半干法煙氣脫硫技術的工程應用

王鵬舉 ， 田志娟 ， 徐　偉 ， 鄭永利

(中國石化 洛陽分公司 ， 河南 洛陽　471012 )

?

半干法煙氣脫硫技術的工程應用

王鵬舉 ， 田志娟 ， 徐偉 ， 鄭永利

(中國石化 洛陽分公司 ， 河南 洛陽471012 )

摘要：煙氣脫硫工藝分為濕法脫硫、干法脫硫、半干法脫硫三大類。半干法煙氣脫硫技術具有系統(tǒng)簡單、投資運行成本低、脫硫產(chǎn)物易處理等優(yōu)點，近年來逐步發(fā)展應用。本文從半干法脫硫發(fā)展歷史著手，對半干法脫硫的技術原理、工藝流程及重要設備進行說明，對比分析半干法脫硫與石灰石—石膏法脫硫優(yōu)缺點，列舉工程應用實例，分析大型化發(fā)展的制約因素，展望技術應用發(fā)展前景。

關鍵詞：半干法煙氣脫硫 ； 工程應用 ； 優(yōu)缺點 ； 前景

0前言

我國電力生產(chǎn)以燃煤為主，電力生產(chǎn)產(chǎn)生的SO2排放量占全國排放量的50%以上。國家最新頒布的《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223-2011)對火電廠SO2排放提出了嚴格的限制要求。

煙氣脫硫是指應用化學或物理的方法將煙氣中的SO2固定或脫除。按照脫硫方式，燃料燃燒后煙氣脫硫可分為濕法脫硫、干法脫硫、半干法脫硫三大類。

濕法脫硫具有脫硫反應速度快、脫硫效率高等優(yōu)點，由于出現(xiàn)較早，目前應用廣泛，工藝技術成熟，尤其在脫硫效率要求高的行業(yè)或領域，占有率高。但應用中也存在一定問題，脫硫后產(chǎn)物處理困難、易造成二次污染、投資運行維護費用高、設備存在腐蝕現(xiàn)象、系統(tǒng)復雜等問題。

干法脫硫具有無污水廢酸排出、設備腐蝕小、設備投資及運行費用低等優(yōu)點，但致命缺點是脫硫效率低、反應速度慢。

半干法脫硫兼具濕法脫硫及干法脫硫的特點，主要是在濕狀態(tài)下脫硫，干狀態(tài)下處理脫硫產(chǎn)物。該法具備濕法脫硫的脫硫效率高、反應速度快的優(yōu)點，又具有干法脫硫的低成本、產(chǎn)物無腐蝕污染等特點，且排煙中不存在濕法脫硫“石膏雨”隱患[1]，近年來發(fā)展迅速，尤其在小容量機組、低硫煤、缺水地區(qū)具有一定的工程應用業(yè)績。

1半干法脫硫技術

1.1　半干法脫硫技術原理

半干法脫硫技術全稱為循環(huán)流化床半干法脫硫技術(CFB-FGD)，其主要是根據(jù)循環(huán)流化床理論，煙氣通過吸收塔底部的文丘里管的加速，進入脫硫塔，在脫硫塔內(nèi)氣固兩相氣流的作用，產(chǎn)生激烈的湍動與混合，充分接觸。物料在上升的過程中，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，形成類似循環(huán)流化床鍋爐所特有的內(nèi)循環(huán)顆粒流，使得氣固間的滑落速度比單顆粒滑落速度高數(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(nèi)顆粒的床層密度，使得床內(nèi)的鈣硫比劇增。物料與煙氣中的SO2、SO3等酸性氣體充分接觸反應來實現(xiàn)脫硫[2]，系統(tǒng)以鍋爐飛灰作為循環(huán)物料，反應器內(nèi)固體顆粒濃度均勻，固體內(nèi)循環(huán)強烈，氣固混合、接觸良好，氣固間傳熱、傳質理想。

吸收塔主要化學反應：

其他酸性氣體化學反應：

消化器中化學反應：

1.2　半干法脫硫工藝流程

脫硫系統(tǒng)主要由消化器系統(tǒng)、脫硫塔、脫硫灰再循環(huán)、工藝水系統(tǒng)、布袋除塵器等組成[3]。從鍋爐出來的煙氣經(jīng)鍋爐引風機從底部進入吸收塔，在吸收塔里與循環(huán)灰中的氧化鈣以及加入的消石灰和水進行反應，除去煙氣中的SO2、SO3等有害物質。凈化后的含塵煙氣從吸收塔頂部側向排出，經(jīng)布袋除塵器、脫硫引風機排入煙囪。布袋除塵器收集下來的灰通過再循環(huán)系統(tǒng)返回吸收塔繼續(xù)參加反應，部分脫硫灰通過氣力輸送至灰?guī)臁?/p>

1.3　半干法脫硫主要設備

1.3.1消化器

消化器是半干法脫硫裝置脫硫劑的制備系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)發(fā)生的主要是生石灰中的氧化鈣(CaO)與水(H2O)反應生成氫氧化鈣(Ca(OH)2)的消化反應。氧化鈣與水的反應是一個強放熱反應，在反應過程中由于放熱而產(chǎn)生大量蒸汽，因此，消化反應是一個汽、液、固的三相反應。

1.3.2脫硫塔文丘里管

煙氣通過流化床反應器內(nèi)文丘里管的加速，在文丘里管上部的反應塔內(nèi)形成一個穩(wěn)定的、激烈湍動的高顆粒密度床層。在該區(qū)域內(nèi)鈣硫比為50∶1，提高SO2與Ca(OH)2的接觸幾率。

1.3.3工藝水噴槍

工藝水噴槍的作用是保證工藝水均勻擴散到物料表面并能夠得到快速蒸發(fā)。噴水降低煙氣溫度，增濕吸收劑表面，滿足高效率脫硫離子反應的需求，圖1為噴槍的模型圖。

圖1　工藝水噴槍模型圖

噴槍噴嘴的正確操作對脫硫工藝是十分重要的，因此應該嚴格按照設計要求進行水噴嘴的安裝，運行過程中要求定期對水噴嘴進行檢查維護。水的注入除選擇正確的噴嘴外，其注入位置的選擇既要考慮該處的顆粒濃度，又要考慮該處的顆粒湍動能量，圖2中Zi高度為噴槍安裝位置。

圖2　脫硫塔噴槍安裝位置示意圖

1.3.4布袋除塵器及返料斜槽

低壓脈沖旋轉噴吹布袋除塵器，適應干法脫硫后煙氣高粉塵濃度的特性，是脫硫除塵島的一個重要組成部分，粉塵被收集下來后，大部分返回到吸收塔入口繼續(xù)脫硫，少部分粉塵外排至灰?guī)?。低壓脈沖旋轉噴吹布袋除塵器結構先進、除塵效率高、運行可靠、能耗低、維護簡單，適用循環(huán)流化床干法脫硫后粉塵高濃度、高濕度，運行溫度緊挨露點溫度的特點。除塵器在75 ℃低溫下進行清灰，采用0.08 MPa低壓噴吹，防止出現(xiàn)“節(jié)流效應”造成袋口結露，影響清灰效果與濾袋使用壽命。

采用大流量耐磨空氣返料斜槽連接灰斗與脫硫塔，與主系統(tǒng)可以隔離，方便維護，圖3為耐磨返料斜槽示意圖。

圖3　返料斜槽示意圖

2主要脫硫技術優(yōu)缺點對比

控制燃煤產(chǎn)生的SO2污染主要方式有燃燒前脫硫、燃燒中脫硫、燃燒后脫硫。燃燒前脫硫主要包括洗煤、煤氣化、液化以及利用機械、電磁等物理手段進行脫硫，該方法只能脫去煤中的無機硫，無法從根本上解決SO2對大氣的污染[4]。燃燒中脫硫主要為爐內(nèi)噴鈣。燃燒后脫硫即煙氣脫硫，是目前控制燃煤電廠SO2最有效、應用最廣的技術。

石灰石石膏法與循環(huán)流化床干法分別為濕法、干法中的成熟技術，從技術和應用來講均為成熟工藝。 結合兩種脫硫工藝的技術特點及實際應用，表1對比分析了石灰石—石膏法與半干法脫硫兩種工藝的優(yōu)缺點。

表1　石灰石—石膏法與半干法脫硫對比

石灰石—石膏法對煤種適用性強、脫硫效率高、運行安全可靠、適應負荷變化特性好，能夠適應大容量機組的要求，在國內(nèi)外應用最廣泛[5]。但系統(tǒng)較為復雜，建設投資大，占地面積廣，在中小型機組上，存在不同程度的設備積垢、堵塞、腐蝕和磨損問題。

半干法脫硫技術成熟、脫硫效率較高，近年在中小型機組上有較好的應用，較好的發(fā)展前景，工藝流程簡單、占地面積小、初始投資成本低[6]。脫硫塔內(nèi)Ca (OH)2對煙氣中SO3、HCl、HF脫除率較高，同時凈煙氣含濕量較低，酸露點可降低至55 ℃，而反應溫度一般高出酸露點15 ℃，煙氣腐蝕等級屬于干煙氣，腐蝕性小，煙囪內(nèi)運行環(huán)境較為溫和，無需做特殊防腐處理。但系統(tǒng)易出現(xiàn)磨損泄漏，工藝運行穩(wěn)定性要求高，在600 MW以上大機組應用少。

3工程應用實例

某熱電聯(lián)產(chǎn)熱電站310 t/h循環(huán)流化床鍋爐脫硫技術升級，在爐內(nèi)噴鈣脫硫的基礎上，爐后脫硫采用半干法煙氣脫硫技術，表2為工藝運行參數(shù)。

表2　某半干法脫硫裝置工藝運行參數(shù)

半干法脫硫系統(tǒng)運行情況良好，出口SO2、粉塵達到設計要求。消化器系統(tǒng)運行基本正常，滿足脫硫劑制備需求。物料循環(huán)系統(tǒng)保證了吸收塔床層壓降在1.0 kPa以上，循環(huán)灰流動順暢。流化風機運轉正常，物料循環(huán)調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)可靠，根據(jù)床層的設定值，穩(wěn)定控制床層壓降。工藝噴水系統(tǒng)將脫硫運行溫度控制在75 ℃以上，創(chuàng)造了脫硫塔內(nèi)最佳脫硫反應條件。水泵運行正常，工藝水噴嘴的入口壓力在4.0 MPa以上，回水調(diào)節(jié)閥調(diào)節(jié)可靠準確，根據(jù)吸收塔出口溫度的設定值，穩(wěn)定控制吸收塔出口溫度。脫硫灰外排系統(tǒng)倉泵輸灰順暢，能夠滿足鍋爐最大出力時候的排灰能力，根據(jù)灰斗低點料位壓力，實現(xiàn)自動輸灰功能。

4制約因素及發(fā)展前景

4.1　大型化規(guī)模發(fā)展的制約因素

①半干法工藝脫硫效率能穩(wěn)定維持在90%左右，適用于硫分低于1.0%的非重點控制地區(qū)。燃用高硫煤的大機組運行時因入口SO2含量高，煙氣速度高，脫硫劑反應效率低，經(jīng)濟性較差。②半干法工藝運行時必須密切監(jiān)視床層壓差變化，并特別重視消化系統(tǒng)、霧化噴嘴、返料槽等關鍵部位的運行參數(shù)[7]。當煙氣量大時，系統(tǒng)磨損加劇，因此在600 MW以上大機組應用少。③半干法脫硫對運行工藝、控制系統(tǒng)要求高。脫硫塔在運行中易出現(xiàn)床層灰塌落，堵塞底部煙道彎頭，危機鍋爐機組運行安全[8]。保證工藝水噴槍霧化效果，防止物料黏結，造成堵塞。④脫硫除塵系統(tǒng)的壓力降較大，壓力損失使得廠用電率升高。⑤脫硫副產(chǎn)品的大范圍綜合利用正在研究。脫硫副產(chǎn)品中含有一定量的亞硫酸鈣。亞硫酸鈣的化學性能不穩(wěn)定，在自然環(huán)境下會逐漸氧化為硫酸鈣，同時體積會增大，影響原粉煤灰的綜合利用。目前，國內(nèi)外專家對于脫硫灰綜合利用的研究主要集中在水泥緩凝劑、改良土壤和制造人工礁巖方面，這些方法都被證明具有一定的可行性，但通常受到地理位置和運輸半徑的限制，使用量有限，無較大市場優(yōu)勢，新的綜合利用途徑正在研究開發(fā)中。

4.2　發(fā)展前景

半干法是新興工藝，除脫除SO2外可脫除SO3、HCl、HF及Hg等重金屬，由于建設運行成本低，性價比高，在中小型機組逐步推廣應用。2010年2月環(huán)保部頒布的《燃煤電廠污染防治最佳可行技術指南》中指出循環(huán)流化床干法脫硫工藝效率可達90%，適用于含硫量1.0%以下的低硫煤電廠，600 MW以下，缺水地區(qū)的新建及改造機組，多用布袋除塵器。通過技術研究的不斷深入，工程應用的不斷總結，關鍵設備的攻關改造，半干法脫硫在大型機組應用上具有廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻：

[1]陳秋,楊杰,張志強.半干法脫硫技術的應用與分析[J].電力環(huán)境保護,2008,24(2):9 -10.

[2]劉利, 程養(yǎng)學,喻文熙,等. 火電廠煙氣脫硫工藝概述及脫硫國產(chǎn)化[J].能源環(huán)境與保護. 2006, 20(4):1-5.

[3]邊曙光.循環(huán)流化床半干法煙氣脫硫控制系統(tǒng)方案設計及應用[D].河北:華北電力大學控制與計算機工程學院, 2004.

[4]鄭曉坤.火電廠煙氣脫硫方法的研究[D].河北：華北電力大學,2009:1-3.

[5]薛巨勇.石灰石石膏濕法脫硫裝置的運行維護分析[J].江蘇機電工程，2012,31(6):78-81.

[6]高明智,王鴦鴦. 煙氣脫硫方法簡介[J].中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2010(8):28-30.

[7]魏宏鴿,杜振,何勝,等.半干法脫硫技術在燃煤電廠中的應用調(diào)查與分析[J].電力科技與環(huán)保,2014,30(5):23-25.

[8]柴俊國. 火電廠循環(huán)半干法脫硫系統(tǒng)存在的問題及改進[J].化工生產(chǎn)與技術.2005,12(4):33-34.

作者簡介：王鵬舉(1986-)，男，工程師，從事鍋爐運行技術工作，電話：(0379)66994932。

收稿日期：2015-10-28

中圖分類號：TQ028.2

文獻標識碼：B

文章編號：1003-3467(2015)12-0041-04