石灰石-石膏濕法脫硫效率分析及系統優化

陳文通

（華北電力大學能源動力與機械工程學院 河北保定）

石灰石-石膏濕法脫硫工藝技術成熟，運行穩定可靠，吸收劑利用率高，對煤種適應性強，脫硫效率高。是目前電廠使用最廣泛的煙氣脫硫方式。隨著國家“節能減排”政策的提出和可持續發展的不斷推進，對電廠脫硫系統提出了更高的要求。脫硫效率和脫硫系統的技術創新變得尤為重要。

一、影響石灰石-石膏濕法脫硫效率的因素

（1）吸收塔漿液的pH值。由SO2與吸收塔漿液接觸后發生的化學反應機理可知，高pH值利于SO2吸收，低pH值有助于Ca2+析出。pH=6時,SO2吸收效果最佳，但此時易發生結垢、堵塞現象。低pH值時,石灰石溶解度增加，但SO2的吸收受到抑制；當pH=4時，SO2的吸收幾乎無法進行,且吸收液呈酸性，對設備也有腐蝕。一般pH值在5.2～5.6為宜。

（2）液氣比及漿液循環量。在吸收塔設計中，循環漿液量的多少決定了SO2吸收表面積的大小，在其他參數恒定的情況下，提高液氣比相當于增大了吸收塔內的漿液噴淋密度，從而增大了氣液傳質表面積，強化傳質，提高脫硫效率，提高液氣比是提高脫硫效率的有效措施。

（3）煙氣與脫硫劑的接觸時間。煙氣進人吸收塔后自下而上流動，與噴淋而下的石灰石漿液霧滴接觸反應，接觸時間越長，反應進行得越完全。吸收塔漿池容量大，漿液在塔內停留時間長，有利于石灰石顆粒與洗滌下來的SO2充分反應，并使反應生成物CaSO3·1/2H2O有足夠的時間氧化成CaSO4·2H2O，充分結晶形成石膏。吸收區高度是指吸收塔煙氣入口至最高噴淋層之間，煙氣與漿液接觸，發生反應的有效區段。在煙氣流速確定的情況下，吸收區高度越高，反應越充分，脫硫效果越好。

（4）塔內煙氣流速。提高煙氣流速可以減薄煙氣與漿液之間的膜厚度，增強氣液間的傳質；同時煙氣流速增加使噴淋液滴的下降速度相對降低，使單位體積內的持液量增大，增大吸收段的傳質面積，增大傳質單元數，提高脫硫效率。煙氣流速增大帶來的不利影響是煙氣攜帶漿液顆粒增多，加重除霧器的負擔。

（5）煙氣分布均勻性。采用噴淋塔的濕法脫硫工藝，噴淋層的布置設計對脫硫系統的脫硫效率有重要的影響。噴嘴的布置要求滿足噴嘴的性能情況下，還需要進行優化布置，使噴嘴密度和覆蓋率與塔內煙氣流速分布相對應。

隨著吸收塔直徑的增加，煙氣分布均勻性降低，靠近吸收塔壁部分，漿液噴淋量和噴嘴的覆蓋率明顯低于吸收塔中其它區域。對于空塔噴淋，塔壁部分的煙氣流速遠遠大于其余部分，很容易造成煙氣偏流。在脫硫效率要求≤97%的情況下，這部分偏流對脫硫效率影響不大，但當出口濃度要求＜35 mg/Nm3時，這一部分的影響不容忽視。

（6）石灰石粒度及純度。石灰石顆粒越細，表面積越大，吸收速率越快，反應越充分，石灰石的利用率越高。一般要求石灰石粒度為90%通過325目篩或250目篩，純度要求＞90%。

（7）氧化空氣量。O2參與煙氣脫硫的化學過程是將HSO-轉化為SO42-，隨著煙氣中O2含量增加，CaSO4·2H2O的形成加快，脫硫率也呈上升趨勢。

（8）煙塵。飛灰在一定程度上阻礙了與脫硫劑的接觸，降低了石灰石中Ca2+的溶解速率。同時飛灰中不斷溶出的重金屬會抑制Ca2+與HSO-反應。若煙氣中粉塵含量持續超過設計值，粉塵中Al3+會與液相中的F-反應生成對石灰石有包裹作用的氟化鋁絡合物，使脫硫效率降低，并產生噴頭及管道堵塞，石膏脫水困難等問題。

（9）煙氣溫度。進入吸收塔的煙氣溫度越低，越利于SO2氣體溶于漿液。通常將煙氣冷卻到60℃左右再進行吸收最為適宜。一般將塔入煙溫控制在80℃左右，煙氣進入塔后進一步冷卻到60℃左右。

（10）Cl-含量。Cl-在系統中主要以CaCl2形式存在，去除困難，影響脫硫效率。

二、石灰石-石膏濕法脫硫系統優化

（1）石灰石粉活性激發劑技術。投資少，操作簡單，不需要對現有脫硫系統進行改造，只需控制活性激發劑的加入量，就可以使達標的脫硫系統更節能、使不達標的脫硫裝置達標運行，并可使系統靈活適應各種變化條件，擴大系統運行的適應范圍。對于新建機組，也可采用脫硫添加劑技術來達到超高的脫硫效率。

石灰石粉活性激發劑的加入，強化了氫離子的傳遞，表現對pH值的緩沖作用，一方面促進了SO2向液相的溶解，另一方面促進了CaCO3的溶解，從而加速了SO2的化學吸收。脫硫活性激發劑具備以下性能：提高石灰石粉的利用率，減少有效成分CaCO3的浪費；提高脫硫效率；減少液氣比，可停運1～2臺吸收塔漿液循環泵，仍然保持脫硫效率達標，節省電廠廠用電；適應高硫份煤種，在電廠燃用高硫份煤種情況下，能較大幅度的提高脫硫效率。脫硫添加劑技術在國內很多電廠已經采用，效果良好。

（2）空塔串聯塔技術。目前國內主流技術的吸收塔均為空塔，如要求超高的脫硫效率，由于受到吸收塔漿液池容量和噴淋層數量的限制，靠單塔很難再提高脫硫效率，此時可以采用吸收塔串聯技術進行脫硫，兩個吸收塔中各自都設置噴淋層、氧化空氣分布系統、氧化漿液池。煙氣先進入預洗塔脫除部分SO2和其他污染物后（約可去除70%的SO2），再進入后吸收塔脫除剩余的污染物。兩塔串聯運行，共同脫硫，提高脫硫效率，以滿足排放標準，空塔串聯塔煙氣脫硫系統流程見圖1。此技術適合于高硫煤系統，同樣液氣比條件下運行電耗小于多噴淋層方案，但系統復雜，占地較大。

（3）噴淋層及其噴嘴的優化設計。噴嘴是脫硫裝置中的關鍵部件之一，其霧化性能對脫硫效率、投資成本和操作維修成本有重要的影響。在漿液流量一定的條件下，操作壓力越高，平均粒徑越小，粒徑分布越集中，越有利于脫硫效率的提高。但由于液滴速度變大，在吸收區停留時間短，要想達到設計所需的停留時間，必須增大塔高，投資成本的增加的同時也加速了噴嘴的磨損。在單個噴嘴的霧化性能參數選定后，還必須進行吸收塔內噴嘴布置的設計，噴嘴的布置設計要充分考慮工藝參數、單個噴嘴的性能參數、塔內徑、噴淋密度以及噴淋密度分布等因素。合理的噴嘴布置，才能達到系統設計要求。

目前濕法脫硫用噴嘴的類型和霧化機理的研究已相對成熟，但仍需進一步降低投資和操作維修成本。現在比較常用的做法是在碳化硅的基礎上加入其他成分或改變其結構，提高其使用年限。如美國BETE公司采用的反應燒結碳化硅陶瓷（RBSC）和氮連接碳化硅陶瓷（SNBSC）材料等。

另外，噴嘴在塔內的布局對煙氣的分布有著重要的影響，煙氣的分布越均勻對脫硫越有利，現有工藝僅通過噴嘴的布局很難達到煙氣分布均勻的效果。美國巴威公司在塔內設置了托盤，在空塔基礎上增設托盤，使進入吸收塔內的煙氣分布更均勻，解決偏流問題；密集布置的噴淋噴嘴保證煙氣能與漿液充分接觸，強化傳質，提高脫硫劑利用率，從而提高脫硫效率。國電清新采用了旋匯耦合技術，在吸收塔內加裝湍流裝置，該技術是基于多相紊流摻混的強傳質機理，利用氣體動力學原理，通過特制的旋匯耦合裝置產生氣液旋轉翻覆湍流空間，氣液固三相充分接觸，迅速完成傳質過程，從而達到氣體高效凈化的目的，有無湍流器的脫硫效率對比見圖2。有的脫硫公司則采用CFD模擬優化脫硫噴淋塔工藝,該工藝借助于對吸收塔內煙氣和噴淋漿液兩相流的三維模擬,吸收塔內的煙氣分布、流動,吸收塔橫截面內漿液的分布和噴嘴的位置得到了優化。CFD模擬的核心內容就是調整吸收塔內噴嘴的數量和形式，通過對吸收區的分析、優化，降低系統的設計裕量，得到較低的液氣比，在成本相對較小的情況下進一步提高脫硫效率。

圖1 空塔串聯塔煙氣脫硫系統流程

圖2 有無湍流器的脫硫效率對比圖

三、結語

隨著濕法脫硫技術的不斷發展，在脫硫裝置正常投運且效率達95%以上的情況下，以脫硫的電耗、粉耗、水耗等單耗最小化為目標值，對運行方式進行優化和調整；另一方面在以國家為主導、企業為主體的節能減排大政方針下，不斷進行脫硫系統各種新技術引進和自身改進以及管理優化，積極推進脫硫系統的穩定運行和電力企業的節能減排。