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)上逐步進行改進，克服了其效率低，能耗高的缺點，并降低了尾氣中SO2含量，滿足了最新的排放標準。本文對單塔雙循環(huán)技術(shù)的脫硫機理、發(fā)展進程及研究現(xiàn)狀進行了介紹，同時對石膏法單塔雙循環(huán)脫硫技術(shù)的發(fā)展趨勢進行了展望。
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
當今大氣污染問題已經(jīng)被列為全球性十大環(huán)境問題之首，其中，SO2污染被列為首位[1]。SO2是一種無色氣體，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。目前世界各國都把大氣中的SO2濃度作為衡量大氣污染程度的重要指標之一。大氣中的SO2主要來自于硫酸廠的尾氣、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，因此燃燒時會生成二氧化硫。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的排放量約占全國排放總量的50%左右[2]。雖然我國對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)國家環(huán)保部門等統(tǒng)計，2013年，全國總SO2排放量仍高達2278.6萬t，其中電力行業(yè)排放約1124萬t，居世界首位。
國務(wù)院印發(fā)的[2013]37號《大氣污染防治行為計劃》第一條明確指出：要加快重點行業(yè)脫硫、硫硝、除塵改造工程建設(shè)。在2013年發(fā)布的第14號《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)電機組在“十三五”期間，ρ(SO2)都必須達到50mg/Nm3以下的排放標準[3]。所以，今后電廠煙氣脫硫效率的提高也越來越緊迫，目前已開發(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：（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；（4）機組負荷變化適應(yīng)性強；（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)的吸收劑來源豐富、成本低廉、效率高、運行可靠（停機率小于3%）、適用范圍廣、技術(shù)成熟、副產(chǎn)物具有經(jīng)濟效益等優(yōu)勢，故被逐步推廣，成為國際上應(yīng)用最廣泛的脫硫技術(shù)，占有重要的市場地位。截止到2010年底，我國燃煤電廠煙氣脫硫容量達到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)濟方面所表現(xiàn)出的優(yōu)勢，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介
較為簡單的典型石灰石-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進行氧化反應(yīng)生成CaSO4，CaSO4達到飽和后，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%，然后送至石膏貯倉堆放；脫硫后的尾氣經(jīng)過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介
目前，為了達到更高效的脫硫目的，傳統(tǒng)的單塔單循環(huán)技術(shù)通過增加噴淋層數(shù)來提高效率，從而不斷增加吸收塔的高度，這種方法的經(jīng)濟性較差。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)濟上的雙重問題，開發(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)相當于煙氣通過了兩次獨立的SO2脫除過程，煙氣自吸收塔下方進入，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，再通過集液斗的導(dǎo)流葉片進入上循環(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、下個兩循環(huán)回路。下循回路由漿液池、一級循環(huán)泵、一級噴淋層等組成；上循環(huán)回路由集液斗、吸收區(qū)加料槽、二級循環(huán)泵、上噴淋層組成。兩級循環(huán)分別設(shè)有獨立的循環(huán)漿池，噴淋層，根據(jù)不同的功能，每級循環(huán)具有不同的運行參數(shù)。
脫硫一級循環(huán)，此級循環(huán)的脫硫效率一般在30-70%，循環(huán)漿液PH控制在4.6-5.3，漿液停留時間在4分鐘左右，此級循環(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)晶時間，根據(jù)資料顯示，在酸性環(huán)境下PH=4.5時，氧化效率是最高的。特別是對于高硫煤，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機的電耗，同時還可以大大提高石膏品質(zhì)。
經(jīng)過一級循環(huán)的煙氣直接進入二級循環(huán)，此級循環(huán)實現(xiàn)主要的脫硫洗滌過程，由于不用考慮氧化結(jié)晶的問題，所以PH值可以控制在非常高的水平，達到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下脫硫工藝的需求，國內(nèi)外各大脫硫公司都在積極引進和研發(fā)單塔雙循環(huán)脫硫工藝。
德國諾爾公司開發(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)濟性高，主要適用于含硫量較高的煤種，其脫硫效率達到97%以上，并對含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)濟上的優(yōu)勢，得到了廣泛的關(guān)注。
國電龍源引進德國諾爾的單塔雙循環(huán)技術(shù)，并將此技術(shù)第一次運用在國內(nèi)項目廣州恒運熱力電廠有限責任公司[7]上，此項目是在原有脫硫塔的基礎(chǔ)上進行改造，設(shè)計了國內(nèi)第一臺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。此項目在75%和100%負荷（煙氣流量）的情況下對脫硫系統(tǒng)進行了全套煙氣脫硫裝置的性能測試，脫硫效果達到99.3%，對脫硫市場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，每個循環(huán)里的有單獨的循環(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，延長了單塔雙循環(huán)系統(tǒng)的使用壽命，可達20~30年。
江蘇峰業(yè)科技環(huán)保集團股份有限公司[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一級噴淋系統(tǒng)、雙循環(huán)隔板、二級噴淋系統(tǒng)和脫硫塔塔出口進行了可調(diào)節(jié)設(shè)計的改進，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行相應(yīng)的優(yōu)化。這種設(shè)計不僅使脫硫煙氣滿足了電廠煙氣排放標準的要求同時，解決了無法根據(jù)煤種的變化而改變吸收塔脫硫運行方式使系統(tǒng)節(jié)能運行的問題，還降低了運行成本，此改造還實現(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，對石膏法單塔雙循環(huán)工藝設(shè)備中的漿液池進行了改造，設(shè)計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，石灰石漿液分別儲存在塔內(nèi)的主漿液池和塔外的副漿液池中，兩個漿液池通過管道進行連接，形成多區(qū)pH控制雙循環(huán)系統(tǒng)，由于對兩個漿液池中的pH進行分區(qū)控制，不同噴淋層漿液分別由兩個漿液池提供，高pH值漿液有利于SO2的吸收，實現(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)計通過多區(qū)pH控制提高了脫硫效率。
廣州恒運企業(yè)集團的王國強[11]等人單塔雙循環(huán)的集液斗部分進行了改造，在原有的積液斗設(shè)備上設(shè)計了導(dǎo)流板，并將其應(yīng)用在300MW燃煤鍋爐中，并在運行中對單塔雙循環(huán)回路中的pH值、漿液密度等重要參數(shù)進行了調(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]。
重慶市中電投遠達環(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，以此實現(xiàn)在一個脫硫塔內(nèi)形成相對獨立的雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)，這種設(shè)計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，簡化了雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)的設(shè)計。
四川的東方電氣集團東方鍋爐股份有限公司的楊志忠[13]等人，開發(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獨立的循環(huán)池，設(shè)各有獨立的噴淋系統(tǒng)；吸收塔的上部被煙氣隔板分割成兩個獨立的煙道。煙氣經(jīng)過串連的氣路通過循環(huán)池。在脫硫過程中，控制兩級循環(huán)系統(tǒng)內(nèi)pH值，提高了兩級煙氣SO2的吸收率和兩級脫硫副產(chǎn)物的氧化、結(jié)晶速率。這種設(shè)計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]等人對雙塔單循環(huán)中的集液斗進行了改造，在原有的基礎(chǔ)上添加了葉柵結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)分為一級葉柵和二級葉柵，兩級葉柵交錯布置形成俯視為環(huán)形的結(jié)構(gòu)，葉柵結(jié)構(gòu)的根部與集液斗相連，集液斗通過漿液回流管與脫硫塔外漿池相通。此設(shè)計簡單，阻力損失小，氣液流場分布均勻，接觸效果好，強化了煙氣和漿液之間的氣液傳質(zhì)能力，促進了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)濟性提高。
3總結(jié)與展望
總體來說，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)濟價值高的高性價比方法，它克服了單塔單循環(huán)技術(shù)因液氣比較高、漿池容積大，氧化風機壓頭高的缺點。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，在雙塔串聯(lián)工藝的基礎(chǔ)上進行改造，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目中，尤其是脫硫增效改造項目，可以在低經(jīng)濟運行的前提下同時滿足環(huán)保要求，實現(xiàn)綠色產(chǎn)業(yè)要求，有較高的應(yīng)用前景。
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