石灰石－石膏濕法煙氣脫硫效率影響因素分析

孔海濤

（國能神福（石獅）發電有限公司）

0 引言

隨著我國經濟快速發展，核電、太陽能、風電以及水電等綠色環保、可再生能源取得了飛速發展，但是由于煤炭資源儲量豐富所帶來的相對價格優勢導致相當長的時間內火力發電方式仍將是我國發電行業的主要形式，煤炭發電量約占全國總發電量的70%左右，從而導致二氧化硫、氮氧化物以及煙塵等大氣污染問題[1-4]。

2014 年國家能源局頒布了《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014-2020年）》，明確要求節能減排、提高運行質量，發展高效清潔可持續發展的煤電產業，燃煤發電機組通過建設先進高效脫硫、脫硝和除塵設施，為國家能源發展和戰略安全夯實基礎。

燃煤電廠的煙塵比表面積較大、質量較輕，極易形成酸性煙氣、有機氣霧和重金屬氧化物等有害物質。因此，漂浮于空氣中，造成霧霾、酸雨等污染問題，導致空氣質量持續惡化、大氣能見度降低、損害環境和人體健康。作為主要大氣污染物，燃煤電廠煙氣中的粉塵、NOx、SO2主要危害形式是酸雨和霧霾的前驅體。因此，改進和創新二氧化硫等污染物的節能減排技術成為燃煤電廠提升環保水平的重點[5-8]。

目前，燃煤電廠煙氣處理工藝路線為煙氣經SCR（Selective Catalytic Reduction，即為選擇性催化還原技術）脫硝、靜電除塵后進入濕法脫硫設備中，經石灰－石膏等濕式脫硫劑作用，凈化后的煙氣經煙囪排入大氣環境。目前，濕法脫硫作為常規煙氣治理的末端技術，不僅可以有效地脫硫，而且可以作為靜電除塵的補充除去煙氣中殘留的PM2.5級顆粒物甚至亞微米級顆粒物。與此同時，濕式脫硫煙氣的組分、溫度等條件的變化，脫硫漿液pH值的變化，均會使脫硫塔出口細顆粒物的性質、成分相較燃煤煙氣的顆粒成分發生較大的變化。因此，濕法脫硫法作為常規燃煤煙氣污染物減排的核心工序，濕式脫硫法不僅可以降低PM2.5級顆粒物的排放，改善空氣質量，在實現高效脫硫的同時，也可以提高PM2.5級顆粒物除塵效率，具有重要的現實經濟意義[9-11]。

燃煤煙氣脫硫技術產生于20世紀20年代，按照燃燒階段將脫硫技術分為燃燒前脫硫、燃燒中脫硫和燃燒后脫硫。

燃燒前脫硫：主要是指燃煤經過物理、化學等預處理后再投入鍋爐燃燒，通過降低燃煤含硫量來降低煙氣中SO2排放量的脫硫處理方法。目前，應用最為廣泛的燃燒前脫硫處理方法是洗選煤物理凈化技術，通過洗選可以有效除去燃煤中的泥土、頁巖和黃鐵礦硫等雜質。此外，還有通過表面潤濕、磁性吸附等方式實現脫硫處理[12-13]。

燃燒中脫硫：主要是指燃煤在鍋爐內燃燒的同時，向鍋爐內噴灑石灰石、白云石等脫硫劑，經過高溫煅燒產生的脫硫劑與燃燒過程中產生的硫化物發生反應生成硫酸鹽和亞硫酸鹽，從而減少SO2排放量。目前，應用最為廣泛的燃燒中脫硫處理方法是型煤流化床燃燒脫硫技術，通過固硫劑減少硫的排放量。

燃燒后脫硫：主要是指通過噴淋脫硫劑來有效脫除燃煤煙氣中的硫化物實現煙氣脫硫的事后脫硫技術。目前，應用廣泛的濕法脫硫技術主要有石灰－石膏法、堿式硫酸鋁法、雙堿法、氨酸法、鈉鹽循環法、海水法等方法。目前，應用最廣泛的濕法脫硫技術是石灰－石膏濕法脫硫技術，脫硫效率高達95%以上，但是石灰－石膏濕法脫硫技術相對成本和設備控制精度都比較高[14-15]。

1 石灰石—石膏濕式煙氣脫硫工藝原理及系統組成

石灰石－石膏濕式煙氣脫硫技術，產生于20世紀20年代，目前該技術已經成為90%以上的燃煤電廠脫硫所采用的主要脫硫技術方式。石灰石－石膏濕式煙氣脫硫技術主要優點是脫硫效率高、鈣硫比相對較低、工藝簡單成熟、燃煤適應性高、吸收劑成本低、脫硫副產品綜合利用率高以及二次污染度低等諸多優點。

1.1 石灰石－石膏濕式煙氣脫硫工藝原理

石灰石－石膏濕式脫硫工藝的基本流程：石灰石-水漿液噴入燃煤煙氣吸收塔，與高溫燃煤煙氣在吸收塔內混合，通過吸收、中和、氧化和結晶反應，生成脫硫副產品—飽和的硫酸鈣，飽和的硫酸鈣液體結晶后生成CaSO4·2H2O晶體。石灰石－石膏濕式脫硫工藝中的石灰石-水漿液與高溫燃煤煙氣接觸時，石灰石的利用率較高、反應速度較快，整個吸收過程的鈣硫比較低，具有較高的脫硫效率，通常石灰石－石膏濕式脫硫工藝可以實現90%以上的脫硫效果。

石灰石－石膏濕式脫硫工藝主要由石灰石-水溶解、SO2吸收、中和、氧化、石膏結晶、副產品分離等工序，其中SO2吸收效率是衡量脫硫工藝水平的最重要環節。

1.2 石灰石－石膏濕式雙塔雙循環脫硫系統流程

燃煤電廠石灰石－石膏濕式雙塔雙循環脫硫系統流程如下圖所示，通常脫硫效率可以高達97%以上，其主要工藝過程如下。

圖 石灰石—石膏濕式雙塔雙循環脫硫工藝系統流程圖

吸收反應過程：

石灰石液化過程：

中和反應過程：

氧化反應過程：

結晶反應過程：

2 石灰石—石膏濕式脫硫工藝煙氣脫硫效率影響因素分析

石灰石－石膏濕式脫硫工藝廣泛應用于燃煤電廠煙氣脫硫，主要因為該工藝脫硫效率高、鈣硫比相對較低、工藝簡單成熟、燃煤適應性高、吸收劑成本低、脫硫副產品綜合利用率高以及二次污染度低等特點。此外，濕式脫硫還可以作為靜電除塵的補充除去煙氣中殘留的PM2.5級顆粒物甚至亞微米級顆粒物。在石灰石－石膏濕式脫硫工藝中，脫硫效率相關的參數主要包括液氣比、漿液pH值、煙氣流速、吸收劑特性、流場均勻性、洗滌漿液粒徑等。

2.1 液氣比分析

液氣比是石灰石－石膏濕式脫硫工藝中標定煙氣脫硫強度的一個重要參數（單位為L/m3）。脫硫塔中煙氣流量穩定在一定量的前提下，石膏漿液泵開啟的數量越多或石膏漿液泵的流量越大，濕式脫硫的液氣比就越高，進而脫硫效率就越高。因此，石灰石－石膏濕式脫硫工藝中液氣比越高，脫硫效率也越高，但同時也意味著原材料耗費的成本也相對增加。顯然，在相同脫硫效率的前提下，燃煤電廠使用高硫煤時比使用低硫煤時液氣比要偏大一些。

2.2 漿液pH值分析

漿液pH值是石灰石－石膏濕式脫硫工藝中標定煙氣脫硫漿液酸堿度的一個重要參數。石灰石－石膏濕式脫硫工藝的原理是通過堿性脫硫漿液循環洗滌燃煤煙氣中的SO2，濕式脫硫漿液的pH值既與SO2的濃度和脫除效果相關，又與生成的脫硫副產品硫酸鈣的濃度和氧化效果相關。通常石灰石－石膏濕式脫硫工藝中pH值越低，脫硫效果和氧化效果越好，當pH值4.5時，脫硫效果和氧化效果最佳。通常石灰石－石膏濕式脫硫工藝將pH值控制在5.2～5.7之間，既保證濕式脫硫系統連續穩定地運行，又保證濕式脫硫系統較高的脫硫效率，使濕式脫硫系統的脫硫效率和氧化效率維持在一個高效的平衡點位。

2.3 煙氣流速分析

煙氣流速是石灰石－石膏濕式脫硫工藝中標定氣液接觸時間的一個重要參數，通常脫硫漿液從脫硫塔頂部噴淋，燃煤煙氣在塔內自下而上逆流向上與脫硫漿液充分接觸，漿液循環泵循環輸送漿液從塔頂噴淋洗滌煙氣實現減排脫硫。因此，煙氣流速降低，可以使燃煤煙氣與脫硫漿液充分接觸，明顯提高脫硫效果。但是，燃煤煙氣流速降低，也會導致液氣相對速度降低，導致氣液傳質效果也隨之降低，當流速降低到一定數值時，反而會使脫硫效果降低。

此外，石灰石－石膏濕式脫硫工藝中提高燃煤煙氣速度可以增強液氣的湍動，提高液滴與煙氣間的接觸比率，從而提高傳質系數；同時，提高燃煤煙氣速度可以降低噴淋液滴的下降速度，進而增加單位體積內持液量，增大傳質接觸面積，提高脫硫效率。但是，隨著燃煤煙氣流速不斷增大會縮短燃煤煙氣在吸收塔內的停留時間，致使脫硫效率降低。綜合上述分析，將吸收塔內燃煤煙氣流速控制在3.5～4.5m/s時，可以獲得脫硫效率較高、成本和能耗較低的最佳的脫硫性能。

2.4 吸收劑化學特性和流場均勻性分析

石灰石－石膏濕式脫硫工藝使用的脫硫劑是微溶于水的堿性吸收劑石灰石，而副產品是石膏。通常石灰石脫硫漿液中CaCO3含量高達90%以上，石灰石脫硫劑吸收特性的影響因素主要包括顆粒度大小、CaCO3含量、雜質成分等。脫硫劑顆粒越細小吸附的比表面積就越大，溶解速度越快，可以提高吸收劑的活性，提高脫硫效果；脫硫劑中CaCO3的含量升高可以提高吸收劑的溶解度，增強吸收劑的活性，提高脫硫效果；脫硫劑中的雜質會影響脫硫劑的pH值、吸收活性和氧化效率，減弱脫硫效果，例如MgO可以降低脫硫效果。

為保證石灰石－石膏濕式脫硫吸收塔內流場介質分布的均勻性，提高脫硫劑的覆蓋率和利用率，一般會通過設置多層噴淋層、合理布局噴淋頭數量以及調整燃煤煙氣入口的噴射角度來控制吸收塔內部煙氣和脫硫漿液液滴使其均勻分布。石灰石－石膏濕式脫硫是通過噴灑脫硫漿液的方式脫硫，因此，脫硫漿液的顆粒直徑、噴灑速度、均勻程度都會影響脫硫效果。

3 結束語

本文通過對燃煤電廠石灰石－石膏濕式雙塔雙循環煙氣脫硫技術主要工藝參數的研究為燃煤電廠節能減排和提升脫硫效率提供一個適用的技術發展路徑。本文通過對目前我國燃煤電廠石灰石－石膏濕式雙塔雙循環煙氣脫硫工藝特點和脫硫效率影響因素的分析，提出在濕式雙塔雙循環脫硫生產實際中合理控制漿液pH值、煙氣流速、脫硫劑含量和顆粒度、流場均勻性、噴淋層結構和噴嘴布局、氧氣供應量等脫硫技術參數，可以有效提高濕式雙塔雙循環脫硫工藝的效率；提出合理控制雙塔雙循環脫硫工藝中不同區域的pH值是提高燃煤煙氣脫硫效率的關鍵工序。