煙氣循環(huán)流化床 (CFB－FGD)干法脫硫優(yōu)化調(diào)整

陳 倆，石 洪，張 瑩

(國網(wǎng)湖北省電力公司電力科學研究院，武漢 430077)

1 概述

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(shù)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(shù)和工藝。在這種形勢下，干法脫硫工藝應(yīng)運而生。

作為干法煙氣脫硫的一種主要工藝，循環(huán)流化床煙氣脫硫 (CFB-FGD)以其流程簡單、占地面積少、投資運行費用低、無需防腐、無脫硫廢水等優(yōu)點而倍受青睞［1］。

2 CFB-FGD干法脫硫工藝原理及工藝流程

CFB-FGD干法脫硫工藝與濕法脫硫工藝最大的區(qū)別就在于其所使用的脫硫劑是以干粉形態(tài)進入吸收塔，而非像濕法脫硫一樣使用吸收劑的漿液進行脫硫。CFB-FGD基本工藝原理為:

來自鍋爐的空氣預(yù)熱器出來的煙氣溫度一般120℃ ～180℃左右，通過一級除塵器，從底部進入吸收塔，在此處高溫煙氣與加入的吸收劑、循環(huán)脫硫灰充分預(yù)混合，進行初步的脫硫反應(yīng)，然后通過吸收塔底部的文丘里管的加速，吸收劑、循環(huán)脫硫灰受到氣流的沖擊作用而懸浮起來，形成流化床，進行第二步充分的脫硫反應(yīng)。在這一區(qū)域內(nèi)流體處于激烈的湍動狀態(tài)，循環(huán)流化床內(nèi)的Ca/S值可達到40～50，顆粒與煙氣之間具有很大的滑落速度，顆粒反應(yīng)界面不斷摩擦、碰撞更新，極大地強化了脫硫反應(yīng)的傳質(zhì)與傳熱。

在文丘里出口擴管段設(shè)一套噴水裝置，噴入的霧化水一是增濕顆粒表面，二是使煙溫降至高于煙氣露點20℃左右，創(chuàng)造了良好的脫硫反應(yīng)溫度，吸收劑在此與SO2充分反應(yīng)。

凈化后的含塵煙氣從吸收塔頂部側(cè)向排出，然后進入二級除塵器，再通過引風機排入煙囪。由于排煙溫度高于露點溫度20℃左右，因此煙氣不需要再加熱，同時整個系統(tǒng)無需任何的防腐［2］。

經(jīng)除塵器捕集下來的固體顆粒，通過再循環(huán)系統(tǒng)，返回吸收塔繼續(xù)反應(yīng)，如此循環(huán)，多余的脫硫灰渣通過物料輸送至灰倉，最后通過輸送設(shè)備外排。

其工藝流程圖如圖1所示。

圖1 CFB-FGD干法脫硫工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of CFB-FGD

在CFB脫硫塔中，主要化學反應(yīng)方程式如下:

3 CFB-FGD干法脫硫工藝的運行調(diào)節(jié)

海外某電廠1×350MW燃煤機組就是采用煙氣循環(huán)流化床 (CFB-FGD)干法脫硫工藝，設(shè)計鍋爐排煙溫度115℃ ～127℃，脫硫入口煙塵濃度為105400mg/Nm3(標干，6%O2)，二氧化硫濃度為8092mg/Nm3(標干，6%O2)，設(shè)計脫硫效率為80%。其脫硫劑選用生石灰 (生石灰品質(zhì)見表1)，通過消化器加水反應(yīng)生成消石灰后進入吸收塔參與反應(yīng)，脫硫副產(chǎn)物為干態(tài)脫硫灰。

表1 生石灰成分分析Tab.1 Chemical composition analysis of quick lime

為了實現(xiàn)脫硫系統(tǒng)優(yōu)化運行，該電廠的CFBFGD干法脫硫工藝的系統(tǒng)控制和調(diào)節(jié)主要由吸收塔出口溫度、床層壓降和SO2排放濃度3個參數(shù)完成，分別對應(yīng)調(diào)節(jié)吸收塔的噴水量、脫硫灰循環(huán)量以及消石灰的投加量。3個參數(shù)相互配合，達到脫硫的最佳工況條件，保證脫硫的效果。

3.1 通過控制吸收塔出口溫度調(diào)節(jié)吸收塔的噴水量

監(jiān)測脫硫塔的出口煙氣溫度，以此來調(diào)節(jié)噴水系統(tǒng)的開度和噴水量的大小，保持適當?shù)腁ST值，使床溫在各種負荷和工況條件下，煙氣的酸露點溫度始終保持在較高處，這樣，吸收劑的活性最佳，能夠較好地捕捉SO2，并發(fā)生化學反應(yīng)，提高脫硫率。

吸收塔的出口溫度要求較為嚴格，一般控制在70℃ ～80℃［3］，如果吸收塔出口溫度過高，吸收塔噴水量將減小，脫硫效率將下降。如果吸收塔出口煙氣溫度過低，將靠近煙氣的露點，有可能帶來不良的影響，特別是煙氣溫度低于露點溫度時，會造成水分蒸發(fā)不好，產(chǎn)生結(jié)露，在吸收塔、煙道、除塵器的內(nèi)壁引起嚴重的結(jié)灰。

3.2 通過控制吸收塔床層壓降調(diào)節(jié)脫硫灰的循環(huán)量

在CFB-FGD運行中，因為吸收塔床層壓降與床層的粉塵負荷成正比，所以可以通過床層壓降來控制脫硫灰的循環(huán)量，使脫硫灰的循環(huán)量和循環(huán)次數(shù)控制在設(shè)計范圍之內(nèi)，這樣既可控制下游二級除塵器的入口塵濃度和煙囪排塵濃度，又可提高吸收劑的利用率，降低鈣硫比。

而吸收塔的床層壓降是通過調(diào)試初期的測試和計算得出的。在運行過程中，吸收塔的進出口所測的壓降為總壓降 (△Ptotal)，它應(yīng)該為空塔壓降(△Pemptypipe)和床層壓降 (△Pbed)之和?？账航?(△Pemptypipe)為沒有粉塵負荷時的壓降，而床層壓降 (△Pbed)為粉塵負荷所引起的壓降。通過下式即可計算出床層壓降 (△Pbed):

而空塔壓降 (△Pemptypipe)與鍋爐的負荷 (由煙氣量Q來反應(yīng))的函數(shù)關(guān)系為Δpemptypipe=f(Q)=aQ2+bQ+c，式中系數(shù)a、b、c為常數(shù)，可通過FGD調(diào)試期間的測量值來確定。因為吸收塔的入口溫度、壓力是隨著鍋爐負荷 (煙氣量)的變化而變化的，所以公式中的系數(shù)b、c不可能為0。在調(diào)試初期，停止脫硫灰循環(huán)系統(tǒng)、吸收劑加入系統(tǒng)，通過不斷調(diào)整鍋爐煙氣量，記錄給定的吸收塔煙氣量所對應(yīng)的吸收塔壓降，記錄范圍在946577～1388313Nm3/h(標干)之間。將測試數(shù)據(jù)按如下示意圖 (圖2)做曲線，橫坐標為風量Q，縱坐標為壓降。

由于清潔煙氣的循環(huán)，在鍋爐負荷低于75%時，吸收塔的入口煙氣量幾乎為定值。因此在該范圍內(nèi)的空塔壓降也可以認為是常數(shù)。

圖2 CFB-FGD空塔壓降測試示意圖Fig.2 Test schematic diagram of FGD pressure drop without CFB

3.3 通過控制SO2排放量調(diào)節(jié)脫硫劑的投加量

監(jiān)測SO2排放濃度，用于調(diào)節(jié)脫硫劑 (消石灰)的加入量。當鍋爐燃煤硫份增加時，脫硫入口SO2濃度將上升，同時出口SO2排放濃度也將增大，這時就應(yīng)加入更多的消石灰去吸收更多的SO2;相反當出口SO2排放濃度減小時，就應(yīng)減少消石灰的投加量，使系統(tǒng)運行經(jīng)濟合理，降低成本。

控制這3個監(jiān)測量及其相關(guān)的信號去調(diào)節(jié)各運行回路，使脫硫系統(tǒng)的運行達到最優(yōu)化，這是干法脫硫工藝控制系統(tǒng)的基本要求。就控制的靈敏性、可靠性而言，由于該電廠CFB-FGD裝置的吸收劑、水和脫硫灰的再循環(huán)是獨立加入到脫硫塔的，這樣就避免了3個控制量的互相牽連。3個控制回路能完全獨立，各行其是，互不干擾。

當然，以上3個參數(shù)總是相互影響的，如何更好的進行協(xié)同調(diào)節(jié)，就是CFB-FGD干法脫硫工藝的優(yōu)化調(diào)整的關(guān)鍵所在。

4 CFB-FGD干法脫硫工藝的優(yōu)化調(diào)整

雖然增加脫硫劑的投加量可以提高脫硫效率，但是為了追尋脫硫效率，一味地大量投加脫硫劑顯然是不現(xiàn)實的，也是不經(jīng)濟的。尤其是對于需從一千多公里外進口生石灰原料的該電廠來說，脫硫系統(tǒng)的經(jīng)濟運行更是不容忽視。

所謂干法脫硫工藝的優(yōu)化調(diào)整就是通過對工藝中各項技術(shù)參數(shù)的不斷調(diào)整，最終使得脫硫系統(tǒng)在保證脫硫效率的同時，脫硫劑的消耗量達到最低，即工藝性能和經(jīng)濟性能達到合理的平衡點。

生石灰消耗過大，脫硫運行成本過高一直困擾著電廠和設(shè)備廠商。如何在不影響脫硫效率的前提下，通過對脫硫工藝參數(shù)的調(diào)整，最大限度地降低生石灰消耗，就成為了問題的關(guān)鍵。通過對該廠CFB-FGD工藝中控制參數(shù)和控制回路的分析，調(diào)整重點放在了吸收塔進出口溫差和床層壓降上。

4.1 吸收塔進出口溫差的調(diào)整

為了加快吸收塔內(nèi)的脫硫反應(yīng)，提高脫硫效率，CFB-FGD工藝中有一關(guān)鍵步驟就是在向吸收塔加入消石灰和再循環(huán)脫硫灰的同時，另有一路工藝水以霧化水的形式噴入吸收塔。噴入的水在吸收塔內(nèi)經(jīng)歷了滲透、溶解和蒸發(fā)的過程。水分滲透在Ca(OH)2顆粒間形成液膜，一方面使氣體分子在孔隙和產(chǎn)物層內(nèi)的擴散轉(zhuǎn)變?yōu)橐合嘀械碾x子擴散，減小了擴散路徑和阻力;另一方面顆粒表面的水分通過吸收溶解了SO2，SO2液態(tài)組分與Ca(OH)2離子態(tài)組分在消石灰液相組分中 (液膜)進行快速離子型化學反應(yīng)。這就使得煙氣中的SO2在被消石灰吸收的過程中，從氣固傳質(zhì)形式換化為液相傳質(zhì)，大幅加快了SO2的吸收反應(yīng)［4］。因此，系統(tǒng)中噴水量的多少直接關(guān)系到脫硫反應(yīng)，影響脫硫效率。顯然，吸收塔內(nèi)噴入的水越多越有利于脫硫反應(yīng)。

圖3 吸收塔出口煙氣溫度與排塵濃度和消石灰消耗量變化趨勢Fig.3 Variation trends of flue gas temperature at the outlet of absorber，dedusting density and lime consumption

該電廠脫硫系統(tǒng)通過跟蹤吸收塔的出口煙氣溫度，來自動調(diào)節(jié)其噴水系統(tǒng)的開度和噴水量的大小。因此，只要將吸收塔出口煙氣溫度設(shè)定的目標值適當降低，就可以提高吸收塔的噴水量。

然而，吸收塔出口煙氣溫度設(shè)定的目標值也不能無限制地降低，因為吸收塔出口煙氣溫度過低，塔內(nèi)噴入的水不能迅速蒸發(fā)，從而產(chǎn)生結(jié)露，給脫硫系統(tǒng)下游煙道的內(nèi)壁帶來粘壁和腐蝕的威脅。同時，由于脫硫灰中濕度的增大，其粘性也增強，不利于后續(xù)的除塵和排灰。通過反復(fù)試驗發(fā)現(xiàn)，當吸收塔出口煙氣溫度低于69℃后，雖然消石灰的消耗量仍有降低的趨勢，但是脫硫系統(tǒng)出口的排塵濃度卻明顯增大，如圖3所示 (圖中排塵濃度應(yīng)考慮反饋時間上的滯后)。

吸收塔的噴水量除了受吸收塔出口溫度的制約外，同時也受到吸收塔入口煙氣溫度的影響。因為隨著鍋爐排煙溫度的提升，吸收塔入口煙氣溫度升高，導致吸收塔的出口煙溫也跟著上升，噴水控制回路為了保持吸收塔出口煙溫不變，就會相應(yīng)地加大噴水量，所以吸收塔的噴水量實際上是受吸收塔進出口的煙氣溫差控制的。

因此，在考慮到要保證吸收塔出口煙溫不能過低的前提下，采用提高吸收塔入口煙溫的方法來增大吸收塔進出口煙溫差。聯(lián)系鍋爐運行人員，適當?shù)靥岣咤仩t的排煙溫度，從而使得加大吸收塔噴水量成為可能。同時，由于吸收塔進口的煙氣溫度較高，可以有效地保證噴入吸收塔內(nèi)的所有水即時蒸干，從而有效避免了脫硫系統(tǒng)粘壁、腐蝕以及收塵除灰難等問題。

4.2 床層壓降的調(diào)整

如前文所述，吸收塔床層壓降的控制直接影響著脫硫灰的循環(huán)量。而干法脫硫由于吸收劑是以干態(tài)的形式進入吸收塔的，所以SO2的吸收反應(yīng)遠沒有濕法脫硫快。因此，CFB－FGD的原理就通過脫硫灰的不斷循環(huán)來提高單位吸收劑的反應(yīng)時間，有效地充分利用吸收劑。脫硫灰的循環(huán)量多少直接關(guān)系到吸收劑是否反應(yīng)充分，決定吸收劑的消耗量。只要提高吸收塔的床層壓降，就可以增大脫硫灰的再循環(huán)量，從而提高單位吸收劑的反應(yīng)時間，降低吸收劑的消耗量。

然而，床層壓降的提升也是受各方面因素制約的，其中最主要的就是受煙氣流速的影響。如果床層壓降過高，脫硫灰循環(huán)量過多，現(xiàn)有的煙氣流速不足以克服吸收塔內(nèi)物料的阻力，吸收塔內(nèi)就無法形成良好的流化床層，嚴重的甚至可能造成蹋床現(xiàn)象。

根據(jù)該廠鍋爐風量較大 (設(shè)計值為113萬Nm3/h，而實際測試值都在130萬Nm3/h以上)的特點，把床層壓降從原來的1.1kPa提升至1.2kPa，并不斷觀察吸收塔底部的排料情況，并未發(fā)現(xiàn)排料中有大量細灰存在，說明在1.2kPa的床層壓降下，塔內(nèi)流化狀況良好。

5 優(yōu)化調(diào)整前后效果對比及經(jīng)濟效益

在入爐煤質(zhì)和吸收劑品質(zhì)基本不變的前提下，通過對吸收塔進出口煙溫降和床層壓降的聯(lián)合調(diào)整，該電廠脫硫系統(tǒng)的生石灰消耗有明顯的降低。經(jīng)統(tǒng)計計算，在機組滿負荷運行狀況下，鈣硫比(Ca/S)從原來的1.72下降至1.46，生石灰消耗量從原來的36.6噸/小時降低至31.1噸/小時，每小時生石灰消耗減少5.5噸。具體運行參數(shù)見表2。

表2 CFB－FGD優(yōu)化調(diào)整前后運行參數(shù)對比Tab.2 Running parameters comparison before and after the optimization and adjustment of CFB-FGD

該電廠的生石灰有一部分從國外進口，進口價格每噸約為250美元，折合人民幣1625元/噸;另一部分從國內(nèi)購買，折合人民幣1415元/噸。按平均價格1520元/噸計算，設(shè)備年平均可用率以保證值98.5%計，則電廠每年的脫硫運行成本將節(jié)約:

1520元/噸 ×5.5噸/小時 ×24小時/天 ×360天/年 ×98.5%=71146944 元/年

6 結(jié)語

隨著干法煙氣脫硫工藝的普及，對其運行的穩(wěn)定性、經(jīng)濟性的要求也將越來越高。如何根據(jù)各個電廠本身的特點，在不進行系統(tǒng)改造的前提下對運行參數(shù)進行優(yōu)化調(diào)整，使脫硫系統(tǒng)更加經(jīng)濟、穩(wěn)定的運行，這將是一個不斷摸索和嘗試的過程。

［1］薛建明，馬果駿.煙氣循環(huán)流化床脫硫工藝的技術(shù)經(jīng)濟分析［J］. 江蘇電機工程，2003，22(7):11-14.

［2］彭 皓，陳健煒，黃再培.循環(huán)流化床干法煙氣脫硫技術(shù)在臨沂電廠的應(yīng)用［J］. 能源工程，2008，(1):45-46.

［3］李忠華，柏 源.煙氣循環(huán)流化床脫硫技術(shù)分析研究［J］.廣東化工，2010，37(1):95-97.

［4］何大闊，王福利，李振中.循環(huán)流化床煙氣脫硫效率的研究［J］. 動力工程，2005，25(4):582-586.