超低排放機(jī)組雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)能耗物耗特性分析

杜振，張成，朱躍

(1. 華電電力科學(xué)研究院有限公司，浙江 杭州 310030；2. 廣東海洋大學(xué)，廣東 湛江 524088)

0 引言

石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)因其脫硫效率高、技術(shù)成熟及運(yùn)行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)，在燃煤機(jī)組中應(yīng)用占比達(dá)到93 %左右[1-4]。超低排放改造時(shí)對(duì)原有脫硫系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)提效是改造的主流技術(shù)路線，而對(duì)高硫分的燃煤機(jī)組，雙塔雙循環(huán)脫硫技術(shù)應(yīng)用較為廣泛[5-6]。雙塔雙循環(huán)技術(shù)是在原有吸收塔的基礎(chǔ)上，增加一級(jí)吸收塔對(duì)煙氣進(jìn)行二次處理，從而形成雙塔雙循環(huán)的脫硫系統(tǒng)配置[7-8]。雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)對(duì)硫分的適應(yīng)范圍較大，可以通過合理配置兩級(jí)吸收塔的循環(huán)漿液泵運(yùn)行數(shù)量來實(shí)現(xiàn)高脫硫效率，實(shí)際應(yīng)用中雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)的整體脫硫效率可達(dá)到99.5 %以上[9-11]。

雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)由于具有2套脫硫吸收塔系統(tǒng)，而兩級(jí)吸收塔內(nèi)SO2的吸收反應(yīng)存在2個(gè)不同化學(xué)平衡，一二級(jí)吸收塔不同循環(huán)漿液泵組合、運(yùn)行pH值、液氣比均會(huì)對(duì)整體脫硫效率產(chǎn)生影響[12-15]，因此如何更好地分配一二級(jí)吸收塔的脫硫效率，實(shí)現(xiàn)在最小能耗物耗水平下的最大脫硫效率已成為超低排放改造后雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整的關(guān)鍵[16-18]。

本文通過分析雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)的能耗物耗特性，從而為進(jìn)一步研究脫硫系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化方法、有效降低脫硫系統(tǒng)運(yùn)行能耗和物耗提供理論基礎(chǔ), 對(duì)提高脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性、降低SO2的脫除成本具有重要意義。

1 研究方法

1.1 研究機(jī)組

研究選取 300 MW、600 MW 和 1000 MW 等級(jí)具有代表性的53臺(tái)燃煤機(jī)組，研究機(jī)組類型如表1所示，機(jī)組類型具有較強(qiáng)的代表性，通過對(duì)雙塔雙循環(huán)濕法脫硫系統(tǒng)性能進(jìn)行測(cè)試，并結(jié)合入口SO2濃度、液氣比、煙氣流速、pH值等參數(shù)分析雙塔雙循環(huán)濕法脫硫系統(tǒng)能耗物耗特性。

表1 研究機(jī)組類型Table 1 The unit type for the study

1.2 采樣位置及方法

采樣點(diǎn)分別設(shè)在各機(jī)組脫硫系統(tǒng)一二級(jí)吸收塔進(jìn)出口煙道處，如圖1所示，測(cè)點(diǎn)A為一級(jí)吸收塔入口測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)B為一級(jí)吸收塔出口和二級(jí)吸收塔入口測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)C為二級(jí)吸收塔出口測(cè)點(diǎn)，均按GB/T 16157—1996網(wǎng)格法進(jìn)行逐點(diǎn)取樣。

圖1 采樣測(cè)點(diǎn)布置示意Fig. 1 Layout of sampling points

測(cè)試時(shí)機(jī)組負(fù)荷均不低于90 %，且最大波動(dòng)幅度不超過5 %。測(cè)試期間，各機(jī)組的負(fù)荷和煤質(zhì)基本不變，鍋爐燃燒穩(wěn)定，脫硝系統(tǒng)和除塵系統(tǒng)均正常運(yùn)行，在脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況下，同步測(cè)量脫硫系統(tǒng)的處理煙氣量、煙溫、煙氣含氧量、電耗、整流電源運(yùn)行參數(shù)等參數(shù)，其中煙氣量和SO2質(zhì)量濃度的氣體狀態(tài)均為標(biāo)態(tài)、干基、6%O2。

1.3 計(jì)算方法

脫硫系統(tǒng)鈣硫比（Ca/S）是指CaCO3的消耗量與SO2脫除量的摩爾比，用于評(píng)價(jià)SO2脫除的CaCO3耗量大小，即

式中：LCa/s為脫硫系統(tǒng)鈣硫比，mol/mol； CCa為脫硫系統(tǒng)的CaCO3耗量，kg/h。

SO2脫除石灰石耗量是指脫除單位質(zhì)量SO2所需石灰石量，用于評(píng)價(jià)SO2脫除的石灰石耗量大小，可表示為

式中：N為SO2單位脫除石灰石耗量，kg/kg；NCa為脫硫系統(tǒng)的石灰石總耗量，kg/h。

SO2脫除水耗為脫除單位質(zhì)量SO2所需水量，用于評(píng)價(jià)SO2脫除的工藝水耗量大小，可表示為

SO2脫除成本為脫除單位質(zhì)量SO2所需的成本，由電耗費(fèi)用，石灰石消耗費(fèi)用和水耗費(fèi)用組成?？杀硎緸?/p>

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2 效果分析

2.1 SO2脫除成本分析

脫硫系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行過程中能耗指標(biāo)主要為電耗，而物耗指標(biāo)主要包括石灰石耗量、水耗等。SO2脫除成本如圖2所示，隨著脫硫系統(tǒng)入口SO2質(zhì)量濃度由 2 800 mg/m3增加到 8 400 mg/m3，單位質(zhì)量的SO2總脫除成本由0.6 元/kg降低到0.3元/kg，可以看出雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)對(duì)高濃度SO2脫除具有明顯優(yōu)勢(shì)，SO2濃度越高越能發(fā)揮雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)的脫除效果。

圖2 SO2脫除成本分析Fig. 2 Cost analysis of SO2 removal

同時(shí)通過對(duì)SO2總脫除成本進(jìn)行分析可以看出，電耗成本約占其整體脫除成本的55% ～80%，且電耗成本隨入口SO2濃度的增加而降低；石灰石成本占其整體脫除成本的20% ～40%，隨入口SO2濃度的增加而增加；而水耗成本占比相對(duì)較為穩(wěn)定，占其整體脫除成本的10%以內(nèi)。因此單位質(zhì)量SO2脫除的能耗成本遠(yuǎn)大于物耗成本。

2.2 SO2脫除能耗分析

入口SO2濃度對(duì)脫除能耗的影響如圖3所示，雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)一級(jí)吸收塔脫硫效率運(yùn)行在75% ～95%，其中入口SO2質(zhì)量濃度在4 000 ～6 000 mg/m3時(shí)脫硫效率可達(dá) 90% ～95%，而二級(jí)吸收塔入口SO2質(zhì)量濃度均控制在2 000 mg/m3以內(nèi)，二級(jí)吸收塔脫硫效率均運(yùn)行在90%以上。由于雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)的一二級(jí)吸收塔均需同步運(yùn)行，當(dāng)一級(jí)吸收塔入口SO2濃度較低時(shí)，一級(jí)吸收塔投運(yùn)的循環(huán)漿液泵數(shù)量可相應(yīng)減小，一級(jí)吸收塔脫硫效率處于較低狀態(tài)，而二級(jí)吸收塔為了保證出口SO2排放質(zhì)量濃度控制在35 mg/m3以內(nèi)，二級(jí)吸收塔脫硫效率相對(duì)較高。

圖3 入口SO2質(zhì)量濃度對(duì)脫除能耗的影響Fig. 3 Influence of inlet SO2 concentration on energy consumption of desulfurization

同時(shí)可以看出，一二級(jí)吸收塔的SO2脫除能耗均隨吸收塔入口SO2濃度的增高而降低，但二級(jí)吸收塔的SO2單位脫除能耗遠(yuǎn)大于一級(jí)吸收塔，入口SO2濃度對(duì)二級(jí)吸收塔SO2單位脫除能耗的影響更大，且在入口S O2質(zhì)量濃度為1 200 mg/m3時(shí)二級(jí)吸收塔的 SO2單位脫除能耗處于較低水平。因此，為有效降低雙塔雙循環(huán)濕法脫硫系統(tǒng)單位質(zhì)量SO2脫除能耗，一級(jí)吸收塔入口 SO2質(zhì)量濃度應(yīng)控制在 4 000 ～6 000 mg/m3，二級(jí)吸收塔入口 SO2質(zhì)量濃度應(yīng)控制在1 200 mg/m3左右。一級(jí)吸收塔入口SO2濃度受燃煤硫分的直接影響，為控制一級(jí)吸收塔入口SO2濃度，需有效控制入爐煤硫分，通常采用燃煤摻配的方式將入爐煤硫分控制在1.5% ～2.5%；而二級(jí)吸收塔入口SO2濃度主要受一級(jí)吸收塔脫硫效果的直接影響，可通過調(diào)節(jié)一級(jí)吸收塔循環(huán)漿液泵投運(yùn)臺(tái)數(shù)來調(diào)節(jié)二級(jí)吸收塔入口SO2濃度。

2.3 SO2脫除物耗分析

入口SO2濃度對(duì)脫硫物耗影響如圖4所示，脫硫系統(tǒng)SO2脫除水耗和石灰石耗量均隨入口SO2濃度的增加而降低。脫硫系統(tǒng)水耗主要包括煙氣降溫帶走的水蒸氣、煙氣攜帶小液滴、脫硫石膏含水和脫硫廢水。脫硫系統(tǒng)水耗中90 %的水分為煙氣降溫帶走的水蒸氣，該部分水耗直接受煙氣溫度的影響。由于本次雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)的入口煙溫為115 ～135 ℃，因此脫硫系統(tǒng)的總水耗相差不大，從而導(dǎo)致SO2脫除水耗隨入口SO2濃度的增加而降低。

圖4 入口SO2質(zhì)量濃度對(duì)脫硫物耗影響分析Fig. 4 Influence of inlet SO2 concentration on material consumption of desulfurization

另外由圖4可知，雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)SO2脫除石灰石耗量也受入口SO2濃度的影響，但脫硫系統(tǒng)Ca/S比波動(dòng)相對(duì)較小，主要分布在1.0 ～1.1 mol/mol，這主要是由于石灰石耗量受石灰石純度的影響，同時(shí)隨著入口SO2濃度的增加，脫硫系統(tǒng)的Ca/S比趨近于1.0 mol/mol，此時(shí)石灰石的綜合利用效果較高。

2.4 漿液pH影響

根據(jù)傳質(zhì)機(jī)理，隨著漿液pH值的升高，吸收塔內(nèi)中和反應(yīng)的表面積增加，從而增大中和反應(yīng)速率，提高脫硫效率，但過高的pH值又會(huì)導(dǎo)致CaSO3析出量的增加，析出的CaSO3會(huì)附著在石灰石顆粒表面，從而抑制石灰石的溶解，進(jìn)而不利于脫硫效率的提高，因此漿液pH 值對(duì)脫硫系統(tǒng)的性能具有顯著影響，是脫硫系統(tǒng)重要的控制參數(shù)。針對(duì)雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)，一級(jí)吸收塔主要作用是產(chǎn)生石膏，而低pH值有利于石膏的氧化和結(jié)晶，二級(jí)吸收塔主要作用是吸收SO2，高pH值能提高SO2脫除效率。

本文對(duì)吸收塔漿液pH 值對(duì)脫除能耗和脫硫效率的影響進(jìn)行了研究。漿液pH值對(duì)脫除能耗的影響如圖5所示，一級(jí)吸收塔漿液pH 值為4.5 ～5.2時(shí)，隨著pH值的升高，SO2單位脫除能耗降低，而漿液pH值為5.2 ～6.2時(shí)，隨著pH值的升高，SO2單位脫除能耗增加。二級(jí)吸收塔漿液pH值為5.0 ～6.0時(shí)，隨著pH值的升高，SO2單位脫除能耗降低，而漿液pH值為6.0 ～6.8時(shí)，隨著pH值的升高，SO2單位脫除能耗增加。由于pH值較低時(shí)，CaSO4的溶解度較小，會(huì)有大量CaSO4析出，易結(jié)垢堵塞設(shè)備，影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行；而pH值較高時(shí)，CaSO3的溶解度較小，SO32-濃度較低，CaSO4的生成速度變小，不會(huì)生成CaSO4硬垢，但CaSO3的溶解度較小，易形成亞硫酸鹽軟垢。實(shí)際運(yùn)行過程中一級(jí)吸收塔pH值在5.2左右，二級(jí)吸收塔pH值在6.0左右時(shí)，SO2單位脫除能耗最低。

圖5 漿液pH值對(duì)脫除能耗的影響Fig. 5 Influence of pH value on energy consumption of desulfurization

同時(shí)由圖5可以看出，一級(jí)吸收塔中漿液密度隨pH值的增加而降低，而二級(jí)吸收塔中漿液密度隨pH值的增加而增加，這主要是由于一級(jí)吸收塔中pH值越低，其石膏含量越高；二級(jí)吸收塔中pH值越高，需要添加的新鮮漿液量越大。另外可以看出一二吸收塔漿液密度一般控制在 1 080 ～1 150 kg/m3。

因此，雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)運(yùn)行模式與單塔濕法脫硫系統(tǒng)存在較大差距，按照單塔工藝運(yùn)行模式，將一二級(jí)吸收塔pH值控制在同一水平，則無法有效發(fā)揮雙塔雙循環(huán)工藝pH值分級(jí)的特點(diǎn)，導(dǎo)致SO2脫除能耗增加，為降低雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)運(yùn)行能耗，一級(jí)吸收塔漿液pH值應(yīng)控制在5.2左右，二級(jí)吸收塔漿液pH值應(yīng)控制在6.0左右，同時(shí)一二級(jí)吸收塔漿液密度控制在1 080 ～1 150 kg/m3。

2.5 液氣比影響分析

液氣比是單位時(shí)間內(nèi)流經(jīng)吸收塔單位體積煙氣量相對(duì)應(yīng)的漿液噴淋量，是噴淋脫硫系統(tǒng)重要的設(shè)計(jì)和運(yùn)行參數(shù)。液氣比的大小對(duì)脫硫能耗有著顯著影響，提高液氣比將增加脫硫系統(tǒng)總能耗。液氣比對(duì)脫硫能耗的影響如圖6所示，一級(jí)吸收塔中SO2單位脫除能耗隨液氣比的變化不大，但脫硫效率隨液氣比的增加而增加。而對(duì)于二級(jí)吸收塔，液氣比為10 L/m3時(shí)，SO2的脫除效率較低，且SO2單位脫除能耗較高。液氣比越大，氣液之間的傳質(zhì)面積就越大，有效比表面積也就越大，從而傳質(zhì)速率增強(qiáng)，大的液氣比有利于強(qiáng)化傳質(zhì)性能，從而提高脫硫效率。因此在實(shí)際運(yùn)行過程中，首先應(yīng)將二級(jí)吸收塔液氣比控制在12 L/m3以上，從而有效地提高脫硫效率，降低SO2脫除能耗；在此基礎(chǔ)上可適當(dāng)提高一級(jí)吸收塔的液氣比，從而在不增加SO2脫除能耗的條件下，有效控制一級(jí)吸收塔出口SO2濃度。

圖6 液氣比對(duì)脫除能耗的影響Fig. 6 Influence of liquid gas ratio on energy consumption of desulfurization

2.6 脫除能耗分布分析

脫除能耗分布如圖7所示，循環(huán)漿液泵能耗占雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)總能耗的50%左右，系統(tǒng)阻力造成的風(fēng)機(jī)電耗約占總能耗的30%左右，而氧化風(fēng)機(jī)和低壓系統(tǒng)電耗均占總能耗的10%左右。因此循環(huán)漿液泵是脫硫系統(tǒng)能耗優(yōu)化的關(guān)鍵設(shè)備，降低循環(huán)漿液泵能耗可以有效降低脫硫系統(tǒng)的能耗。降低循環(huán)漿液泵能耗可以采取的措施包括：（1）單臺(tái)吸收塔可在1臺(tái)循環(huán)漿液泵上配置變頻器，從而可有效調(diào)節(jié)漿液循環(huán)泵出力，降低負(fù)荷變化時(shí)的能耗；（2）根據(jù)不同負(fù)荷、不同硫分的實(shí)際運(yùn)行情況進(jìn)行分析，獲得不同工況下循環(huán)漿液泵組合模式與凈煙氣SO2的濃度關(guān)系，進(jìn)而確定最佳運(yùn)行方式；（3）低負(fù)荷或低硫分運(yùn)行時(shí)優(yōu)先選擇下層噴淋層運(yùn)行模式。

圖7 脫除能耗分布Fig. 7 Distribution of energy consumption

3 結(jié)論

（1）雙塔雙循環(huán)濕法脫硫系統(tǒng)脫除成本中脫除能耗成本占整體脫除成本的55% ～80%，而脫除能耗中循環(huán)漿液泵電耗占總能耗的50% ～70%，因此降低雙塔雙循環(huán)濕法脫硫系統(tǒng)運(yùn)行成本的關(guān)鍵在于降低循環(huán)漿液泵的電耗。

（2）為降低雙塔雙循環(huán)濕法脫硫系統(tǒng)單位質(zhì)量SO2脫除能耗，一級(jí)吸收塔入口SO2質(zhì)量濃度應(yīng)控制在 4 000 ～6 000 mg/m3，二級(jí)吸收塔入口SO2質(zhì)量濃度應(yīng)控制在 1 200 mg/m3左右。

（3）雙塔雙循環(huán)濕法脫硫系統(tǒng)運(yùn)行過程中，一級(jí)吸收塔漿液pH值應(yīng)控制在5.2左右，二級(jí)吸收塔漿液pH值應(yīng)控制在6.0左右，同時(shí)一二級(jí)吸收塔漿液密度控制在 1 080 ～1 150 kg/m3。

（4）雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)中，二級(jí)吸收塔主要作用是吸收SO2，應(yīng)將液氣比控制在12 L/m3以上，從而有效地提高脫硫效率，降低SO2脫除能耗。