浙江石化動力中心燃煤鍋爐煙氣脫硫技術(shù)方案對比分析

(浙江石油化工有限公司，舟山 316000)

0 引 言

電廠中燃煤鍋爐的運(yùn)行會產(chǎn)生大量高溫?zé)煔猓瑹煔庵写嬖诘挠泻ξ镔|(zhì)，特別是SOX，會加劇空氣污染以及酸雨的形成。為降低煙氣中SOX的排放濃度，使之達(dá)到國家允許的排放限值，目前通用的脫硫工藝主要包括兩種，分別是石灰石-石膏法(簡稱鈣法)和海水法[1]。其中，鈣法主要利用石灰或石灰石等鈣基脫硫劑，海水法主要利用海水作為脫硫劑[2]。為具體對比并分析上述兩種脫硫技術(shù)的特點(diǎn)，文中以動力中心燃煤鍋爐的脫硫方案為例開展研究。浙江石化動力中心設(shè)置7×670 t/h高壓煤粉鍋爐，每臺鍋爐額定負(fù)荷的煙氣量852 293 Nm3/h，含硫量2 416.2 mg/Nm3，文中分別采用鈣法和海水法對上述案例中排放的污染物進(jìn)行脫硫效果研究。

1 煙氣脫硫技術(shù)方案分析

鈣法和海水法脫硫原理見表1，兩種脫硫方法均為吸收法，但采用的脫硫劑不同[3]。鈣法是通過消耗石灰石進(jìn)行脫硫，其間會產(chǎn)生石膏等副產(chǎn)品，海水法是利用海水中的H2CO3-、CO32-等離子吸收SO2，置換出CO2，產(chǎn)生可排放給海水的硫酸鹽SO42-。

表1兩種脫硫工藝的反應(yīng)過程對比

2 脫硫工藝流程比較

在鈣法脫硫工藝中，所需的脫硫劑石灰石經(jīng)過粉碎、稱重、輸運(yùn)、磨細(xì)、制漿等過程，送至吸收塔內(nèi)部進(jìn)行噴淋，噴淋過程中與SO2反應(yīng)生成CaSO3，此時，CaSO3的固液混合物在吸收塔底部與新鮮空氣進(jìn)行混合，進(jìn)而生成CaSO4·2H2O，當(dāng)混合物中固體含量超過15%時，塔底的漿液被輸送并排至脫水系統(tǒng)[4]。通過對漿液的脫水處理后，其中的石膏可以被再利用(如圖1所示)。

在海水法脫硫工藝中，系統(tǒng)不設(shè)置再循環(huán)過程，而是采用一次直流方式吸收SO2[5]。海水由升壓泵加壓至填料塔，并由分配器均勻散布到填料表面。含有SO2的煙氣由塔底進(jìn)入，上升后與填料層中的海水反應(yīng)，此時，SO2被海水吸收，并反應(yīng)生成SO32-和H+。吸收塔排出的廢水進(jìn)入曝氣池，與原海水混合達(dá)標(biāo)后排出(如圖2所示)[6]。

3 熱-質(zhì)平衡計算

(1)吸收塔硫平衡計算

按化學(xué)反應(yīng)方程式進(jìn)行脫硫劑質(zhì)量計算，并考慮過量系數(shù)，鍋爐額定負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時，石灰石的理論用量為2 866 kg/h，石膏的理論產(chǎn)量為4 928.88 kg/h，純度90%的石灰石實(shí)際消耗量為3 280 kg/h。

(2)吸收塔熱平衡計算

煙氣在吸收塔內(nèi)的放熱量Q1計算如下：

Q1=Cpv·V·(90-t)

(1)

式中，Cpv是煙氣的比熱，0.32 kCal/Nm3；V是煙氣體積，Nm3；t是煙氣出塔溫度，℃。

吸收塔內(nèi)吸收液的吸熱量Q2計算如下：

Q2=Cp·G·(t1-t2)

(2)

式中，Cp是吸收液的比熱，kCal/Nm3；G是吸收液量，L；(t1-t2)是吸收液的溫升，℃。

煙氣中水蒸氣含量變化的潛熱Q3計算如下：

Q3=r·m

(3)

蒸發(fā)時為吸熱，凝水時為放熱；式中，r是汽化潛熱，562 kcal/kg；m是蒸發(fā)或凝結(jié)水量，kg/ Nm3；

鈣法吸收液均為塔內(nèi)循環(huán)，僅給吸收塔補(bǔ)充少量的新鮮漿液和濾液，計算時忽略其對循環(huán)液溫度的影響，即t1=t2。塔內(nèi)的散熱量包括吸收反應(yīng)放熱和煙氣的散熱量，吸收反應(yīng)熱僅占煙氣的散熱量的萬分之一，故忽略不計。根據(jù)能量守恒定律：

Q1=Q2+Q3

(4)

按1 Nm3的煙氣計算，則G為液氣比的值，計算得到，鍋爐煙氣經(jīng)過吸收塔與吸收液充分混合反應(yīng)，均達(dá)到飽和狀態(tài)，吸收塔入口煙氣的含濕量(體積比)為7.68%，水蒸氣的飽和分壓為76.8 mbar，由《工程熱力學(xué)》中飽和空氣狀態(tài)參數(shù)表中查得t=45 ℃為96.34 mbar；t=46 ℃時為101.40 mbar；t=47 ℃時為106.69 mbar。煙氣出塔約為46.08 ℃。塔內(nèi)蒸發(fā)水量m=0.025 kg/Nm3，鍋爐在額定負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時的蒸發(fā)水量為21 314 kg/h。

海水法吸收劑-海水在吸收塔為一次直流，充分反映后吸收塔內(nèi)溫度一致，即排煙溫度與排水溫度相同。吸收塔的熱平衡為：

Q1-Q2=Q3

(5)

此時，吸收液的比熱為0.932 kCal/kg；t2根據(jù)季節(jié)在17.9～37.8 ℃范圍內(nèi)變化。

按1Nm3的煙氣計算，則G為液氣比的值，按照填料塔計算約為9.4 L/Nm3，計算得到煙氣出塔分別約為22.61 ℃/40.01 ℃，塔內(nèi)凝結(jié)水量，m=-0.036 97/-0.006 9 kg/Nm3，鍋爐在額定負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)時的凝結(jié)水量為31 506/5 868 kg/h。

4 主要技術(shù)參數(shù)比較

增設(shè)煙氣脫硫系統(tǒng)會增加系統(tǒng)整體成本，項目的收益主要決定于脫硫系統(tǒng)的投資費(fèi)用及運(yùn)行成本，系統(tǒng)主要消耗為脫硫劑、淡水、電等。兩種脫硫工藝的具體技術(shù)與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)對比結(jié)果見表2。

表2兩種脫硫工藝的技術(shù)與經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)對比(單臺機(jī)組)

項 目單位鈣法海水法設(shè)備投資費(fèi)用萬元2200～24002000入口SO2含量mg/Nm32170 2170處理煙氣量Nm3/h852293852293脫硫效率%≥99.18≥99.18脫硫劑消耗t/h3.28(90%純度CaCO3) 海水脫硫劑費(fèi)用元328/水耗t/h25無水費(fèi)元125/電耗kW20891510電費(fèi)元1357.85981.50直接脫硫成本元/h1810.85981.50石膏實(shí)際產(chǎn)量t/h5.93無廢水t/h2-3無

5 系統(tǒng)優(yōu)勢分析

通過以上比較分析發(fā)現(xiàn)，在技術(shù)和運(yùn)行維護(hù)經(jīng)濟(jì)性等方面，海水脫硫技術(shù)在浙江石化動力中心應(yīng)用的優(yōu)勢較為明顯。其主要的優(yōu)勢有：系統(tǒng)構(gòu)造簡單，便于操作，運(yùn)維工作量少；系統(tǒng)脫硫效率高；不存在結(jié)垢和堵塞問題；不產(chǎn)生副產(chǎn)品，無需考慮副產(chǎn)物的處理難題；廠區(qū)布置靈活，系統(tǒng)的占地面積小，不會造成廠區(qū)內(nèi)的環(huán)境污染；運(yùn)行成本低，海水法直接運(yùn)行成本可低至鈣法相應(yīng)成本的一半左右。

6 結(jié)束語

文中以浙江石化動力中心燃煤鍋爐為例，對鈣法脫硫和海水法脫硫方案的主要技術(shù)參數(shù)對比分析發(fā)現(xiàn)，海水脫硫工藝投資費(fèi)用少，廠用電率較低，約為0.755%；直接運(yùn)行成本低，僅約為4.91元/MWh。相比而言，鈣法系統(tǒng)的直接運(yùn)行成本約9.05元/MWh，按年運(yùn)行5500小時計，采用海水法脫硫每年至少節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用3187.80萬元。

綜上所述，鈣法脫硫技術(shù)設(shè)備多、系統(tǒng)復(fù)雜、投資高、運(yùn)行成本高，且鈣法脫硫技術(shù)存在廢水處理的難題，但其最大的優(yōu)勢是適應(yīng)性強(qiáng)，受地理環(huán)境影響小，系統(tǒng)技術(shù)成熟、運(yùn)行穩(wěn)定。海水法脫硫技術(shù)工藝系統(tǒng)簡單，運(yùn)行維護(hù)工作量少，但其對地理環(huán)境的局限性強(qiáng)，必須是滿足海水脫硫條件的海濱電廠。浙江石化動力中心地處海島，有滿足要求的冷卻海水直流系統(tǒng)，海水排放口海域為三類水質(zhì)海域，采用海水脫硫工藝條件成熟，技術(shù)優(yōu)勢明顯。