雙堿法再生循環(huán)系統(tǒng)分析研究

陳慶榮

(煤科集團(tuán)杭州環(huán)保研究院有限公司，浙江 杭州 311201)

1 引言

“雙堿法”煙氣脫硫工藝從20世紀(jì)90年代末引進(jìn)，廣泛用于中小型燃煤鍋爐的煙氣脫硫，經(jīng)過多次的技術(shù)改進(jìn)，形成旋流板塔工藝，濃堿雙堿法工藝，雙循環(huán)雙堿法工藝，多重循環(huán)穩(wěn)定雙堿法等的技術(shù)革新。

本文基于為浙江某熱電廠雙堿法煙氣脫硫系統(tǒng)改造項(xiàng)目的工程實(shí)施，提出對基礎(chǔ)雙堿法水循環(huán)系統(tǒng)的關(guān)注，通過幾個(gè)環(huán)節(jié)的改良，來分析跟水循環(huán)密切相關(guān)的幾組重要因素影響。

2 雙堿法脫硫研究現(xiàn)狀介紹

鈣鈉雙堿法先采用純堿或氫氧化鈉作為吸收劑吸收SO2，吸收液再用石灰進(jìn)行再生，生成亞硫酸鈣和硫酸鈣的少量沉淀物，再生后的溶液返回循環(huán)池作為吸收劑再次使用，如此循環(huán)使用。液氣比選擇2～3 L/m3，塔進(jìn)口pH值7～8，漿池pH值控制在10～11，這是一般雙堿法最優(yōu)脫硫效果的控制指標(biāo)。

隨著雙堿法技術(shù)的不斷改進(jìn)和創(chuàng)新，吳忠標(biāo)等[1]研究了旋流板雙堿法工藝，提出循環(huán)液鈉離子濃度越高，脫硫效果越好。吳忠標(biāo)等還發(fā)明了濃堿雙堿法煙氣脫硫工藝[2]以縮小再生循環(huán)系統(tǒng)的面積和占地。司芳等[3]通過實(shí)驗(yàn)提出液氣比在3 L/m3,氣溫22 ℃條件下，吸收劑鈉離子濃度0.06 mol/L，pH值7～8左右脫硫效率最佳。還有余新明[4]、潘朝群[5]等眾多專家學(xué)著都對液氣比、鈉離子濃度、pH值這幾項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)提出了各自的實(shí)驗(yàn)論證。因脫硫效率這項(xiàng)關(guān)鍵側(cè)重點(diǎn)，使眾多研究人員關(guān)注了吸收劑的主要影響因素，而關(guān)注再生循環(huán)系統(tǒng)的相對較少。

施耀開發(fā)的雙循環(huán)雙堿法濕式脫硫裝置[6]，張紹訓(xùn)發(fā)明的一種多重循環(huán)穩(wěn)定雙堿法煙氣脫硫工藝[7]，提出了將吸收液循環(huán)和再生循環(huán)系統(tǒng)分開，進(jìn)行內(nèi)部循環(huán)，減少外部循環(huán)，用來緩解因再生引起的系統(tǒng)結(jié)垢問題。

3 運(yùn)行參數(shù)研究

浙江某熱電廠雙堿法煙氣脫硫系統(tǒng)改造項(xiàng)目[8]完成后煙氣出口達(dá)標(biāo)排放，再生循環(huán)系統(tǒng)運(yùn)行正常。再生循環(huán)系統(tǒng)主要分為吸收液循環(huán)池，再生池，沉淀池、氧化池以及脫水系統(tǒng)。本系統(tǒng)的液氣比為2.5 L/m3，煙氣量為200000 Nm3/h，吸收液的循環(huán)量為500 m3/h。

3.1 回流比對再生循環(huán)系統(tǒng)的影響

再生循環(huán)系統(tǒng)中回流比參數(shù)是指單位時(shí)間內(nèi)再生的吸收液水量與吸收液的循環(huán)量的比值。回流比直接關(guān)系到整個(gè)再生循環(huán)系統(tǒng)的占地與各池體的大小。循環(huán)系統(tǒng)是在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，根據(jù)對整體循環(huán)系統(tǒng)的容積測算，將原100%的回流比調(diào)整至20%～40%(利用變頻與流量計(jì)進(jìn)行精確控制)，回流比過大會影響再生系統(tǒng)的停留時(shí)間，進(jìn)而使再生難以反應(yīng)充分，而且也會導(dǎo)致鈉離子的過多流失。若回流比過小，為了保證脫硫效率，必須在吸收液中補(bǔ)充相應(yīng)的氫氧化鈉/碳酸鈉，而吸收液中鈉離子濃度過高直接導(dǎo)致塔體及輸送管溝鈉鹽結(jié)晶的情況發(fā)生。

3.2 表面負(fù)荷對再生循環(huán)系統(tǒng)的影響

表面負(fù)荷主要是再生循環(huán)系統(tǒng)的沉淀池環(huán)節(jié)的表面負(fù)荷。為了節(jié)省運(yùn)行電費(fèi)，簡單操作環(huán)節(jié)，常規(guī)雙堿法一般采用平流式地下沉淀池。再生循環(huán)系統(tǒng)多采用自流的方式運(yùn)轉(zhuǎn)，這樣各項(xiàng)參數(shù)的控制都并不精準(zhǔn)，而作為沉淀區(qū)域，表面負(fù)荷是一項(xiàng)非常重要的影響參數(shù)。結(jié)合沉淀池原理，本項(xiàng)目采用豎流式沉淀池，沉淀區(qū)域pH選擇為8.5～9(考慮到可能需要投加絮凝劑和助凝劑)。根據(jù)調(diào)整進(jìn)水量來測算不同表面負(fù)荷下上清液出水口濁度的大小來判定沉淀效果，表面負(fù)荷與出水濁度的關(guān)系如圖1。表面負(fù)荷在1.5 m3/(m2·h)處形成了一個(gè)明顯的拐點(diǎn)，因此，1.5 m3/(m2·h)的表面負(fù)荷是沉淀效果和占地面積兩方面考慮上的最佳選擇。

3.3 再生時(shí)間對再生循環(huán)系統(tǒng)的影響

再生時(shí)間直接關(guān)系到再生循環(huán)系統(tǒng)的再生環(huán)節(jié)是否充分。再生環(huán)節(jié)的是否充分直接關(guān)系到吸收液中氫氧化鈉/碳酸鈉的補(bǔ)充量，進(jìn)而關(guān)系整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行成本。根據(jù)回流吸收液計(jì)算所需投加的氫氧化鈣用量(相對過量)，在藥劑量穩(wěn)定投加的情況，分析再生時(shí)間與水中亞硫酸鹽與硫酸鹽的濃度來作為再生效果。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，再生15 min后曲線趨于平穩(wěn)，因此可以看出，再生時(shí)間選擇15 min足夠讓氫氧化鈣與硫酸鹽和亞硫酸鹽的反應(yīng)達(dá)到一定的平衡。

圖1 沉淀池表面負(fù)荷與出水濁度的關(guān)系

3.4 氧化時(shí)間對的再生循環(huán)系統(tǒng)影響

本系統(tǒng)在再生循環(huán)系統(tǒng)中的氧化環(huán)節(jié)設(shè)置了自動控制系統(tǒng)[9]，以有效控制氧化時(shí)間與氧化效率，為后續(xù)石膏的生成提供條件。氧化的是否充分會直接影響石膏的形成品質(zhì)與后續(xù)脫水系統(tǒng)的正常運(yùn)行。氧化時(shí)間又為沉淀環(huán)節(jié)得到的底渣與空氣的接觸時(shí)間，通過不斷的曝氣來實(shí)現(xiàn)氧化。根據(jù)對氧化實(shí)驗(yàn)分析，曝氣時(shí)間在12 h內(nèi)亞硫酸鹽持續(xù)被氧化，但大于12 h后氧化過程不明顯，可見曝氣停留時(shí)間在12 h左右時(shí)最佳。

4 結(jié)論

通過實(shí)驗(yàn)和改造項(xiàng)目的現(xiàn)場參數(shù)研究可以得出，再生循環(huán)系統(tǒng)是否能夠長期穩(wěn)定的運(yùn)行，與回流比、再生時(shí)間、沉淀池表面負(fù)荷、氧化時(shí)間等因素都緊密相關(guān)，環(huán)環(huán)相扣，其中任一環(huán)節(jié)參數(shù)的控制不當(dāng)都會使整個(gè)系統(tǒng)處在不良的運(yùn)行狀況。

(1)回流比的大小決定了整個(gè)再生循環(huán)系統(tǒng)的占地和運(yùn)行成本，本文只針對改造項(xiàng)目的現(xiàn)場限制條件設(shè)置了相對最佳的回流比，若不受場地限制，可根據(jù)實(shí)際計(jì)算不斷調(diào)整回流比選取更加優(yōu)良的回流比，以做到用最小的運(yùn)行成本得到最大的脫硫效果。

(2)表面負(fù)荷選取1.5 m3/(m2·h)可有效沉淀再生過程形成的沉淀物(主要為硫酸鈣和亞硫酸鈣等物質(zhì))，檢測上清液也會發(fā)現(xiàn)，鈣離子濃度也與表面負(fù)荷有一定的曲線關(guān)系，表面負(fù)荷小于1.5 m3/(m2·h)時(shí)，上清液中的鈣離子濃度相對較低，這也一定程度地緩解了吸收塔和吸收液系統(tǒng)的結(jié)垢問題。

(3)氫氧化鈣與硫酸鹽、亞硫酸鹽的反應(yīng)較快，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與現(xiàn)場運(yùn)行情況，15min的機(jī)械攪拌足以使大量的硫酸鹽與亞硫酸鹽反應(yīng)并形成沉淀物質(zhì)，配合相應(yīng)表面負(fù)荷的沉淀池可將沉淀物質(zhì)沉淀下來。

(4)亞硫酸鈣濃度高不易脫水，而且會影響石膏品質(zhì)，因此氧化過程也相當(dāng)重要的一個(gè)環(huán)節(jié)，本文只研究了常規(guī)曝氣的氧化過程，若投加氧化催化劑或采用氧氣曝氣等促進(jìn)過程應(yīng)該可以加快氧化速度，提高石膏渣中石膏的比例。

只要將回流比、再生時(shí)間、表面負(fù)荷、氧化時(shí)間等參數(shù)控制相對到位，再生循環(huán)系統(tǒng)可真正做到循環(huán)與再生，雙堿法脫硫工藝在濕法脫硫領(lǐng)域依舊可以占據(jù)一席之地，特別是在中小型鍋爐脫硫的工藝選擇中，緩解了結(jié)垢問題，而又可以降低運(yùn)行成本的雙堿法完全可以是最佳選擇。