CFB-FGD應(yīng)用于高含水褐煤機(jī)組的節(jié)水性能研究

張 軍

（1.福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364200；2.福建龍凈脫硫脫硝工程有限公司，福建 廈門(mén) 361009）

CFB-FGD應(yīng)用于高含水褐煤機(jī)組的節(jié)水性能研究

張 軍1、2

（1.福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364200；2.福建龍凈脫硫脫硝工程有限公司，福建 廈門(mén) 361009）

為協(xié)助解決我國(guó)富煤缺水地區(qū)電力建設(shè)的水資源綜合利用問(wèn)題，在配套環(huán)保設(shè)備方面開(kāi)展了循環(huán)流化床干法煙氣脫硫（CFB-FGD）工藝的節(jié)水性能研究。根據(jù)吸收劑顆粒上液膜對(duì)脫硫的作用原理，分析了入口煙氣相對(duì)濕度對(duì)吸收劑顆粒上液膜存在時(shí)間的影響。以高含水褐煤機(jī)組煙氣濕度為目標(biāo)，通過(guò)在CFB-FGD裝置上進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)，初步研究了CFB-FGD干法脫硫工藝在處理高濕度煙氣下的節(jié)水性能。結(jié)果表明：CFB-FGD干法脫硫工藝在針對(duì)高濕度煙氣處理的節(jié)水性能上表現(xiàn)優(yōu)異，與常規(guī)濕度煙氣相比，可以節(jié)約25%左右的用水量。

循環(huán)流化床干法煙氣脫硫工藝；褐煤；節(jié)水

前言

水資源是基礎(chǔ)性的自然資源和戰(zhàn)略性的經(jīng)濟(jì)資源，是生態(tài)與環(huán)境的控制性要素。水資源問(wèn)題為世界普遍所關(guān)注, 其不僅影響、制約社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展, 而且將成為21 世紀(jì)全球資源環(huán)境的首要問(wèn)題, 直接威脅人類的生存和發(fā)展[1]。我國(guó)的人均水資源量只有2231立方米，僅為世界平均水平的31%，排第121位，是全球人均水資源最貧乏的國(guó)家之一，水資源形勢(shì)極為嚴(yán)峻[2]。

我國(guó)的煤炭資源和水資源成反比，煤炭資源豐富的西部地區(qū)，往往水資源缺乏。對(duì)于原本水資源就極為貧乏的中國(guó)，要建設(shè)西部大型煤電一體化基地，水資源成了唯一的短板。因此，開(kāi)發(fā)高度節(jié)水的大型發(fā)電成套技術(shù)有利于我國(guó)富煤缺水地區(qū)的電力建設(shè)，有利于保障我國(guó)的能源安全，具有重要的戰(zhàn)略意義[3]。

煙氣循環(huán)流化床干法脫硫工藝具有節(jié)水、節(jié)能、脫硫除塵一體化等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用在我國(guó)富煤缺水地區(qū)大型火電機(jī)組煙氣脫硫上，呈現(xiàn)出良好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性[4，5，6]。本文根據(jù)CFB-FGD脫硫工藝闡述了吸收劑顆粒上液膜對(duì)脫硫的作用；分析了入口煙氣相對(duì)濕度對(duì)吸收劑顆粒上液膜存在時(shí)間的影響；針對(duì)西部富煤缺水地區(qū)燃用高含水褐煤的大型發(fā)電機(jī)組，在CFB-FGD裝置上進(jìn)行了煙氣模擬實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了CFB-FGD干法脫硫工藝在處理高濕度煙氣下的優(yōu)異節(jié)水性能。

1 CFB-FGD工藝基本原理

CFB-FGD工藝的脫硫塔內(nèi)，一方面進(jìn)行氣相向液相的傳質(zhì)過(guò)程，煙氣中的氣態(tài)污染物不斷地進(jìn)入溶液中，同時(shí)與脫硫吸收劑離解后產(chǎn)生的鈣離子發(fā)生反應(yīng)；另外一方面進(jìn)行蒸發(fā)干燥的傳熱過(guò)程，顆粒上的液相水分受煙氣加熱影響不斷在塔內(nèi)蒸發(fā)干燥；最后再生成固體干態(tài)的脫硫灰渣。CFB-FGD脫硫是包括脫硫傳質(zhì)化學(xué)反應(yīng)過(guò)程和蒸發(fā)干燥兩種過(guò)程的一次性連續(xù)處理工藝[5]。

干燥過(guò)程進(jìn)行的是液相中的離子反應(yīng)，而吸收劑干燥后進(jìn)行的是分子反應(yīng)（氣固反應(yīng)）。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)規(guī)律，離子反應(yīng)速率遠(yuǎn)大于分子反應(yīng)速率。巴塞羅那大學(xué)的研究人員在進(jìn)行低溫狀態(tài)下SO2和Ca(OH)2的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)相對(duì)濕度小于20%時(shí)，SO2和Ca(OH)2幾乎不發(fā)生反應(yīng)。當(dāng)相對(duì)濕度從20%增加到60%時(shí)，SO2和Ca(OH)2反應(yīng)速度增加了10倍，而相對(duì)濕度和物料顆粒表面的水分密切相關(guān)[7，8]。因此，吸收劑顆粒上水膜的存在是SO2和Ca(OH)2實(shí)現(xiàn)快速離子化中和反應(yīng)的關(guān)鍵因素。

在CFB-FGD脫硫工藝中，是通過(guò)向吸收塔內(nèi)噴水來(lái)實(shí)現(xiàn)上述離子型反應(yīng)的目的。因?yàn)閲娙氲乃诟邷責(zé)煔獾淖饔孟聲?huì)蒸發(fā)，所以延長(zhǎng)了吸收劑顆粒上液膜的存在時(shí)間，就相當(dāng)于延長(zhǎng)了SO2和Ca(OH)2離子化反應(yīng)時(shí)間，可以提高脫硫效率和脫硫劑的利用效率[9，10]。

延長(zhǎng)液膜的存在時(shí)間有兩種方法：一是通過(guò)增加噴水量；二是減慢液膜水分蒸發(fā)速率。顯然前者與節(jié)水原則是相違背的。因此，如何有效地減慢水分蒸發(fā)速率、延長(zhǎng)液膜存在時(shí)間就成為CFB-FGD脫硫工藝提高脫硫效率，節(jié)約噴水量的關(guān)鍵。

2 節(jié)水關(guān)鍵—提高進(jìn)口煙氣的相對(duì)濕度

2.1 理論分析

相對(duì)濕度（relative humidity）：是指煙氣中實(shí)際所含的水蒸汽和最大含水蒸汽（相同溫度的煙氣，最大含水蒸汽一樣）的百分比。國(guó)內(nèi)外的研究人員已經(jīng)肯定了相對(duì)濕度在SO2和Ca(OH)2的反應(yīng)過(guò)程具有決定性作用。提高煙氣相對(duì)濕度，可以提高脫硫反應(yīng)速率和脫硫效率。其本質(zhì)是增大熱空氣的水汽分壓，從而實(shí)現(xiàn)物料表面水分蒸發(fā)速率的減慢和液膜存在時(shí)間的延長(zhǎng)，最終達(dá)到在噴水量減少的情況下能提高脫硫反應(yīng)速率和脫硫效率的目的[7，8，11]。

在CFB-FGD脫硫工藝塔內(nèi)煙氣相對(duì)濕度由兩部分組成：一是原煙氣（進(jìn)口煙氣）中的水汽；二是向吸收塔噴水蒸發(fā)產(chǎn)生的水汽。因此，完全可以充分利用原煙氣中的水汽而減少向吸收塔內(nèi)的噴水量。

在CFB-FGD的實(shí)際運(yùn)行中，是通過(guò)控制趨絕熱飽和溫度（AAST）來(lái)調(diào)節(jié)噴水量的[12-14]。趨絕熱飽和溫度是脫硫塔出口煙氣溫度與煙氣絕熱飽和溫度之差，這個(gè)參數(shù)用于衡量煙氣接近絕熱飽和溫度的程度（即煙氣接近飽和的狀態(tài)）。CFB-FGD的趨絕熱飽和溫度一般維持在15℃。因?yàn)楫?dāng)煙氣的相對(duì)濕度提高后，煙氣的露點(diǎn)溫度也隨著提高，所以為了維持AAST在15℃，反應(yīng)塔內(nèi)的操作溫度也要相應(yīng)提高，這樣在進(jìn)口煙氣溫度不變的情況下，就可以相應(yīng)減少降溫噴水量。

2.2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述理論分析結(jié)果，利用在三明鋼鐵廠建成投運(yùn)的一期和二期兩套CFB-FGD裝置進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)。

調(diào)節(jié)一期和二期兩裝置煙氣的溫度和壓力等工況條件相當(dāng)，一期裝置入口煙氣未作任何處理（原煙氣），其達(dá)到脫硫效率為96.68%的操作溫度是70.3℃（如圖1所示）。

圖1 三鋼一期CFB-FGD運(yùn)行的DCS圖

二期則通過(guò)打開(kāi)清潔煙氣循環(huán)風(fēng)擋，引入清潔煙氣，由于凈煙氣的含濕量比原煙氣高，跟原煙氣混合以后就提高了煙氣的相對(duì)濕度。

根據(jù)上述理論分析，混合的煙氣的露點(diǎn)溫度會(huì)提高，而為了維持AAST在15℃，反應(yīng)塔內(nèi)的操作溫度也相應(yīng)提高。二期達(dá)到脫硫效率為93.25%的實(shí)際操作溫度為84.5℃（如圖2所示）。相比同等條件下70℃的操作溫度，節(jié)約噴水高達(dá)25%，效果明顯。

圖2 三鋼二期CFB-FGD運(yùn)行的DCS圖

2.3 燃燒褐煤和煙煤的煙氣采用CFB-FGD脫硫噴水量比較

原煙氣的相對(duì)濕度φ與含濕量H （濕空氣中水汽的質(zhì)量與干空氣的質(zhì)量之比，kg/kg）之間存在換算關(guān)系。原煙氣的含濕量跟燃燒的煤種有關(guān)，不同種類的燃煤產(chǎn)生的煙氣含濕量不同，例如褐煤中含水份比煙煤大，燃燒后產(chǎn)生的煙氣含濕量也比較大[15]。因此根據(jù)上述理論，在發(fā)電機(jī)組工況大致相同時(shí)，燃燒褐煤的煙氣采用

CFB-FGD脫硫噴水量要比燃燒煙煤的少。

以600MW機(jī)組燃用褐煤和煙煤的煙氣采用CFB-FGD脫硫所需要噴水量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。從表中可以看出，燃燒褐煤的機(jī)組的進(jìn)口煙氣相對(duì)濕度為2.91%，燃燒煙煤的則為1.6%，最終所需要的噴水量轉(zhuǎn)化成每1萬(wàn)m3煙氣量需要的噴水量，燃燒褐煤的為0.343t/104Nm3，燃燒煙煤的為0.438t/104Nm3。經(jīng)過(guò)計(jì)算后可知，煙氣相對(duì)濕度每提高1%，可以節(jié)約噴水量0.073t/104Nm3。

燃燒褐煤和煙煤的煙氣采用CFB-FGD脫硫噴水量比較表（同一個(gè)塔數(shù)據(jù)）

3 總結(jié)

“建立節(jié)水型社會(huì)，是解決中國(guó)水資源短缺問(wèn)題最根本、最有效的戰(zhàn)略舉措，其意義和深遠(yuǎn)影響不亞于舉世矚目的三峽工程和南水北調(diào)工程?！钡拇_，只有通過(guò)科學(xué)節(jié)水，提高水資源的利用效率和效益才能從根本上解決我國(guó)的水問(wèn)題，進(jìn)而保障我國(guó)的能源安全。CFBFGD干法脫硫工藝可以充分利用高濕煙氣中所蘊(yùn)含的水分，在保證脫硫效率的同時(shí)減少了工藝用水量。這無(wú)疑對(duì)我國(guó)富煤缺水地區(qū)，特別是高含水褐煤豐富的內(nèi)蒙古和西部地區(qū)大型煤電一體化基地建設(shè)具有重大意義。

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Water-saving Capability Study of CFB-FGD Applied in Generating Set with High Water-content Lignite

ZHANG Jun
(1. Fujian Longking Environmental Protection Co., Ltd., Fujian Longyan 364200, China; 2. Fujian Lonjing Desulfurization & Denitration Engineering, Co., Ltd., Fujian, Xiamen 361009, China)

In order to solve the comprehensive utilization of water resources of power construction in the areas of rich in coal but short of water in China, the water-saving capability study of CFB-FGD technology is carried out. The flue gas desulfurization effect of water membrane on the surface of absorbent is discussed through the analysis of basic principle of CFB-FGD process. The influence of inlet flue gas relative humidity on the water membrane retention time is covered. Flue gas simulation experiments are carried out on CFB-FGD systems. The result shows that the dry desulfurization technology of CFB-FGD shows excellence, about 25% water consumption can be saved based on the water-saving capability of high flue gas humidity treatment in comparison with the conventional flue gas humidity.

CFB-FGD; lignite; water-saving

X701

A

1006-5377（2015）12-0040-03

國(guó)家“863”計(jì)劃（2013AA065403），福建省科技重大專項(xiàng)（2011HZ0005-1），福建省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（2014J06020）。