石膏法單塔雙循環(huán)脫硫技術(shù)研究現(xiàn)狀
2016-02-03 10:05:05
作者：呂紅云 王鵬 江帆
摘要
石膏法脫硫技術(shù)是目前應(yīng)用最廣的煙氣脫硫（FGD）技術(shù)，石膏法單塔雙循環(huán)脫硫技術(shù)是在傳統(tǒng)的石膏法單塔單循環(huán)脫硫技術(shù)的基礎(chǔ)上逐步進(jìn)行改進(jìn)，克服了其效率低，能耗高的缺點(diǎn)，并降低了尾氣中SO2含量，滿足了最新的排放標(biāo)準(zhǔn)。本文對(duì)單塔雙循環(huán)技術(shù)的脫硫機(jī)理、發(fā)展進(jìn)程及研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，同時(shí)對(duì)石膏法單塔雙循環(huán)脫硫技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行了展望。
關(guān)鍵詞：石膏法；單塔雙循環(huán)；煙氣脫硫；發(fā)展進(jìn)程
Abstract
Gypsum method is currently the mostwidely used flue gas desulfurization (FGD) technology. Single tower with doublecirculation of the technology by gypsum method is gradually improved on thebasis of traditional gypsum technology, which overcome the disadvantage oftraditional gypsum method of single tower with single circulation— lowefficiency, high energy consumption, and reducing the content of SO2in flue gas to meet the latest national emission standards. This paperintroduce the mechanism, development process, and research status of desulfurizationtechnology; meanwhile prospect the development and the trend of the technologyusing single tower with double circulation by gypsum method.
Keywords：gypsummethod；Singletower with double circulation; desulfurization; development process
前言
當(dāng)今大氣污染問(wèn)題已經(jīng)被列為全球性十大環(huán)境問(wèn)題之首，其中，SO2污染被列為首位[1]。SO2是一種無(wú)色氣體，有刺激性氣味，是主要的大氣污染物之一，
是造成酸雨的主要根源。目前世界各國(guó)都把大氣中的SO2濃度作為衡量大氣污染程度的重要指標(biāo)之一。大氣中的SO2主要來(lái)自于硫酸廠的尾氣、燒結(jié)煙氣以及燃煤煙氣。由于煤和石油通常都含有硫化合物，因此燃燒時(shí)會(huì)生成二氧化硫。所以，最大的污染源仍是燃煤煙氣，尤其是以煤或重油為燃料的發(fā)電廠和工業(yè)鍋爐所排放的煙氣為最，其SO2的排放量約占全國(guó)排放總量的50%左右[2]。雖然我國(guó)對(duì)SO2的排放已從單一濃度控制轉(zhuǎn)向濃度、速率及總量三重控制，但據(jù)國(guó)家環(huán)保部門等統(tǒng)計(jì)，2013年，全國(guó)總SO2排放量仍高達(dá)2278.6萬(wàn)t，其中電力行業(yè)排放約1124萬(wàn)t，居世界首位。
國(guó)務(wù)院印發(fā)的[2013]37號(hào)《大氣污染防治行為計(jì)劃》第一條明確指出：要加快重點(diǎn)行業(yè)脫硫、硫硝、除塵改造工程建設(shè)。在2013年發(fā)布的第14號(hào)《關(guān)于執(zhí)行大氣污染物特別排放值的公告》中明確指出，位于“三區(qū)十群”內(nèi)的火力發(fā)電機(jī)組在“十三五”期間，ρ(SO2)都必須達(dá)到50mg/Nm3以下的排放標(biāo)準(zhǔn)[3]。所以，今后電廠煙氣脫硫效率的提高也越來(lái)越緊迫，目前已開(kāi)發(fā)出的脫硫技術(shù)可劃分為燃燒前脫硫、爐內(nèi)脫硫及煙氣脫硫（FGD）三類。煙氣脫硫（FGD）又可分為干法脫硫及濕法脫硫兩大類，由于濕法煙氣脫硫技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）吸收劑適用范圍廣；（2）燃料適用范圍廣；（3）燃料含硫變化范圍適應(yīng)性強(qiáng)；（4）機(jī)組負(fù)荷變化適應(yīng)性強(qiáng)；（5）脫硫效率高；（6）吸收劑利用率高；（7）副產(chǎn)品純度高。因此濕法煙氣脫硫技術(shù)是世界上控制燃煤SO2排放應(yīng)用最廣和最有效的技術(shù)[4]之一。其中由于石灰石-石膏濕法煙氣脫硫（FGD）技術(shù)的吸收劑來(lái)源豐富、成本低廉、效率高、運(yùn)行可靠（停機(jī)率小于3%）、適用范圍廣、技術(shù)成熟、副產(chǎn)物具有經(jīng)濟(jì)效益等優(yōu)勢(shì)，故被逐步推廣，成為國(guó)際上應(yīng)用最廣泛的脫硫技術(shù)，占有重要的市場(chǎng)地位。截止到2010年底，我國(guó)燃煤電廠煙氣脫硫容量達(dá)到5.65億千瓦，采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝的占到了92%，該工藝已成為我國(guó)火力發(fā)電廠脫硫工藝的主導(dǎo)技術(shù)[5]。在石灰石-石膏濕法煙氣脫硫的工藝路線中，單塔雙循環(huán)技術(shù)在保證脫硫效率的前提下，在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面所表現(xiàn)出的優(yōu)勢(shì)，使其具有了更大的應(yīng)用前景。
1石灰石-石膏法煙氣脫硫工藝
1.1石灰石-石膏濕法脫硫原理
石灰石-石膏濕法脫硫工藝的工作原理是：由于吸收塔內(nèi)吸收劑漿液通過(guò)循環(huán)泵反復(fù)循環(huán)與煙氣接觸，吸收劑利用率很高，鈣硫比較低，脫硫效率大于95%[6]。脫硫過(guò)程中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下:
1．SO2 + H2O → H2SO3 （吸收）
2．CaCO3 + H2SO3→ CaSO3 + CO2↑+ H2O（中和）
CaSO3 + H2SO3→Ca(HSO3)2 （中和）
3．Ca(HSO3)2 + 1 /2 O2→ CaSO4+H2SO3（氧化）
4．CaSO3 + 1 /2 H2O → CaSO3 ·1 /2H2O（結(jié)晶）
5．CaSO4 + 2H2O → CaSO4·2H2O（結(jié)晶）
1. 2典型石灰石-石膏濕法單塔單循環(huán)煙氣脫硫工藝流程簡(jiǎn)介
較為簡(jiǎn)單的典型石灰石-石膏單塔單循環(huán)脫硫技術(shù)是將石灰石制成漿液作為吸收劑由泵送至吸收塔內(nèi)，在塔內(nèi)與煙氣及從塔下部鼓入的空氣充分接觸混合，煙氣中的SO2、空氣中的O2與漿液中的CaCO3進(jìn)行氧化反應(yīng)生成CaSO4，CaSO4達(dá)到飽和后，結(jié)晶形成石膏漿液。經(jīng)吸收塔排出的石膏漿液經(jīng)濃縮、脫水，使其含水量小于10%，然后送至石膏貯倉(cāng)堆放；脫硫后的尾氣經(jīng)過(guò)除霧器除去霧滴后經(jīng)煙囪排入大氣，其流程如圖1。
圖1.典型石膏法脫硫工藝流程圖
1.3典型石灰石-石膏濕法單塔雙循環(huán)煙氣脫硫工藝流程簡(jiǎn)介
目前，為了達(dá)到更高效的脫硫目的，傳統(tǒng)的單塔單循環(huán)技術(shù)通過(guò)增加噴淋層數(shù)來(lái)提高效率，從而不斷增加吸收塔的高度，這種方法的經(jīng)濟(jì)性較差。雙塔串聯(lián)技術(shù)的效率較傳統(tǒng)方法也有所提高，但是設(shè)備投資大，其應(yīng)用同樣受到限制。為了解決技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上的雙重問(wèn)題，開(kāi)發(fā)了單塔雙循環(huán)技術(shù)。單塔雙循環(huán)脫硫工藝系統(tǒng)主要包括：煙氣系統(tǒng)、吸收塔、石灰石漿液制備系統(tǒng)、工藝水系統(tǒng)、石膏脫水系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)等。與單塔單循環(huán)工藝和雙塔串聯(lián)工藝比較，除吸收塔有明顯區(qū)別外，其他系統(tǒng)基本相同。吸收塔是整個(gè)脫硫裝置的核心，如圖2所示。
圖2.石膏法單塔雙循環(huán)工藝吸收塔流程示意圖
該技術(shù)相當(dāng)于煙氣通過(guò)了兩次獨(dú)立的SO2脫除過(guò)程，煙氣自吸收塔下方進(jìn)入，首先與下循環(huán)噴淋裝置噴出的漿液逆向接觸，后經(jīng)冷卻、洗滌脫除部分的SO2，再通過(guò)集液斗的導(dǎo)流葉片進(jìn)入上循環(huán)區(qū)，煙氣在這里與上循環(huán)噴淋裝置噴出的液漿逆向接觸，后經(jīng)洗滌脫除剩余的SO2。脫硫后的清潔煙氣經(jīng)過(guò)除霧器除去霧滴后，由吸收塔上方排入煙囪，脫硫步驟結(jié)束，SO2幾乎被除盡。
集液斗將脫硫區(qū)分為上、下個(gè)兩循環(huán)回路。下循回路由漿液池、一級(jí)循環(huán)泵、一級(jí)噴淋層等組成；上循環(huán)回路由集液斗、吸收區(qū)加料槽、二級(jí)循環(huán)泵、上噴淋層組成。兩級(jí)循環(huán)分別設(shè)有獨(dú)立的循環(huán)漿池，噴淋層，根據(jù)不同的功能，每級(jí)循環(huán)具有不同的運(yùn)行參數(shù)。
脫硫一級(jí)循環(huán)，此級(jí)循環(huán)的脫硫效率一般在30-70%，循環(huán)漿液PH控制在4.6-5.3，漿液停留時(shí)間在4分鐘左右，此級(jí)循環(huán)的主要功能是保證優(yōu)異的亞硫酸鈣的氧化效果，和充足的石膏結(jié)晶時(shí)間，根據(jù)資料顯示，在酸性環(huán)境下PH=4.5時(shí)，氧化效率是最高的。特別是對(duì)于高硫煤，在此酸度下，氧化空氣系數(shù)可以大大降低，從而大幅降低氧化風(fēng)機(jī)的電耗，同時(shí)還可以大大提高石膏品質(zhì)。
經(jīng)過(guò)一級(jí)循環(huán)的煙氣直接進(jìn)入二級(jí)循環(huán)，此級(jí)循環(huán)實(shí)現(xiàn)主要的脫硫洗滌過(guò)程，由于不用考慮氧化結(jié)晶的問(wèn)題，所以PH值可以控制在非常高的水平，達(dá)到5.8-6.4，這樣可以大大降低循環(huán)漿液量，一般循環(huán)漿液量可降低20%左右。
2石膏法單塔雙循環(huán)煙氣脫硫工藝的研究現(xiàn)狀
為了解決和滿足新形勢(shì)下脫硫工藝的需求，國(guó)內(nèi)外各大脫硫公司都在積極引進(jìn)和研發(fā)單塔雙循環(huán)脫硫工藝。
德國(guó)諾爾公司開(kāi)發(fā)了第一代單塔雙循環(huán)脫硫塔，其設(shè)備占地面積小，經(jīng)濟(jì)性高，主要適用于含硫量較高的煤種，其脫硫效率達(dá)到97%以上，并對(duì)含SO2濃度范圍較大的煙氣有良好的適應(yīng)性，由于其在技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的優(yōu)勢(shì)，得到了廣泛的關(guān)注。
國(guó)電龍?jiān)匆M(jìn)德國(guó)諾爾的單塔雙循環(huán)技術(shù)，并將此技術(shù)第一次運(yùn)用在國(guó)內(nèi)項(xiàng)目廣州恒運(yùn)熱力電廠有限責(zé)任公司[7]上，此項(xiàng)目是在原有脫硫塔的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，設(shè)計(jì)了國(guó)內(nèi)第一臺(tái)采用石膏法單塔雙循環(huán)脫硫技術(shù)的設(shè)備。該工程在168h試運(yùn)行期間，脫硫塔入口SO2的質(zhì)量濃度在1800~4200mg/m3，塔出口SO2濃度穩(wěn)定在50mg/m3以下，并取得了一定的降耗增效的效果。此項(xiàng)目在75%和100%負(fù)荷（煙氣流量）的情況下對(duì)脫硫系統(tǒng)進(jìn)行了全套煙氣脫硫裝置的性能測(cè)試，脫硫效果達(dá)到99.3%，對(duì)脫硫市場(chǎng)起到了一定的示范作用。
杭州理想科技有限公司[8]在傳統(tǒng)的單塔雙循環(huán)裝置上進(jìn)行了改造，在原有的設(shè)備基礎(chǔ)上設(shè)置了地溝和沉定池，上循環(huán)系統(tǒng)和下循環(huán)系統(tǒng)分別于各自的地溝和沉淀池相連形成回路，每個(gè)循環(huán)里的有單獨(dú)的循環(huán)水路結(jié)構(gòu)，這種改造保證了脫硫裝置不結(jié)灰不結(jié)垢，延長(zhǎng)了單塔雙循環(huán)系統(tǒng)的使用壽命，可達(dá)20~30年。
江蘇峰業(yè)科技環(huán)保集團(tuán)股份有限公司[9]，在原有的單塔雙循環(huán)工藝的基礎(chǔ)上多脫硫塔由下至上依次對(duì)一級(jí)噴淋系統(tǒng)、雙循環(huán)隔板、二級(jí)噴淋系統(tǒng)和脫硫塔塔出口進(jìn)行了可調(diào)節(jié)設(shè)計(jì)的改進(jìn)，在不同位置設(shè)置雙回路環(huán)隔板，使設(shè)備可根據(jù)不同的脫硫條件及要求進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。這種設(shè)計(jì)不僅使脫硫煙氣滿足了電廠煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)的要求同時(shí)，解決了無(wú)法根據(jù)煤種的變化而改變吸收塔脫硫運(yùn)行方式使系統(tǒng)節(jié)能運(yùn)行的問(wèn)題，還降低了運(yùn)行成本，此改造還實(shí)現(xiàn)了吸收塔體系內(nèi)煙氣均勻分布，避免了壁流效應(yīng)帶來(lái)的煙氣逃逸引起的脫硫效率下降。
浙江大學(xué)的高翔[10]等人，對(duì)石膏法單塔雙循環(huán)工藝設(shè)備中的漿液池進(jìn)行了改造，設(shè)計(jì)了一種高效的單塔雙循環(huán)系統(tǒng)及方法，在循環(huán)系統(tǒng)中，石灰石漿液分別儲(chǔ)存在塔內(nèi)的主漿液池和塔外的副漿液池中，兩個(gè)漿液池通過(guò)管道進(jìn)行連接，形成多區(qū)pH控制雙循環(huán)系統(tǒng)，由于對(duì)兩個(gè)漿液池中的pH進(jìn)行分區(qū)控制，不同噴淋層漿液分別由兩個(gè)漿液池提供，高pH值漿液有利于SO2的吸收，實(shí)現(xiàn)脫硫系統(tǒng)的脫硫效率在99%以上，低pH值有利于亞硫酸鹽的氧化和石膏的結(jié)晶，提高了石膏脫水率和石膏純度。這種設(shè)計(jì)通過(guò)多區(qū)pH控制提高了脫硫效率。
廣州恒運(yùn)企業(yè)集團(tuán)的王國(guó)強(qiáng)[11]等人單塔雙循環(huán)的集液斗部分進(jìn)行了改造，在原有的積液斗設(shè)備上設(shè)計(jì)了導(dǎo)流板，并將其應(yīng)用在300MW燃煤鍋爐中，并在運(yùn)行中對(duì)單塔雙循環(huán)回路中的pH值、漿液密度等重要參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整，使得塔內(nèi)氣體經(jīng)集液斗整流后，氣流分布均勻，氣液接觸良好，減少了單循環(huán)中常遇到的死角，提高了塔內(nèi)空間的利用率]。
重慶市中電投遠(yuǎn)達(dá)環(huán)保工程有限公司的聶華[12]等人，將脫硫塔的上部分割為順流塔和逆流塔，順流塔上設(shè)置煙氣入口，逆流塔上設(shè)置煙氣出口，漿液池位于順、逆流塔下方，漿池上方為順、逆流塔的煙氣通道，以此實(shí)現(xiàn)在一個(gè)脫硫塔內(nèi)形成相對(duì)獨(dú)立的雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)，這種設(shè)計(jì)不僅保證了較高的脫硫效率（99%以上），還降低了循環(huán)漿液的用量和系統(tǒng)的能耗，并且降低了脫硫塔的高度，簡(jiǎn)化了雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。
四川的東方電氣集團(tuán)東方鍋爐股份有限公司的楊志忠[13]等人，開(kāi)發(fā)了一種順逆流雙循環(huán)裝置，不同于傳統(tǒng)的單塔雙循環(huán)裝置，吸收塔的下部被漿液隔板分隔成兩個(gè)獨(dú)立的循環(huán)池，設(shè)各有獨(dú)立的噴淋系統(tǒng)；吸收塔的上部被煙氣隔板分割成兩個(gè)獨(dú)立的煙道。煙氣經(jīng)過(guò)串連的氣路通過(guò)循環(huán)池。在脫硫過(guò)程中，控制兩級(jí)循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)pH值，提高了兩級(jí)煙氣SO2的吸收率和兩級(jí)脫硫副產(chǎn)物的氧化、結(jié)晶速率。這種設(shè)計(jì)提高了石膏法單塔雙循環(huán)脫硫技術(shù)的脫硫效率。
山東大學(xué)的董勇[14]等人對(duì)雙塔單循環(huán)中的集液斗進(jìn)行了改造，在原有的基礎(chǔ)上添加了葉柵結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)分為一級(jí)葉柵和二級(jí)葉柵，兩級(jí)葉柵交錯(cuò)布置形成俯視為環(huán)形的結(jié)構(gòu)，葉柵結(jié)構(gòu)的根部與集液斗相連，集液斗通過(guò)漿液回流管與脫硫塔外漿池相通。此設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，阻力損失小，氣液流場(chǎng)分布均勻，接觸效果好，強(qiáng)化了煙氣和漿液之間的氣液傳質(zhì)能力，促進(jìn)了SO2的吸收，提高了脫硫效率。此外，這種裝置可使集液裝置整體高度降低，上循環(huán)噴淋層安裝位置降低，進(jìn)而漿液循環(huán)泵的給水壓頭降低，系統(tǒng)設(shè)備投入減小，經(jīng)濟(jì)性提高。
3總結(jié)與展望
總體來(lái)說(shuō)，石膏法單塔雙循環(huán)脫硫技術(shù)是一種適用于不同煤種的煙氣脫硫、脫硫效率高、設(shè)備占地面積小、副產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)價(jià)值高的高性價(jià)比方法，它克服了單塔單循環(huán)技術(shù)因液氣比較高、漿池容積大，氧化風(fēng)機(jī)壓頭高的缺點(diǎn)。也克服了雙塔串聯(lián)工藝因設(shè)備占地面積大、系統(tǒng)阻力大和投資高的缺點(diǎn)，在雙塔串聯(lián)工藝的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，在降低了設(shè)備成本及占地空間的前提下，保證了脫硫質(zhì)量，提高了脫硫效率。將石膏法單塔雙循環(huán)脫硫技術(shù)應(yīng)用于2000MW及以上的對(duì)SO2排放要求較高的燃煤發(fā)電廠或其他含硫尾氣的脫硫項(xiàng)目中，尤其是脫硫增效改造項(xiàng)目，可以在低經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的前提下同時(shí)滿足環(huán)保要求，實(shí)現(xiàn)綠色產(chǎn)業(yè)要求，有較高的應(yīng)用前景。
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