燃煤電廠石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術概述

0 引 言

隨著煙氣脫硫技術不斷發展,針對各種不同工況的煙氣脫硫技術日新月異，半干法、干法、電子束法、流化床煙氣脫硫、活性碳吸附等脫硫方法相繼出現。但是濕法脫硫仍然是脫硫技術市場中占有份額最大、技術較成熟的一項技術。而石灰石-石膏濕法脫硫具有脫硫效率高、吸收劑來源豐富、價格低廉以及副產品可以回收利用等特點，是目前世界上燃煤電廠技術最成熟、使用業績最多、運行狀況較穩定的脫硫工藝。

1 石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝流程及反應原理

近年來，隨著國家環保要求的提高和脫硫技術的發展，國內新建燃煤電廠主流工藝也有了一些變化，脫硫系統不設旁路，不設GGH，增壓風機與引風機合并等。旁路取消導致脫硫系統需穩定運行才能確保主機安全運行。圖1是近年新建燃煤電廠主流石灰石-石膏濕法脫硫工藝流程圖。

圖1 燃煤電廠石灰石石膏濕法脫硫工藝流程

該工藝的主要反應是在吸收塔中進行的，送入吸收塔的吸收劑（石灰石漿液）與進入吸收塔的煙氣接觸混合，煙氣中的二氧化硫(SO2)與吸收劑漿液中的碳酸鈣(CaCO3)以及進入的空氣中的氧氣(O2)發生化學反應，生成二水硫酸鈣(CaSO4·2H2O)即石膏；脫硫后的煙氣經過除霧器除去霧滴經煙囪排入大氣。該工藝的化學反應方程式如下：

2 工藝系統

石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝系統（以下簡稱FGD）主要包括以下9個子系統：煙氣系統、石灰石制備系統、吸收系統、石膏脫水和儲運系統、排放系統、廢水處理系統、公用系統、事故冷卻系統和電氣與監測控制系統。9個子系統中以吸收系統為核心，首先通過石灰石制備系統制備一定濃度的石灰石漿液輸送至吸收系統，原煙氣經煙氣系統進入吸收系統后，煙氣中SO2與吸收系統內石灰石漿液反應后生成石膏漿液，凈煙氣經過吸收系統后經煙囪排放至大氣中。吸收系統中產生的石膏漿液通過石膏脫水系統產出脫硫副產物石膏和排出部分脫硫廢水進入廢水處理系統處理達標后排放。在整個脫硫過程中，公用系統提供吸收系統和其他子系統需要的水、汽等；電氣與檢測控制系統提供各子系統的動力及控制吸收系統和其他子系統正常運轉。排放系統則將吸收系統設備的冷卻水、機械密封水等收集后再次送至吸收系統。另外，排放系統和事故冷卻系統在檢修或事故狀態下保護吸收系統。下面將分別介紹FGD的9個子系統。

2.1 煙氣系統

煙氣系統即煙氣所流經的通道，主要設備包括煙氣擋板、增壓風機（引風機）、煙道、煙囪及其附件。

(1)增壓風機

目前國內新建燃煤電廠一般將增壓風機和引風機合并，即FGD不設增壓風機。

(2)煙道

煙氣進過吸收系統后濕度增加，溫度降低，具有較強腐蝕性，濕煙道內壁需防腐，而且濕煙道底部和煙道膨脹節底部需設排水孔將煙道中的冷凝水及時排出。

另外，當兩臺機組共用一臺單筒煙囪時，在FGD出口至煙囪進口應設置煙氣擋板，否則機組無法單臺爐停機檢修；當每臺機組對應一個煙囪內筒時FGD無需設置煙氣擋板。

(3)煙囪

FGD后進入煙囪的濕煙氣具有腐蝕性，所以煙囪內筒需防腐或采用耐腐蝕的鈦合金材料。

圖2 濕法脫硫煙氣系統

2.2 石灰石制備系統

石灰石漿液系統的主要設備有卸料站、石灰石貯倉、石灰石輸送機、石灰石磨機、水力旋流器、稱重皮帶給料機、泵、箱及攪拌器。

石灰石球磨機分為干式和濕式兩種，FGD石灰石制備系統一般采用濕式球磨機(見圖3)。石灰石塊送至現場后，經皮帶給料機、斗式提升機送至石灰石儲倉內，再由稱重皮帶輸送機送到濕式球磨機內磨制成漿液，石灰石漿經分離后，大尺寸物料再循環，合格的溢流物料存貯于石灰石漿液箱中。如果方便，也可直接購買石灰石粉在石灰石漿液罐中加工藝水達到所需漿液濃度（25%左右）。然后由石灰石漿液泵送至吸收塔。

圖3 石灰石制備系統

2.3 吸收系統

吸收系統是濕法脫硫系統的核心，一般包括吸收塔、吸收塔漿液循環泵和噴淋層、石膏漿液排出泵、氧化風機等幾個部分，還包括輔助的放空、排空設施。

(1)吸收塔

吸收塔的類型有多種，主要有噴淋塔、填料塔、鼓泡塔、液柱塔等。FGD一般采用噴淋塔（見圖4），塔內壁需防腐。吸收塔分為三個區域：吸收塔漿液池、洗滌區和氣體區。習慣上將吸收塔中吸收劑漿液液面以下稱做吸收塔漿液池，此區域布置有吸收塔漿液攪拌器，防止漿液沉積，在這一區域的主要反應為：新加入石灰石的溶解、亞硫酸鹽氧化生成硫酸鹽、石膏晶體生長；洗滌區為吸收塔漿液池液面以上到漿液噴淋層，漿液自噴嘴噴出，與煙氣接觸，吸收煙氣中的SO2和SO3；在吸收器內噴淋層上部至吸收塔出口是氣體區，此區域裝有除霧器，用于將脫硫后的煙氣中的細小液滴去除，減少下游設備的腐蝕和結垢。

(2)吸收塔漿液循環泵和噴淋層

吸收塔漿液循環泵主要是將吸收塔漿液池內的漿液輸送至噴淋層后由噴嘴噴射出來與煙氣逆向接觸發生反應，吸收煙氣中的SO2和SO3。每臺漿液循環泵對應一層噴淋層。

(3)石膏漿液排出泵

吸收塔內的石膏漿液由石膏漿液排出泵輸送至石膏脫水系統進行后續處理。

(4)氧化風機

通過氧化風機向吸收塔漿液池內鼓入氧化空氣，在攪拌器的作用下將氧化空氣均勻分布至漿液內部，將CaSO3氧化生成CaSO4，CaSO4結晶析出生成石膏。

圖4 濕法脫硫吸收系統

2.4 石膏脫水和儲運系統

石膏脫水和儲運系統的主要設備有石膏水力旋流器、真空皮帶脫水機（見圖5）、廢水旋流器、皮帶輸送機和石膏儲存間等。吸收塔內的石膏漿液通過石膏排出泵送入石膏水力旋流站濃縮，濃縮后的石膏漿液進入真空皮帶脫水機，進入真空皮帶脫水機的石膏漿液經脫水處理后由皮帶輸送機送入石膏儲存間存放待運，可供綜合利用。石膏旋流站的溢流漿液一部分返回吸收塔循環使用，一部分進入廢水旋流器，廢水旋流器底流返回吸收塔，上部溢流送至廢水處理區域。

圖5 石膏脫水系統

2.5 排放系統

排放系統包括排水坑、事故漿液箱和拋棄池等。吸收塔區域排水坑用于收集吸收塔區正常運行、清洗和檢修中產生的排出物。吸收塔排水坑內的漿液由泵輸送至吸收塔、事故漿液池或拋棄池。事故漿液池用于當吸收塔在檢修或事故狀態下排放儲存吸收塔漿液池中的漿液。另外，當FGD設旁路時，FGD可以在主機投運正常后再投運。但目前FGD不設旁路，試運初期電除塵投運不正常導致煙氣中大量灰塵和鍋爐點火時未燃盡油進入吸收塔漿液池，會導致吸收塔漿液池中的漿液“中毒”，無法到達正常脫硫效果。應將“中毒”漿液通過排放系統外排至拋棄池拋棄。

2.6 廢水處理系統

為降低FGD漿液中的氯離子濃度，需定期定量排出脫硫廢水。由廢水旋流器上溢流排出的廢水進入廢水處理系統，處理后達到《火電廠石灰石/石膏濕法脫硫廢水水質控制指標》后排放。脫硫廢水處理系統包括：Ca(OH)2加藥系統、有機硫加藥系統、絮凝劑加藥系統、鹽酸加藥系統、出水系統、污泥脫水系統等。

2.7 公用系統

FGD公用系統包括工藝水箱、工藝水泵、除霧器沖洗水泵、壓縮空氣罐等。公用系統主要提供設備機械密封水、工藝水補水、管道沖洗水、除霧器沖洗水和儀用壓縮空氣等。

2.8 事故冷卻水系統

當FGD有旁路時，事故狀態下高溫煙氣可通過旁路擋板切換從旁路進煙囪保護吸收塔，可以不設事故冷卻水系統。由于近年FGD不設旁路，當事故狀態下FGD進口煙溫過高或者脫硫島失電時，高溫煙氣將通過吸收塔，而吸收塔內除霧器和防腐鱗片將在高溫下損壞。所以無旁路FGD需設置事故冷卻水系統。事故冷卻水系統由事故冷卻水箱、事故冷卻噴嘴和配套管道閥門組成，也可以引一路消防水做冷卻噴淋水。當事故狀態出現時，事故冷卻水由事故冷卻噴嘴噴射進入煙道內給煙氣降溫后通過吸收塔。由上海電氣石川島電站環保工程有限公司承接的寧夏水洞溝電廠#1機組FGD在調試時，由于電除塵器處施工意外導致脫硫島失電，事故冷卻水系統自動投運，在失電的12 min內確保吸收塔內煙氣溫度未超過除霧器設計溫度80℃。事實證明，無旁路FGD設事故冷卻水系統是必須的，也是有效的。

2.9 電氣與監測控制系統

電氣與監測控制系統主要由電氣系統、監控與調節系統和聯鎖環節等構成，其主要功能是為系統提供動力和控制用電;通過DCS系統控制全系統的啟停、運行下況調整、聯鎖保護、異常情況報警和緊急事故處理;通過在線儀表監測和采集各項運行數據，還可以完成經濟分析和生產報表。主要設備包括各類電氣設備、控制設備以及在線儀表等。

圖6 濕法脫硫煙氣系統DCS控制

圖7 濕法脫硫吸收系統DCS控制

3 影響脫硫效率的因素

3.1 煙氣流速

在其他參數恒定的情況下，提高煙氣流速可以增強氣液兩相的湍動，減薄煙氣與吸收漿液之間的膜厚度，增強氣液傳質。另外，還能使噴淋液滴的下降速度相對降低，使單位體積內持液量增大，提高脫硫效率。但是，煙氣流速的增大也會造成脫硫系統壓力損失增大、能耗增加以及煙氣帶水而增加除霧器的負擔。對于FGD 系統中所采用的主流塔型逆流噴淋塔來說，通常采用的煙氣流速為3.5～4.5 m/s。

3.2 煙氣溫度

脫硫效率隨吸收塔進口煙氣溫度的降低而增加，這是因為脫硫反應是放熱反應，溫度升高不利于脫除SO2化學反應的進行。但是煙氣溫度過低也會影響SO2的吸收。

3.3 入口煙氣中SO2濃度

在鈣硫摩爾比一定的條件下，當煙氣中SO2濃度較低時，根據化學反應動力學，其吸收速率較低，吸收塔出口SO2濃度與入口SO2濃度相比降低幅度不大。由于吸收過程是可逆的，各組分濃度受平衡濃度制約。當煙氣中SO2濃度很低時，由于吸收塔出口SO2濃度不會低于其平衡濃度，所以不可能獲得很高的脫硫效率。因此，工程上普遍共識為，煙氣中SO2濃度低則不易獲得很高的脫硫效率，濃度較高時容易獲得較高的脫硫效率。實際上，按某一入口SO2濃度設計的FGD裝置，當煙氣中SO2濃度很高時，脫硫效率會有所下降。

3.4 吸收塔進口煙氣中的飛灰

煙氣中的飛灰會在一定程度上阻礙SO2跟吸收劑的接觸，減少了SO2的吸收表面積，降低了吸收速率。此外，飛灰中溶出的一些重金屬離子會抑制和HSO的反應，進而影響脫硫效果。同時，大量的飛灰也會堵塞噴頭。一般應控制吸收塔入口煙塵濃度小于 100 mg/m3。

3.5 石灰石純度和粒徑

石灰石中的雜質對石灰石顆粒的消溶起阻礙作用，并且雜質含量越高，這種阻礙作用越強。高純度的石灰石有利于SO2的吸收以及生產優質的脫硫石膏。此外，石灰石的粒度大小直接影響有效反應面積的大小，通常粒度越小，單位體積的表面積越大，脫硫效率及石灰石利用率越高。但石灰石的純度和粒度過高，將會導致吸收劑制備價格和能耗的上升。通常要求石灰石的純度在90%以上，粒度小于30μm。

3.6 液氣比（L/G）

液氣比是與流經吸收塔的單位體積的煙氣量相對應的漿液噴淋量。液氣比對脫硫效率的高低有著重要的影響。在其他參數恒定的情況下，提高液氣比能提高脫硫效率。但是高液氣比使吸收塔內壓力損失增大，風機能耗增加，漿液循環泵的流量增大，帶來的系統設計功率及運行電耗的增加，運行成本提高較快。同時，循環液量的增大使得出口煙氣的霧沫夾帶增加，會造成后續設備和煙道的腐蝕。實際上，脫硫設計中在滿足脫硫效率的基礎上液氣比越小越好。

3.7 循環漿液的pH值

漿液的低pH值有利于石灰石的溶解和CaSO3·1/2H2O的氧化，而高pH值則有利于SO2的吸收，二者互相對立。因此，選擇一個合適的漿液pH值對煙氣脫硫反應至關重要。吸收塔漿液的pH值一般控制在5.5左右。

3.8 漿液停留時間

吸收塔中的停留時間是指液體與煙氣在吸收塔中的接觸時間。漿液在漿液池內停留時間長將有利于漿液中的石灰石顆粒與SO2充分反應以提高脫硫劑的利用率，并使反應生成物CaSO3有足夠的時間完全氧化生成CaSO4以獲得粒度均勻、純度高的脫硫石膏。但漿液停留時間過長將會使漿液池容積增大，氧化空氣量和攪拌機的容量增大，將增加土建和設備費用及能耗。

3.9 鈣硫比

在FGD裝置中，鈣硫比定義為加入CaCO3的摩爾數/吸收塔進口煙氣中SO2的摩爾數。在保持液氣比不變的情況下，鈣硫比增大，注入吸收塔內吸收劑的量相應增大，引起漿液pH值上升，可增大中和反應的速率，增加反應的表面積，使SO2吸收量增加，提高脫硫效率。但是，由于石灰石的溶解度較低，其供給量的過度增加將導致漿液濃度的提高，會引起石灰石的過飽和凝聚，最終使反應的表面積減小，脫硫效率降低。對于石灰石-石膏濕法FGD裝置，鈣硫比一般選擇在1.02～1.05之間。

4 脫硫系統中的運行優化措施

脫硫系統運行中，在保證脫硫效率的同時，可以采用以下優化措施保護脫硫裝置和降低脫硫裝置電耗。

4.1 提高石灰石品質

作為脫硫系統的吸收劑，石灰石的品質關系到整個系統的正常運行。首先，提高石灰石的純度有利于提高脫硫效率；其次，石灰石中的雜質會加大對脫硫設備、管道和閥門的磨損，減少脫硫設備的壽命，威脅脫硫系統的正常運行。所以，提高石灰石品質對于優化脫硫系統意義重大。

4.2 根據不同工況調整漿液循環泵運行數量

脫硫系統中漿液循環泵的設計一般是滿足BMCR工況并留有一定余量，而實際上，很多燃煤電廠由于電網限制或其他因素無法保持滿負荷運行。當機組低負荷運行時，漿液循環泵不需要全部投運即可滿足脫硫效率。例如寧夏水洞溝電廠，漿液循環泵設計為4臺，當機組負荷較低時投運3臺循環泵即可滿足脫硫效率，大大降低了脫硫電耗。

另外，當燃用非設計煤種時且原煙氣中SO2含量較低時，也可以在保證脫硫效率的前提下減少漿液循環泵的運行數量，降低脫硫電耗。

4.3 保持合適的吸收塔漿液密度

吸收塔漿液密度對漿液循環泵、氧化風機和石膏脫水系統的電耗均有影響。總體電耗隨密度增加而逐漸增大。但是，吸收漿液密度對脫硫效率有一定的影響，過低的漿液密度會使脫硫效率明顯下降，運行中仍需適當維持一定的漿液密度。吸收塔漿液密度一般在1100kg/m3左右時電耗敏感度存在分界點，因此運行應將漿液密度控制在1100kg/m3左右。

5 示范工程

圖7 寧夏水洞溝電廠2×660MW機組脫硫系統

寧夏水洞溝電廠2×660MW火電機組位于寧夏自治區靈武市寧東鎮，該電廠濕法脫硫系統（圖7紅框內）是國內首批無煙氣旁路系統的典型案例，該項目由上海電氣石川島電站環保工程有限公司采用EPC模式承建，9個子系統配置完整，在進行先期設計時對每個子系統均進行了設計優化及論證，確保每個子系統的可靠性和高效性。項目已于2011年6月投入商業運行且運行良好。

6 結 論

（1）石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝脫硫效率高，技術成熟，運行可靠。近年來，國內新建燃煤電廠脫硫系統主流工藝可分為9個子系統。FGD不設旁路，對脫硫系統的要求進一步提高，需將調試初期“中毒”漿液外排和增加事故冷卻水系統。

（2）影響脫硫效率的關鍵因數有很多，而且它們之間又相互影響，如果只追求高脫硫效率，在改變一些關鍵因數時會增大整個FGD的投資成本。在工程應用中，要根據情況選擇合適的設計和運行參數，既要實現脫硫的高效率，又要兼顧經濟上的可行性。

（3）在保證脫硫效率的前提下，可通過提高石灰石品質、根據不同工況調整漿液循環泵數量和保持合適的吸收塔漿液密度等措施優化脫硫系統。

[1]朱世勇.環境與工業氣體凈化技術[M].北京:化學工業出版社,2001.

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