石灰石－石膏濕法煙氣脫硫效率影響因素分析

孔海濤

（國能神福（石獅）發(fā)電有限公司）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，核電、太陽能、風(fēng)電以及水電等綠色環(huán)保、可再生能源取得了飛速發(fā)展，但是由于煤炭資源儲量豐富所帶來的相對價格優(yōu)勢導(dǎo)致相當(dāng)長的時間內(nèi)火力發(fā)電方式仍將是我國發(fā)電行業(yè)的主要形式，煤炭發(fā)電量約占全國總發(fā)電量的70%左右，從而導(dǎo)致二氧化硫、氮氧化物以及煙塵等大氣污染問題[1-4]。

2014 年國家能源局頒布了《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014-2020年）》，明確要求節(jié)能減排、提高運行質(zhì)量，發(fā)展高效清潔可持續(xù)發(fā)展的煤電產(chǎn)業(yè)，燃煤發(fā)電機(jī)組通過建設(shè)先進(jìn)高效脫硫、脫硝和除塵設(shè)施，為國家能源發(fā)展和戰(zhàn)略安全夯實基礎(chǔ)。

燃煤電廠的煙塵比表面積較大、質(zhì)量較輕，極易形成酸性煙氣、有機(jī)氣霧和重金屬氧化物等有害物質(zhì)。因此，漂浮于空氣中，造成霧霾、酸雨等污染問題，導(dǎo)致空氣質(zhì)量持續(xù)惡化、大氣能見度降低、損害環(huán)境和人體健康。作為主要大氣污染物，燃煤電廠煙氣中的粉塵、NOx、SO2主要危害形式是酸雨和霧霾的前驅(qū)體。因此，改進(jìn)和創(chuàng)新二氧化硫等污染物的節(jié)能減排技術(shù)成為燃煤電廠提升環(huán)保水平的重點[5-8]。

目前，燃煤電廠煙氣處理工藝路線為煙氣經(jīng)SCR（Selective Catalytic Reduction，即為選擇性催化還原技術(shù)）脫硝、靜電除塵后進(jìn)入濕法脫硫設(shè)備中，經(jīng)石灰－石膏等濕式脫硫劑作用，凈化后的煙氣經(jīng)煙囪排入大氣環(huán)境。目前，濕法脫硫作為常規(guī)煙氣治理的末端技術(shù)，不僅可以有效地脫硫，而且可以作為靜電除塵的補充除去煙氣中殘留的PM2.5級顆粒物甚至亞微米級顆粒物。與此同時，濕式脫硫煙氣的組分、溫度等條件的變化，脫硫漿液pH值的變化，均會使脫硫塔出口細(xì)顆粒物的性質(zhì)、成分相較燃煤煙氣的顆粒成分發(fā)生較大的變化。因此，濕法脫硫法作為常規(guī)燃煤煙氣污染物減排的核心工序，濕式脫硫法不僅可以降低PM2.5級顆粒物的排放，改善空氣質(zhì)量，在實現(xiàn)高效脫硫的同時，也可以提高PM2.5級顆粒物除塵效率，具有重要的現(xiàn)實經(jīng)濟(jì)意義[9-11]。

燃煤煙氣脫硫技術(shù)產(chǎn)生于20世紀(jì)20年代，按照燃燒階段將脫硫技術(shù)分為燃燒前脫硫、燃燒中脫硫和燃燒后脫硫。

燃燒前脫硫：主要是指燃煤經(jīng)過物理、化學(xué)等預(yù)處理后再投入鍋爐燃燒，通過降低燃煤含硫量來降低煙氣中SO2排放量的脫硫處理方法。目前，應(yīng)用最為廣泛的燃燒前脫硫處理方法是洗選煤物理凈化技術(shù)，通過洗選可以有效除去燃煤中的泥土、頁巖和黃鐵礦硫等雜質(zhì)。此外，還有通過表面潤濕、磁性吸附等方式實現(xiàn)脫硫處理[12-13]。

燃燒中脫硫：主要是指燃煤在鍋爐內(nèi)燃燒的同時，向鍋爐內(nèi)噴灑石灰石、白云石等脫硫劑，經(jīng)過高溫煅燒產(chǎn)生的脫硫劑與燃燒過程中產(chǎn)生的硫化物發(fā)生反應(yīng)生成硫酸鹽和亞硫酸鹽，從而減少SO2排放量。目前，應(yīng)用最為廣泛的燃燒中脫硫處理方法是型煤流化床燃燒脫硫技術(shù)，通過固硫劑減少硫的排放量。

燃燒后脫硫：主要是指通過噴淋脫硫劑來有效脫除燃煤煙氣中的硫化物實現(xiàn)煙氣脫硫的事后脫硫技術(shù)。目前，應(yīng)用廣泛的濕法脫硫技術(shù)主要有石灰－石膏法、堿式硫酸鋁法、雙堿法、氨酸法、鈉鹽循環(huán)法、海水法等方法。目前，應(yīng)用最廣泛的濕法脫硫技術(shù)是石灰－石膏濕法脫硫技術(shù)，脫硫效率高達(dá)95%以上，但是石灰－石膏濕法脫硫技術(shù)相對成本和設(shè)備控制精度都比較高[14-15]。

1 石灰石—石膏濕式煙氣脫硫工藝原理及系統(tǒng)組成

石灰石－石膏濕式煙氣脫硫技術(shù)，產(chǎn)生于20世紀(jì)20年代，目前該技術(shù)已經(jīng)成為90%以上的燃煤電廠脫硫所采用的主要脫硫技術(shù)方式。石灰石－石膏濕式煙氣脫硫技術(shù)主要優(yōu)點是脫硫效率高、鈣硫比相對較低、工藝簡單成熟、燃煤適應(yīng)性高、吸收劑成本低、脫硫副產(chǎn)品綜合利用率高以及二次污染度低等諸多優(yōu)點。

1.1 石灰石－石膏濕式煙氣脫硫工藝原理

石灰石－石膏濕式脫硫工藝的基本流程：石灰石-水漿液噴入燃煤煙氣吸收塔，與高溫燃煤煙氣在吸收塔內(nèi)混合，通過吸收、中和、氧化和結(jié)晶反應(yīng)，生成脫硫副產(chǎn)品—飽和的硫酸鈣，飽和的硫酸鈣液體結(jié)晶后生成CaSO4·2H2O晶體。石灰石－石膏濕式脫硫工藝中的石灰石-水漿液與高溫燃煤煙氣接觸時，石灰石的利用率較高、反應(yīng)速度較快，整個吸收過程的鈣硫比較低，具有較高的脫硫效率，通常石灰石－石膏濕式脫硫工藝可以實現(xiàn)90%以上的脫硫效果。

石灰石－石膏濕式脫硫工藝主要由石灰石-水溶解、SO2吸收、中和、氧化、石膏結(jié)晶、副產(chǎn)品分離等工序，其中SO2吸收效率是衡量脫硫工藝水平的最重要環(huán)節(jié)。

1.2 石灰石－石膏濕式雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)流程

燃煤電廠石灰石－石膏濕式雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)流程如下圖所示，通常脫硫效率可以高達(dá)97%以上，其主要工藝過程如下。

圖 石灰石—石膏濕式雙塔雙循環(huán)脫硫工藝系統(tǒng)流程圖

吸收反應(yīng)過程：

石灰石液化過程：

中和反應(yīng)過程：

氧化反應(yīng)過程：

結(jié)晶反應(yīng)過程：

2 石灰石—石膏濕式脫硫工藝煙氣脫硫效率影響因素分析

石灰石－石膏濕式脫硫工藝廣泛應(yīng)用于燃煤電廠煙氣脫硫，主要因為該工藝脫硫效率高、鈣硫比相對較低、工藝簡單成熟、燃煤適應(yīng)性高、吸收劑成本低、脫硫副產(chǎn)品綜合利用率高以及二次污染度低等特點。此外，濕式脫硫還可以作為靜電除塵的補充除去煙氣中殘留的PM2.5級顆粒物甚至亞微米級顆粒物。在石灰石－石膏濕式脫硫工藝中，脫硫效率相關(guān)的參數(shù)主要包括液氣比、漿液pH值、煙氣流速、吸收劑特性、流場均勻性、洗滌漿液粒徑等。

2.1 液氣比分析

液氣比是石灰石－石膏濕式脫硫工藝中標(biāo)定煙氣脫硫強(qiáng)度的一個重要參數(shù)（單位為L/m3）。脫硫塔中煙氣流量穩(wěn)定在一定量的前提下，石膏漿液泵開啟的數(shù)量越多或石膏漿液泵的流量越大，濕式脫硫的液氣比就越高，進(jìn)而脫硫效率就越高。因此，石灰石－石膏濕式脫硫工藝中液氣比越高，脫硫效率也越高，但同時也意味著原材料耗費的成本也相對增加。顯然，在相同脫硫效率的前提下，燃煤電廠使用高硫煤時比使用低硫煤時液氣比要偏大一些。

2.2 漿液pH值分析

漿液pH值是石灰石－石膏濕式脫硫工藝中標(biāo)定煙氣脫硫漿液酸堿度的一個重要參數(shù)。石灰石－石膏濕式脫硫工藝的原理是通過堿性脫硫漿液循環(huán)洗滌燃煤煙氣中的SO2，濕式脫硫漿液的pH值既與SO2的濃度和脫除效果相關(guān)，又與生成的脫硫副產(chǎn)品硫酸鈣的濃度和氧化效果相關(guān)。通常石灰石－石膏濕式脫硫工藝中pH值越低，脫硫效果和氧化效果越好，當(dāng)pH值4.5時，脫硫效果和氧化效果最佳。通常石灰石－石膏濕式脫硫工藝將pH值控制在5.2～5.7之間，既保證濕式脫硫系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定地運行，又保證濕式脫硫系統(tǒng)較高的脫硫效率，使?jié)袷矫摿蛳到y(tǒng)的脫硫效率和氧化效率維持在一個高效的平衡點位。

2.3 煙氣流速分析

煙氣流速是石灰石－石膏濕式脫硫工藝中標(biāo)定氣液接觸時間的一個重要參數(shù)，通常脫硫漿液從脫硫塔頂部噴淋，燃煤煙氣在塔內(nèi)自下而上逆流向上與脫硫漿液充分接觸，漿液循環(huán)泵循環(huán)輸送漿液從塔頂噴淋洗滌煙氣實現(xiàn)減排脫硫。因此，煙氣流速降低，可以使燃煤煙氣與脫硫漿液充分接觸，明顯提高脫硫效果。但是，燃煤煙氣流速降低，也會導(dǎo)致液氣相對速度降低，導(dǎo)致氣液傳質(zhì)效果也隨之降低，當(dāng)流速降低到一定數(shù)值時，反而會使脫硫效果降低。

此外，石灰石－石膏濕式脫硫工藝中提高燃煤煙氣速度可以增強(qiáng)液氣的湍動，提高液滴與煙氣間的接觸比率，從而提高傳質(zhì)系數(shù)；同時，提高燃煤煙氣速度可以降低噴淋液滴的下降速度，進(jìn)而增加單位體積內(nèi)持液量，增大傳質(zhì)接觸面積，提高脫硫效率。但是，隨著燃煤煙氣流速不斷增大會縮短燃煤煙氣在吸收塔內(nèi)的停留時間，致使脫硫效率降低。綜合上述分析，將吸收塔內(nèi)燃煤煙氣流速控制在3.5～4.5m/s時，可以獲得脫硫效率較高、成本和能耗較低的最佳的脫硫性能。

2.4 吸收劑化學(xué)特性和流場均勻性分析

石灰石－石膏濕式脫硫工藝使用的脫硫劑是微溶于水的堿性吸收劑石灰石，而副產(chǎn)品是石膏。通常石灰石脫硫漿液中CaCO3含量高達(dá)90%以上，石灰石脫硫劑吸收特性的影響因素主要包括顆粒度大小、CaCO3含量、雜質(zhì)成分等。脫硫劑顆粒越細(xì)小吸附的比表面積就越大，溶解速度越快，可以提高吸收劑的活性，提高脫硫效果；脫硫劑中CaCO3的含量升高可以提高吸收劑的溶解度，增強(qiáng)吸收劑的活性，提高脫硫效果；脫硫劑中的雜質(zhì)會影響脫硫劑的pH值、吸收活性和氧化效率，減弱脫硫效果，例如MgO可以降低脫硫效果。

為保證石灰石－石膏濕式脫硫吸收塔內(nèi)流場介質(zhì)分布的均勻性，提高脫硫劑的覆蓋率和利用率，一般會通過設(shè)置多層噴淋層、合理布局噴淋頭數(shù)量以及調(diào)整燃煤煙氣入口的噴射角度來控制吸收塔內(nèi)部煙氣和脫硫漿液液滴使其均勻分布。石灰石－石膏濕式脫硫是通過噴灑脫硫漿液的方式脫硫，因此，脫硫漿液的顆粒直徑、噴灑速度、均勻程度都會影響脫硫效果。

3 結(jié)束語

本文通過對燃煤電廠石灰石－石膏濕式雙塔雙循環(huán)煙氣脫硫技術(shù)主要工藝參數(shù)的研究為燃煤電廠節(jié)能減排和提升脫硫效率提供一個適用的技術(shù)發(fā)展路徑。本文通過對目前我國燃煤電廠石灰石－石膏濕式雙塔雙循環(huán)煙氣脫硫工藝特點和脫硫效率影響因素的分析，提出在濕式雙塔雙循環(huán)脫硫生產(chǎn)實際中合理控制漿液pH值、煙氣流速、脫硫劑含量和顆粒度、流場均勻性、噴淋層結(jié)構(gòu)和噴嘴布局、氧氣供應(yīng)量等脫硫技術(shù)參數(shù)，可以有效提高濕式雙塔雙循環(huán)脫硫工藝的效率；提出合理控制雙塔雙循環(huán)脫硫工藝中不同區(qū)域的pH值是提高燃煤煙氣脫硫效率的關(guān)鍵工序。