石灰石-石膏法煙氣脫硫SO2 吸收及CaSO3 氧化系統(tǒng)優(yōu)化措施研究

李雪松，王昉，王曉玲

（1.華能左權(quán)煤電有限責(zé)任公司，山西 晉中 032600；2.中國(guó)環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會(huì)，北京 100045）

目前電力行業(yè)應(yīng)用最成熟、最廣泛的脫硫技術(shù)是石灰石-石膏法煙氣脫硫工藝[1]，根據(jù)電力行業(yè)相關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，截至2015 年年底，石灰石-石膏法（含電石渣法）的市場(chǎng)占有率為92.87%。該工藝具備較高的脫硫效率及吸收劑利用率，運(yùn)行穩(wěn)定性高，石灰石吸收劑價(jià)廉易得，能適應(yīng)大容量機(jī)組和高濃度二氧化硫（SO2）煙氣條件，副產(chǎn)品脫硫石膏可綜合利用。該工藝主要包括廢水處理系統(tǒng)、SO2吸收及亞硫酸鈣（CaSO3）氧化系統(tǒng)、石膏脫水及儲(chǔ)存系統(tǒng)、煙氣系統(tǒng)、除霧器系統(tǒng)、吸收劑制備系統(tǒng)、自動(dòng)控制和在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[2]，其中SO2吸收及CaSO3氧化系統(tǒng)是該工藝重要的系統(tǒng)之一。

近年來(lái)，我國(guó)對(duì)燃煤電廠SO2的排放控制要求日趨嚴(yán)格。2011 年7 月發(fā)布的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223—2011）要求新建電廠SO2排放濃度限值為100mg/m3、重點(diǎn)地區(qū)低至50mg/m3、老機(jī)組為200mg/m3。2014 年9 月印發(fā)的《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020 年）》要求我國(guó)東部地區(qū)新建燃煤發(fā)電機(jī)組SO2排放濃度不大于35mg/m3。2015 年12 月發(fā)布的《關(guān)于印發(fā)〈全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案〉的通知》，要求SO2的超低排放濃度不高于35mg/m3。

為了達(dá)到SO2超低排放的標(biāo)準(zhǔn)，研究石灰石-石膏法煙氣脫硫SO2吸收及CaSO3氧化系統(tǒng)的優(yōu)化措施，以提高脫硫效率、降低成本、提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性，具有重要的意義，也可為石灰石-石膏法煙氣脫硫技術(shù)在燃煤電廠超低排放工程應(yīng)用中提供技術(shù)指導(dǎo)。

1 SO2 吸收及CaSO3 氧化系統(tǒng)優(yōu)化措施

系統(tǒng)優(yōu)化的基本原則既要立足現(xiàn)在，也要兼顧長(zhǎng)遠(yuǎn)目標(biāo)；既要考慮技術(shù)先進(jìn)性，也要考慮運(yùn)行穩(wěn)定性；既要考慮初始投資，也要考慮運(yùn)行費(fèi)用；既要考慮投入，也要考慮效益[3]。

1.1 運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化

1.1.1 液氣比（L/G）

液氣比反映吸收效率及吸收過(guò)程推動(dòng)力的大小[4]，影響系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性能。液氣比提高，可使煙氣中SO2與石灰石漿液在吸收塔內(nèi)的接觸面積增大，從而提高脫硫效率。但液氣比過(guò)高，會(huì)增加循環(huán)泵的數(shù)量和容量，增大氧化槽的尺寸，使設(shè)備初始投資和運(yùn)行能耗增加，同時(shí)會(huì)增大出口煙氣的含水量，降低煙氣溫度，不利于煙氣排出。因此，液氣比一般控制在6—25（空塔宜在12—25；pH 值分區(qū)宜在6—18；復(fù)合塔宜為10—25）。

1.1.2 鈣硫比（Ca/S）

鈣硫比是系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性的重要指標(biāo)。理論上Ca/S=1，在實(shí)際過(guò)程中，碳酸鈣（CaCO3）與SO2不能完全反應(yīng)，使得實(shí)際Ca/S ＞1[5]。在液氣比不變的情況下，注入吸收塔內(nèi)的吸收劑石灰石的量增多，則Ca/S 增大，石灰石漿液的pH 值升高，會(huì)增大反應(yīng)速率，從而提高SO2的吸收率。當(dāng)Ca/S ＞1.05 時(shí)，SO2的吸收率開(kāi)始趨于穩(wěn)定，吸收劑石灰石的溶解度較低，過(guò)量的供給將導(dǎo)致石灰石漿液質(zhì)量濃度提高，過(guò)飽和后，石灰石會(huì)發(fā)生凝聚和沉降，腐蝕設(shè)備，影響運(yùn)行安全性，也會(huì)降低吸收反應(yīng)的比表面積及石灰石吸收劑的利用率，從而降低脫硫效率。同時(shí)考慮吸收劑的費(fèi)用、投資成本及能耗成本，一般控制Ca/S 為1.02—1.05[3]。

1.1.3 漿液停留時(shí)間

延長(zhǎng)漿液的停留時(shí)間，可以提高石灰石漿液的利用率，有利于石膏結(jié)晶的長(zhǎng)大和脫水，從而提高石膏純度。但漿液停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，會(huì)增加投資成本和運(yùn)行成本。另外，固體物在氧化槽停留時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，由于大型循環(huán)泵和攪拌器對(duì)石膏結(jié)晶體的破碎作用，不利于石膏脫水[3]。所以，漿液在吸收塔中的停留時(shí)間通常不低于15h。

1.1.4 漿液循環(huán)停留時(shí)間

延長(zhǎng)漿液循環(huán)停留時(shí)間，有利于在一個(gè)循環(huán)周期內(nèi)，在氧化槽中完成氧化、中和及沉淀析出，提高石灰石的溶解及利用率。但是延長(zhǎng)漿液循環(huán)停留時(shí)間，會(huì)增大吸收塔氧化槽的容積和尺寸，增加投資和運(yùn)行成本，所以漿液循環(huán)停留時(shí)間一般控制在3.5—7min。

1.1.5 漿液循環(huán)量

漿液循環(huán)量增加，會(huì)間接增加漿液與SO2的接觸時(shí)間，從而提高脫硫效率，但過(guò)高的漿液循環(huán)量會(huì)增加漿液循環(huán)泵的投資費(fèi)用及耗電量，因此要合理設(shè)置漿液循環(huán)量[3]。

1.1.6 漿液密度

漿液密度主要指漿液中二水合硫酸鈣（CaSO4·2H2O）和CaCO3的含量。當(dāng)漿液密度＞1085kg/m3時(shí)，漿液中CaCO3及CaSO4·2H2O 趨于飽和，如不及時(shí)排出漿液，CaSO4·2H2O 會(huì)抑制SO2的吸收，使脫硫效率降低。當(dāng)漿液密度＜1075kg/m3時(shí)，漿液中CaCO3的含量相對(duì)較大，CaSO4·2H2O 含量相對(duì)較小，如此時(shí)排出漿液，CaCO3的利用率及脫硫石膏的品質(zhì)都會(huì)下降。所以漿液密度一般控制在1075—1085kg/m3。

1.1.7 漿液過(guò)飽和度

漿液過(guò)飽和度主要影響CaSO4·2H2O 的結(jié)晶速率，過(guò)飽和度超過(guò)一定值時(shí)，CaSO4·2H2O 的結(jié)晶會(huì)在已形成的CaSO4·2H2O 晶體上生長(zhǎng)，過(guò)飽和度再高時(shí)，CaSO4·2H2O 會(huì)覆蓋吸收塔內(nèi)其他物質(zhì)的表面，降低CaCO3的利用率和脫硫效率，造成吸收塔內(nèi)表面結(jié)垢，一般過(guò)飽和度控制在120%—130%[3]。

1.1.8 塔內(nèi)煙氣流速

塔內(nèi)煙氣流速是空塔煙氣平均流速，是吸收塔內(nèi)飽和煙氣的表觀平均流速[4]，塔內(nèi)煙氣流速提高，可以通過(guò)湍流過(guò)程加強(qiáng)傳質(zhì)，石灰石噴淋漿液的下降速度相對(duì)降低，增加單位面積的漿液量，從而提高脫硫效率[6]。同時(shí)，塔內(nèi)煙氣流速提高，會(huì)縮短煙氣停留時(shí)間，從而降低脫硫效率，所以，空塔煙氣流速一般控制在3—3.8m/s。

1.1.9 漿液pH 值

漿液pH 值表示漿液中氫離子（H+）濃度，pH 值的高低主要影響SO2的吸收、吸收劑石灰石的溶解及CaCO3的氧化結(jié)晶，吸收劑石灰石的溶解及CaCO3的氧化結(jié)晶需要較低的pH 值，以確保吸收劑石灰石的完全溶解和CaCO3的氧化結(jié)晶，但pH 值過(guò)低會(huì)加劇設(shè)備腐蝕。SO2的吸收需要較高的pH 值，脫硫效率隨著漿液pH 值的增大而增大，但pH 值過(guò)高會(huì)導(dǎo)致吸收塔內(nèi)部結(jié)垢和管道堵塞。所以，傳統(tǒng)的石灰石-石膏法煙氣脫硫工藝一般控制pH 值為4.5—6.5[7,8]。

1.1.10 吸收塔液位

吸收塔液位對(duì)脫硫效率及系統(tǒng)能耗均有重要影響，液位升高，可延長(zhǎng)石灰石漿液與SO2在塔內(nèi)的停留時(shí)間，從而提高SO2的吸收效率[9]。同時(shí)，液位升高，會(huì)增加氧化風(fēng)機(jī)出力，從而增大電耗，而且液位過(guò)高，可能會(huì)造成煙氣短路或漿液溢流等事故，所以，要合理設(shè)置吸收塔液位。

1.2 技術(shù)設(shè)備的優(yōu)化

1.2.1 噴淋系統(tǒng)的優(yōu)化

噴淋系統(tǒng)的優(yōu)化主要是通過(guò)調(diào)整噴淋密度和霧化效果，從而改善氣液分布[16—18]。大直徑（〉20m）吸收塔噴淋系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化難點(diǎn)是保證高效脫硫且不會(huì)發(fā)生漿液噴穿塔壁的問(wèn)題。本文主要從噴淋層、噴嘴選型及噴嘴布置三個(gè)方面進(jìn)行優(yōu)化研究。

1.2.1.1 噴淋層的優(yōu)化

噴淋層是吸收塔內(nèi)的核心部件之一，其設(shè)計(jì)會(huì)影響到脫硫系統(tǒng)的性能及穩(wěn)定運(yùn)行。大直徑吸收塔多采用四層雙母管式噴淋層，可減少每根噴淋母管的長(zhǎng)度，減輕支撐梁的荷載，為便于檢修和維護(hù)，噴淋層間距為1.8—2m[16,17]。

1.2.1.2 噴嘴選型的優(yōu)化

噴淋層的噴嘴可以選用單向?qū)嵭膰娮臁㈦p側(cè)向空心噴嘴及雙向空心噴嘴3種形式的大流量切線噴嘴[16,17]，從而達(dá)到較高的漿液噴淋霧化效果。

1.2.1.3 噴嘴布置的優(yōu)化

噴淋層管道上應(yīng)布置足夠數(shù)量的噴嘴，以保證石灰石漿液均勻分布在吸收塔斷面上，在噴淋重疊率不高的地方應(yīng)適當(dāng)增加噴嘴。結(jié)合噴淋母管、塔內(nèi)支撐梁和塔壁等對(duì)每個(gè)噴嘴位置進(jìn)行放樣計(jì)算，特別注意吸收塔壁和噴淋層母管附近的噴嘴磨損情況，布置完成后，應(yīng)對(duì)噴嘴的位置進(jìn)行認(rèn)真核對(duì)，避免將漿液直接噴淋到支撐梁上，對(duì)支撐梁造成磨損。

1.2.2 pH 值分區(qū)技術(shù)

pH 值分區(qū)技術(shù)通過(guò)在一個(gè)噴淋塔內(nèi)加裝隔離體或者設(shè)置兩個(gè)噴淋塔，對(duì)石灰石漿液進(jìn)行物理分區(qū)，或者根據(jù)其流動(dòng)方向、密度等自身特點(diǎn)形成自然分區(qū)，從而對(duì)石灰石漿液pH 值進(jìn)行分區(qū)控制。一部分pH 值控制在4.5—5.3，以保證較高的石灰石溶解率和脫硫石膏的品質(zhì)，另一部分pH 值控制在5.8—6.4，以保證較高的SO2吸收率。典型的工藝有單塔雙pH值、單塔雙區(qū)、雙塔雙pH 值[11]等。

1.2.3 復(fù)合塔技術(shù)

復(fù)合塔技術(shù)是在噴淋層之間、噴淋層和石灰石漿液池之間加裝托盤類、湍流類和鼓泡類等氣液強(qiáng)化傳質(zhì)裝置，對(duì)吸收塔內(nèi)流場(chǎng)整合優(yōu)化，形成穩(wěn)定持液層，有利于煙氣與吸收劑充分接觸，提高脫硫效率。

1.2.3.1 托盤塔技術(shù)

托盤塔技術(shù)是在吸收塔增設(shè)一塊及以上穿流孔板托盤，托盤布置在吸收塔整個(gè)橫截面，煙氣經(jīng)過(guò)托盤往上流動(dòng)，均勻分布在吸收塔整個(gè)截面。

1.2.3.2 旋匯耦合器

旋匯耦合器技術(shù)是在多相紊流摻混的強(qiáng)傳質(zhì)原理上，根據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)原理，利用特制的旋匯耦合裝置產(chǎn)生氣液旋轉(zhuǎn)翻騰的湍流空間，使氣液固三相充分接觸，降低氣液膜傳質(zhì)阻力，提高傳質(zhì)速率，從而提高脫硫效率[22—24]。

2 結(jié)語(yǔ)

目前電力行業(yè)應(yīng)用最廣泛的技術(shù)是石灰石-石膏法煙氣脫硫工藝，近年來(lái)燃煤電廠SO2的排放控制要求日趨嚴(yán)格，為了滿足SO2超低排放的要求，對(duì)石灰石-石膏法煙氣脫硫SO2吸收及CaSO3氧化系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，提高了脫硫效率、降低成本、提高系統(tǒng)運(yùn)行的安全穩(wěn)定性，為石灰石-石膏法煙氣脫硫技術(shù)在燃煤電廠超低排放工程應(yīng)用中提供了技術(shù)指導(dǎo)。通過(guò)對(duì)運(yùn)行參數(shù)和技術(shù)設(shè)備兩方面進(jìn)行優(yōu)化分析得出如下結(jié)論：

（1）工藝參數(shù)控制：液氣比為6—25（空塔宜為12—25；pH 值分區(qū)宜為6—18；復(fù)合塔宜為10—25）；鈣硫比為1.02—1.05；漿液在吸收塔中的停留時(shí)間通常不低于15h；漿液循環(huán)停留時(shí)間為3.5—7min；漿液密度為1075—1085kg/m3；一般過(guò)飽和度為120%—130%；空塔煙氣流速為3—3.8m/s；傳統(tǒng)的石灰石-石膏法煙氣脫硫工藝pH 值為4.5—6.5。

（2）技術(shù)設(shè)備優(yōu)化可采取對(duì)噴淋系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化、pH 值分區(qū)技術(shù)及復(fù)合塔技術(shù)等。

（3）可根據(jù)不同的入口SO2質(zhì)量濃度，選擇不同的技術(shù)組合，以達(dá)到超低排放要求。