1、 全国电力行业脱硫脱硝技术协作网暨技术研讨会论文集 1 火电厂烟气脱硫工艺技术研究及其工程应用 江苏苏源环保工程股份有限公司 孙克勤 沈凯 摘要： 结合工程应用对自主开发的石灰石石膏湿法烟气脱硫系统工艺流程以及工艺特点进行介绍，对该技术运行调试过程的关键环节以及运行优化进行了重点阐述，并结合现场试验数据将该技术与引进的同类技术从工艺和运行两个方面进行了全面的比较，结果表明该技术在技术经济指标、运行消耗、系统的可控性等多个方面均优于其它同类技术，技术可靠并已实现大规模的工程应用，该工艺和系统是 实现 火电厂烟气脱硫系统建造低成本、运行低消耗这一目标的有效途径和 可靠的技术保障。 1、 引言 火电
2、厂烟气脱硫技术在国外历经数十年的发展与应用，已经十分成熟，并形成了数种具有代表性的脱硫工艺，如石灰石石膏湿法烟气脱硫工艺、海水脱硫工艺、炉内喷钙尾部增湿工艺、干法烟气脱硫工艺、循环流化床（ CFB）脱硫工艺以及电子束法脱硫工艺等等 1。目前我国已进入火电厂烟气脱硫的高峰期，据中国电力企业联合会统计，截止到 2005 年底，建成投产的烟气脱硫机组容量达到 5300万千瓦，正在建设的烟气脱硫机组容量超过 1亿千瓦。在已投产的脱硫机组中，石灰石石膏湿法烟气脱硫工艺占到已投产机组容量的全国电力行业脱硫脱硝技术协作网暨技术研讨会论文集 2 92.7%，成为我国烟气脱硫领域的主流工艺 2。 “十一五 ”期
3、间，国家要求加大具有自主知识产权的烟气脱硫工艺的开发力度和产业化程度，为具有自主知识产权的烟气脱硫技术提供了广阔的发展空间。针对我国火电机组特点，江苏苏源环保工程股份有限公司自主开发了 OI2-WFGD烟气脱硫技术，形成了具有知识产权的核心工艺包。 OI2-WFGD脱硫技术在工艺系统以及装置关键环节的优化方面具有显著的特色，并已实现了大规模的工业应用，在技术经济指标、运行消耗、系统的可控性等多个方面均优于其它同类技术，该工艺系统是火电厂烟气脱硫系统 建造低成本、运行低消耗这一目标的有效途径和可靠的技术保障。 2、 OI2-WFGD工艺技术特点 OI2-WFGD 烟气脱硫技术属于典型的石灰石石膏
4、湿法烟气脱硫工艺，脱硫剂为石灰石 (CaCO3)与水配制的悬浮浆液 , 石灰石由于其良好的化学活性及低廉的价格因素而成为目前世界上湿法脱硫广泛采用的脱硫剂制备原料。 SO2 与石灰石反应后生成的亚硫酸钙 , 就地强制氧化为石膏，石膏经二级脱水处理可作为副产品外售。 2.1 OI2-WFGD工艺布置与流程 本技术烟气脱硫采用传统的单回路喷淋塔工艺 , 将含有氧化空气管道的浆池直接 布置在吸收塔底部 , 塔内上部设置三或四层喷淋3。从锅炉来的原烟气中所含的 SO2通过石灰石浆液的吸收在吸收塔内进行脱硫反应，脱硫效率不小于 95，处理 100的烟气，生成的亚硫酸钙悬浮颗粒，通过强制氧化在吸收塔浆池中
5、直接氧化生成石膏全国电力行业脱硫脱硝技术协作网暨技术研讨会论文集 3 颗粒。其它同样有害的物质如飞灰， SO3， HCl 和 HF 大部分含量也得到去除。工艺布置可采用一炉一塔或两炉一塔布置方案。 两炉一塔工艺布置方案中两台锅炉来的原烟气由烟道汇合引出，经一台升压风机增压后 , 送至烟气换热器（回转再生式气气换热器 ,简称 GGH）。原烟气温度降至系统要求的范 围后 ,随即进入吸收塔，进行脱硫。脱硫后的净烟气经除雾器，再返回至 GGH进行加热，温度加至 80 以上，通过烟囱排放至大气。其原则性系统图如图 1 所示。 图 1 两炉一塔方案原则性工艺流程 一炉一塔方案为单元制，每台锅炉来的原烟气经
6、各自的升压风机增压后，分别送至各自的烟气换热器（回转再生式气气换热器 ,简称GGH）。随即进入对应的吸收塔，进行脱硫。脱硫后的净烟气经除雾器，再返回至 GGH进行加热，温度加至 80 以上，通过烟囱排放至大气。其原则性系统图如图 2所示。 全国电力行业脱硫脱硝技术协作网暨技术研讨会论文集 4 图 2 一炉一塔方案原则性工艺流程 对于采用了衬钛 等防腐措施的钢制烟囱也可取消 GGH,烟气系统得以简化，系统运行的可靠性以及故障率得以较大幅度的减少。 脱硫剂石灰石磨制成粉后，通过制浆装置配成 30%的浆液通过石灰石浆液泵不断地补充到吸收塔内。脱硫副产品石膏通过石膏排出泵从吸收塔浆液池抽出，输送至石膏
7、旋流站 (一级脱水系统 )，经过一级脱水后的底流石膏浆液其含水率约为 50%左右，直接送至真空皮带过滤机进行过滤脱水。石膏被脱水后含水量降到 10以下。在第二级脱水系统中还对石膏滤饼进行冲洗以去除氯化物，保证成品石膏中氯化物含量低于 100ppm,以保证生成石膏板或用作 生产水泥填加料（掺合物）优质原料（石膏处理系统共用）。通常可考虑石膏旋流器和真空皮带机系统采用两套，当燃用设计煤种时，系统一运一备。当燃用校核煤种时，两套系统全部投运。 2.2 OI2-WFGD工艺优化 在石灰石石膏湿法烟气脱硫系统中，脱硫效率、液气比、 Ca/S比、石膏含水率、电耗、水耗、系统阻力等重要的工艺技术参数以及全国
8、电力行业脱硫脱硝技术协作网暨技术研讨会论文集 5 经济指标体现了烟气脱硫系统工艺优化的程度与运行水平的高低。为了实现先进的技术经济指标，相比较同类技术， OI2-WFGD烟气脱硫技术在几个方面进行了独创性的工艺优化。 1) 吸收塔系统 吸收塔系统 是整个脱硫系统的核心，影响吸收塔性能的主要因素包括气液接触耦合方式，吸收塔浆液池的气氛控制等多个方面，为防止设备结垢、堵塞等现象的发生，保证烟气脱硫装置及主机系统的正常运行，在国内外的脱硫工程中，吸收区普遍采用空塔喷淋的方式，即烟气与浆液逆向接触，烟气中的 SO2向吸收剂浆液中扩散传质，其吸收反应速度及效率取决于烟气与浆液的相对速度，接触面积，停留时
9、间等多种因素，而这些因素之间又相互制约和牵制。目前国内外同类技术普遍采用的解决上述问题的方法是在各种因素中寻求一种平均化的折中，即忽略吸收塔各不同截面及截面不同部 位分布的差异性，在一维假设的基础上寻求相对速度，接触面积及停留时间等的优化。这种看似 “平均化 ”最优的处理方案必然导致资源 (吸收剂 )的局部过剩和局部不足，从而在同等的能耗下不能充分发挥吸收塔应有的潜能，或在达到同等效能下消耗过多的资源。 本技术吸收塔按照逆流式喷淋空塔设计，其特点是烟气在喷淋区自下而上流过，与吸收浆液呈 180逆流接触。为了使汽液相对速度达到最优，汽液接触面积达到最大，从而使传质效能最大化，本技术提出了 FGD
10、 吸收塔吸收区汽液耦合平衡设计理论 4，相比较传统的均一化的空塔结构，该方法对各截面及 截面的各个不同区域吸收剂分布全国电力行业脱硫脱硝技术协作网暨技术研讨会论文集 6 进行差异化设计，在达到同等性能的情况下有效地降低了能耗，或在同等能耗下达到最大效能。 图 3 气液耦合设计理论原理 图 3所示为本设计理论原理图，分别为空塔即没有喷淋的时候、传统的均匀喷淋的结果及本技术所提出的专利 气液耦合设计理论。可以看出，在没有喷淋的时候，在这个区域自然形成一个很大的旋涡，而随着喷淋的加入，旋涡逐渐变小，除雾器前沿的速度也逐渐变得均匀。通常除雾器要达到一定的除雾效果，对来流的速度分布及速度最大值有一定的要
11、求。当均匀喷淋时，其速度偏差在 40%左右，在这个区域 旋涡变小，但还有一定的回流存在。而本技术对吸收塔各截面及截面的各个不同区域吸收剂分布的差异化设计，使除雾器前沿的速度分布趋于均匀，其偏差在 15%左右。从而容许有更大的空塔流速。吸收塔阻力降低 10%， (按 1台 600MW 机组计 )系统电耗降低 5%，年节电达 200 万度。 吸收塔的吸收剂浆液池集 CaSO3氧化、石膏结晶、石灰石溶解和向喷淋吸收系统提供吸收剂浆液等功能为一身。但是，这几项功能对于浆液 pH值的要求是不一致的：为了提高 CaSO3氧化、石膏结晶和全国电力行业脱硫脱硝技术协作网暨技术研讨会论文集 7 石灰石溶解的效率
12、希望浆液的 pH值较低，而为了提高吸收剂浆液对SO2的吸收能力则要求浆液的 pH值较高。目前国内外同类技术公知的解决上述矛盾的方法是在两种要求之间寻求折中，结果必然是仅仅在某种程度上同时符合了两方面的要求，但两个方面又同时做出了牺牲。 为了克服现有方法存在的问题，本技术提出了烟气脱硫吸收塔浆液池气氛控制装置的设计方法 (图 4)，该技术可以在吸收塔浆液池中按照烟气脱硫系统工艺的要求对浆液气氛进行控制，提供同时满足上述两方面要求的浆液气氛环境。其设计思想为：在由搅拌器引起的浆液旋转方向上，合理地布置石灰浆液进口、循环泵接口、石膏浆液排出口的位置，同时在石灰浆液进口 、循环泵接口处布置隔离板对新鲜
13、石灰浆液的扩散和混合进行分配、引导，使得在该局部形成一个气氛不同的特殊区域，以满足吸收剂对 pH值的要求。而该区域之外的浆液空间则仍保持 pH值较低的气氛，以满足 CaSO3氧化、石膏结晶、石灰石溶解的需要。从而可以针对浆液池的不同功能提供各自所需的气氛环境，提高生产能力，降低能耗提高系统对扰动响应速度数十倍，(按 1 台 600MW 机组计 )降低循环泵电耗 10%，年节电达 125 万度。 (a)传统 FGD 吸收塔浆液气氛控制系统 (b)本项目设计技术 图 4 烟气脱硫吸收塔浆液池气氛控 制装置的设计技术 全国电力行业脱硫脱硝技术协作网暨技术研讨会论文集 8 采用以上两项核心工艺技术优化
14、方法后，以一台 600MW 烟气脱硫机组为例，首先判断外部扰动对吸收塔性能的影响，烟气负荷由50%增至 100%。根据 pH值监测数据，以及烟气负荷数据，可得出吸收塔在烟气负荷扰动条件下的动态响应曲线。原烟气 SO2浓度监测曲线如图 5 所示。可以看出在测试阶段 SO2 浓度基本稳定在16001700mg/Nm3左右。烟气负荷扰动为唯一扰动量。 图 5 原烟气 SO2 浓度 根据测试可得到吸收塔 pH 值在烟气扰动条件下的动态响应曲线，如图 6所示。由图 6中可以看出 pH值随烟气量的增加出现了较为明显的下降。根据控制系统建模方法以及该对应的动态响应曲线，可以通过计算求出吸收塔特性参数 pH值
15、的动态响应模型，进而得出烟气干扰通道下的吸收塔对象动态模型以及对应的传递函数为 Ts1KesW s 。吸收塔为具有自平衡能力的一阶滞后环节，具有良好的抗干扰能力和可控性，有利于实现主要参数的自动调节，同时从响应特性可以看出系统堆扰动响应及时迅速，同时过渡过程时间短，能够在短时间内迅速达到稳定，系统稳定性好，不易受外界扰动影响。 全国电力行业脱硫脱硝技术协作网暨技术研讨会论文集 9 图 6 pH 值动态响应曲线 测试 说明，在经过以上两项吸收塔系统核心工艺优化后，吸收塔性能得到了较大的提高，塔内气液接触充分，传质效果好，反应迅速充分，从而使系统调节性能增强，对扰动响应及时，并可迅速达到稳定。浆池
16、内 pH值参数稳定，提供了良好的 CaSO3氧化、石膏结晶反应气氛，吸收塔系统性能优化效果明显。 2) 烟气系统 目前石灰石 /石膏湿法烟气脱硫中吸收塔塔顶采用圆台 /锥形结构，烟道截面则采用长方形结构，这种设计及布置方法耗材很多但整体刚度不强，通常在其塔顶需加设大量的加强结构以提高其刚度，从而进一步增加了设备重量，对承载不利；塔顶出口烟道很长 ，且支撑结构复杂、笨重；不利于流场均布，影响换热器的工作效能，且压损过大 5。 因此本本技术提出了 “烟气脱硫组合式烟道 ”的设计理论优化烟道的工艺布置，采用出口烟道代替塔体的一部分，从而将出口烟道与塔体组合为一个整体，结构紧凑，为除雾器移至塔外节省了
17、空间，除雾器得以合情合理地移至塔外。 出口烟道的形式与尺寸可根据工艺与烟气流场分布的要求来优化确定，而不必完全受限于吸收塔筒体。另外，位于塔体内的出口烟全国电力行业脱硫脱硝技术协作网暨技术研讨会论文集 10 道为竖直段，有利于减少水分的夹带和凝积，减小位于其后的除雾器的负荷。该组合式结构不但结构紧凑，烟道出口高度降低 ，烟气流场分布趋于合理，而且有利于截留净烟气中的水分，也为除雾器移至塔外烟道上安装创造了有利条件。其典型应用工程为国华太仓2600MW 烟气脱硫工程。 由于各个电厂的布置条件各不相同，在对 “组合式吸收塔及烟道 ”进行研究发展的同时，有必要对 “垂直气流逆流式喷淋空塔 ”进行进一步探究，优化其设计理论，满足特定电厂的个性化需求。这一阶段的吸收塔设计以江苏盐城电厂 2150MW 机组烟气脱硫工程为代表。其核心思想为：优化了吸收塔进出口烟道，提出了 象鼻型出口烟道的理念，简化了 附属的土建设施。 如图 7所示。 图 7 象鼻型出口烟道 该工艺优化方法依照烟气速度分布的规律来布置烟道的走向，依照等阻力的原则设置烟道流线形状，并尽可能的使烟道最短，支撑结构最为经济。在结构上，吸收塔筒体的下端固定在吸收塔基础上，吸收塔筒体的上端与圆形弯管相接，圆形弯管的另一端通过出口膨胀节与出口烟道相接构成象鼻型出口烟道，出口烟道的下端与气 气换热
