新型噴淋散射技術(shù)脫硫特性實驗研究

嚴雪南， 王春波， 司 桐， 陳士磊

(華北電力大學 能源動力與機械工程學院，河北 保定 071003)

0 引言

我國是世界上最大的煤炭消費國，年消費總量可達數(shù)十億t，燃煤產(chǎn)生的SO2氣體量巨大，成為現(xiàn)今主要大氣污染物之一。空氣中SO2濃度過高，可誘發(fā)多種呼吸疾病[1，2]，并形成大范圍酸雨，使土壤養(yǎng)分流失，破壞植被生長[3, 4]，導致生態(tài)環(huán)境惡化。

火電行業(yè)作為燃煤主要用戶，年SO2排放量占全國排放總量近50%，為限制其大氣污染物排放，國家部委相繼出臺《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》[5]和《全面實施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》[6]等法律法規(guī)，提出更加嚴苛的超低排放標準[7]，因此，需要增效降耗的技術(shù)以滿足未來脫硫需求。

目前燃煤電廠主要采用的脫硫技術(shù)為濕法煙氣脫硫技術(shù)，其中石灰石—石膏濕法脫硫技術(shù)憑借脫除高效、工藝成熟、反應迅速、副產(chǎn)物可再利用等優(yōu)點，在火電行業(yè)中獲得廣泛應用，并根據(jù)氣液接觸方式分為噴淋塔和鼓泡塔。國內(nèi)電廠存在燃煤種類多、石灰石品質(zhì)差異大且運行工況多變等情況[8]，為保證脫除效果，噴淋塔需采取增加漿液濃度、提高液氣比等措施，但會導致設(shè)備磨損增大、噴頭堵塞加重、系統(tǒng)耗電增加等問題[9]；鼓泡塔則經(jīng)噴射管將煙氣導入石灰石漿液內(nèi)，形成豐富泡沫區(qū)，實現(xiàn)氣液充分接觸，省略了噴淋層和循環(huán)泵，但內(nèi)部布局復雜，更易結(jié)垢，高效脫硫需提高漿液浸沒深度，從而加大了系統(tǒng)壓損，導致增壓風機電耗增多[10, 11]。由此可見，濕法脫硫技術(shù)雖較為成熟，但仍具改進空間。

為獲得適應性更強、可實現(xiàn)超低排放，且經(jīng)濟節(jié)能的脫硫技術(shù)，在國家重點研發(fā)計劃—“燃煤鍋爐污染物(SO2、NOx、PM)一體化控制技術(shù)研究及工程示范”的支持下，提出一種新型“噴淋散射”濕法脫硫技術(shù)。

該技術(shù)結(jié)合了噴淋塔與鼓泡塔的技術(shù)特性，經(jīng)噴淋區(qū)和鼓泡區(qū)雙重脫除作用，氣液接觸更加充分，在吸收液濃度較低、液氣比較小、浸沒深度較低的條件下，可實現(xiàn)穩(wěn)定高效脫硫，且對煤種和運行工況具有較強的適應性，同時降低了系統(tǒng)壓損，減少了設(shè)備磨損和堵塞結(jié)垢，達到節(jié)能降耗的目的。對吸收液質(zhì)量濃度、氧化方式、煙氣流量、SO2入口濃度等因素對煙氣脫硫效率的影響進行了研究。結(jié)果表明，該技術(shù)可達到增效降耗的目的。

1 實驗系統(tǒng)及方法

1.1 噴淋散射技術(shù)

新型噴淋散射技術(shù)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。塔身內(nèi)部結(jié)構(gòu)分為上、中、下三個倉室，中倉為噴淋區(qū)，采用螺旋噴嘴順流布置頂部，煙氣由側(cè)入口進入后，經(jīng)噴淋完成一次脫除；下倉為鼓泡區(qū)，均布的散射管將噴淋后煙氣導入循環(huán)漿液中，經(jīng)內(nèi)部氣泡層與液面泡沫層作用，完成鼓泡反應即二次脫除；上倉為干燥區(qū)，裝設(shè)除霧器，將凈煙氣干燥后排出吸收塔。

圖1 噴淋散射技術(shù)示意圖

1.2 實驗系統(tǒng)

噴淋散射實驗臺系統(tǒng)如圖2所示，根據(jù)功能可分為煙氣模擬系統(tǒng)、進氣管路系統(tǒng)、吸收系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

煙氣模擬系統(tǒng)：實驗模擬煙氣由SO2和空氣組成，SO2由純度為99.9%的高壓鋼瓶提供，流量受轉(zhuǎn)子流量計控制，空氣由空氣泵引入，在混氣室內(nèi)完成配氣。

進氣管路系統(tǒng)：模擬煙氣經(jīng)轉(zhuǎn)子流量計通入進氣管路內(nèi)，溫控儀控制熱電偶將入口煙溫加熱至預設(shè)值，管路上裝設(shè)壓力表以測量系統(tǒng)進出口壓差，靠近吸收塔處設(shè)置取樣口以測量進口煙氣成分。

吸收系統(tǒng)：由噴淋散射塔、循環(huán)漿液泵和氧化風機組成。吸收塔材質(zhì)為有機玻璃，塔主體規(guī)格為40×1 cm、高180 cm，內(nèi)部由隔板分成上倉、中倉和下倉3部分。上倉裝設(shè)波紋板除霧器，用于干燥排煙；中倉頂部單層順流布置4個螺旋噴嘴，對煙氣進行噴淋脫除；下倉均布4個直徑3 cm散射管，管底端等距開有6個直徑8 mm通氣孔，為鼓泡吸收和漿液儲存區(qū)；下倉外側(cè)安裝電動攪拌器，使?jié){液保持均勻。循環(huán)漿液泵和氧化風機均布置于塔底部，分別用以泵送漿液至噴淋區(qū)和向漿液中通空氣進行強制氧化。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)：噴淋散射塔出口處設(shè)取樣口，煙氣分析儀(德國MRU，Vario plus型) 與其接通，采集部分排放煙氣，進行實時在線測量。

1-SO2鋼瓶；2-空氣泵；3-轉(zhuǎn)子流量計；4-混氣室；5-進氣管路；6-入口壓力表；7-溫度表；8-溫控儀；9-除霧器；10-中倉環(huán)形煙氣室；11-散射管；12-電動攪拌器；13-氧化風機；14-漿液補給倉；15-pH計；16-漿液循環(huán)泵；17-數(shù)顯流量計；18-干燥管；19-煙氣分析儀；20-排氣扇；21-計算機圖2 噴淋散射吸收塔實驗系統(tǒng)

1.3 實驗方法

實驗開始前，經(jīng)漿液補給倉向下倉內(nèi)加入一定質(zhì)量濃度的石灰石吸收液至指定浸沒深度，啟動電動攪拌器使?jié){液充分混合。調(diào)節(jié)空氣泵、氧化風機和漿液循環(huán)泵閥門至指定開度，開啟加熱裝置，將煙溫升至預設(shè)值，令系統(tǒng)穩(wěn)定運行1 h。實驗開始后，在進氣管路取樣口接通煙氣分析儀，打開SO2氣瓶解壓閥，根據(jù)煙氣組分示數(shù)調(diào)節(jié)流量計，使SO2穩(wěn)定在所需濃度，煙氣經(jīng)中倉→下倉→上倉通過吸收塔，經(jīng)石灰石漿液吸收后干燥排出。部分排煙進入煙氣分析儀，進行氣體組分實時測量，數(shù)據(jù)由計算機記錄。實驗只噴淋工況，需將漿液液面降至低于散射管底端5 cm，為排除漿液池吸收影響，每組設(shè)置無噴淋空白實驗。

具體實驗參數(shù)詳見表1。

1.4 實驗結(jié)果的表征方式

為對比不同方式下脫硫效果，將噴淋散射塔脫除過程分為兩個階段：中倉噴淋區(qū)的初步脫除和下倉鼓泡區(qū)的深度脫除。

表1 實驗參數(shù)

塔整體SO2的脫除效率計算公式:

(1)

式中：cinlet為噴淋散射塔入口煙氣SO2濃度，ppm；coutlet為噴淋散射塔出口排煙SO2濃度，ppm。

2 結(jié)果與討論

2.1 吸收液質(zhì)量濃度對脫硫的影響

吸收液質(zhì)量濃度是影響脫硫效率的重要因素，且直接關(guān)系到投資成本。為選取最佳濃度值，實驗采用改變石灰石投放量以探究吸收液質(zhì)量濃度對脫硫的影響。實驗工況：煙氣流量10 Nm3/h、SO2濃度2 000 ppm、液氣比5 L/m3、浸沒深度5 cm、強制氧化。圖3為吸收液質(zhì)量濃度對脫硫效率的影響。

圖3 吸收液質(zhì)量濃度對脫硫效率的影響

據(jù)圖3可知，噴淋散射技術(shù)下，純水短時間內(nèi)可吸收SO2，隨著反應時間的增加，脫硫效率不斷下降，且降速逐漸加快；吸收液質(zhì)量濃度的增加可提高脫硫效率，并保持較長時間穩(wěn)定，但漲至一定值后，增勢趨于平緩。如純水起始效率為94.1%，反應4 100 s后僅有76.5%；0.5%質(zhì)量濃度效率穩(wěn)定在97.3%，且能維持1 h以上，增至1%濃度時，效率可達99.4%，而質(zhì)量濃度由1%升至5%時，效率增幅卻僅有0.33%。

推測原因是脫除過程中石灰石漿液與SO2主要發(fā)生如下反應[12]：

SO2+H2O=H2SO3

(2)

CaCO3+H2SO3=CaSO3+H2O+CO2

(3)

2CaSO3+O2=2CaSO4

(4)

煙氣進入噴淋散射塔內(nèi)先后經(jīng)歷噴淋和鼓泡脫除，使氣液反應更加充分，且SO2易溶于水，因而純水脫硫初期具有較高效率，但隨著反應進行，SO2吸收量增多，使液體pH不斷下降，從而抑制反應(2)正向移動，導致效率大幅度降低。當采用石灰石吸收液脫硫時，由于下倉儲存漿液體量大，含有石灰石總量多，反應消耗基本未對脫除產(chǎn)生影響，故可保持較長時間穩(wěn)定脫硫；隨著吸收液質(zhì)量濃度上升，氣液反應速率加快，單位體積漿液石灰石量增多，導致漿液粘度增大，液膜厚度增加，延長噴淋液滴在塔內(nèi)反應時間[13]，并且使鼓泡區(qū)泡沫體積減小而數(shù)量增多，加大了兩相傳質(zhì)面積[14]，從而提高整體脫硫效率。但當質(zhì)量濃度過高時，漿液中石灰石量遠大于SO2量，濃度的增加對脫硫影響甚微，導致石灰石漿液利用率降低，且增加了投資成本和設(shè)備結(jié)垢堵塞風險，故本實驗將吸收液質(zhì)量濃度定為1%。

2.2 氧化方式對脫硫的影響

脫硫過程中氧氣可將SO32-氧化為SO42-，從而增強了石灰石漿液對SO2的吸收能力。實驗采用在不同漿液流量下開關(guān)氧氣風機的方法，以探究各液氣比下氧化方式對脫硫的影響。實驗工況：煙氣流量10 Nm3/h、SO2濃度2 000 ppm、1%質(zhì)量濃度、浸沒高度5 cm。圖4為氧化方式對脫硫效率的影響。

圖4 氧化方式對脫硫的效率影響

由圖4可知，同一工況下，強制氧化方式的脫硫效率始終高于自然氧化方式，隨著液氣比的增大，兩種氧化方式的效率均不斷提高，但強制氧化方式的上升速度要大于自然氧化，且兩者效率差值逐漸減小。如當液氣比從0增至14 L/m3時，效率差值由1.82%降低到0.13%；強制氧化方式下，液氣比達到5 L/m3后，效率即穩(wěn)定在99%以上，而自然氧化方式下，效率增幅在11 L/m3后才逐漸放緩。

這是由于自然氧化的氧氣來自模擬煙氣，氣液接觸瞬間，其無法迅速溶入吸收液，導致反應(4)發(fā)生程度低；隨著液氣比增大，吸收塔內(nèi)噴淋密度增加，氣液接觸面積加大[15]，氣體溶解量增多，氧化反應加強，從而使脫硫效率不斷提高。采用強制氧化方式，可使?jié){液含氧量增加，推動反應(3)和(4)正向移動，促進氣液反應對SO2脫除；另一方面，向循環(huán)漿液內(nèi)泵入空氣，可擾亂漿液內(nèi)部流動，令氣液接觸更充分，加強傳質(zhì)，并增加氣泡量，使鼓泡反應更劇烈，故該方式下脫硫效率高于自然氧化方式，且增速更快。當液氣比增至較大值時，噴淋區(qū)充滿石灰石液滴，反應(2)和(3)占據(jù)主導作用，氧化反應(4)影響減弱，導致兩種氧化方式的效率差值減小，但此時會增加循環(huán)泵的動力消耗，因此采用液氣比為5 L/m3的強制氧化方式是合理的。

2.3 煙氣流量對脫硫的影響

在實際生產(chǎn)中鍋爐負荷會發(fā)生變化，從而導致煙氣流量改變，因此研究不同煙氣量下的脫硫效果是十分有必要的。實驗通過調(diào)節(jié)混氣室后轉(zhuǎn)子流量計與漿液循環(huán)泵開度，實現(xiàn)煙氣流量變化而液氣比不變，并改變漿液靜止液位高度，以探究煙氣流量對脫硫的影響。實驗工況：SO2濃度 2 000 ppm、1%質(zhì)量濃度、液氣比5 L/m3、強制氧化。

圖5 煙氣流量對脫硫效率的影響

圖5為煙氣流量對脫硫效率的影響。圖5可以看出，3種脫硫方式的效率均隨煙氣流量增大而降低，噴淋和鼓泡方式下，脫硫效率下降趨勢明顯，鼓泡方式在較大浸沒深度時，降幅有所減?。粐娏苌⑸浞绞较?，效率降幅甚微，并隨浸沒深度增加而迅速趨于重合，且同一工況下，大流量效率高于其他方式小流量效率。如在流量5～13 Nm3/h內(nèi)，噴淋方式效率下降了7.4%，鼓泡方式效率下降了10.3%；當浸沒深度從3 cm增至14 cm時，鼓泡方式5 Nm3/h、10 Nm3/h和13 Nm3/h流量效率分別由94.1%、86.2%和82.5%升至98.6%、95.9%和93.2%，而噴淋散射方式3 cm浸沒深度效率即達99.4%、98.0%和96.3%，增至5 cm后均穩(wěn)定在99%左右。

分析認為，噴淋方式下，當液氣比不變時，提高流量可增大漿液液滴表面曳力，加劇氣液間湍流運動，降低兩相界面的膜厚度，加快傳質(zhì)過程，但氣液反應時間隨之縮短，且影響程度大于傳質(zhì)速率增加幅度[16]，導致效率不斷降低；鼓泡脫硫反應主要發(fā)生在氣泡表面，同一浸沒深度下煙氣流量的增加，使單位體積漿液需吸收的SO2量增多，氣泡直徑增加，氣液接觸時間縮短，導致吸收反應未完全[17]；隨著浸沒深度升高，漿液體量增多，煙氣滯留時間延長，流量對脫硫影響減弱，故效率降幅逐漸減小。噴淋散射技術(shù)具備噴淋和鼓泡兩個區(qū)域，噴淋區(qū)可吸收大部分SO2，剩余氣體經(jīng)鼓泡區(qū)完成二次脫除，從而延長整體反應時間，削弱了流量增加對脫硫的抑制，故低浸沒深度下，各流量效率均十分高，且差距很小。圖6為浸沒深度對進出口壓差的影響。結(jié)合圖6發(fā)現(xiàn)，浸沒深度的提高使系統(tǒng)壓損線性上升，導致整體能耗增加，為實現(xiàn)高效節(jié)能目的，將噴淋散射方式浸沒深度定為5 cm。

綜上可知，噴淋散射技術(shù)對負荷變化具有較強的適應性，受煙氣流量變化影響較小，且在較大流量下，仍可保持高脫除效率。

2.4 SO2入口濃度對脫硫的影響

國內(nèi)燃煤種類豐富，各煤種間含硫量差異較大，導致生成的SO2濃度變化范圍廣，因此實驗向煙氣中通入不同SO2量，以探究SO2入口濃度對脫硫的更影響。實驗工況：煙氣流量10 Nm3/h、液氣比5 L/m3、浸沒深度5 cm、強制氧化。

圖6 浸沒深度對進出口壓差的影響

圖7為SO2入口濃度對脫硫效率的影響。圖7曲線表明，隨著SO2濃度的上升，只噴淋方式的脫硫效率不斷降低，且低質(zhì)量濃度下效率減小趨勢更明顯；噴淋散射方式效率基本不受SO2入口濃度影響，并始終大于只噴淋高質(zhì)量濃度效率。如只噴淋方式下，SO2濃度為1 000 ppm時，1%和5%質(zhì)量濃度下效率分別為96.8%和97.6%，SO2濃度增至3 000 ppm時，兩者降幅分別為14.8%和1.9%；而噴淋散射方式在SO2濃度變化范圍內(nèi)，效率始終穩(wěn)定在99%以上。

圖7 SO2入口濃度對脫硫效率的影響

上述現(xiàn)象原因是只噴淋方式下，吸收塔內(nèi)充滿噴淋液滴，氣液兩相接觸充分，在低SO2濃度時，1%漿液質(zhì)量濃度所含石灰石量可滿足脫除需求，漿液濃度對脫硫影響較弱，故不同質(zhì)量濃度間效率差異較小；隨著SO2濃度增大，氣體分壓上升，推動反應(2)和反應(3)向右移動，使氣液反應速率加快，但其沒有SO2入口濃度增幅大，從而使效率不斷下降[18]；而高質(zhì)量濃度漿液中石灰石總量多，提高了單位體積漿液吸收能力，導致效率降幅很小。噴淋散射方式增設(shè)鼓泡區(qū)，儲存的循環(huán)漿液量遠大于SO2增量，結(jié)合鼓泡二次脫除，顯著削弱了SO2濃度增加對脫硫的影響，故整體脫硫效率降幅不到1%，并高于只噴淋方式在5%質(zhì)量濃度的效率。由此可見，噴淋散射技術(shù)對燃料具有較強的適應性，在較大SO2濃度變化范圍內(nèi)，均可達到“近零排放”的需求。

3 結(jié)論

針對目前脫硫技術(shù)存在的能耗高、適應性差、難以實現(xiàn)超低排放等問題，本文提出一種新型噴淋散射技術(shù)進行脫硫?qū)嶒炑芯?，通過分析實驗結(jié)果，可獲得下列主要結(jié)論。

(1)隨著吸收液質(zhì)量濃度的增加，噴淋散射技術(shù)脫硫效率先迅速上升，而后趨于平緩，在1%質(zhì)量濃度時，效率可穩(wěn)定在99.4%左右，且能維持1 h以上，從而在實現(xiàn)超低排放的同時，減少了投資成本和設(shè)備結(jié)垢堵塞風險。

(2)同一工況下，強制氧化方式脫硫效率始終高于自然氧化方式，隨著液氣比的增大，強制氧化的效率增速更快，且與自然氧化差距逐漸縮小，但提高液氣比將增加循環(huán)泵等設(shè)備能耗，故實驗采取液氣比為5 L/m3的強制氧化方式。

(3)脫硫效率與煙氣流量成負相關(guān)，噴淋散射方式下，各流量間效率差異十分小，在浸沒深度達5 cm后，均保持在99%左右，而噴淋方式在流量5～13 Nm3/h內(nèi)效率降低了7.4%，鼓泡方式在浸沒深度為13 cm、流量為5 Nm3/h的效率僅有98.6%，且系統(tǒng)壓損大幅度增加，表明噴淋散射技術(shù)在不同負荷下均可實現(xiàn)高效脫硫，同時系統(tǒng)能耗較低。

(4)當SO2入口濃度由1 000 ppm增至 3 000 ppm時，只噴淋方式脫硫效率不斷下降，并與吸收液質(zhì)量濃度密切相關(guān)，而噴淋散射方式基本未受影響，降幅僅有0.5%，且其1%質(zhì)量濃度效率高于只噴淋5%質(zhì)量濃度效率，由此可見，該技術(shù)對于燃煤種類具有很強的適應性。