電廠煙氣脫硫系統噴淋層優化試驗研究

葛 銳

（同煤廣發化學工業有限公司 山西大同 037003）

1 石灰石－石膏脫硫系統

濕法脫硫技術是目前世界上最為成熟、應用最多的脫硫工藝(約90%的燃煤鍋爐采用濕法脫硫)，濕法脫硫技術可靠性高，操作簡單，S02處理成本低[1]。其原理是基于二氧化硫雖能溶于液體，但溶解率相對較低。若想更高效吸收煙氣中的二氧化硫，則需強化二氧化硫溶于水的化學反應。吸收劑為石灰石漿液。溶解于水后的二氧化硫與石灰石吸收漿液反應生成亞硫酸鹽，氧氣作為氧化劑由氧化風機送入吸收塔漿液池，把亞硫酸鹽氧化為硫酸鹽。生成的硫酸鹽溶液，經過兩級脫水后結晶析出，生成石膏，以固體形式從吸收塔漿液池排出。

石灰石-石膏濕法脫硫工藝的主要流程見圖1。

圖1 煙氣脫硫系統流程圖

圖2 吸收塔結構示意圖

吸收塔既是氣液大面積接觸發生脫硫化學反應的容器，也是煙氣通道，因此塔內部組件及材料必須耐高溫、抗腐蝕、耐磨損，同時系統的壓損不能太高。

目前，火力電廠燃煤鍋爐大氣污染物排放執行的國家標準為2015 年1 月1 日起實施的《火電廠大氣污染物排放標準》（國標GB 13223-2011）[2]，主要大氣污染物排放濃度限值要求：二氧化硫＜100 mg/m3（新建電廠）；二氧化硫＜200 mg/m3（現有電廠）。

2018年7月30日發布實施的山西省地方標準《燃煤電廠大氣污染物排放標準》（DB14/T 1703-2018），其中煙塵＜5 mg/m3、二氧化硫＜35 mg/m3、氮氧化物（以NO2計）＜50 mg/m3，分別超過了現行的國標《火電廠大氣污染物排放標準》（GB 13223-2011）要求，達到超低排放限值要求。

2 噴淋層對脫硫系統運行的經濟性分析

石灰石漿液來自脫硫吸收塔頂部的噴淋層，每個脫硫漿液噴淋層都配有一個單獨的循環泵，可根據煙氣中二氧化硫的含量以及煙氣溫度等因素，設計不同組合的噴淋層，使石灰石漿液和煙氣有足夠的反應時間，以使煙氣中二氧化硫濃度達到排放要求。在實際運行的過程中存在不同負荷的工況，通過調節投運的噴淋層個數和不同位置的噴淋層來響應煙氣負荷及入口SO2濃度的變化[3]。噴淋層的投入數量和布置方式都會影響脫硫系統的脫硫效率以及脫硫費用，增大脫硫效率的同時，脫硫成本也會增加。為了找到一個脫硫效率和脫硫成本相對適合的運行方法，引入了下列參數：

脫硫的相對成本Vsxd（元/小時）

式中：VCaCO3——脫硫系統石灰石用費，元/小時；

Vdf——電費，元/小時；

Vpwj——環保稅費，元/小時。

單位相對成本Ksxd，元/小時：

式中：mSO2——SO2的脫除量，噸/小時。

式中：CSO2in——入口煙氣SO2的濃度，mg/Nm3；

CSO2out——出口煙氣SO2的濃度，mg/Nm3；

Qyan——煙氣流量，Nm3/h。

式中：mCaCO3——石灰石消耗量，t/h；

WCaCO3——石灰石濃度，%；

ηCaCO3——石灰石利用率，取100%。

式中：rCaCO3——石灰石單價，元/噸；

VCaCO3——石灰石的費用，元/小時。

將（3），（4）帶入（5）得：

式中：CE——總耗電量，度/小時；

rcyle——電價，元。

式中：rp為排放SO2繳納稅費，根據國家要求，取1.8元/kg。

將（6），（7），（8）帶入（1）中，得：

再將（9）代入（2-2）得：

3 脫硫系統實例分析

某150 MW電廠的石灰石－石膏濕法煙氣脫硫系統的吸收塔，一共布置有四個噴淋層。按照安裝高度由低到高分為1號、2號、3號、4號，其布置高度分別為20.36 m、22.34 m、24.29 m 和26.31 m。每個噴淋層對應一個漿液循環泵，這四臺循環泵的型號相同，額定流量為6380 m3/h。設計的運行模式為開3個噴淋層，1個噴淋層作為備用。本文所使用的工況為：吸收塔入口煙氣SO2濃度為320 mg/m3，pH為5.4，煙氣負荷分別為85%和100%。進行脫除SO2的石灰石純度為91%，石灰石單價為 251 元/t，電價 0.45 元/kW·h，鈣硫比為1.03。脫硫塔運行期間，煙氣達標排放。

數據中石灰石用量為理論值，入口出口SO2濃度、耗電量為系統運行現場儀表實際測值。

3.1 100%負荷優化分析

在100%煙氣負荷工況下，一共進行了5組在不同組合的噴淋層運行工況的試驗。試驗期間，脫硫系統運行的初始數據如表1。

表1 100%煙氣負荷試驗數據

對5種工況脫硫效率進行計算。計算結果如表2。

表2 100%煙氣負荷下7種工況脫硫效率

根據前述經濟性公式進行計算，結果如下表：

表3 100%煙氣負荷下每小時各項運行費用

通過這些計算數據，按脫硫效率從低到高和相對成本的關系如圖3所示。

圖3 5種工況的脫硫效率與相對成本折線圖

從圖3可以看到，三個組合的工況中，噴淋層布置高度越高，其脫硫效率也越高，相對成本也越高，但其實差別并不大。在兩個組合的工況中，雖然相對成本差別很小，但其脫硫效率差別很大。三個組合中，脫硫效率最低的工況4僅僅比兩個組合中脫硫效率最高的工況5高了1.2%，但其相對成本高了136.61元/時。

從脫硫效率來比較幾種工況，工況1和2的脫硫效率都達到了95%以上，出口SO2濃度達到15 mg/m3，工況3,4,5都在90%左右，出口SO2濃度均小于35 mg/m3。

圖4 5種工況的脫硫效率與單位相對成本折線圖

圖4清晰的表達了5種工況單位相對成本與脫硫效率之間的關系。綜合考慮到脫硫效率和單位脫硫成本，最佳布置方法為工況5。

根據以上的計算數據，可得出100%煙氣負荷下的優化方案：

（1）入口煙氣的SO2濃度在320 mg/m3附近時，兩個噴淋層的組合中，工況5是最佳選擇。

（2）入口煙氣的SO2濃度在320 mg/m3以上時，對于三個噴淋層組合來說，2號是最佳選擇，其次為工況3。

（3）工況4雖比5多一個噴淋層，但達到的脫硫效率和5差距不大，且經濟性還比5高許多，不推薦使用。

3.2 85%負荷優化分析

表4 85%煙氣負荷試驗數據

同100%負荷，計算7組工況的脫硫效率，見表5：

表5 85%煙氣負荷下7種工況脫硫效率

各部分經濟費用計算過程同100%煙氣負荷，結果為下表6。

表6 85%煙氣負荷下每小時各項運行費用

通過計算，按脫硫效率從低到高和相對成本的關系見圖5。單從脫硫效率來說，工況1,2,3是最好的，其脫硫效率均在96%左右，且出口SO2濃度都在15 mg/m3以下。工況4,5,7 其次，脫硫效率也都達90%以上，出口SO2濃度都在35 mg/m3以下。

圖5 7種工況的脫硫效率與相對成本折線圖

工況單位相對成本與脫硫效率之間的關系見圖6。在三個噴淋層組合的工況中，工況1、2、3 差不多，而工況4 要多大概20 元/噸。在兩個噴淋層組合的工況中，差別比較明顯。最低的為工況5，僅461.72 元/噸，比工況6低了35.93元/噸，但其脫硫效率還比工況6高了5.2%。

圖6 7種工況的脫硫效率與單位相對成本折線圖

綜合考慮到脫硫效率和成本，最佳選擇是工況5。

根據以上的計算數據，可以得到85%煙氣負荷下的優化方案：

（1）入口煙氣SO2濃度在320 mg/m3附近時，如果選擇兩個噴淋層，最優方案為工況5，其次為工況7。

（2）入口煙氣SO2濃度在320 mg/m3以上時，三個噴淋層中，最優方案為工況2，其次為工況1。

（3）工況4單位相對成本最高，不宜使用。

4 結論

石灰石－石膏法脫硫技術是目前我國最廣泛使用的煙氣脫硫技術，通過對某150 MW 電廠脫硫系統吸收塔的工藝流程和運行工況的考察，全面分析了噴淋層運行組合工況。分別在100%負荷和85%負荷下，針對不同的噴淋層布置方式開展了現場優化試驗研究；并引入兩個經濟指標：脫硫相對成本與單位脫硫相對成本，對數據進行分析與計算，再根據兩種負荷下脫硫效率及運行經濟性的綜合比對，獲得了不同要求下的脫硫系統噴淋層最佳運行工況，實現了煙氣高效脫硫、達標排放，保障了電廠機組的安全穩定運行。