濕法脫硫系統增效節能研究

李 超，劉建民，呂 晶

(東北電力科學研究院有限公司，遼寧 沈陽 110006)

近年來，隨著煙氣脫硫工藝的迅速發展，石灰石—石膏濕法煙氣脫硫工藝由于其適應范圍廣、工藝成熟、脫硫效率高、脫硫劑來源豐富且價格較低，已成為我國燃煤電廠的首選工藝。然而濕法脫硫在實際應用中，由于煤質變化、運行操作不當或其它因素的制約，往往達不到設計效果［1］。運行人員為保證二氧化硫達標排放，往往以犧牲運行成本為代價，盲目增大石灰石供漿量或增加漿液循環泵的運行數量，造成脫硫系統運行不經濟。在脫硫系統的設計不能更改的前提下，為保證脫硫效率，實現脫硫系統節能運行，投加有機酸是一種可行的方式。

該研究結合實驗室和工業試驗兩部分，首先在實驗室進行石灰石活性試驗，采用效果最好的有機酸進行工業應用試驗。工業試驗是在康平電廠600 MW機組石灰石—石膏濕法脫硫系統進行，其研究目的是確定有機酸工業應用的最佳投加量及對脫硫效率的影響，找到不同工況條件下的最佳漿液循環泵組合方式［2］，指導脫硫運行，實現脫硫系統的經濟節能運行。

1 有機酸強化脫硫反應機理

通過查閱國內外相關資料，得知使用含有有機酸的CaCO3溶液進行吸收SO2時，主要需考慮以下幾個主要反應［3］。

式中 H2A——有機酸;

圖1 石灰石—石膏法工藝有機酸強化石灰石和SO2傳質機理示意圖

AH－、A2－——有機酸水解產生的離子;

aq、s、l——分別代表氣相、固相和液相。

整個反應過程涉及氣—液、液—液、液—固3個相間過程，為便于理解有機酸優化脫硫反應機理，整個反應過程如圖1所示。

由圖1可見，在氣相表面和液膜中，溶解的SO2與水按式 (1)反應離解出H+;在液膜和液相主體邊界，AH－與 H+按式 (2)反應生成H2A(aq)，使H+被傳遞到液相主體，液膜中H+濃度的降低加速了式 (1)平衡向右移動，從而促進了SO2的溶解，提高了脫硫效率;在固相和液膜中，式(4)溶解的與式(3)離解的H+按式(5)反應生成;在液相主體，H+與按式 (6)反應生成CO2和H2O，液相主體中濃度的降低，分別使式(5)和式(6)平衡向右、向左移動，從而促進了CaCO3的溶解。

由此可見，有機酸的存在，強化了H+由氣相向固相的傳遞，同時促進了SO2和CaCO3的溶解，加速了SO2的化學吸收，提高了脫硫效率。

2 實驗室石灰石活性試驗

在實驗室以康平電廠的石灰石為研究對象，采用濃度為3%的己二酸、乙二酸和檸檬酸3種有機酸進行石灰石活性研究。3種有機酸對石灰石活性提高情況如圖2所示。

圖2 3種有機酸對石灰石活性影響曲線

由圖2可見，投加有機酸后，隨著鹽酸滴加量的增大，石灰石溶解的速度越來越快。在轉化分數為50%時，投加3種有機酸比不投加有機酸前石灰石溶解時間不同程度縮短。其中，投加己二酸后，石灰石溶解時間縮短最多，可縮短1 200 s，檸檬酸和乙二酸效果相對較差，分別可縮短石灰石溶解時間約700 s和500 s。說明己二酸對石灰石活性提高效果最好，因此，選定己二酸進行進一步工業應用研究。

3 己二酸實現脫硫系統增效節能

3.1 己二酸最佳投加量

同一工況下，脫硫效率隨己二酸投加量的變化如圖3所示。

圖3 脫硫效率隨己二酸投加量的變化

由圖3可見，加入不同量的己二酸后，原煙氣SO2濃度脫硫效率均有不同程度提高。隨著己二酸投加量的增加，脫硫效率相應提高，己二酸與石灰石的質量比為0．25%和0．3%時比為0．2%時提高的幅度大。當己二酸與石灰石質量比由0．25%上升為0．3%時，脫硫效率增加的幅度較小，而且在不同的原煙氣SO2濃度下，0．3%時的脫硫效率比0．25%時還低。從經濟性考慮，己二酸與石灰石質量比為0．25%即可達到較好的脫硫效率，綜合經濟和技術因素，確定己二酸與石灰石的最佳質量比為 0．25%。

由圖3還可看出，隨著原煙氣SO2濃度的增加，脫硫效率下降幅度較快。不投加己二酸時，原煙氣SO2濃度由2 600 mg/Nm3增至3 500 mg/Nm3時，脫硫效率由94．5%下降到90．5%，脫硫效率下降了4%。而投加己二酸后，原煙氣SO2濃度由2 600 mg/Nm3增至3 500 mg/Nm3時，脫硫效率由98．0%下降到95．5%，脫硫效率僅下降2．5%。這是因為己二酸的加入加強了傳質反應，在原煙氣SO2濃度較高時，減緩了脫硫效率的下降速度。

3.2 己二酸實現脫硫系統增效運行

康平電廠600 MW機組脫硫系統有3臺漿液循環泵，在不同工況條件下，漿液循環泵的組合方式不同，脫硫效率也不同。投加己二酸后，不同工況條件及漿液循環泵組合方式下，己二酸對脫硫效率的影響如表1所示。

表1 不同工況條件及漿液循環泵組合方式下己二酸對脫硫效率的影響

由表1可見，不同工況條件和漿液循環泵組合方式下，通過投加己二酸可穩定提高脫硫效率2%以上。在機組負荷很高時，脫硫效率提高最明顯，原煙氣SO2濃度在3 400～3 600 mg/Nm3時，投加己二酸后脫硫效率可由93．6%上升到96．5%，脫硫效率增加2．9%。由有機酸強化脫硫反應的機理可知，有機酸的存在強化了H+的傳遞，提高石灰石的反應速率，降低反應鈣硫化，減小了液氣比和水分的蒸發。

由于己二酸僅對脫硫工藝起到強化傳質作用，因此，受脫硫系統設計的制約，己二酸對脫硫效率的提高可維持的最大工況條件是系統Ca/S接近1。脫硫系統原始設計 Ca/S一般在1．025～1．03，己二酸的作用是讓脫硫系統Ca/S最大限度接近1，即石灰石全部有效利用。因此，己二酸作用的最大工況條件為原煙氣SO2質量濃度增大至系統額定最大石灰石供漿出力，即系統實際Ca/S為1。

3.3 己二酸實現脫硫系統節能運行

投加己二酸后，強化了脫硫反應，提高了脫硫效率，為實現脫硫系統節能運行提供了條件。脫硫系統節能運行是在維持一定脫硫效率和凈煙氣SO2濃度的前提下，優化漿液循環泵組合，減少運行成本，實現脫硫系統經濟運行。在同一工況條件，維持一定脫硫效率的前提下，可通過減少漿液循環泵運行臺數或優化漿液循環泵組合的方式，減小系統液氣比和設備運行電耗，實現系統的經濟運行［4］。

投加己二酸前后，康平電廠不同工況條件下的漿液循環泵組合方式及系統液氣比變化情況如表2所示。由表2可見，投加己二酸后，不同工況條件下漿液循環泵的組合方式發生了很大變化。在機組負荷為450～600 MW、原煙氣SO2濃度為3 400～3 600 mg/Nm3時，投加己二酸后，漿液循環泵可由投加己二酸前的3臺泵同時運行變為1號、3號泵運行，每小時可省電852 kWh，液氣比減小30%。

當系統處于較高負荷和較低負荷時，液氣比分別可減小30%和50%。

當機組負荷在340～450 MW、原煙氣SO2濃度為3 000～3 400 mg/Nm3時，投加己二酸后漿液循環泵可由投加己二酸前2臺泵運行的3種組合方式，變為統一采取1號、2號泵運行，即2臺小泵運行，每小時省電62～166 kWh。

在機組處于低于340 MW的低負荷運行、原煙氣SO2濃度小于2 800 mg/Nm3時，投加己二酸后，可采取1臺泵運行的方式，即只采取3號泵運行的方式，每小時可省電914 kWh，較投加己二酸前約省電55%，效果顯著。單臺泵運行也實現了在較低液氣比的情況下脫硫系統的穩定運行。投加己二酸后，2臺泵改為單臺泵脫硫效率變化情況如表3所示。

表2 投加己二酸前后康平電廠漿液循環泵組合方式及液氣比變化情況

表3 2臺泵改為單臺泵脫硫效率變化情況

4 脫硫系統節能運行經濟效益計算與分析

成本計算依據［5］:康平電廠600 MW機組上網電價以0．3元/kWh計，石灰石價格以230元/t計，脫硫系統年運行小時以6 000 h計，己二酸價格以17 500元/t計，石膏的價格很低，不列入脫硫成本計算中。

己二酸用量:單臺600 MW機組首次用量在1 t左右。首次投加后，在脫硫系統運行過程中，由于己二酸隨脫硫廢水及煙氣帶水等因素有所損耗，應進行相應的補充，通過計算和實際觀察，600 MW機組脫硫系統運行中的加藥量為40 kg/d。

投加己二酸后，優化了不同工況條件下的漿液循環泵組合方式，節省了脫硫系統的運行成本，不同工況條件運行費用不同。主要分析電廠實際運行中最典型的2種情況:機組全年負荷均勻波動，各負荷段時間分布相同;機組全年處于大負荷。

a． 脫硫系統年運行6 000 h，其中450～600 MW、400～450 MW、340～400 MW、340 MW 以下負荷分別以1 500 h計時，經濟效益分析如表4所示。

表4 脫硫系統運行參數優化前后經濟效益對比

由表4可見，當機組全年負荷均勻波動時，投加己二酸后，脫硫系統年運行成本可減少107．9萬元，其中電耗減少幅度較大，每年可減少79．47萬元。投加己二酸后，脫除每t SO2的相對成本減少了33．4元，經濟效果顯著。

b． 機組全年6 000 h運行負荷均為450～600 MW、原煙氣SO2濃度為3 400～3 600 mg/Nm3時，經濟效益分析如表5所示。

表5 大負荷工況下脫硫系統優化前后經濟效益對比

由表5可見，當機組全年處于大負荷運行時，投加己二酸后，脫硫系統總成本每年可減少205．2萬元，其中電耗每年可減少153．36萬元，石灰石運行費用每年可減少61．09萬元，脫除每t SO2的相對成本減少了49．84元。由表2可見，在大負荷工況下，維持脫硫效率在92%時，投加己二酸后，漿液循環泵可由投加己二酸前的3臺泵運行變為1號、3號泵運行，節省了運行電耗，當機組全年處于較低負荷運行時，由于系統只運轉3號泵，脫硫系統的運行成本也大幅減少。

在機組處于較高和較低負荷時，節能空間最大，投加己二酸后，脫硫系統節能效果最顯著。

5 結論

a． 實驗室研究表明，己二酸、乙二酸、檸檬酸對石灰石的活性提高均有促進作用。己二酸對石灰石活性的提高效果最好，可縮短石灰石溶解時間1 200 s，檸檬酸次之，乙二酸效果最差，分別可縮短石灰石溶解時間約700 s和500 s。

b． 工業試驗研究表明，當己二酸與石灰石的質量比為0．25%時，對脫硫效率的提高效果最佳。投加己二酸后，不同工況條件下的脫硫效率可穩定提高2%以上。

c． 通過投加己二酸，優化了系統漿液循環泵的組合方式，減少了系統運行電耗，同時減小液氣比，實現了脫硫系統的節能優化運行。

d． 投加己二酸后，康平電廠600 MW機組全年負荷按均勻分配時，每年可減少運行成本107．9萬元，脫除每t SO2成本減少33．4元。全年按大負荷運行時，每年可減少運行成本205．2萬元，脫除每t SO2成本減少49．84元，經濟效益顯著。

e． 通過實驗室石灰石活性研究，選定己二酸作為工程應用研究對象，但缺少其它有機酸在工程應用上的數據，建議補充其它常用有機酸對脫硫系統影響的數據，以優選有機酸，實現脫硫系統節能最大化。

f． 不同機組脫硫系統在不同工況條件下，己二酸的最佳投加量不同。在實際工程應用中，應根據電廠脫硫系統實際運行情況，重新摸索己二酸的投加方式，以充分完善數據，科學應用研究成果實現脫硫系統節能運行。

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［2］ 李忠波，金 巖．某電廠600 MW機組節能潛力淺析 ［J］．東北電力技術，2011，32(5):34－37．

［3］ 吳忠標，余世清，莫建松．己二酸強化石灰石漿液脫硫工藝過程研究［J］．高校化學工程學報，2003，17(5):540－544．

［4］ 顧金芳，茅 睿，林 偉．脫硫系統優化運行研究 ［J］．華東電力，2008，36(8):35－39．

［5］ 戴永陽，舒英鋼，葛介龍，等．濕法煙氣脫硫系統運行經濟分析 ［J］．電力環境保護，2009，25(2):47－50．

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