維護工作量非常大。

另外，從增濕消化器內(nèi)部結(jié)垢情況看，如果這部分灰進入到煙道內(nèi)，在與煙氣接觸1s左右的時間后，物料中的水分（3%～5%）很難得到有效蒸發(fā)，進入后部袋式除塵器，勢必造成濾袋結(jié)露，導致除塵器故障。

如上所述，NID工藝采用水與物料增濕混合后再進入煙道反應器，這種方式對煙氣溫度變化的響應存在較大的滯后。

5 脫硫系統(tǒng)初投資

5.1 循環(huán)流化床（CFB）法

循環(huán)流化床（CFB）脫硫工藝采用專門的流化塔作為脫硫反應塔，塔內(nèi)的流速一般在5m/s左右，塔高在30～60m，600MW以下機組，不管多大的規(guī)模，均只需一個脫硫塔，相應的工藝配套設備也只需一套。

因此，雖然CFB的反應塔直徑大于NID的反應煙道，且高度是NID的兩倍以上，但當機組規(guī)模大于25MW或煙氣量大于30萬m3/h時，由于同樣對應一臺機組，NID工藝需要多個煙道反應器和相應的配套工藝設備，而CFB只需一套，因此在成本上相差并不大。但隨著機組規(guī)模的擴大，與NID相比，CFB工藝的成本優(yōu)勢將越來越顯著。

另外，由于CFB脫硫工藝所能實現(xiàn)的脫硫效率比NID要高些，因此在成本上也無法直接對比。

耗水量：脫硫系統(tǒng)的耗水量取決于設定的脫硫反應溫度，而脫硫反應溫度與脫硫率成反比。按熱平衡計算，通過計算原煙氣溫度和脫硫反應溫度之間的差值，就可以得出耗水量。

只要脫硫反應煙氣溫度相同，耗水量則相同。但從上述分析可以看出，由于NID脫硫劑在反應塔內(nèi)的停留時間短、與水混合后的脫硫劑比表面積小，煙氣與顆粒之間沒有相對的滑落速度，因此在相同的脫硫效率條件下，NID工藝的耗水量要大于CFB工藝。

5.2 NID法

NID脫硫工藝采用垂直煙道作為脫硫反應塔，高度一般為15～20m。煙道內(nèi)的流速大于15m/s，為了使增濕消化器內(nèi)的物料進入垂直煙道內(nèi)能迅速充滿整個橫截面，因此NID工藝的煙道設計成扁長形，且每個煙道的處理風量不能大于30萬m3/h，只要煙氣流量大于30萬m3/h就必須將一根煙道分成數(shù)根，由于混合槽和配套的增濕消化器與煙道一一對應，這些設備的數(shù)量也將與之增加，系統(tǒng)也隨之復雜，初投資也將增加。

從上述分析可以看出，NID由于脫硫劑在反應器內(nèi)的停留時間短，與水混合后的脫硫劑的比表面積小，煙氣與顆粒之間沒有相對的滑落速度，脫硫劑的利用率較低，因此與CFB相比，相同的脫硫效率，NID工藝脫硫劑的活性要求更高、脫硫劑用量更大，運行費用也高于CFB工藝。

6 結(jié)語

（1）循環(huán)流化床（CFB）工藝、NID脫硫工藝長期穩(wěn)定運行的可靠性都較差。

（2）目前國內(nèi)的NID脫硫裝置，由于故障頻繁和沒有穩(wěn)定的脫硫效果，幾乎都沒有投入運行。即使有個別運行的，也是通過象征性的噴點水，將煙氣溫度設定得遠高于脫硫所需的溫度，少量投入一點石灰，然后人為地調(diào)高DCS的脫硫顯示值。

（3）目前在項目投標時，為了中標，一些單位競相將鈣硫比寫得很低。但由于NID的鈣硫比與生石灰粉的活性關系很大，而國內(nèi)生石灰粉的質(zhì)量能達到技術(shù)要求的又很少，故國內(nèi)的NID鈣硫比偏高。當脫硫率在70%～75%時，鈣硫比保證在1.2左右，而脫硫率到80%時，鈣硫比應該在1.2～1.4，而循環(huán)流化床的鈣硫比并沒有這么低。

（4）脫硫渣處理問題。循環(huán)流化床（CFB）、NID脫硫產(chǎn)生的脫硫渣成分復雜，有亞硫酸鈣、硫酸鈣、氫氧化鈣、氧化鈣等，性態(tài)不穩(wěn)定。理論上，脫硫灰渣可以用來做磚或者筑路，但目前多被拋棄。

（5）循環(huán)流化床（CFB）、NID脫硫工藝技術(shù)并不成熟，商業(yè)運行業(yè)績很少。據(jù)不完全統(tǒng)計，目前國內(nèi)的幾百套裝置中，還沒有令人滿意的運行實例。

（6）NID技術(shù)對脫硫塔內(nèi)溫度、濕度的控制嚴重滯后。

（7）循環(huán)流化床（CFB）、NID脫硫技術(shù)，當煙氣含硫量波動時，因為有大量循環(huán)灰，難以靈敏調(diào)整控制，脫硫效率難以保證。

（8）循環(huán)流化床（CFB）、NID脫硫技術(shù)的操作、管理復雜，自動控制系統(tǒng)不易掌握和控制，故障點多。

（9）脫硫效率低，設備穩(wěn)定運行一般在70%～80%，當環(huán)保要求進一步提高時，改造非常困難，容易發(fā)生SO2排放超標問題。

（10）循環(huán)流化床（CFB）的脫硫抗負荷沖擊能力不好。

（11）循環(huán)流化床（CFB）、NID脫硫工藝技術(shù)需要對石灰石粉的品質(zhì)、粒度、含水率等指標進行嚴格控制。如果粒度偏大或含水率偏高，容易發(fā)生給料機卡死、堵管等問題。

（12）循環(huán)流化床（CFB）、NID脫硫工藝技術(shù)在煙氣含硫量波動時，因為有大量循環(huán)灰，難以靈敏調(diào)整控制，脫硫效率難以保證。

（13）循環(huán)流化床的建床需一定的時間，當鍋爐或燒結(jié)機需檢修時，存在配合及重新開機的脫硫問題。

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