吸收塔入口煙氣參數對石灰石—石膏濕法脫硫效率的影響

曹 洋，趙建業，劉軍輝，陳麗娜

(1.山東省華聚能源濟二礦電廠，山東 濟寧 272000；2.山東省華聚能源趙樓電廠，山東 鄆城 274700)

伴隨著我國經濟的發展，對煤炭能源的需求量日益增加，我國是為數不多的以煤炭為主要能源的國家，占比達到了能源結構的68%，消費比重非常高。而我國仍將長期處于工業化的快速發展階段，煤炭的需求將會與日俱增。雖然國家提倡引入清潔能源，積極改變能源消費結構，但是煤炭資源作為主導能源的地位短期內不會動搖[1]。

煤炭資源的優點是儲量高，價格低，易于能量的轉化，但是在燃燒過程中所產生的硫化物、氮氧化物、粉塵等是不容忽視的，給我國環境保護帶來了巨大的生態危害[2]。尤其是污染物中的SO2，主要造成的生態危害是酸雨，酸雨對經濟的危害是顯而易見的。為了防治SO2和酸雨的污染，國家環?？偩职l布了一系列的政策，遏制SO2排放量增長的勢頭。因此在不改變煤炭作為主要能源結構的前提下，提高SO2脫除率具有戰略意義。而濟二礦電廠積極響應國家政策，不斷對現有的設備進行技術改造，SO2的排放量逐年降低，既完成了全年的發電任務，也保證了環保參數年年達標。

濟二礦電廠屬于火力發電廠，煤炭是我國主要的燃料資源。目前濟二礦電廠引進的濕法脫硫技術裝置承擔了SO2污染氣體排放治理工作，濕法脫硫方面，濟二礦電廠采用石灰石—石膏濕法脫硫運行技術[3]，其脫硫效率能達到90%～95%。脫硫流程是：從鍋爐管道內排放的煙氣經除塵系統脫灰后從煙道處進入吸收塔，石灰石漿液經漿液循環泵打入塔內，煙氣逆流與石灰石漿液發生化學反應，第一步初產物是CaSO3；初產物與氧化風機打入塔內的氧氣發生進一步反應，生成石膏(CaSO4·2H2O)；再對含水量較高的石膏進行脫水處理。脫水后的石膏運送出廠銷售。而煙氣經除霧器脫除霧滴并凈化后由凈煙道排入大氣[4-5]。

在實際運行中，脫除SO2這一關鍵步驟受到多種因素的影響，其中主要是吸收塔的入口煙氣參數，這些參數主要包含煙氣溫度、流速，吸收塔進口處煙氣中SO2濃度以及打入吸收塔內的氧氣量等。本文主要根據濟二礦電廠實際情況分析這些因素對脫硫效率的影響。

1 煙氣溫度的影響

吸收塔內的脫硫反應屬于放熱反應，溫度過高不利于脫除SO2化學反應的運行，見圖1。由圖1可見，該脫硫系統設置有GGH(煙氣換熱器)，當入口煙氣溫度在50 ℃的時候，脫硫效率最大；隨著入口煙氣溫度的增加，脫硫效率降低。而在濟二礦電廠，過熱的煙氣一旦進入吸收塔，而塔內并沒有溫度檢測裝置，運行人員通過除霧器噴淋或者是工藝水沖洗來達到使GGH雙向換熱的效果，最終使下游煙道煙氣溫度維持在設計值95 ℃左右，從而保證吸收塔內煙氣溫度在50 ℃左右。此外，過熱的煙氣進入塔內，塔內的設備也存在被高溫損害的風險。

圖1 吸收塔入口煙氣溫度對脫硫效率的影響

經過GGH系統后，煙氣溫度太低(低于露點)時，也會降低SO2的吸收速率，并會帶來煙道腐蝕等問題。一般要求煙氣溫度高于露點(約60 ℃)10～20 ℃，以避免煙道腐蝕。在本廠運行中，當煙氣溫度遠低于露點時，會增大風機出力，縮短煙道、風機的壽命，增大設備折舊成本，影響環境和經濟效益[6]。

2 煙氣流速的影響

在其他參數不變的情況下(吸收塔內的pH為5.5～5.9)，煙氣流速變大，可以增強煙氣與石灰石漿液之間的流動，減弱進塔煙氣與塔內石灰石漿液之間膜的厚度，加強氣液傳質。另外，進入塔內的煙氣流速變大，而液滴的降落速度減慢，二者之間存在一定的速度差，在體積一定時，持液量增大，消耗了更多SO2，相對提高了脫硫效率[7]。但隨著時間的延長，塔內石灰石粉的溶解度有限，并逐漸消耗完。此時塔內的SO2含量處于較多的優勢，pH的降低又會減弱石灰石的溶解度，較多的反應劑顆粒析出，進一步阻礙脫硫反應的進行。因此可以得出以下結論：提高煙氣的流速，可以在一定程度上增加SO2的反應速率，但流速不能無限制增大，煙氣流速過大時，反而增加了設備的負擔，也不利于設備維護和成本控制。因此，本電廠吸收塔內入口煙氣的流速一般控制在3～5 m/s[8-9]。

3 吸收塔內SO2濃度的影響

假定在pH恒定、含硫燃料品質穩定的情況下，當吸收塔內入口SO2濃度上升，在漿液密度值及質量不變的情況下，更有利于脫硫反應的發生。但在本廠實際運行中，SO2濃度的增加對脫硫效率的影響并不是一直穩步上升，而是呈現駝峰式的上升趨勢。

在鈣硫摩爾比一定的條件下(本廠采用1.03)，煙氣中的SO2濃度較低時，通過檢測，吸收塔出口SO2濃度與進口SO2濃度相比降幅不明顯，脫硫效率偏低，會造成部分石灰石粉不參加反應，增大了生產成本。而如果SO2濃度過高，來不及完全反應，漿液添加不及時，就會有排放超標的風險。在其他因素完全不變的情況下，隨著吸收塔入口處SO2濃度的逐漸增大，其脫硫效果也逐漸增大，但最終會產生一個最大值，即脫硫峰值。當超過此數值時，脫硫效率反而隨濃度的增加而逐漸降低，見圖2。

圖2 吸收塔入口處SO2濃度對脫硫效率的影響

4 煙氣中氧氣濃度的影響

但是并非煙氣中的O2濃度越高越好。如果煙氣中O2濃度過高，則意味著系統漏風嚴重，進入吸收塔內的煙氣量會大幅增加，煙氣在塔內的停留時間減少，導致反應不充分。通常吸收塔內的含氧量保持在5%～6%為最佳[10]。如過量鼓入氧氣，會增加工藝水及氧化風機的負擔，使得管路過熱，設備磨損。在實際運行中，完全沒有過分增大氧氣含量的必要。

圖3 煙氣含氧量與脫硫效率的關系

5 煙氣含塵濃度的影響

煙氣中的粉塵一般指來自于鍋爐爐膛內的飛灰，這是燃煤發電廠難以避免的問題。飛灰濃度的高低與煤種、燃燒情況、燃料厚度均有關。在脫硫系統中，煙氣經過除塵器除灰之后，飛灰濃度仍然較高，一般為50～200 mg/m3。經煙道進入反應塔后，煙氣中絕大部分的飛灰會沉降至漿液中，直接影響了石灰石的溶解度，導致漿液的pH降低，不利于SO2的反應。同時，鍋爐飛灰中的重金屬也會干擾脫硫反應的進行，減弱脫硫效果。而在本廠，由于倉泵運行出力均較弱，進塔的飛灰比例很高，漿液一般呈現深褐色。飛灰含量高還會降低最終石膏產物的純度及品相，如果石膏灰分高，儲存時容易吸收水分，不利于石膏的儲存加工和運輸。另外塔內飛灰濃度過高，也使石膏脫水系統各管路出口處頻繁堵塞。而飛灰中的重金屬還需要進一步采用廢水處理，否則若進入吸收塔內循環系統，會使漿液產生中毒現象，嚴重影響脫硫效果。因此運行過程中要嚴格控制煙氣中的粉塵量不高于200 mg/m3，以降低煙氣含塵濃度對脫硫效率的影響[11]。

6 影響脫硫效率各種因素的合理控制方案

為保證脫硫系統的高效運行，在電廠運行中需合理控制以下因素。

(1)煙氣溫度。為降低煙氣溫度，以利于吸收塔中SO2的吸收，合理的脫硫系統應使煙氣先經過GGH降溫后再進入吸收塔，一般為50 ℃左右。吸收塔出口煙氣再經過煙氣再熱器升溫后，進入煙囪排入大氣。

(2)煙氣流速。煙氣流速的增大可降低循環泵的出力。但是，煙氣流速的增大也會造成吸收液溢出和煙氣含水量增加，從而增加除霧器的負擔。此外煙氣流速太大，容易造成SO2反應不充分，增加石灰石粉投入量，不利于環境保護等。對于噴淋型吸收塔，煙氣流速宜控制在3～5 m/s。

(3)吸收塔入口煙氣SO2濃度。隨著吸收塔入口煙氣SO2濃度的增加，在塔內漿液pH不變的情況下，易造成脫硫效率下降。因此，實際運行中應根據吸收塔入口煙氣SO2濃度，及時調整吸收液的pH，目前運行中采用及時添加石灰石漿液來控制pH，以保證脫硫效果。

(5) 減少煙氣中的飛灰。煙氣中粉塵含量持續超過設計允許量，會使脫硫效率下降，會使漿液循環泵等多處噴頭堵塞。因此要使濕法煙氣脫硫系統入口處的粉塵濃度小于200 mg/m3。要達到此要求，應在脫硫系統前安裝性能可靠、除塵效率較高的除塵設備。

石灰石—石膏濕法煙氣脫硫工藝脫硫效率高，生產成本低，材料易得，成為了國內主流的脫硫方式。濟二礦電廠脫硫裝置的實際應用表明，通過改變煙氣的參數進而提高SO2的脫除率，降低SO2的總排放量是可行的，但目前仍然有問題需要進一步研究。在實際運行中，各方面生產干擾因素需要一一納入考量范圍。因此在實際生產運行中，要盡可能在工藝設計和設備選型上進行優化建設，以達到最高脫硫效率和最低的生產成本雙重目的。脫硫技術仍然是需要不斷的前人經驗積累，后人大膽創新，不斷開發自主技術，真正開辟一條屬于我國國情的經濟環保之路。