石灰石/石膏濕法脫硫工藝脫硫效率影響因素

殷紅梅

(國電電力大連莊河發電有限責任公司,遼寧大連 116431)

石灰石/石膏濕法脫硫工藝脫硫效率影響因素

殷紅梅

(國電電力大連莊河發電有限責任公司,遼寧大連 116431)

闡述石灰石/石膏濕法脫硫工藝的基本原理以及它的應用狀況,本文將以漿液PH值為基準,對影響脫硫效果的因素以及規律進行研究,并從工藝和設備方面簡述如何保障濕法脫硫功效,以提升石灰石/石膏濕法脫硫工藝的脫硫效率。一般地,影響脫硫效率因素包括有石灰石的活性、液氣比、鈣硫比等。

石灰石 石膏 脫硫工藝 脫硫效率

1 引言

燃煤過程中會產生并排放二氧化硫(SO2)造成嚴重的空氣污染,為實現全國SO2的消減目標,就須控制電力行業的SO2排放量。當前我國燃煤機組廣泛地運用了石灰石/石膏濕法脫硫(wet flue gas desulfurization,以下簡稱FGD)這種煙氣脫硫工藝,FGD的流程、形式和原理在國際上都有著異曲同工之妙。主要運用了包括有石灰石(主要成分是碳酸鈣：CaCO3)、石灰(主要成分是氧化鈣：CaO)或者碳酸鈉(Na2CO3)等漿液作為洗滌劑,煙氣通過吸收塔會發生化學反應,進而達到煙氣洗滌的效果,從而使煙氣中的二氧化硫(SO2)得以去除。最早的石灰石脫硫工藝,是在1927年英國為保護高層建筑,在泰晤士河岸的電廠得以利用,至今已有87年歷史。經過不斷地對技術、工藝革新完善,如今FGD具有以下優點：脫硫效率高,基本保證為90%,最高可達95%,更甚是98%;機組容量大;煤種適應性強;副產品容易回收;運營成本較低等。本文將從影響脫硫效率的因素參數進行分析,概述其影響的原因,進而為完善FGD系統、提升脫硫效率作理論依據。

2 FGD脫硫原理

燃煤產生的煙氣通過增壓風機到達煙氣換熱器,受冷卻后進入吸收塔,吸收塔中有經過消化處理的石灰粉與水攪拌而成的吸收漿液。在吸收塔內,煙氣與吸收漿液相混合,煙氣中的SO2與漿液中的CaCO3發生化學反應。同時漿液中會蒸發部分水分使得煙氣進一步得到冷卻,穿過除霧器除去煙氣中的水分,進而離開吸收塔再次進過煙氣換熱器加溫后,進入煙囪中排入外界空氣中。過程中會生成副產品二水石膏(CaSO4·2H2O),在進行脫水就能回收石膏。其中FGD的主要化學反應原理如下：

石灰石法：SO2+H2O=H2SO3

H2SO3+Ca CO3=Ca SO3+H2O+CO2

石灰法：SO2+H2O=H2SO3

H2SO3+Ca O=C a SO3+H2O

這種工藝擁有極其豐富的資源作為吸收劑,能廣泛地進行商業化開發,擁有成本低,可回收等優點。當前,作為FGD工藝中應用最為廣泛地方法,石灰石/石灰法對高硫煤的脫硫率能保證至少90%,而那些低硫煤則能保證95%的脫硫率。

3 脫硫效率的影響因素

煙氣換熱器會使燃煤過程中產生的煙氣降溫冷卻,進入吸收塔其中的HCl、HF以及灰塵等都會溶入漿液中,漿液中的水分會吸收SO2、SO3生成H2SO3,其能分解H+和HSO3-,與漿液中的CaCO3發生水反應生成二水石膏,使得漿液的PH值發生變化。為使吸收塔的脫硫效率得以保障,漿液通過循環泵從吸收塔漿池送到塔內噴嘴體系噴淋而下,會向吸收塔內持續輸送漿液,使吸收塔內的漿液PH值保持在5～7之間。

3.1 吸收塔內漿液的PH值

吸收塔中漿液吸收掉SO2的程度決定著脫硫效率的高低,而漿液的PH值會使其受到影響。相關實驗表明,PH值越高越能吸收SO2,而越低的PH值更能Ca2+,減少成本,此二者要求對立,因此合理控制漿液PH值,不但能最大化提升脫硫效率,還能降低成本。

漿液的PH值是一個緩慢的變化過程,因此也就不能通過監控進行及時控制來達到理想值。隨著煤質和荷載的改變,煙氣流量不斷提升,脫硫效率逐步下降;通力煙氣流動速度越快,使得煙氣對噴淋漿液的浮力就越高,增加了煙氣與漿液的混合時間,卻提升了駝鹿效率;雖然煙氣流速慢能更好地吸收SO2,但這樣容易使煙道發生堵塞等問題。此外,相關數據表明,混合漿液中Ca CO4·2 H2O和CaCO3的濃度達到飽和時,其漿液密度ρ=1135Kg/m3,而CaCO3·2H2O會抑制漿液對SO2的吸收,使脫硫效率降低;而當漿液密度ρ≤1070Kg/m3時,CaCO3的濃度會相對升高,CaCO3·2H2O的濃度變低,雖然使得脫硫效率增加,但會浪費大量的石灰石漿液,使得成本變高。因此,建議密度范圍為[1070,1135]。

所以穩定漿液PH值,不僅是利用閥門來控制漿液的供給量,還需要做一個閉合控制回路,來控制進入漿液中的SO2的量。根據反應方程式：SO2+CaCO3=CaSO3+CO2↑可以得到,CaCO3與SO2的質量關系比為100：64。所以將煙氣中SO2的含量作為參照,來控制漿液的供給量不但能滿足反應的需求,還能控制PH值。實驗表明,當PH＜5.6時,PH越高漿液中就存有更多的CaCO3,脫硫效果越顯著,但當PH＞5.7時,使得Ca2+難以吸出,脫硫效率變化相對緩慢。低PH值能促進溶解,但不利于脫硫,還會造成設備酸性腐蝕。所以,建議漿液PH值的范圍[5.4,5.6]。

3.2 石灰石活性

石灰石中約95%都是方解石,其主要是由CaCO3組成的沉積巖,其常見的雜質有MgCO3、SiO2、Fe2O3、Al2O3。在FGD系統中,會溶解部分MgCO3,但大部分的金屬雜質即使在強酸下也不會被溶解。溶解過后的MgCO3雖然會提升脫硫效率,但其中Mg2+濃度過高會影響石膏的沉淀和脫水,進而降低石膏的純度。SiO2較CaCO3的硬度強,需要更多的漿液原料,且具有腐蝕性,會使設備受到磨損,總而言之SiO2會降低石膏純度以及石灰石活性。而金屬離子會生成氟化絡合物分布在石灰石之上,使得PH值相對偏低。所以,石灰石的溶解速率、溫度、大小以及溶液中碳酸鹽的含量都會覺得石灰石的活性,進而影響脫硫效率。

3.3 液氣比

單位統計的煙氣流量在脫硫吸收塔中用于循環的堿性漿液的體積流量就是液氣比,其值等于單位時間內漿液的噴淋量和單位時間內濕煙氣體積流量比。相關實驗數據表明,液氣比越小,隨著不斷增加的煙氣流量,SO2氣體在漿液中停滯時間較短,不能充分地與漿液混合,也就使得煙氣中的脫硫效率就越低。值得一提的是,太小的液氣比會使吸收塔達到“泛液點”,使得反應過程中不再產生鼓泡現象,影響了SO2的吸收;液氣比也不能太大,過大的液氣比對設備要求越高,進而會加大投資成本。某電廠330MW的機組當液氣比達7時,脫硫效率達到95%,當液氣比達到8.5時,脫硫效率高達97%,因此建議液氣比范圍[7,9]。

3.4 鈣硫比

脫硫過程中使用的CaCO3中Ca與去除SO2中S的摩爾比值就是鈣硫比,其化學反應理論值為1。一般地將石灰石碾壓成粉并在漿液循環泵中多次循環才能使石灰石反應充分,鈣硫比越高,電耗也就越高。實驗表明,當鈣硫比低于1.02時脫硫效率偏低,而當鈣硫比高于1.05時脫硫效率趨于平衡。雖然鈣硫比的增加會適當提升脫硫效率,但增加的幅度卻相對受限,還會使PH值變大,繼而不利于脫硫反應,所以,鈣硫比范圍在[1.02,1.05]比較適宜。

3.5 煙氣中的飛灰

飛灰含量高的煙氣會干擾石灰石的溶解,使石灰石中的Ca2+的溶解速率變低。而且灰塵產生的氟化絡合物,會在石灰石表面形成“糖衣”,不但會降低石膏的純度,還會是PH值下降,不利于SO2的吸收。此外飛灰中例如Hg、Cd、Zn等重金屬還會使Ca+和HSO3-的反應受到抑制,降低脫硫效率。一般地,FGD粉塵流入量不得高于100mg/Nm3。

除此之外,氧氣的含量以及煙氣的溫度或多或少地會導致石膏氧化反應不充分,使得漿液中的含量過高,影響漿液質量并降低脫硫效率,所以必須保持充足的O2,提供合適地溫度;再者設備的質量、結構以及性能等都會對脫硫效率產生影響;適當地添加有機酸,能促進石灰石的溶解,有效地提升脫離效率。

4 結語

運用FGD來控制火力燃煤發電過程中產生的SO2排放量,還有一個相當長的階段。提升FGD脫硫效率,減少SO2的排放,不但能降低電廠成本,提升電廠價值,更能為我國當前的空氣質量作出重要貢獻。只有嚴格要求員工,結合實際情況,嚴格控制材料的質量,定期檢查設備及時發現故障并予以解決,從而提高脫硫效率,有效地提升電廠經濟價值。

[1]海廣星,胡小林,田亞菲,申建中.石灰石/石膏濕法脫硫工藝脫硫效率影響因素探討[J].中國科技信息,2011,01：79-81.

[2]李青青.石灰石—石膏濕法脫硫工藝在灤河電廠的應用研究[D].河北科技大學,2012.

[3]曹莉莉,楊東,計永躍.石灰石/石膏濕法脫硫真空皮帶機脫水效果影響因素研究[J].中國電力,2005,01：73-75.

[4]薛云波,汪 翙. 影響石灰石石膏濕法煙氣脫硫效率因素的分析[J].南京工程學院學報(自然科學版),2005,01：44-49.

[5]任志華,沈炳耘,王蘇琛.石灰石-石膏濕法煙氣脫硫效率影響因素的分析與探討[A].中國金屬學會能源與熱工分會.第七屆全國能源與熱工學術年會論文集[C].中國金屬學會能源與熱工分會,2013：3.

[6]山樂勝,張衛華.石灰石-石膏濕法脫硫工藝在山東的應用前景[J].山東電力技術,2001,03：34-36.