篩板塔煙氣濕法脫硫工藝的研究

孫陟，擺玉芬

（新疆天富環(huán)保科技有限公司，新疆 石河子 832000）

1 引言

我國煤炭資源豐富，在未來很長一段時間內，火力發(fā)電仍然是發(fā)電行業(yè)的主力軍，燃煤電廠在生產(chǎn)過程中，會產(chǎn)生大量硫氧化物、氮氧化物及粉塵，是造成大氣污染的主要原因之一[1]。2014年我國的SO2排放量為1974.4萬t，其中電力行業(yè)SO2排放量占全國SO2排放量的31.4%[2]，SO2不僅會直接威脅人體健康，造成酸雨，同時也是PM2.5的重要前體物。由此可見，燃煤電廠硫氧化物的排放控制對硫氧化物排放總量的控制具有關鍵性作用。石灰石-石膏濕法脫硫技術由于技術成熟、吸收劑來源廣泛、煤種適應性強等優(yōu)點被火電廠及鋼鐵廠廣泛應用[3]。在煙氣脫硫系統(tǒng)中，吸收塔是最為核心的設備，塔內的氣液傳質效果決定了系統(tǒng)的脫硫效率，根據(jù)其吸收塔結構不同，可分為以下幾種：

（1）噴淋塔。噴淋塔是最早采用的脫硫反應裝置，其優(yōu)點是塔內部構件少，能避免結垢堵塞問題，壓力損失小；缺點是系統(tǒng)電耗高，脫硫塔高度大，導致整個系統(tǒng)投資和運行費用較高[4]。

（2）填料塔。填料塔是一種廣泛使用的氣液傳質設備，但由于填料塔內部容易結垢堵塞，現(xiàn)在已很少使用[5]。

（3）鼓泡塔。鼓泡塔的工藝與噴淋塔相反，其液態(tài)吸收劑是連續(xù)相，而煙氣為分散相，因此鼓泡塔能在低pH下獲得較高的脫硫效率[6]，并且有利于石膏結晶，石膏品質較好；但其單塔占地面積較大，系統(tǒng)壓降也較噴淋塔大。

（4）篩板塔。篩板塔在正常運行時，液體自上而下橫向通過各層塔板后由塔底流出，而煙氣則經(jīng)布在塔板上的開孔由下而上穿過各層塔板由塔頂排出。篩板塔不僅結構簡單，清洗方便，不易堵塞，還可降低濕法煙氣脫硫成本。

石灰石-石膏濕法脫硫工藝雖然脫硫效率高，系統(tǒng)運行穩(wěn)定，但仍存在設備腐蝕嚴重、石灰石用量較大等問題，需進一步完善。隨著燃煤電廠對煙氣濕法脫硫裝備性能要求的不斷提高，尤其是火電污染物排放標準不斷嚴格，眾多學者在脫硫塔流場優(yōu)化及濕法脫硫機理等方面開展了大量工作，包括添加劑促溶增效、脫硫系統(tǒng)運行優(yōu)化等，降低投資費用、提高脫硫效率仍是濕法煙氣脫硫技術的未來發(fā)展方向[7、8]。張軍等[9]人對篩板塔細顆粒物協(xié)同脫除特性進行研究，證實在相同條件下，篩板塔對細顆粒物的脫除效果顯著高于噴淋塔，篩板持液層近似鼓泡，氣液擾動強烈，促進了部分顆粒的團聚長大，強化了細顆粒物的脫除。張衛(wèi)峰[10]探討不同脫硫添加劑對脫硫效率的影響，發(fā)現(xiàn)加入一定的有機或無機添加劑，能提高脫硫吸收劑的利用率，減少石灰石的耗量，從而降低濕法FGD的運行成本[10]。 因此，本文建立了篩板塔煙氣濕法脫硫實驗平臺，主要用于濕法燃煤煙氣脫硫工藝中各參數(shù)的相互影響研究，分析pH、粉塵濃度、脫硫添加劑對于篩板塔脫硫效率的影響，探討篩板對脫硫漿液氧化的促進作用，實驗結果將為吸收塔的優(yōu)化設計提供理論依據(jù)。

2 實驗條件及裝置

2.1 實驗裝置

實驗主要用于對濕法燃煤煙氣脫硫工藝中篩板塔各參數(shù)的相互影響研究，如圖1所示，整個脫硫裝置由篩板塔、漿液槽、循環(huán)泵、攪拌器、風機等組成。風機的風量為500m3/h，通過風機進出口閥門可調控風量在100～400m3/h范圍；循環(huán)泵的流量為3m3/h，經(jīng)泵出口管道閥門，可將漿液流量調節(jié)在0.5～3m3/h；篩板塔采用四層孔板布液，每層孔板的設計托液高度為5cm，并在每層篩板上方設置檢測孔來檢測經(jīng)過每層篩板后煙氣的濃度；SO2和粉塵在風機入口負壓最大處加入，經(jīng)過風機葉輪和入口煙道的充分混合后進入篩板塔與漿液接觸反應。

2.2 實驗儀器及藥品

TESTO煙氣分析儀，電子分析天平，大氣采樣儀，電爐，石灰石（30 0目通過率為85%），己二酸（AR）。

圖1 篩板塔煙氣脫硫系統(tǒng)

2.3 pH對篩板塔脫硫效率的影響

在體積為1m3的塔釜中配置石膏濃度為10%的脫硫漿液，在攪拌的條件下加入石灰石脫硫劑，調節(jié)pH至6.0，開啟氧化風、循環(huán)泵調整好液氣比，同時通入SO2氣體調節(jié)混合煙氣中的SO2濃度，測定不同篩板層檢測孔處的煙氣濃度，計算脫硫效率。實驗過程中通過不斷添加石灰石穩(wěn)定漿液的pH，煙氣風量為200m3/h，液氣比為5L/m3。

2.4 脫硫添加劑對篩板塔脫硫效率的影響

在體積為1m3的塔釜中配置石膏濃度為10%的脫硫漿液，在攪拌的條件下加入石灰石脫硫劑，向漿液中加入脫硫添加劑己二酸，加入濃度為0.1g/L，調節(jié)pH至6.3，開啟氧化風、循環(huán)泵調整好液氣比并通入SO2氣體調節(jié)混合煙氣中的SO2濃度，測定不同篩板層檢測孔處的煙氣濃度，計算脫硫效率，并確定脫硫添加劑的最佳用量。

2.5 粉塵濃度對篩板塔脫硫效率的影響

在體積為1m3的塔釜中配置石膏濃度為10%、粉塵直接加在漿液中，在攪拌的條件下加入石灰石脫硫劑，調節(jié)pH至5.3，開啟氧化風、循環(huán)泵調整好液氣比并通入SO2氣體調節(jié)混合煙氣中的SO2濃度，測定不同篩板層檢測孔處的煙氣濃度，計算脫硫效率。實驗過程中通過不斷添加石灰石穩(wěn)定漿液的pH，煙氣風量為200m3/h，液氣比為5L/m3。

將粉塵濃度分別配置為：0.5g/L、2.0g/L、5.0g/L，其他條件不變重復上述實驗，研究粉塵濃度對篩板塔脫硫效率的影響。

2.6 粉塵對各篩板層脫硫效率的影響

在體積為1m3的塔釜中配置石膏濃度為10%、粉塵由風機入口處加入，在攪拌的條件下加入石灰石脫硫劑調節(jié)pH至5.3，開啟氧化風、循環(huán)泵調整好液氣比并通入SO2氣體調節(jié)混合煙氣中的SO2濃度，測定不同篩板層檢測孔處的煙氣濃度，計算脫硫效率。實驗過程中通過不斷添加石灰石穩(wěn)定漿液的pH，煙氣風量為200m3/h，液氣比為5L/m3。

將粉塵濃度分別配置為：1.0g/L、2.0g/L、5.0g/L、10.0g/L，其他條件不變重復上述實驗，研究粉塵對篩板塔脫硫效率的影響。

2.7 脫硫效率的計算

脫硫效率表示脫硫能力的大小，一般用百分比表示，對于連續(xù)運行的脫硫設備，入口煙氣中SO2的濃度是隨時間變化的，因此，對于某一時段內設備的脫硫效率，應取整個時段內脫硫效率的平均值。脫硫效率的計算公式為：

式中：

η—脫硫效率，%；

C—鼓泡塔出口煙氣中 SO2的濃度，ppm；

C0—鼓泡塔入口煙氣中SO2的濃度，ppm。

3 實驗結果與分析

3.1 pH對篩板塔脫硫效率的影響

脫硫效率曲線1（入口SO2濃度：850ppm）見圖2；脫硫效率曲線2（入口SO2濃度：2100ppm）見圖3。

分析圖2、圖3，在一定范圍內，隨著吸收塔漿液pH的升高，脫硫率也呈上升趨勢，因為高pH意味著漿液中有較多的碳酸鈣存在，更有利于SO2的吸收。兩組實驗的入口煙氣濃度分別為850ppm、210ppm，在相同的pH時，兩組實驗的脫硫效率幾乎相等，在pH為5.5、5.8、6.0時，裝置具有較高的脫硫效率，脫硫效率隨pH下降的趨勢較為緩慢；當pH低于5.5時，隨著pH的下降，脫硫效率下降劇烈。實驗證實，篩板塔更能適應高濃度的煙氣脫硫，因為煙氣在穿過篩板的氣孔時具有較高的氣速，能快速促進生成物亞硫酸鈣的氧化和碳酸鈣的溶解。尤其對于燃煤煙氣，煙氣中的氯離子降低了漿液中碳酸鈣的溶解，可通過篩板塔的加速作用得以平衡。

圖2 脫硫效率曲線1（入口SO2濃度：850ppm）

圖3 脫硫效率曲線2（入口SO2濃度：2100ppm）

3.2 加入脫硫添加劑后脫硫效率變化曲線

脫硫添加劑對脫硫效率的影響如圖4所示。

分析圖4得出，脫硫添加劑的加入能提高燒結煙氣的脫硫效率，當pH在4.5～5.0時，提高的幅度較大，系統(tǒng)脫硫效率提高了10%～15%。在其他參數(shù)相同的條件下，液氣比的提高能有效增加氣液接觸面積，強化氣液傳質，從而提高脫硫效率。己二酸的加入能改善化學反應與傳質過程，在促進石灰石的溶解和穩(wěn)定漿液pH等方面都有較好的作用；己二酸還能降低氣-液-固相間的傳質阻力，因此可提高脫硫系統(tǒng)的脫硫率和吸收劑的利用率，進一步降低脫硫運行成本。孔華[11]等人利用噴淋式脫硫裝置也證實了在提高石灰石脫硫效率方面，己二酸比甲酸有著更好的性能，是一種較好的單一脫硫添加劑。

圖4 脫硫添加劑對脫硫效率的影響

3.3 粉塵濃度對篩板塔脫硫效率的影響（見圖5）

隨著粉塵濃度的增加，各層篩板的脫硫效率逐漸下降，說明燃煤粉塵的進入，會對石灰石顆粒進行包裹，阻礙漿液中石灰石顆粒與SO2進行反應，粉塵在脫硫漿液中溶出的某種組分或某幾種組分會降低石灰石的活性，從而降低了脫硫效率。在圖5顯示的4條曲線中，粉塵濃度為0.5g/L、2.0g/L時的兩條曲線間距較為分散，說明當漿液中的粉塵濃度由0.5g/L增加到2.0g/L時，脫硫效率下降的較為明顯。

圖5 粉塵濃度對篩板塔脫硫效率的影響

粉塵從風機入口加入和漿液槽加入的兩種實驗條件中，從風機入口加入粉塵時脫硫效率的下降趨勢遠高于從漿液槽中加入，說明粉塵對脫硫效率的影響主要表現(xiàn)在粉塵與漿液接觸時的較短時間內，粉塵融入漿液的瞬間使得漿液pH迅速下降，脫硫效率也隨之下降。

3.4 粉塵濃度對各篩板層脫硫效率的影響（見圖6）

通過對各層篩板層的脫硫效率進行分析，在風機入口處加入粉塵后，隨著粉塵量的增加，篩板層的脫硫效率逐漸下降，且粉塵加入量越大，脫硫效率下降越快；將各層篩板脫硫效率的下降趨勢對比分析可發(fā)現(xiàn)，當加入的粉塵量相同時，各層篩板的脫硫效率下降幅度不同，首先與煙氣接觸的第一層篩板脫硫效率下降最多，而最后與煙氣接觸的第四層篩板脫硫效率下降最少，主要是因為煙氣首先經(jīng)過第一層篩板后，大部分粉塵都被漿液捕集下來，以后各層篩板捕集到的粉塵逐層減少。

圖6 粉塵濃度對各篩板層脫硫效率的影響

4 結論

篩板塔濕法脫硫工藝中漿液pH、入口粉塵濃度、脫硫添加劑均會影響系統(tǒng)脫硫效率。通過煙硫酸鈣氧化時對氧氣利用率的研究發(fā)現(xiàn)，在粉塵的催化作用下，燃煤煙氣中的高含氧量完全可以氧化脫硫過程中新生成的亞硫酸根；通過在噴淋層下方增加篩板層不僅可以促進煙氣中的氧氣氧化脫硫漿液，而且可以起到截留燃煤煙氣中的粉塵和氯離子的效果；通過在塔內加裝簡單構件，不僅能提高塔內流場均勻性，還能增加氣液接觸機會。在一定的操作范圍內，篩板上能形成穩(wěn)定的持液層，從傳質角度分析，篩板上的泡沫層增大了氣液接觸面積，板上強烈的氣液湍流更有利于的SO2吸收，提高脫硫效率。在脫硫系統(tǒng)安裝設計時，可在底部以一層篩板代替一層噴淋層的方式制成篩板式噴淋塔，或增加一層篩板作為噴淋塔的優(yōu)化改造方式，用以提高燃煤煙氣脫硫系統(tǒng)的脫硫效率。