淺談循環(huán)流化床脫硫技術

王剛 袁亮

【摘 要】火電廠排放的二氧化硫形成的酸雨已嚴重危害人類的生存環(huán)境，國家強制要求火電廠必須安裝煙氣脫硫裝置。但是，受技術和經(jīng)濟等條件的限制，必須發(fā)展脫硫率高、系統(tǒng)可利用率高、流程簡化、系統(tǒng)電耗低、投資和運行費用低的脫硫技術和工藝。在這種形勢下，干法脫硫工藝應運而生。為此，結合國內外目前比較成熟、大型商業(yè)化運行的幾種干法、半干法脫硫工藝，分析了干法、半干法脫硫工藝的技術特點，最后重點介紹了循環(huán)流化床脫硫技術的工藝。

【關鍵詞】干法 煙氣脫硫 二氧化硫 循環(huán)流化床

【中圖分類號】 TM621【文獻標識碼】A【文章編號】1672-5158（2013）07-0200-02

1、煙氣脫硫技術的發(fā)展和現(xiàn)狀

世界上煙氣脫硫技術的發(fā)展經(jīng)歷了以下3個階段：

20世紀70年代，以石灰石濕法為代表第一代煙氣脫硫。

20世紀80年代，以干法、半干法為代表的第二代煙氣脫硫。主要有爐內噴鈣加爐后增濕活化（LIFAC）、煙氣循環(huán)流化床（CFB）、循環(huán)半干法脫硫工藝（NID）等。這些脫硫技術基本上都采用鈣基吸收劑，如石灰或消石灰等。隨著對工藝的不斷改良和發(fā)展，設備可靠性提高，系統(tǒng)可用率達到97%，脫硫率一般為70%～95%，適合燃用中低硫煤的中小型鍋爐。

20世紀90年代，以濕法、半干法和干法脫硫工藝同步發(fā)展的第三代煙氣脫硫。由于技術和經(jīng)濟上的原因，一些煙氣脫硫工藝已被淘汰，而主流工藝，如石灰石-石膏濕法、煙氣循環(huán)流化床、爐內噴鈣加爐后增濕活化及改進后的NID得到了進一步的發(fā)展，并趨于成熟。這些煙氣脫硫工藝的優(yōu)點是：脫硫率高（可達95%以上）、系統(tǒng)可利用率高、工藝流程簡單、系統(tǒng)電耗低、投資和運行費用低等。

2、干法煙氣脫硫技術介紹

2.1 NID煙氣循環(huán)流化床脫硫技術

NID干法煙氣脫硫技術是ALSTOM公司在半干法脫硫裝置的基礎上創(chuàng)造性開發(fā)的新一代的煙氣干法脫硫技術，它借鑒了半干法技術的脫硫原理，又克服了此種技術使用制漿系統(tǒng)而產(chǎn)生的弊端。因此具有投資低、設備緊湊的特點，適用于300MW及以下機組。

技術特點：

1.NID技術采用生石灰（CaO）的消化及灰循環(huán)增濕的一體化設計，保證新鮮消化的高質量消石灰（Ca（OH）2）立刻投入循環(huán)脫硫反應。

2.利用循環(huán)灰攜帶水分，在粉塵顆粒的表面形成水膜。粉塵顆粒表面的薄層水膜在一瞬間蒸發(fā)在煙氣流中，在極短的時間內形成溫度和濕度適合的理想反應環(huán)境。同時也克服了傳統(tǒng)半干法脫硫反應器中可能出現(xiàn)的粘壁問題。

3.由于建立理想反應環(huán)境的時間減少，使得總反應時間大大降低成為可能，可有效地降低脫硫反應器高度。

4.煙氣在反應器中高速流動，整個裝置結構緊湊、體積小、運行可靠、裝置的負荷適應性好。

5.脫硫副產(chǎn)物為干態(tài)，系統(tǒng)無水產(chǎn)生。終產(chǎn)物流動性好，適宜用氣力輸送。脫硫后煙氣不必再加熱可直接排放。

6.對吸收劑要求不高，可廣泛取得。

7.通過減小吸收塔的尺寸和降低占地面積以及避免采用復雜昂貴的消化制備系統(tǒng)，大大降低了初投資和運行費用。

8.脫硫效率高，可達90%以上。

技術參數(shù)：

鈣硫比（ Ca/S）：<1.4

物料循環(huán)次數(shù)：30—150

脫硫效率：>90%

SO3脫除效率：>99%

除塵效率：>99.9%

系統(tǒng)可利用率：>98% NID技術工藝原理圖

2.2 PW-CFB循環(huán)流化床煙氣脫硫技術

CFB循環(huán)流化床煙氣脫硫技術具有脫硫效率高、建設投資少、占地小、結構簡單、易于操作、運行費用低等特點，適用于中小型火力發(fā)電機組。

技術特點：

1.固體吸收劑粒子停留時間長；

2.固體吸收劑與SO2間的傳熱傳質交換強烈；

3.脫硫效率高，對高硫煤（含硫3%以上）也能達到90%以上的脫硫效率；

4.由于床料循環(huán)利用，從而提高了吸收劑的利用率；在相同的脫硫效率下，與傳統(tǒng)的半干法比較，吸收劑可節(jié)省30%；

5.操作簡單，運行可靠，反應溫度可降至煙氣露點附近；

6.結構緊湊，循環(huán)流化床反應器不需要很大的空間，可實現(xiàn)大型化；

7.脫硫產(chǎn)物以固態(tài)排放；

8.無制漿系統(tǒng)；

9.對改造工程的電除塵器無需改造。

技術參數(shù)：

鈣硫比（ Ca/S）：<1.4

物料循環(huán)次數(shù)：30—100

脫硫效率：>80%

SO3脫除效率：>99%

除塵效率：>99.9%

系統(tǒng)可利用率：>98%

PW-CFB技術工藝原理圖

2.3爐內煅燒（噴氨）循環(huán)流化床煙氣脫硫

爐內煅燒循環(huán)流化床煙氣脫硫是在借鑒煙氣循環(huán)流化床脫硫技術的基礎上，通過自主研發(fā)，擁有自主知識產(chǎn)權的干法脫硫技術，其最大的特點是選用價格低廉、來源廣泛的石灰石作為脫硫劑，脫硫劑適應性強。同時可與鍋爐節(jié)能改造相配合，以提高鍋爐熱效率。

技術特點：

1.固體吸收劑與SO2間的傳熱傳質交換強烈，床內粒子碰撞，使吸收劑顆粒表面發(fā)生碰撞、磨蝕，不斷地去除反應劑表面地反應產(chǎn)物，暴露出新的反應面；

2.通過床料在床內反混及外置分離器可實現(xiàn)顆粒多次循環(huán)，以提供脫硫劑地利用率；

3.與電除塵器一體化設計；

4.采用石灰石為脫硫劑，使脫硫劑有非常強的適應性；

5.與鍋爐節(jié)能改造同時進行，可提高鍋爐的效率，并進一步降低脫硫的運行成本。

技術參數(shù)

鈣硫比（ Ca/S）：<1.4

物料循環(huán)次數(shù)：30—100

脫硫效率：>80%

SO3脫除效率：>99%

除塵效率：>99.9%

系統(tǒng)可利用率：>98%爐內煅燒循環(huán)流化床煙氣脫硫工藝原理圖

3、循環(huán)流化床干法脫硫（CFB-FGD）工藝

根據(jù)國內實際情況，目前我國干法技術運用最廣泛、裝機容量最大的為循環(huán)流化床干法脫硫，故本次重點介紹循環(huán)流化床干法脫硫工藝。

3.1 工藝流程及原理說明

一個典型的CFB-FGD系統(tǒng)由預電除塵器系統(tǒng)、吸收劑制備及供應系統(tǒng)、吸收塔系統(tǒng)、物料再循環(huán)系統(tǒng)、工藝水系統(tǒng)、脫硫除塵器系統(tǒng)以及儀表控制系統(tǒng)等組成。首先從鍋爐的空氣預熱器出來的煙氣溫度一般為120～160℃左右，通過預除塵器后從底部進入脫硫塔。然后煙氣通過脫硫塔下部的文丘里管的加速，進入循環(huán)流化床床體，物料在循環(huán)流化床里，氣固兩相由于氣流的作用，產(chǎn)生激烈的湍動與混合，充分接觸，在上升的過程中，不斷形成絮狀物向下返回，而絮狀物在激烈湍動中又不斷解體重新被氣流提升，使得氣固間的滑落速度高達單顆?；渌俣鹊臄?shù)十倍；脫硫塔頂部結構進一步強化了絮狀物的返回，進一步提高了塔內顆粒的床層密度，使得床內的Ca/S比高達50以上，SO2充分反應。這種循環(huán)流化床內氣固兩相流機制，極大地強化了氣固間的傳質與傳熱，為實現(xiàn)高脫硫率提供了根本的保證。在文丘里的出口擴管段設有噴水裝置，噴入的霧化水用以降低脫硫反應器內的煙溫，使煙溫降至高于煙氣露點20℃左右，從而使得SO2與Ca（OH）2的反應轉化為可以瞬間完成的離子型反應。吸收劑、循環(huán)脫硫灰在文丘里段以上的塔內進行第二步的充分反應，生成副產(chǎn)物CaSO3·1/2H2O，此外還有與SO3、HF和HCl反應生成相應的副產(chǎn)物CaSO4·1/2H2O、CaF2、CaCl2·Ca（OH）2·2H2O等。煙氣在上升過程中，顆粒一部分隨煙氣被帶出脫硫塔，一部分因自重重新回流到循環(huán)流化床內，進一步增加了流化床的床層顆粒濃度和延長吸收劑的反應時間。噴入的用于降低煙氣溫度的水，以激烈湍動的、擁有巨大的表面積的顆粒作為載體，在塔內得到充分的蒸發(fā)，保證了進入后續(xù)除塵器中的灰具有良好的流動狀態(tài)。

由于流化床中氣固間良好的傳熱、傳質效果，SO3全部得以去除，加上排煙溫度始終控制在高于露點溫度20℃以上，因此煙氣不需要再加熱，同時整個系統(tǒng)也無須任何的防腐處理。

凈化后的含塵煙氣從脫硫塔頂部側向排出，然后轉向進入脫硫后除塵器進行氣固分離，再通過引風機排入煙囪。經(jīng)除塵器捕集下來的固體顆粒，通過除塵器下的脫硫灰再循環(huán)系統(tǒng)，返回脫硫塔繼續(xù)參加反應，如此循環(huán)。多余的少量脫硫灰渣通過倉泵設備外排。

在循環(huán)流化床脫硫塔中，Ca（OH）2與煙氣中的SO2和幾乎全部的SO3，HCl，HF等完成化學反應，主要化學反應方程式如下：

Ca（OH）2+SO2=CaSO3·1/2H2O+1/2H2O

Ca（OH）2+SO3=CaSO4·1/2H2O+1/2H2O

CaSO3·1/2H2O+1/2O2=CaSO4·1/2H2O

Ca（OH）2+CO2=CaCO3+H2O

2Ca（OH）2+2HCl=CaCl2·Ca（OH）2·2H2O（>120℃）

Ca（OH）2+2HF=CaF2+2H2O

3.2 脫硫系統(tǒng)的組成

脫硫除塵改造工程脫硫除塵島主要由預電除塵器、吸收塔、脫硫除塵器、脫硫灰循環(huán)系統(tǒng)、吸收劑制備及供應系統(tǒng)、煙氣系統(tǒng)、工藝水系統(tǒng)、流化風系統(tǒng)、脫硫灰外排系統(tǒng)等組成。

1.煙氣系統(tǒng)

2.吸收塔系統(tǒng)

3.脫硫布袋除塵器

4.物料循環(huán)系統(tǒng)

5.吸收劑制備、輸送及供應系統(tǒng)

6.工藝水系統(tǒng)

7.流化風系統(tǒng)

8.氣力輸送系統(tǒng)

4、結論

由于循環(huán)流化床脫硫技術在占地、造價、操作、調節(jié)、維護、副產(chǎn)品無二次污染等方面的優(yōu)點，這種工藝越來越受到業(yè)主方的青睞?，F(xiàn)在各國都在積極研究干法脫硫技術，并使之逐步向設備大型化、系統(tǒng)簡單化、控制自動化發(fā)展，所以國內循環(huán)流化床脫硫技術應用的比例也在逐步提高。隨著對循環(huán)流化床脫硫技術的深入認識、研究和改進以及對脫硫灰綜合利用的開發(fā)，循環(huán)流化床脫硫技術將會有更加廣闊的應用前景。

參考文獻

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