循環(huán)流化床半干法脫硫工藝優(yōu)化

孫自強(qiáng)，江廣旭，吳曉武，雷志銀，賀翠連

（1.趙樓綜合利用電廠，山東 鄆城 274705；2.山東電力研究院，山東 濟(jì)南 250003）

1 脫硫系統(tǒng)概述

半干法煙氣脫硫?qū)儆谌紵蟮臒煔饷摿蚣夹g(shù)，技術(shù)成熟、工藝可靠，具有耗水量少、無污水排放和85%以上脫硫效率等優(yōu)點；但是也存在煤種適應(yīng)少、脫硫灰不利于綜合利用等缺點。該技術(shù)主要用于建材生產(chǎn)工藝中的脫硫、燃用中低硫煤的小型發(fā)電機(jī)組（200 MW 以下），亦適用于缺水地區(qū)的大型發(fā)電機(jī)組（300 MW及以上）［1］。

某電廠一臺300 MW 循環(huán)流化床鍋爐機(jī)組，煙氣脫硫系統(tǒng)分為爐內(nèi)石灰石脫硫和尾部煙氣半干法脫硫兩個部分。煙氣半干法脫硫系統(tǒng)是為實現(xiàn)超低排放的要求而設(shè)置，進(jìn)口煙氣SO2質(zhì)量濃度一般小于400 mg∕m3，出口SO2質(zhì)量濃度不超過30 mg∕m3。該脫硫工藝原設(shè)計采用電廠工業(yè)水作為脫硫工藝水，以消石灰為吸收劑。鍋爐機(jī)組整體的脫硫過程如圖1所示。

2 二級脫硫系統(tǒng)的改進(jìn)

在圖1 中，黑色線條及其區(qū)域代表的設(shè)備和系統(tǒng)是機(jī)組初始建設(shè)的構(gòu)造，在爐內(nèi)實現(xiàn)脫硫過程（一級脫硫）；藍(lán)色線條和區(qū)域代表的設(shè)備和系統(tǒng)是為適應(yīng)超低排放要求而增加的半干法脫硫系統(tǒng)，即二級脫硫系統(tǒng)。因二級脫硫而新增的末級除塵器即二級除塵器，控制煙塵排放達(dá)到環(huán)保要求。脫硫系統(tǒng)投運(yùn)后，存在的主要問題是脫硫灰的流動性較差，容易因系統(tǒng)結(jié)構(gòu)發(fā)生灰循環(huán)故障；灰的綜合利用性能差［2-4］，脫硫灰的后續(xù)處理有一定的困難。再者，脫硫消耗的工業(yè)水約40 t∕h，而另一方面，電廠產(chǎn)生的大量工業(yè)廢水需要處理。綜合考慮這些因素，決定對二級脫硫系統(tǒng)進(jìn)行一些改進(jìn)和優(yōu)化，擬采用脫硫灰的回燃技術(shù)，并以濃鹽水（高含鹽濃度的工業(yè)廢水）為工藝水取代工業(yè)水。具體的做法是：1）搭建脫硫灰除塵器至鍋爐爐膛的灰循環(huán)回路；2）搭建一級除塵器旁路煙道；3）改用適于濃鹽水的霧化設(shè)備，以濃鹽水取代工業(yè)水作為二級脫硫的工藝水。這些新增設(shè)備和系統(tǒng)在圖1中以紅色線條區(qū)分。

圖1 煙氣脫硫工藝

改進(jìn)的主要目標(biāo)是：1）改善脫硫灰的流動性，保障灰循環(huán)的可靠；2）改善脫硫灰的綜合利用性能；3）減少廢水處理，節(jié)約電廠水耗量。采取上述措施的可行性除考察能否實現(xiàn)以上目標(biāo)外，還要考慮：對脫硫效果有無不利影響；對工藝水霧化和輸送系統(tǒng)有無不利影響；對鍋爐運(yùn)行有無不利影響；對一級除塵系統(tǒng)有無不利影響。

3 試驗方案

3.1 有害成分分析

3.1.1 濃鹽水

主要來源：鍋爐補(bǔ)給水系統(tǒng)的反滲透濃縮水、過濾器∕超濾反洗水、離子交換再生廢水、超濾及反滲透化學(xué)清洗排水、冷卻塔外排置換平衡水、高鹽礦井水、井下制冷反滲透濃縮水等。

由于來源的多樣性，濃鹽水的組成成分非常復(fù)雜。本試驗關(guān)注的是可能對脫硫灰的再利用性、流動性、工藝水輸送系統(tǒng)等產(chǎn)出不利影響的濃鹽水組分和指標(biāo)。根據(jù)文獻(xiàn)資料［4-7］和運(yùn)行經(jīng)驗，對工藝水系統(tǒng)產(chǎn)生負(fù)面影響的有害成分有：固體懸浮物（Suspendemd Solids，SS）、總可溶性固體（Total Dissolved Solids，TDS）、、Cl-等。其中、Cl-對金屬產(chǎn)生腐蝕作用，SS對噴槍及輸送系統(tǒng)構(gòu)成磨損，TDS 的結(jié)晶可能會造成霧化過程的阻塞。對脫硫灰產(chǎn)生負(fù)面影響的有害成分有：、Cl-、K+、Na+、Ca2+，其他成分含量較少。濃鹽水的pH 指標(biāo)對生產(chǎn)過程和脫硫灰的再利用有影響，但是指標(biāo)是可控制的。

3.1.2 脫硫灰

脫硫灰包含粉煤灰和脫硫產(chǎn)物，具有高硫高鈣的特點，其成分和物理化學(xué)特性與普通粉煤灰有明顯的區(qū)別，為其綜合利用帶來了一定的困難，在使用方式和使用范圍上受到嚴(yán)格限制。有科研機(jī)構(gòu)已經(jīng)開展了提升脫硫灰綜合利用性能的相關(guān)研究［4-5］。加入濃鹽水后，其成分更加復(fù)雜化，伴隨增加了一些有害的離子，使其可利用性能進(jìn)一步降低。

鍋爐灰的成分復(fù)雜，加入濃鹽水的成分后，脫硫灰組分的復(fù)雜性進(jìn)一步增加。綜合文獻(xiàn)資料和灰用戶的要求，本試驗關(guān)注對灰的流動性和再利用性有直接影響的成分和指標(biāo)。

對脫硫灰再利用性能和運(yùn)行產(chǎn)生不利影響的主要指標(biāo)成分有：H2O、SO3、f-CaO、CaSO3·1∕2H2O%、Loss、含堿量（Na2O+0.658K2O）、CaCO3以及CI-離子。

3.2 測試參數(shù)的選擇原則

生產(chǎn)過程中，反映鍋爐、煙氣系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)等運(yùn)行狀況，反映燃料、脫硫吸收劑、濃鹽水、灰成分等的參數(shù)眾多，要在試驗中全部考察分析是困難的，同時也沒有必要。為突出主要問題，同時既兼顧必要性和試驗的經(jīng)濟(jì)性，按以下原則選擇試驗中需要測量和分析的參數(shù)：直接影響試驗?zāi)繕?biāo)、相互間具有一定的獨(dú)立性、對于在實驗室分析的參數(shù)還要考慮實驗室的分析能力。

3.3 試驗方法

采用統(tǒng)計試驗的方法。主要的試驗工況：工況一，脫硫灰回燃+濃鹽水為工藝水時系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)；工況二，濃鹽水為工藝水、不投脫硫灰回燃時系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)；工況三，工業(yè)水為工藝水、不投脫硫灰回燃時系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)。

4 試驗結(jié)果

4.1 不同運(yùn)行工況下主要相關(guān)參數(shù)測試情況

4.1.1 總體鈣硫比

脫硫Ca∕S 摩爾比計算時將一、二級脫硫統(tǒng)一考慮，各工況Ca∕S 摩爾比的試驗結(jié)果是：工況一1.658、工況二1.492、工況三1.579。

4.1.2 脫硫系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)

試驗期間脫硫系統(tǒng)運(yùn)行狀況如表1所示。

表1 脫硫系統(tǒng)主要運(yùn)行參數(shù)

4.1.3 脫硫灰品質(zhì)

試驗期間脫硫灰成分變化如表2所示。

表2 脫硫灰成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）單位：%

4.1.4 灰的流動性

根據(jù)運(yùn)行及維護(hù)日志，在沒有回燃系統(tǒng)的條件下，二級脫硫塔灰斗及灰循環(huán)系統(tǒng)多次出現(xiàn)“板結(jié)”或流動不暢問題。投用回燃系統(tǒng)，二級脫硫灰的流動性得以改善，沒有再出現(xiàn)類似問題。工業(yè)水改為濃鹽水后，二級脫硫灰循環(huán)暢通，沒有出現(xiàn)卡塞問題，即濃鹽水對灰的流動性的無不利影響。

4.1.5 濃鹽水的消耗量

210 MW 負(fù)荷下，二級脫硫工藝消耗濃鹽水36.0 t∕h，折合成機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)（300 MW），消耗量是50 t∕h。

4.1.6 鍋爐灰渣可燃物

試驗期間鍋爐灰渣可燃物變化如表3所示。

表3 鍋爐灰渣可燃物分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）單位：%

4.1.7 工藝水輸送系統(tǒng)

采用濃鹽水后，工藝水系統(tǒng)（含霧化噴槍）工作正常，無明顯的不良影響，系統(tǒng)對濃鹽水適應(yīng)性良好。

4.1.8 一級除塵器

采用回燃技術(shù)后，一級除塵器的差壓可以通過煙氣旁路控制在正常的范圍，無影響運(yùn)行的現(xiàn)象發(fā)生。

4.2 主要試驗結(jié)果對比

4.2.1 總體鈣硫比

濃鹽水取代工業(yè)水作為脫硫工藝水，機(jī)組總體的Ga∕S 摩爾比降低0.087，即以濃鹽水作為工藝水的半干法脫硫效果優(yōu)于工業(yè)水的情況。

采用脫硫灰回燃技術(shù)后，Ga ∕S 摩爾比升高0.166，即脫硫灰的回燃不利于脫硫。

4.2.2 脫硫灰品質(zhì)

與工業(yè)水相比，二級脫硫系統(tǒng)采用濃鹽水作為脫硫工藝水后，脫硫灰的SO3、f-CaO、Loss、含堿量、Cl-等組分均有升高，CaCO3組分下降，兩種運(yùn)行模式下，f-CaO 組分均符合要求。由于Loss、f-CaO+CaCO3等組分變化不大，采用濃鹽水對脫硫灰的再利用性沒有造成實質(zhì)性影響。

采用脫硫回燃系統(tǒng)后，脫硫灰的SO3、含堿量、CI-等組分均有升高，f-CaO、Loss、CaCO3組分下降，兩種運(yùn)行模式下f-CaO 組分均符合要求。即采用回燃系統(tǒng)沒有使脫硫灰的再利用性發(fā)生根本的變化，但是由于Loss、f-CaO+CaCO3等組分下降較大，使脫硫灰的品質(zhì)有一定程度的改善，可利用性提高。

4.3 試驗結(jié)果分析

1）脫硫灰中具有高鈣特性，除脫硫反應(yīng)生成物“CaSO3·0.5H2O”和“CaSO4·2H2O”外，主要是指未反應(yīng)的消石灰、CaO、CaCO3等物質(zhì)的總和。通常認(rèn)為，后者隨脫硫灰返回至爐膛后，高溫下都會分解成CaO，成為一級脫硫的吸收劑，可以減少石灰石的使用量，降低脫硫系統(tǒng)整體的鈣硫比。但另一方面，“CaSO3·0.5H2O”進(jìn)入爐膛后，在高溫和低氧（甚至缺氧的還原性氛圍）條件下，極易分解［8-10］，又有使整體脫硫的鈣硫摩爾比增加的趨勢。脫硫回燃灰對整體脫硫效果的影響取決于這兩種趨勢的綜合效果。

2）濃鹽水替代工業(yè)水作為脫硫工藝水后，脫硫效果變好，Ca∕S摩爾比降低，其機(jī)理尚未明朗。

3）脫硫灰的SO3組分主要來自脫硫產(chǎn)物CaSO3·0.5H2O和CaSO4·2H2O，工藝水中的影響很小。脫硫灰的Loss 參數(shù)（干燥后）取決于CaSO3、CaCO3、Ca（OH）2含量以及鍋爐飛灰含碳量，而CaCO3是脫硫過程中消石灰（主要成分是Ca（OH）2）與煙氣中CO2反應(yīng)的副產(chǎn)物?；抑泻瑝A量、Cl-含量等不是標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)制要求，由供需雙方協(xié)商。因此，可以簡單地以“Loss、f-CaO+CaCO3”的含量為判據(jù)，判斷不同工況下脫硫灰可再利用性的變化。

4）濃鹽水取代工業(yè)水后，脫硫灰Loss、f-CaO+CaCO3組分的綜合變化不大，對脫硫灰的再利用性沒有產(chǎn)生實質(zhì)性的影響。

5）開啟一級除塵器旁路和回燃系統(tǒng)后，脫硫灰Loss、f-CaO+CaCO3組分下降明顯，可以在一定程度上改善脫硫灰的品質(zhì)，提高脫硫灰的可再利用性。通過回燃系統(tǒng)中的一級除塵器旁路補(bǔ)充到脫硫灰循環(huán)系統(tǒng)的鍋爐飛灰加快了脫硫灰的排放和更新，稀釋了“有害”成分的濃度，在改善其品質(zhì)的同時也改善其流動性能。但另一方面，脫硫灰更新速率的提高，也使未反應(yīng)的脫硫劑流失增加，這也可能是脫硫Ca∕S摩爾比增加的原因之一。

5 結(jié)語及建議

5.1 半干法脫硫工藝水

在半干法脫硫過程中采用濃鹽水時，不影響脫硫灰的再利用性，不影響脫硫灰的循環(huán)，對工藝水系統(tǒng)無不良影響，可降低脫硫的Ca∕S摩爾比，并節(jié)約脫硫劑的使用。

5.2 脫硫灰回燃系統(tǒng)作用

采用回燃技術(shù)后，可以降低脫硫灰中“有害”成分的含量，提高灰的再利用性；可以提高脫硫灰的流動性，降低脫硫灰循環(huán)系統(tǒng)因“堵塞”發(fā)生中斷的風(fēng)險。但是脫硫灰回燃使機(jī)組整體的脫硫Ca∕S摩爾比略有升高。

5.3 建議

1）一級布袋除塵器改為電除塵器。

鍋爐的煙氣凈化系統(tǒng)配置兩級除塵，皆為布袋除塵器，煙氣阻力較大。根據(jù)試驗情況，在投入脫硫灰再循環(huán)時需要開啟第一級除塵器的旁路來補(bǔ)充二級脫硫吸收劑的載體。從增加脫硫循環(huán)灰活性的角度考慮，一級除塵器的旁路也要部分開啟。這樣一級除塵的效果就變得不是很重要，完全可以通過二級除塵保證到達(dá)煙塵的排放要求。

布袋除塵器的阻力一般在2 kPa左右，而電除塵的阻力要小得多，一般不超過0.5 kPa。更換后引風(fēng)機(jī)電耗下降約15%，節(jié)能效果明顯。

因此，建議電廠開展“一級布袋除塵改為電除塵”的可行性研究。

2）二級脫硫的優(yōu)化運(yùn)行研究。

脫硫塔煙氣溫度、增濕減溫工藝水的霧化粒徑分布、脫硫塔阻力與吸收劑濃度的控制方式或模式、工藝水的配置方案等，都對二級脫硫的效果和能耗直接相關(guān)。建議電廠開展這些方面的研究，優(yōu)化二級脫硫的運(yùn)行，降低吸收劑耗量和脫硫能耗。

3）進(jìn)一步研究濃鹽水影響半干法脫硫效果的機(jī)理。

4）進(jìn)一步研究和優(yōu)化脫硫灰回燃系統(tǒng)的配置方法，更好地發(fā)揮其作用。