CFB工藝中溫度對(duì)脫硫效率的影響

金 銘,曲 云

(中電投遠(yuǎn)達(dá)環(huán)保工程有限公司,重慶 401122)

1 引言

作為典型的干法脫硫技術(shù),循環(huán)流化床(簡(jiǎn)稱CFB)脫硫工藝因其工藝簡(jiǎn)單、性能可靠、投資節(jié)省等優(yōu)勢(shì),目前已被廣泛地應(yīng)用于火力發(fā)電廠、垃圾焚燒廠、鋼鐵廠燒結(jié)機(jī)等煙氣的凈化處理。

2 CFB工藝原理

CFB系統(tǒng)主要由吸收塔、脫硫除塵器、吸收劑制備、脫硫灰再循環(huán)、工藝水系統(tǒng)、流化風(fēng)系統(tǒng)及壓縮空氣系統(tǒng)等組成。來(lái)自鍋爐的煙氣通過(guò)FGD入口煙道進(jìn)入吸收塔,然后通過(guò)吸收塔底部的文丘里管加速后進(jìn)入吸收塔的擴(kuò)口段,在此,吸收劑、循環(huán)脫硫灰受到氣流的沖擊作用而懸浮起來(lái),形成循環(huán)流化床,進(jìn)行充分的脫硫反應(yīng)。循環(huán)流化床具有很好的熱和物質(zhì)傳送特性,在該區(qū)域內(nèi)流體處于激烈的湍流狀態(tài)。顆粒反應(yīng)界面不斷摩擦,碰撞更新,極大地強(qiáng)化了脫硫反應(yīng)的傳質(zhì)與傳熱。

在吸收塔的文丘里的出口擴(kuò)管段設(shè)一套高壓噴水裝置,噴入的工藝水經(jīng)過(guò)霧化后一方面增濕顆粒表面,另一方面使煙溫降至高于露點(diǎn)溫度15～20℃(吸收塔出口溫度一般人為地控制在75℃左右),創(chuàng)造良好的脫硫反應(yīng)溫度,吸收劑與SO2充分的反應(yīng),主要生成亞硫酸鈣CaSO3?1/2H2 O、硫酸鈣CaSO4?1/2H2 O和碳酸鈣CaCO3,他們和飛灰一起由清潔煙氣攜帶到吸收塔頂部,然后在后面的脫硫除塵器中分離出來(lái)。分離出來(lái)的產(chǎn)物由斜槽循環(huán)回吸收塔,以延長(zhǎng)吸收劑顆粒的停留時(shí)間,降低工藝過(guò)程中Ca/S摩爾比。這套系統(tǒng)在Ca/S摩爾比稍有增加的情況下,就可以使脫硫率達(dá)到95%以上。

CFB的化學(xué)反應(yīng)原理是煙氣中的SO2和幾乎全部的 SO3、HCl、HF 等 ,在 Ca(OH)2粒子的液相表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng),主要化學(xué)反應(yīng)方程式如下：

從上述的化學(xué)方程式可以看出,其主要的污染物脫出反應(yīng)都是“酸堿中和反應(yīng)”,由于反應(yīng)勢(shì)能高,所以反應(yīng)徹底,只要營(yíng)造的反應(yīng)環(huán)境足夠好,理論上化學(xué)反應(yīng)的效率可以無(wú)限接近100%。

3 CFB工藝中吸收塔內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程分析

分析CFB工藝中吸收塔內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程,可以歸納為如下的幾個(gè)進(jìn)程,碰撞、捕捉、溶解、離子反應(yīng)。在吸收塔內(nèi)床層壓降一定時(shí),循環(huán)流化床內(nèi)的物料顆粒濃度是一定的,塔內(nèi)的物料顆粒濃度越高,氣固碰撞概率就越高,這是化學(xué)反應(yīng)的必要條件,但這也是一個(gè)比較容易控制的因素,因此在本文中不予過(guò)多討論。本文要詳細(xì)分析的是后面的3個(gè)進(jìn)程：捕捉——溶解——離子反應(yīng)。

(1)從化學(xué)反應(yīng)的形態(tài)和速度的關(guān)系來(lái)看,除了“爆炸”式的氣氣反應(yīng)以外,速度最快的就是離子反應(yīng)(反應(yīng)時(shí)間為納秒級(jí)),其次是氣固反應(yīng)(很慢),最慢是固固反應(yīng)。所以要想在有限大小的吸收塔內(nèi)充分的進(jìn)行脫硫反應(yīng),就需要將化學(xué)反應(yīng)引導(dǎo)至在“離子反應(yīng)”的模式進(jìn)行。

(2)自由水的存在是產(chǎn)生離子反應(yīng)的關(guān)鍵。在微觀層面,噴入吸收塔的工藝水會(huì)在物料的表面形成局部微小的自由水“湖泊”,無(wú)數(shù)的帶有這種自由水“湖泊”的物料顆粒在吸收塔的循環(huán)流化床的濃相區(qū)內(nèi)就形成了一個(gè)湍流中的空間點(diǎn)陣,當(dāng)然,帶水顆粒越多則該點(diǎn)陣越密集。這就相當(dāng)于一個(gè)篩網(wǎng),網(wǎng)孔越密集,則過(guò)濾效率就越高。作為化學(xué)反應(yīng)第一步的“碰撞”可分為“有效碰撞”和“無(wú)效碰撞”,但凡和干燥物料顆粒發(fā)生的碰撞皆為無(wú)效。而在與含濕顆粒發(fā)生碰撞時(shí),煙氣中所含的酸性物質(zhì)才可能被自由水表面捕捉并進(jìn)行后續(xù)的反應(yīng)進(jìn)程。

(3)營(yíng)造良好的“空間自由水點(diǎn)陣”的構(gòu)建是提高CFB脫硫效率至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。顯然,“空間自由水點(diǎn)陣”的密度正比于工藝水的加入量,但工藝水的加入量卻是受限的。在CFB工藝中對(duì)工藝水的加入量有兩個(gè)限制性的要求,在吸收塔出口,粉塵粒子的含水量必須為零,否則其下游的除塵器內(nèi)就有板結(jié)的危險(xiǎn);吸收塔內(nèi)物料粒子應(yīng)避免過(guò)濕,否則塔內(nèi)便會(huì)板結(jié)。以上2個(gè)指標(biāo)是通過(guò)吸收塔出口溫度的控制來(lái)達(dá)到的。一般當(dāng)脫硫效率高于60%后,煙氣的酸露點(diǎn)溫度就降到了50℃以下,考慮20～25℃的安全距離后,吸收塔出口溫度被控制在 75℃左右。當(dāng)然,吸收塔出口煙氣溫度越接近其露點(diǎn)溫度,則自由水蒸干時(shí)間就越長(zhǎng),自由水空間點(diǎn)陣在吸收塔內(nèi)的高度縱深就越長(zhǎng),但過(guò)低的吸收塔出口溫度會(huì)帶來(lái)運(yùn)行的安全隱患。

4 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)熱平衡原理,加入的工藝水量正比于吸收塔進(jìn)出口的煙溫差,當(dāng)吸收塔的出口溫度被確定后,吸收塔入口煙氣溫度的高低,直接決定著工藝水量的加入量。當(dāng)吸收塔入口煙溫過(guò)低時(shí),由于總加入的工藝水量有限,那么自由水空間點(diǎn)陣的密度就會(huì)降低,雖然可以通過(guò)穩(wěn)定鍋爐負(fù)荷等措施來(lái)縮短吸收塔出口溫度的安全距離以降低吸收塔出口溫度,從而延長(zhǎng)自由水空間點(diǎn)陣在吸收塔內(nèi)的高度縱深,但是過(guò)于稀疏的點(diǎn)陣的過(guò)濾效率還是可想而知的。

根據(jù)上述分析可見(jiàn),原煙氣溫度越高則CFB的脫硫效率越高,這可以作為初步工藝選型時(shí)的一個(gè)首選判斷條件。因此,在業(yè)主的煙氣脫硫可研階段,對(duì)原煙氣溫度一定要引起足夠的重視,當(dāng)煙氣溫度低于125℃時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎使用CFB工藝。除非要求的系統(tǒng)脫硫效率比較低。