石灰石－石膏脫硫系統(tǒng)增效節(jié)能添加劑開發(fā)及應(yīng)用

展錦程，張琳，龔坤，李娟

(1.中電投遠(yuǎn)達(dá)環(huán)保工程有限公司，重慶 401122;2.中電神頭發(fā)電有限責(zé)任公司，山西朔州 036011)

石灰石－石膏脫硫系統(tǒng)增效節(jié)能添加劑開發(fā)及應(yīng)用

展錦程1，張琳2，龔坤2，李娟1

(1.中電投遠(yuǎn)達(dá)環(huán)保工程有限公司，重慶 401122;2.中電神頭發(fā)電有限責(zé)任公司，山西朔州 036011)

根據(jù)對石灰石－石膏濕法脫硫工藝的原理分析，開發(fā)了脫硫增效節(jié)能添加劑，介紹了其基本組成成分和應(yīng)用實(shí)例。結(jié)果表明添加劑有助于提高脫硫效率，降低脫硫系統(tǒng)能耗，從而實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的環(huán)保目標(biāo)。

增效節(jié)能添加劑;濕法脫硫;節(jié)能減排

0 引言

石灰石－石膏濕法煙氣脫硫工藝因其技術(shù)成熟、脫硫效率高，吸收劑來源豐富，副產(chǎn)品可利用等特點(diǎn)而被廣泛采用，成為目前燃煤電廠煙氣脫硫應(yīng)用最廣泛的方法。由于石灰石本身的性質(zhì)及工藝限制，石灰石－石膏濕法煙氣脫硫工藝也存在著能耗高、效率低等問題。針對以上情況，開發(fā)脫硫增效節(jié)能添加劑，用于優(yōu)化脫硫過程，提高FGD系統(tǒng)的脫硫性能，使其能適應(yīng)各種含硫量的煤種，降低系統(tǒng)能量損耗，給電廠帶來良好的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

通常在兩種情況下使用脫硫添加劑，一是建成的脫硫裝置上使用，二是在新建脫硫裝置上使用。在建成的脫硫裝置中，由于燃煤硫含量提高、設(shè)計(jì)、排放標(biāo)準(zhǔn)提高等原因造成設(shè)備出力不足，使脫硫效率降低，SO2排放超標(biāo)，為了節(jié)省改造費(fèi)用而使用脫硫添加劑。脫硫添加劑可以在燃煤硫含量增加50%的范圍內(nèi)，仍能保證SO2的達(dá)標(biāo)排放、系統(tǒng)正常運(yùn)行，不必在硬件方面進(jìn)行改造(如增加循環(huán)泵流量)，從而節(jié)省改造費(fèi)用。

脫硫增效節(jié)能添加劑在新建脫硫裝置中的使用是隨著其應(yīng)用日益成熟而發(fā)展起來的，由于脫硫添加劑在降低脫硫裝置運(yùn)行成本、節(jié)省投資等方面的顯著效果，在新建脫硫裝置設(shè)計(jì)中便考慮添加劑的使用，可以有效降低液氣比，降低循環(huán)泵流量，同時隨著液氣比的降低，增壓風(fēng)機(jī)的風(fēng)壓也隨之降低，不僅節(jié)省裝置投資，也可降低運(yùn)行成本。

1 脫硫增效節(jié)能添加劑原理

在脫硫過程中，石灰石與硫的反應(yīng)速度受控于CaCO3的溶解速度，CaCO3在水中的溶解度較小，克服或改善CaCO3在水中的溶解問題，將會對整個脫硫工藝有較大的改善提高。由于CaCO3在水中的溶解度較小，在吸收塔中大量的CaCO3是以微小顆粒狀存在的。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，在這些微球表面，存在著雙膜效應(yīng)，嚴(yán)重影響了液體中硫的傳質(zhì)。

脫硫增效節(jié)能添加劑的開發(fā)原理是采用針對CaCO3表面物性的活性劑和催化劑來減弱和消除雙膜效應(yīng)，同時配合化學(xué)隧道形成劑來滲透進(jìn)入Ca-CO3的微球表面遍布的微孔和裂紋，制造無數(shù)的從微球體表面到內(nèi)部的隧道，使得液體中硫的傳質(zhì)從這些微孔和裂紋順利引入，從而大大加快了石灰石與硫的反應(yīng)速度。起到提高脫硫效率、降低裝置投資、節(jié)省能耗的目的。

2 脫硫增效節(jié)能添加劑的主要成份

根據(jù)上述對脫硫反應(yīng)的化學(xué)過程及脫硫增效原理分析，脫硫增效節(jié)能添加劑主要成份應(yīng)包括:Ca-CO3表面活化劑、反應(yīng)催化劑、化學(xué)隧道形成劑。其重要作用分別為:(1)表面活化劑:改變固液界面濕潤性，提高界面?zhèn)髻|(zhì)效率;(2)反應(yīng)催化劑:降低反應(yīng)能，提高反應(yīng)速度;(3)化學(xué)隧道形成劑:形成Ca-CO3的微球內(nèi)部化學(xué)隧道，將反應(yīng)從平面推向立體，進(jìn)一步提高吸收劑利用效率和加快反應(yīng)速度。

3 脫硫增效節(jié)能添加劑的應(yīng)用實(shí)例

3.1 電廠概況

A電廠2×330MW機(jī)組采用石灰石－石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)，一爐一塔單元匹配。本次試驗(yàn)前，脫硫系統(tǒng)3臺循環(huán)泵必須同時運(yùn)行且系統(tǒng)pH值達(dá)到5.8以上時，系統(tǒng)脫硫效率在87%～93%之間波動，故能耗較高，石灰石用量大，系統(tǒng)設(shè)備始終處于滿負(fù)荷運(yùn)行。

B電廠為2×600MW直接空冷脫硫燃煤發(fā)電機(jī)組。因當(dāng)初FGD設(shè)計(jì)原因，當(dāng)入口SO2濃度達(dá)到3300mg/m3以上時，會造成脫硫系統(tǒng)供漿量嚴(yán)重不足，脫硫效率很難穩(wěn)定維持在90%以上，從而無法達(dá)到環(huán)保排放的要求。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

表1為在A電廠FGD脫硫系統(tǒng)加入1000 kg脫硫增效節(jié)能添加劑后和不加前脫硫效率的對比和持續(xù)作用時間。FGD入口SO2濃度在2100mg/m3。在維持吸收塔原脫硫效率基礎(chǔ)上，加入200 kg脫硫增效節(jié)能添加劑，配合合理供漿，吸收塔脫硫效率立即快速提升;半小時后，脫硫效率即提高6%以上。特別是隨著時間的變化，在加入500μL/L增效劑24 h后，仍能夠達(dá)到較高的脫硫效率。這說明增效劑的加入，顯著提高了脫硫效率，并且能夠持續(xù)穩(wěn)定的發(fā)揮作用達(dá)24 h以上。

表1 脫硫添加劑加入前后脫硫效率變化對比

表2為B電廠FGD脫硫系統(tǒng)加入500μL/L脫硫添加劑前后脫硫效率和循環(huán)漿液pH值之間的對比。從試驗(yàn)可知，F(xiàn)GD入口SO2濃度在3300mg/m3時，塔漿液PH值對脫硫效率影響顯著，隨著pH值增加，脫硫效率增大。加入增效劑后，在保證脫硫效率的前提下，吸收塔漿液pH值保持在5.2～5.8的合理范圍內(nèi)波動，從而減少補(bǔ)漿量，節(jié)約大量石灰石。而且脫硫增效節(jié)能添加劑的加入，有穩(wěn)定漿液PH值的作用，從而為脫硫反應(yīng)提供更好的環(huán)境。

表2 脫硫添加劑加入前后補(bǔ)漿量變化對比

4 脫硫增效節(jié)能添加劑的作用

(1)提高脫硫系統(tǒng)的脫硫效率。設(shè)計(jì)脫硫效率為85%～90%的FGD裝置，在加入一定量的添加劑后脫硫效率可提升到95%～97%;設(shè)計(jì)脫硫效率為90%～95%的FGD裝置，在加入一定量的添加劑后脫硫效率可提升到98%～99%。

(2)優(yōu)化運(yùn)行方式，降低能耗。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在已運(yùn)行的脫硫裝置中，絕大部分吸收塔都設(shè)計(jì)了至少三層噴淋層，在燃煤硫分不高、運(yùn)行兩層噴淋層不能達(dá)到設(shè)計(jì)脫硫效率的情況下，可通過加入添加劑解決上述問題，以減少一層噴淋層，降低裝置的能耗。

(3)降低裝置投資。一方面，對于新建項(xiàng)目，可以按照平均入口SO2濃度設(shè)計(jì)吸收塔，當(dāng)燃用高硫煤時，則通過添加劑保持要求的脫硫效率，可以有效減少液氣比(L/G)，降低循環(huán)泵流量或噴淋層數(shù)，從而降低裝置投資;另一方面，已建項(xiàng)目由于燃煤硫含量提高脫硫效率難以保證需要進(jìn)行改造時，可以針對燃煤硫含量提高的程度，當(dāng)硫含量提高不大時，可通過添加劑直接解決，而不需要通過加大液氣比、增加循環(huán)泵或其他設(shè)備等需要增加脫硫增容改造的方式，只有燃煤硫含量提高到通過添加劑不能解決時，再考慮增加進(jìn)行擴(kuò)容改造以控制投資的增加和運(yùn)行成本的提高。

(4)緩沖作用。添加劑不僅能提高脫硫效率，還能對SO2大幅波動起到有效的緩沖作用。燃煤中硫含量的不確定性，決定了進(jìn)入脫硫裝置的SO2濃度并不是恒定的，會在設(shè)計(jì)值上下波動，脫硫效率也隨之波動，由于脫硫裝置的裕量有限，在SO2濃度高于設(shè)計(jì)值時，往往脫硫效率達(dá)不到要求，影響裝置脫硫效果，造成環(huán)保不達(dá)標(biāo)。添加劑不僅提高脫硫效率，還能有效緩解SO2波動對脫硫效率的影響，起到平穩(wěn)脫硫效率的作用。

(5)降低石灰石消耗。脫硫添加劑的加入降低了噴淋層漿液的pH值，促進(jìn)石灰石的溶解，提高了石灰石中碳酸鈣的利用率，降低了石灰石的消耗。

(6)促進(jìn)亞硫酸鈣氧化。添加劑可使吸收塔在保證脫硫效率的前提下，在較低的pH值下穩(wěn)定運(yùn)行，促進(jìn)了亞硫酸鈣的氧化，同時，添加劑中含有促進(jìn)亞硫酸鈣氧化的物質(zhì)，可以提高亞硫酸鈣的氧化率，降低石膏中亞硫酸鈣的含量。

5 脫硫增效節(jié)能添加劑的應(yīng)用方式

5.1 脫硫添加劑的添加方式

脫硫添加劑的添加方式主要有連續(xù)添加、間斷添加和持續(xù)添加三種。

連續(xù)添加系指利用單獨(dú)增添設(shè)備，包括脫硫添加劑溶液制備箱、脫硫添加劑輸送泵及管道等，向脫硫系統(tǒng)連續(xù)供脫硫添加劑。連續(xù)添加時，脫硫添加劑濃度恒定不變。優(yōu)點(diǎn)是效果穩(wěn)定。

間斷添加系指當(dāng)脫硫效率降低或SO2排放濃度不達(dá)標(biāo)時，向脫硫系統(tǒng)短時間內(nèi)集中向吸收塔供脫硫添加劑，達(dá)到脫硫添加劑有效濃度后停止供脫硫添加劑，以期達(dá)到提高脫硫效率及降低SO2濃度的目的，這種方式多用于應(yīng)對環(huán)保檢查。缺點(diǎn)是利用率低、損耗大。

持續(xù)添加系指在規(guī)定的時間間隔內(nèi)，向系統(tǒng)中脫硫添加劑一定量的脫硫添加劑，雖然脫硫添加劑的濃度會有所波動，但波動的控制在有效濃度范圍以內(nèi)。推薦采用持續(xù)添加方式。

5.2 脫硫添加劑的添加位置

(1)吸收塔排水坑。將濃度配置好的脫硫添加劑直接倒入吸收排水坑中，通過吸收塔排水坑泵加入到吸收塔。

(2)濾液水箱。將脫硫添加劑從濾液水箱頂部放空口倒入濾液水箱，通過濾液水泵加入到吸收塔。

(3)石灰石漿液箱(池)。加脫硫添加劑從石灰石漿液箱(池)頂部放空口或人孔倒入，通過石灰石漿液供給泵加入到吸收塔。

從排水坑加入有兩個優(yōu)點(diǎn):一是脫硫添加劑起效快、二是對控制脫硫添加劑的有效濃度有利。脫硫添加劑經(jīng)吸收塔排水坑直接加入到吸收塔漿池中，流程上是最近的，可以迅速達(dá)到有效濃度，在最短的時間(約30min即可)發(fā)揮脫硫添加劑的作用。鑒于上述原因，多采用直接通過吸收塔排水坑泵加入到吸收塔。

5.3 脫硫添加劑的添加量

脫硫添加劑分為初始添加量及持續(xù)添加量兩種。初始添加量為向脫硫系統(tǒng)快速添加，在1 h內(nèi)使脫硫系統(tǒng)內(nèi)的脫硫添加劑達(dá)到有效濃度(一般要求500～1000μL/L)所需要的量。持續(xù)添加量為脫硫添加劑消耗的補(bǔ)充。脫硫添加劑在脫硫裝置運(yùn)行過程，將有一定的消耗，主要包括以下幾種消耗:隨廢水帶出系統(tǒng);被煙氣帶出系統(tǒng);隨石膏帶出系統(tǒng);自身分解或降解等。

為了保證脫硫添加劑的作用，維持脫硫添加劑在漿液中的有效濃度，必須定期向漿液系統(tǒng)中補(bǔ)充脫硫添加劑，這個補(bǔ)充量即持續(xù)添加量。持續(xù)添加量不是一個確定的數(shù)值，大小隨煙氣溫度、機(jī)組負(fù)荷、石膏沖洗、廢水排放等操作工況相關(guān)，需根據(jù)脫硫效率、SO2脫除量、機(jī)組負(fù)荷、pH值等因素進(jìn)行調(diào)整。一般持續(xù)添加量為100～150 kg/d。

6 結(jié)語

從脫硫增效節(jié)能添加劑的原理分析、開發(fā)實(shí)驗(yàn)及5年來在10余個電廠的應(yīng)用實(shí)踐中，得到以下結(jié)論:能顯著提高FGD系統(tǒng)脫硫效率，提效一般可達(dá)6%～10%以上;促進(jìn)脫硫系統(tǒng)適應(yīng)入口二氧化硫濃度的較大變化;對漿液pH值具有緩沖作用，減少供漿量，節(jié)約石灰石;促進(jìn)石灰石的溶解，使CaCO3完全反應(yīng)，減緩設(shè)備結(jié)垢和堵塞。在保證脫硫系統(tǒng)穩(wěn)定，效率達(dá)標(biāo)的情況下，可停1臺循環(huán)泵，減少漿液循環(huán)強(qiáng)度，降低動力消耗。使脫硫系統(tǒng)能適應(yīng)廣泛的煤種，降低電煤采購成本。

［1］曾庭華，楊 華，馬 斌，等.濕法煙氣脫硫系統(tǒng)的安全性及優(yōu)化［M］.北京:中國電力出版社，2004.

［2］曾芳，朱洪濤.影響脫硫塔特性的因素分析與研究［J］.工業(yè)安全與環(huán)保，2006，22(10):24－25.

［3］鐘秦.燃煤煙氣脫硫脫硝技術(shù)及工程實(shí)例［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

［4］展錦程主編.環(huán)境保護(hù)［M］.北京:中國電力出版社，2010.

Development and application of energy conservation and potentiating agent in limestone－gypsum system

Based on the principle analysis of energy conservation and potentiating agent limestone－gypsum wet fuel gas desulphurization(WFGD)system，the components and application examples are presented.The practices show that the potentiating agent is helpful for im proving the efficiency of desulphurization and reducing the energy consum ption in FGD system which meets the demand of energy conservation and em ission reduction.Key words:potentiating agent;wet fue l gas desulphurization;energy conservation and em ission reduction

X701.3

:B

:1674－8069(2016)01－042－03

2015-09-15;

:2015-10-26

展錦程(1969-)，江蘇邳州人，工學(xué)博士，教授級高級工程師，從事能源及環(huán)保領(lǐng)域的技術(shù)研發(fā)及工程項(xiàng)目管理工作。E－mail:zhanjc@163.com