石灰石-石膏濕法脫硫效率分析及系統(tǒng)優(yōu)化

陳文通

（華北電力大學(xué)能源動力與機(jī)械工程學(xué)院 河北保定）

石灰石-石膏濕法脫硫工藝技術(shù)成熟，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，吸收劑利用率高，對煤種適應(yīng)性強(qiáng)，脫硫效率高。是目前電廠使用最廣泛的煙氣脫硫方式。隨著國家“節(jié)能減排”政策的提出和可持續(xù)發(fā)展的不斷推進(jìn)，對電廠脫硫系統(tǒng)提出了更高的要求。脫硫效率和脫硫系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新變得尤為重要。

一、影響石灰石-石膏濕法脫硫效率的因素

（1）吸收塔漿液的pH值。由SO2與吸收塔漿液接觸后發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)機(jī)理可知，高pH值利于SO2吸收，低pH值有助于Ca2+析出。pH=6時,SO2吸收效果最佳，但此時易發(fā)生結(jié)垢、堵塞現(xiàn)象。低pH值時,石灰石溶解度增加，但SO2的吸收受到抑制；當(dāng)pH=4時，SO2的吸收幾乎無法進(jìn)行,且吸收液呈酸性，對設(shè)備也有腐蝕。一般pH值在5.2～5.6為宜。

（2）液氣比及漿液循環(huán)量。在吸收塔設(shè)計中，循環(huán)漿液量的多少決定了SO2吸收表面積的大小，在其他參數(shù)恒定的情況下，提高液氣比相當(dāng)于增大了吸收塔內(nèi)的漿液噴淋密度，從而增大了氣液傳質(zhì)表面積，強(qiáng)化傳質(zhì)，提高脫硫效率，提高液氣比是提高脫硫效率的有效措施。

（3）煙氣與脫硫劑的接觸時間。煙氣進(jìn)人吸收塔后自下而上流動，與噴淋而下的石灰石漿液霧滴接觸反應(yīng)，接觸時間越長，反應(yīng)進(jìn)行得越完全。吸收塔漿池容量大，漿液在塔內(nèi)停留時間長，有利于石灰石顆粒與洗滌下來的SO2充分反應(yīng)，并使反應(yīng)生成物CaSO3·1/2H2O有足夠的時間氧化成CaSO4·2H2O，充分結(jié)晶形成石膏。吸收區(qū)高度是指吸收塔煙氣入口至最高噴淋層之間，煙氣與漿液接觸，發(fā)生反應(yīng)的有效區(qū)段。在煙氣流速確定的情況下，吸收區(qū)高度越高，反應(yīng)越充分，脫硫效果越好。

（4）塔內(nèi)煙氣流速。提高煙氣流速可以減薄煙氣與漿液之間的膜厚度，增強(qiáng)氣液間的傳質(zhì)；同時煙氣流速增加使噴淋液滴的下降速度相對降低，使單位體積內(nèi)的持液量增大，增大吸收段的傳質(zhì)面積，增大傳質(zhì)單元數(shù)，提高脫硫效率。煙氣流速增大帶來的不利影響是煙氣攜帶漿液顆粒增多，加重除霧器的負(fù)擔(dān)。

（5）煙氣分布均勻性。采用噴淋塔的濕法脫硫工藝，噴淋層的布置設(shè)計對脫硫系統(tǒng)的脫硫效率有重要的影響。噴嘴的布置要求滿足噴嘴的性能情況下，還需要進(jìn)行優(yōu)化布置，使噴嘴密度和覆蓋率與塔內(nèi)煙氣流速分布相對應(yīng)。

隨著吸收塔直徑的增加，煙氣分布均勻性降低，靠近吸收塔壁部分，漿液噴淋量和噴嘴的覆蓋率明顯低于吸收塔中其它區(qū)域。對于空塔噴淋，塔壁部分的煙氣流速遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于其余部分，很容易造成煙氣偏流。在脫硫效率要求≤97%的情況下，這部分偏流對脫硫效率影響不大，但當(dāng)出口濃度要求＜35 mg/Nm3時，這一部分的影響不容忽視。

（6）石灰石粒度及純度。石灰石顆粒越細(xì)，表面積越大，吸收速率越快，反應(yīng)越充分，石灰石的利用率越高。一般要求石灰石粒度為90%通過325目篩或250目篩，純度要求＞90%。

（7）氧化空氣量。O2參與煙氣脫硫的化學(xué)過程是將HSO-轉(zhuǎn)化為SO42-，隨著煙氣中O2含量增加，CaSO4·2H2O的形成加快，脫硫率也呈上升趨勢。

（8）煙塵。飛灰在一定程度上阻礙了與脫硫劑的接觸，降低了石灰石中Ca2+的溶解速率。同時飛灰中不斷溶出的重金屬會抑制Ca2+與HSO-反應(yīng)。若煙氣中粉塵含量持續(xù)超過設(shè)計值，粉塵中Al3+會與液相中的F-反應(yīng)生成對石灰石有包裹作用的氟化鋁絡(luò)合物，使脫硫效率降低，并產(chǎn)生噴頭及管道堵塞，石膏脫水困難等問題。

（9）煙氣溫度。進(jìn)入吸收塔的煙氣溫度越低，越利于SO2氣體溶于漿液。通常將煙氣冷卻到60℃左右再進(jìn)行吸收最為適宜。一般將塔入煙溫控制在80℃左右，煙氣進(jìn)入塔后進(jìn)一步冷卻到60℃左右。

（10）Cl-含量。Cl-在系統(tǒng)中主要以CaCl2形式存在，去除困難，影響脫硫效率。

二、石灰石-石膏濕法脫硫系統(tǒng)優(yōu)化

（1）石灰石粉活性激發(fā)劑技術(shù)。投資少，操作簡單，不需要對現(xiàn)有脫硫系統(tǒng)進(jìn)行改造，只需控制活性激發(fā)劑的加入量，就可以使達(dá)標(biāo)的脫硫系統(tǒng)更節(jié)能、使不達(dá)標(biāo)的脫硫裝置達(dá)標(biāo)運(yùn)行，并可使系統(tǒng)靈活適應(yīng)各種變化條件，擴(kuò)大系統(tǒng)運(yùn)行的適應(yīng)范圍。對于新建機(jī)組，也可采用脫硫添加劑技術(shù)來達(dá)到超高的脫硫效率。

石灰石粉活性激發(fā)劑的加入，強(qiáng)化了氫離子的傳遞，表現(xiàn)對pH值的緩沖作用，一方面促進(jìn)了SO2向液相的溶解，另一方面促進(jìn)了CaCO3的溶解，從而加速了SO2的化學(xué)吸收。脫硫活性激發(fā)劑具備以下性能：提高石灰石粉的利用率，減少有效成分CaCO3的浪費；提高脫硫效率；減少液氣比，可停運(yùn)1～2臺吸收塔漿液循環(huán)泵，仍然保持脫硫效率達(dá)標(biāo)，節(jié)省電廠廠用電；適應(yīng)高硫份煤種，在電廠燃用高硫份煤種情況下，能較大幅度的提高脫硫效率。脫硫添加劑技術(shù)在國內(nèi)很多電廠已經(jīng)采用，效果良好。

（2）空塔串聯(lián)塔技術(shù)。目前國內(nèi)主流技術(shù)的吸收塔均為空塔，如要求超高的脫硫效率，由于受到吸收塔漿液池容量和噴淋層數(shù)量的限制，靠單塔很難再提高脫硫效率，此時可以采用吸收塔串聯(lián)技術(shù)進(jìn)行脫硫，兩個吸收塔中各自都設(shè)置噴淋層、氧化空氣分布系統(tǒng)、氧化漿液池。煙氣先進(jìn)入預(yù)洗塔脫除部分SO2和其他污染物后（約可去除70%的SO2），再進(jìn)入后吸收塔脫除剩余的污染物。兩塔串聯(lián)運(yùn)行，共同脫硫，提高脫硫效率，以滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，空塔串聯(lián)塔煙氣脫硫系統(tǒng)流程見圖1。此技術(shù)適合于高硫煤系統(tǒng)，同樣液氣比條件下運(yùn)行電耗小于多噴淋層方案，但系統(tǒng)復(fù)雜，占地較大。

（3）噴淋層及其噴嘴的優(yōu)化設(shè)計。噴嘴是脫硫裝置中的關(guān)鍵部件之一，其霧化性能對脫硫效率、投資成本和操作維修成本有重要的影響。在漿液流量一定的條件下，操作壓力越高，平均粒徑越小，粒徑分布越集中，越有利于脫硫效率的提高。但由于液滴速度變大，在吸收區(qū)停留時間短，要想達(dá)到設(shè)計所需的停留時間，必須增大塔高，投資成本的增加的同時也加速了噴嘴的磨損。在單個噴嘴的霧化性能參數(shù)選定后，還必須進(jìn)行吸收塔內(nèi)噴嘴布置的設(shè)計，噴嘴的布置設(shè)計要充分考慮工藝參數(shù)、單個噴嘴的性能參數(shù)、塔內(nèi)徑、噴淋密度以及噴淋密度分布等因素。合理的噴嘴布置，才能達(dá)到系統(tǒng)設(shè)計要求。

目前濕法脫硫用噴嘴的類型和霧化機(jī)理的研究已相對成熟，但仍需進(jìn)一步降低投資和操作維修成本?，F(xiàn)在比較常用的做法是在碳化硅的基礎(chǔ)上加入其他成分或改變其結(jié)構(gòu)，提高其使用年限。如美國BETE公司采用的反應(yīng)燒結(jié)碳化硅陶瓷（RBSC）和氮連接碳化硅陶瓷（SNBSC）材料等。

另外，噴嘴在塔內(nèi)的布局對煙氣的分布有著重要的影響，煙氣的分布越均勻?qū)γ摿蛟接欣?，現(xiàn)有工藝僅通過噴嘴的布局很難達(dá)到煙氣分布均勻的效果。美國巴威公司在塔內(nèi)設(shè)置了托盤，在空塔基礎(chǔ)上增設(shè)托盤，使進(jìn)入吸收塔內(nèi)的煙氣分布更均勻，解決偏流問題；密集布置的噴淋噴嘴保證煙氣能與漿液充分接觸，強(qiáng)化傳質(zhì)，提高脫硫劑利用率，從而提高脫硫效率。國電清新采用了旋匯耦合技術(shù)，在吸收塔內(nèi)加裝湍流裝置，該技術(shù)是基于多相紊流摻混的強(qiáng)傳質(zhì)機(jī)理，利用氣體動力學(xué)原理，通過特制的旋匯耦合裝置產(chǎn)生氣液旋轉(zhuǎn)翻覆湍流空間，氣液固三相充分接觸，迅速完成傳質(zhì)過程，從而達(dá)到氣體高效凈化的目的，有無湍流器的脫硫效率對比見圖2。有的脫硫公司則采用CFD模擬優(yōu)化脫硫噴淋塔工藝,該工藝借助于對吸收塔內(nèi)煙氣和噴淋漿液兩相流的三維模擬,吸收塔內(nèi)的煙氣分布、流動,吸收塔橫截面內(nèi)漿液的分布和噴嘴的位置得到了優(yōu)化。CFD模擬的核心內(nèi)容就是調(diào)整吸收塔內(nèi)噴嘴的數(shù)量和形式，通過對吸收區(qū)的分析、優(yōu)化，降低系統(tǒng)的設(shè)計裕量，得到較低的液氣比，在成本相對較小的情況下進(jìn)一步提高脫硫效率。

圖1 空塔串聯(lián)塔煙氣脫硫系統(tǒng)流程

圖2 有無湍流器的脫硫效率對比圖

三、結(jié)語

隨著濕法脫硫技術(shù)的不斷發(fā)展，在脫硫裝置正常投運(yùn)且效率達(dá)95%以上的情況下，以脫硫的電耗、粉耗、水耗等單耗最小化為目標(biāo)值，對運(yùn)行方式進(jìn)行優(yōu)化和調(diào)整；另一方面在以國家為主導(dǎo)、企業(yè)為主體的節(jié)能減排大政方針下，不斷進(jìn)行脫硫系統(tǒng)各種新技術(shù)引進(jìn)和自身改進(jìn)以及管理優(yōu)化，積極推進(jìn)脫硫系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行和電力企業(yè)的節(jié)能減排。