新型漿液循環方式在雙塔雙循環脫硫系統中的應用

段 超

(上海電氣電站環保工程有限公司，上海 201612)

0 引 言

當前，隨著經濟發展及社會進步，民眾對環境質量的要求越來越高，燃煤機組作為能耗和排放大戶，一直受到社會的廣泛關注，并且國家也不斷加大控制燃煤電廠煙氣排放污染物力度，提出一系列史上最嚴格的排放標準[1]。而不少燃煤電廠受燃料來源限制，需要燃燒諸如煤矸石、煤泥和洗中煤等高硫煤，顯然，這對脫硫系統的路線選擇、穩定運行及綜合能耗提出了非常高的要求。

石灰石-石膏濕法脫硫工藝(Wet-FGD)由于其吸附劑來源廣，運行穩定等顯著優點，已成為煙氣脫硫技術中最成熟、應用最廣泛的脫硫技術，目前占全球脫硫裝機總容量的85%。但傳統單塔脫硫技術在應對如今的高硫煤、低SO2排放指標工況時，已顯得力不從心，故雙塔雙循環脫硫技術在大機組、高硫煤系統中的優勢就顯現出來[2-4]，而雙塔雙循環技術畢竟系統復雜，尤其雙塔內部的漿液循環的重要性往往被忽視，并且塔間水平衡較難維持，即如何能以低能耗、簡單化的方式建立起系統內漿液循環并兼顧塔間水平衡，成為雙塔雙循環技術設計中面臨的主要難題[5]。本文提出一種較簡潔的雙塔間漿液循環方式，模擬雙塔間水平衡體系，并在山西某2×350 MW機組煙氣脫硫系統中成功應用，為后續的雙塔雙循環脫硫技術應用提供了新的思路。

1 雙塔雙循環原理及塔間漿液循環的意義

1.1 雙塔雙循環原理

雙塔雙循環技術主要是通過在煙氣通道上建設2座吸收塔，通過串聯運行而增加煙氣與漿液的反應時間。前塔(即一級塔)作為預洗塔，用于吸收絕大部分SO2和進行石膏結晶；后塔(即二級塔)作為補充，吸收一級塔中逃逸的SO2。一級塔漿池集中用于石膏結晶，pH運行在5.2左右；二級塔本身不排出石膏，而通過兩個塔間的漿液循環系統，逐步將反應產物轉移至一級塔，進行充分氧化，繼而由一級塔的石膏排出泵一起輸送至脫水系統，故二級塔可通過提高pH值至6.2，提高漿池中CaCO3含量，獲得更高的脫硫效率[6-8]。

1.2 塔間漿液循環系統的意義及應用現狀

理想情況下，應建立一級塔和二級塔之間的漿液循環系統，使兩座吸收塔中漿液濃度均勻一致，才能充分調動兩座塔的全部脫硫能力。而實際運行中，因一級、二級吸收塔脫硫量相差較大，同時一級塔除霧器沖洗水量小蒸發水量大，二級塔除霧器沖洗水量大蒸發水量小，會造成兩座塔濃度及液位不一致[7]，因此，一級、二級吸收塔漿池間漿液循環系統不僅起到調節系統內水平衡的作用，同時可以將二級塔中多余的CaCO3轉入一級塔以提高CaCO3利用率[8-10]。

當前行業內應用較多的漿液循環系統需要在兩級塔之間設置漿液循環旋流器及旋流器給料泵以均衡兩塔密度，同時配置強制循環泵來控制兩塔液位，此種方式運行較復雜，且能耗較高。另一方面由于雙塔系統本身具有較大的脫硫容量，故有些項目在設計時，不考慮塔間漿液循環系統，即兩塔完全分開，獨立運行，顯然這種運行方式無法最大限度地發揮雙塔雙循環體系的脫硫能力[11]。因此，尋求簡單、高效、低能耗的漿液循環方式，解決好兩塔內漿液濃度及液位的平衡問題，對于雙塔雙循環技術的發展及應用有著重要的實際意義。

2 新型塔間漿液循環方式的原理

2.1 脫硫裝置主要設計參數

該燃煤機組為2×350 MW超臨界燃煤空冷CFB鍋爐，最大連續蒸發量為1 200 t/h，鍋爐實際耗煤量為293 t/h，所燃用煤質數據見下表1。

表1 煤質主要參數Table 1 Main parameters of coal quality

續表

機組采用引增合一，引風機布置在脫硫前，采用靜葉可調式軸流風機，T.B點風量對應為715.27 m3/s，全壓升13 088 Pa，配套電機功率10 500 kW。爐后脫硫采用石灰石-石膏雙塔雙循環脫硫技術，并在二級塔頂部設置濕式電除塵器，整套系統按照煤種含硫量為2.65%及表2～4所列煙氣參數進行設計，保證整體脫硫效率不低于99.6%。

表2 鍋爐BMCR工況煙氣成分Table 2 Flue gas composition under BMCR condition

表3 不同負荷時風機出口煙氣量和溫度Table 3 Flue gas volume and temperature at the fan outlet under different loads

表4 鍋爐BMCR工況煙氣中污染物成份Table 4 Pollutant composition in flue gas under BMCR condition mg/Nm3

本雙塔脫硫系統在設計時，按照“低能耗、簡潔化”的思路開展，根據總的需求液氣比，平均分配到兩座吸收塔，擬合出一級塔脫硫效率87%，二級塔脫硫效率97%。按此方式，兩座塔的相關的設計參數、設備選型可以高度保持一致，在簡化設計的同時，提高備件的替換性，利于降低后期運行維護成本。本次設計兩塔的主要技術參數如下表5所示。

表5 兩級吸收塔主要技術參數Table 5 Main technical parameters of double-stage adsorption towers

2.2 新型漿液循環方式的流程

為了使兩個吸收塔內漿液能夠循環起來，并且節省電耗，提出如下圖1所示的循環流程。在一級塔三臺大流量的漿液循環泵出口分流少部分較濃漿液至二級塔(紅色)，同時通過將二級塔基礎抬高400 mm，使兩塔液位形成液位差，二級塔過剩的低濃度漿液便可通過兩塔間的聯絡回流管(洋紅)回流至一級塔，從而實現漿液之間循環；此外，設置一級塔石膏排出泵打至二級塔管路，以及強制循環泵從二級塔打至一級塔管路(藍色)，以作為漿液循環的備用手段，系統正常運行時，完全按照新型漿液循環模式來循環漿液，而只有當系統脫水進入末期，一級塔液位較低時，可視情況啟動強制循環泵，將二級塔漿液打至一級塔，以補充一級塔液位。

圖1 雙塔間漿液循環方式Fig.1 Slurry circulation mode between two towers

2.3 兩塔水平衡的建立

由于兩級吸收塔在整個流程中承擔的脫硫任務不同，兩座塔內的蒸發水、沖洗水、石灰石補漿量等存在較大差異，故兩座塔的水平衡維持是一個較復雜的問題[11-14]。

對于一級塔而言，在設計工況下，塔內主要水耗由以下三部分組成：即當高溫煙氣在通過一級塔時，塔內發生近似絕熱增濕過程，煙溫冷卻到51.8 ℃，產生大量蒸發水77.3 t/h；塔內吸收反應耗水6.1 t/h；按照塔內漿液質量濃度為20%[6-8]，需要排出石膏漿液為167.8 t/h。

而對于一級塔的補水，主要由以下幾部分組成：一級塔頂部一級除霧器沖洗水28.4 t/h；一級塔由于承擔絕大部分SO2的去除，故石灰石漿液主要補充在一級塔，補漿量為91.2 t/h；濾液返回水55.5 t/h；其余冷卻、密封水(包含少量氧化空氣增濕水)16.5 t/h。

對于二級塔而言，經過一級塔冷卻飽和后的煙氣在進入二級塔后，不再引起水份的大量蒸發，并且反應水也可忽略不計，因而可以認為二級塔耗水接近為0。對于二級塔的補水，主要由以下基本組成：二級塔頂部兩級除霧器沖洗水39.5 t/h；石灰石漿液補充量13.7 t/h；少量冷卻水1.5 t/h以及頂部濕電沖洗水5 t/h，而脫硫后凈煙道進行保溫，煙氣排放過程中溫降較小，冷凝水可忽略不計。

根據上述水平衡數據，可以看出，一級塔內部補水191.6 t/h，耗水250 t/h，故液位持續下降，對應漿液密度會上升；而二級塔內部持續補水59.6 t/h，對應漿液密度上升較慢。因此，需要借助漿液循環系統，在一級塔每臺漿液循環泵出口分出支路，輸送3×60 t/h漿液至二級塔，二級塔過剩的59.6 t/h +180 t/h漿液通過兩塔間的溢流管回流至一級塔,形成如下圖2中的水平衡體系。

圖2 雙塔間水平衡情況(t/h)Fig.2 Water balance between two towers(t/h)

3 新型塔間漿液循環方式的應用情況

3.1 脫硫性能與能耗分析

該漿液循環模式在本項目投運后，兩座吸收塔的漿液連續進行漿液互倒，最短7個小時內漿液可以置換一次，并可以通過一級塔循環泵排出支管上閥門開度來控制循環周期。通過漿液的互倒，充分調動了兩座塔的脫硫能力。

通過表6對比可以發現，對于機組負荷為187 MW與290 MW兩種工況，SO2濃度相近，當二級塔液位較低，漿液循環未建立時，會導致兩塔漿液濃度偏差較大，二級塔pH較高，塔內CaCO3過剩，需啟動5層噴淋，拖累了整體的脫硫效率，增加了系統電耗；而當漿液正常開始循環時，兩塔漿液濃度不會出現較大差異，系統有較高的脫硫能力，只要啟動4層噴淋即可達到較高脫硫效率。

表6 兩級吸收塔實際運行情況Table 6 Operation status of double-stage adsorption towers

通過與該項目位置相近，且機組規模、燃用煤種都相似的同類型機組雙塔脫硫系統對比，采用新型漿液循環方式后，雙塔系統的脫硫能力充分調動，而對于兩塔獨立運行時，由于兩塔漿液缺乏循環，導致系統處理處在較低水平。如表7所列，當兩項目機組負荷均在滿負荷時，脫硫入口SO2濃度較高時，采用漿液循環系統時，只要啟動6臺循環泵即可保證脫硫效率，而雙塔脫開運行的項目，需要啟動7臺循環泵，同時配合煙氣均布裝置，致使循環泵電耗增加1 060 kW以及引風機電耗增加400 kW[15]。

表7 運行數據對比Table 7 Comparison of operation data

在水平衡的調控方面，現場運行時，可以通過控制漿液循環支管上閥門的開閉，調整漿液系統的循環周期，精確控制兩塔液位，同時，在脫水系統投入，一級塔液位下降較快時，可以通過投入強制循環泵，來維持兩塔液位。

3.2 運行中注意事項

由于是從漿液循環泵出口管道進行分支，在漿液進入二級塔管嘴處，需設置節流孔板，以免造成分支管泄壓而影響噴淋層流量；同時，分支管道上的閥門需要緊貼循環管分支處設置，避免分支管道上閥門關閉后管道積漿。本項目循環泵流量為6 800 m3/h，而分支管流量只有60 m3/h，占用循環流量的比例不足0.9%，并且在分支管設置孔板，故實際運行中，在啟用漿液循環系統后，循環泵電流及泵出口壓力表讀數未見明顯波動。

需定期檢查、沖洗兩塔之間的回流管，防止回流管結垢堵塞；二級吸收塔液位需連續控制在8.8 m以上。

4 結 論

在引入新型漿液循環方式后，充分調動了雙塔系統的脫硫性能，相比于兩座塔單獨運行且脫硫效率相似的情況下，采用漿液循環系統時，循環泵的投運數量減少，對于350 MW機組，脫硫系統電耗可減少約20%。同時，可以簡化塔內煙均布裝置，降低系統阻力約500 Pa，降低風機電耗400 kW左右。此外，新型漿液循環方式為雙塔間水平衡的建立提供了多種操作運行手段，使雙塔雙循環系統能夠運行在最佳性能狀態，為日后的高硫煤脫硫提供了重要的理論及實踐依據。