石灰石/石膏濕法脫硫工藝脫硫效率影響因素

殷紅梅

(國電電力大連莊河發(fā)電有限責(zé)任公司,遼寧大連 116431)

石灰石/石膏濕法脫硫工藝脫硫效率影響因素

殷紅梅

(國電電力大連莊河發(fā)電有限責(zé)任公司,遼寧大連 116431)

闡述石灰石/石膏濕法脫硫工藝的基本原理以及它的應(yīng)用狀況,本文將以漿液PH值為基準(zhǔn),對影響脫硫效果的因素以及規(guī)律進(jìn)行研究,并從工藝和設(shè)備方面簡述如何保障濕法脫硫功效,以提升石灰石/石膏濕法脫硫工藝的脫硫效率。一般地,影響脫硫效率因素包括有石灰石的活性、液氣比、鈣硫比等。

石灰石 石膏 脫硫工藝 脫硫效率

1 引言

燃煤過程中會產(chǎn)生并排放二氧化硫(SO2)造成嚴(yán)重的空氣污染,為實(shí)現(xiàn)全國SO2的消減目標(biāo),就須控制電力行業(yè)的SO2排放量。當(dāng)前我國燃煤機(jī)組廣泛地運(yùn)用了石灰石/石膏濕法脫硫(wet flue gas desulfurization,以下簡稱FGD)這種煙氣脫硫工藝,FGD的流程、形式和原理在國際上都有著異曲同工之妙。主要運(yùn)用了包括有石灰石(主要成分是碳酸鈣：CaCO3)、石灰(主要成分是氧化鈣：CaO)或者碳酸鈉(Na2CO3)等漿液作為洗滌劑,煙氣通過吸收塔會發(fā)生化學(xué)反應(yīng),進(jìn)而達(dá)到煙氣洗滌的效果,從而使煙氣中的二氧化硫(SO2)得以去除。最早的石灰石脫硫工藝,是在1927年英國為保護(hù)高層建筑,在泰晤士河岸的電廠得以利用,至今已有87年歷史。經(jīng)過不斷地對技術(shù)、工藝革新完善,如今FGD具有以下優(yōu)點(diǎn)：脫硫效率高,基本保證為90%,最高可達(dá)95%,更甚是98%;機(jī)組容量大;煤種適應(yīng)性強(qiáng);副產(chǎn)品容易回收;運(yùn)營成本較低等。本文將從影響脫硫效率的因素參數(shù)進(jìn)行分析,概述其影響的原因,進(jìn)而為完善FGD系統(tǒng)、提升脫硫效率作理論依據(jù)。

2 FGD脫硫原理

燃煤產(chǎn)生的煙氣通過增壓風(fēng)機(jī)到達(dá)煙氣換熱器,受冷卻后進(jìn)入吸收塔,吸收塔中有經(jīng)過消化處理的石灰粉與水?dāng)嚢瓒傻奈諠{液。在吸收塔內(nèi),煙氣與吸收漿液相混合,煙氣中的SO2與漿液中的CaCO3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。同時(shí)漿液中會蒸發(fā)部分水分使得煙氣進(jìn)一步得到冷卻,穿過除霧器除去煙氣中的水分,進(jìn)而離開吸收塔再次進(jìn)過煙氣換熱器加溫后,進(jìn)入煙囪中排入外界空氣中。過程中會生成副產(chǎn)品二水石膏(CaSO4·2H2O),在進(jìn)行脫水就能回收石膏。其中FGD的主要化學(xué)反應(yīng)原理如下：

石灰石法：SO2+H2O=H2SO3

H2SO3+Ca CO3=Ca SO3+H2O+CO2

石灰法：SO2+H2O=H2SO3

H2SO3+Ca O=C a SO3+H2O

這種工藝擁有極其豐富的資源作為吸收劑,能廣泛地進(jìn)行商業(yè)化開發(fā),擁有成本低,可回收等優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)前,作為FGD工藝中應(yīng)用最為廣泛地方法,石灰石/石灰法對高硫煤的脫硫率能保證至少90%,而那些低硫煤則能保證95%的脫硫率。

3 脫硫效率的影響因素

煙氣換熱器會使燃煤過程中產(chǎn)生的煙氣降溫冷卻,進(jìn)入吸收塔其中的HCl、HF以及灰塵等都會溶入漿液中,漿液中的水分會吸收SO2、SO3生成H2SO3,其能分解H+和HSO3-,與漿液中的CaCO3發(fā)生水反應(yīng)生成二水石膏,使得漿液的PH值發(fā)生變化。為使吸收塔的脫硫效率得以保障,漿液通過循環(huán)泵從吸收塔漿池送到塔內(nèi)噴嘴體系噴淋而下,會向吸收塔內(nèi)持續(xù)輸送漿液,使吸收塔內(nèi)的漿液PH值保持在5～7之間。

3.1 吸收塔內(nèi)漿液的PH值

吸收塔中漿液吸收掉SO2的程度決定著脫硫效率的高低,而漿液的PH值會使其受到影響。相關(guān)實(shí)驗(yàn)表明,PH值越高越能吸收SO2,而越低的PH值更能Ca2+,減少成本,此二者要求對立,因此合理控制漿液PH值,不但能最大化提升脫硫效率,還能降低成本。

漿液的PH值是一個(gè)緩慢的變化過程,因此也就不能通過監(jiān)控進(jìn)行及時(shí)控制來達(dá)到理想值。隨著煤質(zhì)和荷載的改變,煙氣流量不斷提升,脫硫效率逐步下降;通力煙氣流動速度越快,使得煙氣對噴淋漿液的浮力就越高,增加了煙氣與漿液的混合時(shí)間,卻提升了駝鹿效率;雖然煙氣流速慢能更好地吸收SO2,但這樣容易使煙道發(fā)生堵塞等問題。此外,相關(guān)數(shù)據(jù)表明,混合漿液中Ca CO4·2 H2O和CaCO3的濃度達(dá)到飽和時(shí),其漿液密度ρ=1135Kg/m3,而CaCO3·2H2O會抑制漿液對SO2的吸收,使脫硫效率降低;而當(dāng)漿液密度ρ≤1070Kg/m3時(shí),CaCO3的濃度會相對升高,CaCO3·2H2O的濃度變低,雖然使得脫硫效率增加,但會浪費(fèi)大量的石灰石漿液,使得成本變高。因此,建議密度范圍為[1070,1135]。

所以穩(wěn)定漿液PH值,不僅是利用閥門來控制漿液的供給量,還需要做一個(gè)閉合控制回路,來控制進(jìn)入漿液中的SO2的量。根據(jù)反應(yīng)方程式：SO2+CaCO3=CaSO3+CO2↑可以得到,CaCO3與SO2的質(zhì)量關(guān)系比為100：64。所以將煙氣中SO2的含量作為參照,來控制漿液的供給量不但能滿足反應(yīng)的需求,還能控制PH值。實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)PH＜5.6時(shí),PH越高漿液中就存有更多的CaCO3,脫硫效果越顯著,但當(dāng)PH＞5.7時(shí),使得Ca2+難以吸出,脫硫效率變化相對緩慢。低PH值能促進(jìn)溶解,但不利于脫硫,還會造成設(shè)備酸性腐蝕。所以,建議漿液PH值的范圍[5.4,5.6]。

3.2 石灰石活性

石灰石中約95%都是方解石,其主要是由CaCO3組成的沉積巖,其常見的雜質(zhì)有MgCO3、SiO2、Fe2O3、Al2O3。在FGD系統(tǒng)中,會溶解部分MgCO3,但大部分的金屬雜質(zhì)即使在強(qiáng)酸下也不會被溶解。溶解過后的MgCO3雖然會提升脫硫效率,但其中Mg2+濃度過高會影響石膏的沉淀和脫水,進(jìn)而降低石膏的純度。SiO2較CaCO3的硬度強(qiáng),需要更多的漿液原料,且具有腐蝕性,會使設(shè)備受到磨損,總而言之SiO2會降低石膏純度以及石灰石活性。而金屬離子會生成氟化絡(luò)合物分布在石灰石之上,使得PH值相對偏低。所以,石灰石的溶解速率、溫度、大小以及溶液中碳酸鹽的含量都會覺得石灰石的活性,進(jìn)而影響脫硫效率。

3.3 液氣比

單位統(tǒng)計(jì)的煙氣流量在脫硫吸收塔中用于循環(huán)的堿性漿液的體積流量就是液氣比,其值等于單位時(shí)間內(nèi)漿液的噴淋量和單位時(shí)間內(nèi)濕煙氣體積流量比。相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明,液氣比越小,隨著不斷增加的煙氣流量,SO2氣體在漿液中停滯時(shí)間較短,不能充分地與漿液混合,也就使得煙氣中的脫硫效率就越低。值得一提的是,太小的液氣比會使吸收塔達(dá)到“泛液點(diǎn)”,使得反應(yīng)過程中不再產(chǎn)生鼓泡現(xiàn)象,影響了SO2的吸收;液氣比也不能太大,過大的液氣比對設(shè)備要求越高,進(jìn)而會加大投資成本。某電廠330MW的機(jī)組當(dāng)液氣比達(dá)7時(shí),脫硫效率達(dá)到95%,當(dāng)液氣比達(dá)到8.5時(shí),脫硫效率高達(dá)97%,因此建議液氣比范圍[7,9]。

3.4 鈣硫比

脫硫過程中使用的CaCO3中Ca與去除SO2中S的摩爾比值就是鈣硫比,其化學(xué)反應(yīng)理論值為1。一般地將石灰石碾壓成粉并在漿液循環(huán)泵中多次循環(huán)才能使石灰石反應(yīng)充分,鈣硫比越高,電耗也就越高。實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng)鈣硫比低于1.02時(shí)脫硫效率偏低,而當(dāng)鈣硫比高于1.05時(shí)脫硫效率趨于平衡。雖然鈣硫比的增加會適當(dāng)提升脫硫效率,但增加的幅度卻相對受限,還會使PH值變大,繼而不利于脫硫反應(yīng),所以,鈣硫比范圍在[1.02,1.05]比較適宜。

3.5 煙氣中的飛灰

飛灰含量高的煙氣會干擾石灰石的溶解,使石灰石中的Ca2+的溶解速率變低。而且灰塵產(chǎn)生的氟化絡(luò)合物,會在石灰石表面形成“糖衣”,不但會降低石膏的純度,還會是PH值下降,不利于SO2的吸收。此外飛灰中例如Hg、Cd、Zn等重金屬還會使Ca+和HSO3-的反應(yīng)受到抑制,降低脫硫效率。一般地,FGD粉塵流入量不得高于100mg/Nm3。

除此之外,氧氣的含量以及煙氣的溫度或多或少地會導(dǎo)致石膏氧化反應(yīng)不充分,使得漿液中的含量過高,影響漿液質(zhì)量并降低脫硫效率,所以必須保持充足的O2,提供合適地溫度;再者設(shè)備的質(zhì)量、結(jié)構(gòu)以及性能等都會對脫硫效率產(chǎn)生影響;適當(dāng)?shù)靥砑佑袡C(jī)酸,能促進(jìn)石灰石的溶解,有效地提升脫離效率。

4 結(jié)語

運(yùn)用FGD來控制火力燃煤發(fā)電過程中產(chǎn)生的SO2排放量,還有一個(gè)相當(dāng)長的階段。提升FGD脫硫效率,減少SO2的排放,不但能降低電廠成本,提升電廠價(jià)值,更能為我國當(dāng)前的空氣質(zhì)量作出重要貢獻(xiàn)。只有嚴(yán)格要求員工,結(jié)合實(shí)際情況,嚴(yán)格控制材料的質(zhì)量,定期檢查設(shè)備及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障并予以解決,從而提高脫硫效率,有效地提升電廠經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

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