半干法脫硫中工藝水對脫硫運(yùn)行及效率的影響

劉永強(qiáng) 張超 段榮明 薛國棟 安振 安磊

（西安西熱鍋爐環(huán)保工程有限公司，陜西西安 710054）

1 引言

在半干法脫硫運(yùn)行中，脫硫塔的噴入水量直接影響脫硫的安全運(yùn)行及效率，運(yùn)行人員通過控制脫硫塔出口的煙氣溫度來跟蹤調(diào)節(jié)脫硫塔的噴入水量。脫硫塔出口的煙氣溫度理論上是依據(jù)飽和煙氣溫度下達(dá)到的最大相對飽和濕度，實(shí)際運(yùn)行中是在飽和煙氣溫度的基礎(chǔ)上加一個(gè)安全值，作為脫硫塔的出口煙氣溫度的控制值。這種控制方式未能明確噴水量、工藝水溫、脫硫塔出口煙氣溫度、脫硫效率等之間的關(guān)聯(lián)及作用，本文結(jié)合理論計(jì)算和工程實(shí)踐來重點(diǎn)分析工藝水在半干法脫硫中的影響因素及作用。

2 半干法脫硫工藝及反應(yīng)機(jī)理

2.1 半干法脫硫工藝

半干法脫硫工藝是利用消石灰作為吸收劑，以循環(huán)流化床作為脫硫吸收反應(yīng)器，通過噴水將床溫控制在最佳反應(yīng)溫度，通過固體物料的多次循環(huán)提高脫硫效率和鈣利用率。脫硫產(chǎn)物為CaSO3、CaSO4、未反應(yīng)的CaO 和飛灰等混合物。該工藝的優(yōu)點(diǎn)是工藝技術(shù)比較成熟、投資低、占地小，在不斷地循環(huán)并降低煙氣溫度條件下可獲得較高的脫硫效率，煙道和煙筒相對比于濕法脫硫不需做防腐。

利用半干法脫硫最大的特點(diǎn)和優(yōu)勢是可以通過噴水將吸收塔內(nèi)反應(yīng)溫度控制在最佳，達(dá)到最好的氣固混流，并不斷暴露出未反應(yīng)的消石灰的新表面；同時(shí)通過物料的多次循環(huán)，提高脫硫劑的利用率和脫硫效率。與濕法煙氣脫硫相比，其具有系統(tǒng)簡單、造價(jià)低、運(yùn)行可靠、產(chǎn)生的最終固態(tài)產(chǎn)物易于處理等特點(diǎn)，因此在許多地方半干法脫硫工藝得到廣泛應(yīng)用。

2.2 半干法脫硫反應(yīng)機(jī)理

半干法脫硫工藝水通過高壓水泵進(jìn)行加壓，經(jīng)過霧化噴嘴進(jìn)行霧化，霧化后的工藝水在脫硫塔中與煙氣接觸，使煙氣冷卻增濕后與Ca（OH）2粉末、SO2進(jìn)行反應(yīng)，整個(gè)反應(yīng)為氣相、液相和固相混合反應(yīng)。反應(yīng)步驟為：

（1）SO2被霧化后液滴吸收，反應(yīng)式如下：

SO2（氣）＋H2O→H2SO3（液）

（2）生成的H2SO3與Ca（OH）2粉末反應(yīng)生成CaSO3，反應(yīng)式如下：

Ca（OH）2＋H2SO3→CaSO3＋2H2O

（3）CaSO3與系統(tǒng)中的O2反應(yīng)，最終生成CaSO4，反應(yīng)式如下：

CaSO3＋1/2O2→CaSO4

根據(jù)以上反應(yīng)原理可知，物料中Ca（OH）2的含量、增濕水量和原煙氣中的SO2是影響脫硫效率的3個(gè)主要因素。在原煙氣SO2、煙溫及物料多次循環(huán)后的一定條件下，物料的床層、增濕水量直接決定了脫硫的效率。

3 半干法脫硫中工藝水的作用

在半干法脫硫反應(yīng)中，噴入脫硫塔的工藝水有兩個(gè)重要的作用：一是創(chuàng)造反應(yīng)所需的液態(tài)脫硫反應(yīng)條件；二是脫硫反應(yīng)為放熱反應(yīng)，降低煙氣溫度有利于脫硫放熱反應(yīng)。在入口煙氣量、煙氣溫度、工藝水溫、入口煙氣SO2及加入的反應(yīng)劑Ca（OH）2等一定的條件下，脫硫塔的噴水量直接影響脫硫反應(yīng)的效率和安全運(yùn)行［1］。當(dāng)噴水量較小時(shí)，一方面影響脫硫的效率，另一方面減少了反應(yīng)劑的循環(huán)次數(shù)，使反應(yīng)劑Ca（OH）2無法完全反應(yīng)并造成浪費(fèi)；當(dāng)噴水量過大時(shí)，造成運(yùn)行期間出現(xiàn)循環(huán)物料濕度較大、掉塊、物料板結(jié)、床壓波動(dòng)甚至塌床等現(xiàn)象。

一般運(yùn)行中脫硫塔噴水量的控制依據(jù)是脫硫塔的出口煙氣溫度，運(yùn)行在合理范圍，脫硫塔出口煙氣溫度取決于煙氣的相對飽和濕度。脫硫塔噴水量越大，煙氣的濕度就越大，越趨近于煙氣相對飽和濕度，兩者之間的差值為△S（趨近相對飽和濕度），當(dāng)△S 越小時(shí)，脫硫的效率越高［2］。由圖1 可見，越趨近煙氣相對飽和濕度，脫硫效果越好。

圖1 趨近煙氣相對飽和濕度對脫硫效率的影響

在半干法脫硫的運(yùn)行中，理論上要盡可能減小△S。但在實(shí)際的運(yùn)行中，為避免物料濕度過大而引起的物料粘壁、結(jié)塊、塌床的情況，需合理地控制△S。

4 不同工況條件下的煙氣相對飽和濕度的影響因素

半干法脫硫系統(tǒng)在工藝設(shè)計(jì)思路中，一般使用廠內(nèi)工藝水作為脫硫塔補(bǔ)充水，部分項(xiàng)目因各種原因，設(shè)計(jì)人員為避免流化風(fēng)、船型灰斗蒸汽換熱冷凝水直接外排的浪費(fèi)，將蒸汽冷凝水排入工藝水箱，作為工藝水箱的補(bǔ)充水。由于蒸汽冷凝水排入工藝水箱，造成工藝水溫升高，使用溫度偏高的工藝水在塔內(nèi)進(jìn)行噴淋，與常溫工藝水相比，雖然有相同的凈煙氣溫度，但煙氣相對濕度相差很大，直接影響到半干法脫硫的安全運(yùn)行。

煙氣相對飽和濕度影響著脫硫的安全運(yùn)行及效率［3］。脫硫煙氣相對飽和濕度的確定與脫硫入口煙溫、噴水量、水溫等有關(guān)，為達(dá)到脫硫控制的精細(xì)化，可根據(jù)不同的工況得出不同脫硫塔出口溫度下煙氣達(dá)到相對飽和濕度所需的噴水量，運(yùn)行人員可根據(jù)不同的理論噴水量，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)來實(shí)現(xiàn)更有效、精準(zhǔn)的控制，從而達(dá)到高效、節(jié)能的控制目的。

在脫硫工藝的運(yùn)行中，不同入口煙氣溫度、煙氣量和工藝水溫（25 ℃）等一定的條件下，不同入口煙溫各個(gè)脫硫塔出口溫度下煙氣達(dá)到相對飽和濕度所需的噴水量見表1。表1 中的噴水量為脫硫塔煙氣達(dá)到相對飽和濕度時(shí)最大的噴水量，當(dāng)噴水量繼續(xù)增大時(shí)［4］，煙氣中的霧化狀態(tài)的水汽就形成液態(tài)，從而出現(xiàn)脫硫物料的粘壁、結(jié)塊等現(xiàn)象。根據(jù)計(jì)算的噴水量，運(yùn)行人員可避免為追求脫硫效率而造成噴水量過大引起的安全運(yùn)行事故。

表1 不同入口煙溫下各個(gè)脫硫塔出口溫度下煙氣達(dá)到相對飽和濕度所需的噴水量

5 針對某半干法脫硫項(xiàng)目出現(xiàn)問題的分析

5.1 運(yùn)行期間出現(xiàn)的問題

某項(xiàng)目在運(yùn)行期間，出現(xiàn)循環(huán)物料濕度較大、掉塊、物料板結(jié)、床壓波動(dòng)大甚至塌床等現(xiàn)象［5］。根據(jù)出現(xiàn)的問題，調(diào)試人員經(jīng)過多次調(diào)整運(yùn)行方式，如調(diào)整物料床層床壓、增加再循環(huán)風(fēng)量、增大反應(yīng)劑Ca（OH）2的投入量等措施，并對增濕水霧化噴槍噴嘴進(jìn)行了更換，使工藝水霧化顆粒更??；同時(shí)檢查流化風(fēng)、船型灰斗蒸汽伴熱及保溫情況，確定以上條件正常后，運(yùn)行出現(xiàn)的問題仍未解決。

5.2 具體原因分析

（1）利用取灰專用工具對物料床層進(jìn)行取樣，發(fā)現(xiàn)物料灰明顯濕度較大，擠壓易成型。調(diào)試人員排除了工藝水的霧化原因，最終確定為工藝水噴入量過多造成的。通過煙氣相對飽和濕度的影響因素分析，調(diào)試人員初步判斷為工藝水箱水溫過高導(dǎo)致噴水量過多。調(diào)試人員分析，入口、出口煙溫一定時(shí)，同樣的降溫區(qū)間不同的工藝水溫下，工藝水溫高時(shí)需要噴入的工藝水量較多，因此認(rèn)為工藝水溫是影響目前運(yùn)行出現(xiàn)問題的原因。

（2）調(diào)試人員對目前的工藝設(shè)計(jì)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)［6］，半干法脫硫的流化風(fēng)、船型灰斗均采用蒸汽伴熱，設(shè)計(jì)人員為了實(shí)現(xiàn)蒸汽冷凝水的再利用，將蒸汽伴熱后的冷凝水作為補(bǔ)充水直接排入現(xiàn)有工藝水箱，從而導(dǎo)致工藝水箱水溫從25 ℃升高至55 ℃。

（3）對原半干法脫硫蒸汽換熱系統(tǒng)進(jìn)行改造，由于離廠區(qū)現(xiàn)有蒸汽冷凝水回收裝置較遠(yuǎn)，調(diào)試人員安排將換熱蒸汽冷凝水單獨(dú)排入新建疏水箱，再通過疏水泵輸送至廠區(qū)蒸汽冷凝水回收裝置，改造后工藝水箱水溫下降并維持在25 ℃左右。

（4）在一定工況下，經(jīng)過對前后噴入水量的運(yùn)行數(shù)據(jù)對比發(fā)現(xiàn)，工藝水箱水溫變化前后脫硫塔的噴水量差別不大，見表2。但是原運(yùn)行中出現(xiàn)的運(yùn)行異常情況已恢復(fù)正常，運(yùn)行期間不再出現(xiàn)掉灰、結(jié)塊的現(xiàn)象。

表2 蒸汽伴熱冷凝水優(yōu)化前后脫硫塔噴水量統(tǒng)計(jì)

（5）調(diào)試人員分析認(rèn)為，工藝水溫對脫硫塔噴入水量影響不大，但對整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行來說其存在著安全隱患。工藝水溫過高，一方面會(huì)抑制脫硫塔內(nèi)的脫硫反應(yīng)，一方面會(huì)縮短液氣之間的效應(yīng)時(shí)間。

6 結(jié)語

根據(jù)以上的分析、論證可知，工藝水是影響脫硫工藝安全運(yùn)行和脫硫效率的重要因素之一。本文重點(diǎn)闡述了脫硫塔的噴水量、水溫、相對飽和煙氣濕度、脫硫塔出口溫度、脫硫效率之間的關(guān)聯(lián)與相互作用。