浙江石化動力中心燃煤鍋爐煙氣脫硫技術方案對比分析

(浙江石油化工有限公司，舟山 316000)

0 引 言

電廠中燃煤鍋爐的運行會產生大量高溫煙氣，煙氣中存在的有害物質，特別是SOX，會加劇空氣污染以及酸雨的形成。為降低煙氣中SOX的排放濃度，使之達到國家允許的排放限值，目前通用的脫硫工藝主要包括兩種，分別是石灰石-石膏法(簡稱鈣法)和海水法[1]。其中，鈣法主要利用石灰或石灰石等鈣基脫硫劑，海水法主要利用海水作為脫硫劑[2]。為具體對比并分析上述兩種脫硫技術的特點，文中以動力中心燃煤鍋爐的脫硫方案為例開展研究。浙江石化動力中心設置7×670 t/h高壓煤粉鍋爐，每臺鍋爐額定負荷的煙氣量852 293 Nm3/h，含硫量2 416.2 mg/Nm3，文中分別采用鈣法和海水法對上述案例中排放的污染物進行脫硫效果研究。

1 煙氣脫硫技術方案分析

鈣法和海水法脫硫原理見表1，兩種脫硫方法均為吸收法，但采用的脫硫劑不同[3]。鈣法是通過消耗石灰石進行脫硫，其間會產生石膏等副產品，海水法是利用海水中的H2CO3-、CO32-等離子吸收SO2，置換出CO2，產生可排放給海水的硫酸鹽SO42-。

表1兩種脫硫工藝的反應過程對比

2 脫硫工藝流程比較

在鈣法脫硫工藝中，所需的脫硫劑石灰石經過粉碎、稱重、輸運、磨細、制漿等過程，送至吸收塔內部進行噴淋，噴淋過程中與SO2反應生成CaSO3，此時，CaSO3的固液混合物在吸收塔底部與新鮮空氣進行混合，進而生成CaSO4·2H2O，當混合物中固體含量超過15%時，塔底的漿液被輸送并排至脫水系統[4]。通過對漿液的脫水處理后，其中的石膏可以被再利用(如圖1所示)。

在海水法脫硫工藝中，系統不設置再循環過程，而是采用一次直流方式吸收SO2[5]。海水由升壓泵加壓至填料塔，并由分配器均勻散布到填料表面。含有SO2的煙氣由塔底進入，上升后與填料層中的海水反應，此時，SO2被海水吸收，并反應生成SO32-和H+。吸收塔排出的廢水進入曝氣池，與原海水混合達標后排出(如圖2所示)[6]。

3 熱-質平衡計算

(1)吸收塔硫平衡計算

按化學反應方程式進行脫硫劑質量計算，并考慮過量系數，鍋爐額定負荷運轉時，石灰石的理論用量為2 866 kg/h，石膏的理論產量為4 928.88 kg/h，純度90%的石灰石實際消耗量為3 280 kg/h。

(2)吸收塔熱平衡計算

煙氣在吸收塔內的放熱量Q1計算如下：

Q1=Cpv·V·(90-t)

(1)

式中，Cpv是煙氣的比熱，0.32 kCal/Nm3；V是煙氣體積，Nm3；t是煙氣出塔溫度，℃。

吸收塔內吸收液的吸熱量Q2計算如下：

Q2=Cp·G·(t1-t2)

(2)

式中，Cp是吸收液的比熱，kCal/Nm3；G是吸收液量，L；(t1-t2)是吸收液的溫升，℃。

煙氣中水蒸氣含量變化的潛熱Q3計算如下：

Q3=r·m

(3)

蒸發時為吸熱，凝水時為放熱；式中，r是汽化潛熱，562 kcal/kg；m是蒸發或凝結水量，kg/ Nm3；

鈣法吸收液均為塔內循環，僅給吸收塔補充少量的新鮮漿液和濾液，計算時忽略其對循環液溫度的影響，即t1=t2。塔內的散熱量包括吸收反應放熱和煙氣的散熱量，吸收反應熱僅占煙氣的散熱量的萬分之一，故忽略不計。根據能量守恒定律：

Q1=Q2+Q3

(4)

按1 Nm3的煙氣計算，則G為液氣比的值，計算得到，鍋爐煙氣經過吸收塔與吸收液充分混合反應，均達到飽和狀態，吸收塔入口煙氣的含濕量(體積比)為7.68%，水蒸氣的飽和分壓為76.8 mbar，由《工程熱力學》中飽和空氣狀態參數表中查得t=45 ℃為96.34 mbar；t=46 ℃時為101.40 mbar；t=47 ℃時為106.69 mbar。煙氣出塔約為46.08 ℃。塔內蒸發水量m=0.025 kg/Nm3，鍋爐在額定負荷運轉時的蒸發水量為21 314 kg/h。

海水法吸收劑-海水在吸收塔為一次直流，充分反映后吸收塔內溫度一致，即排煙溫度與排水溫度相同。吸收塔的熱平衡為：

Q1-Q2=Q3

(5)

此時，吸收液的比熱為0.932 kCal/kg；t2根據季節在17.9～37.8 ℃范圍內變化。

按1Nm3的煙氣計算，則G為液氣比的值，按照填料塔計算約為9.4 L/Nm3，計算得到煙氣出塔分別約為22.61 ℃/40.01 ℃，塔內凝結水量，m=-0.036 97/-0.006 9 kg/Nm3，鍋爐在額定負荷運轉時的凝結水量為31 506/5 868 kg/h。

4 主要技術參數比較

增設煙氣脫硫系統會增加系統整體成本，項目的收益主要決定于脫硫系統的投資費用及運行成本，系統主要消耗為脫硫劑、淡水、電等。兩種脫硫工藝的具體技術與經濟性指標對比結果見表2。

表2兩種脫硫工藝的技術與經濟性指標對比(單臺機組)

項 目單位鈣法海水法設備投資費用萬元2200～24002000入口SO2含量mg/Nm32170 2170處理煙氣量Nm3/h852293852293脫硫效率%≥99.18≥99.18脫硫劑消耗t/h3.28(90%純度CaCO3) 海水脫硫劑費用元328/水耗t/h25無水費元125/電耗kW20891510電費元1357.85981.50直接脫硫成本元/h1810.85981.50石膏實際產量t/h5.93無廢水t/h2-3無

5 系統優勢分析

通過以上比較分析發現，在技術和運行維護經濟性等方面，海水脫硫技術在浙江石化動力中心應用的優勢較為明顯。其主要的優勢有：系統構造簡單，便于操作，運維工作量少；系統脫硫效率高；不存在結垢和堵塞問題；不產生副產品，無需考慮副產物的處理難題；廠區布置靈活，系統的占地面積小，不會造成廠區內的環境污染；運行成本低，海水法直接運行成本可低至鈣法相應成本的一半左右。

6 結束語

文中以浙江石化動力中心燃煤鍋爐為例，對鈣法脫硫和海水法脫硫方案的主要技術參數對比分析發現，海水脫硫工藝投資費用少，廠用電率較低，約為0.755%；直接運行成本低，僅約為4.91元/MWh。相比而言，鈣法系統的直接運行成本約9.05元/MWh，按年運行5500小時計，采用海水法脫硫每年至少節省運行費用3187.80萬元。

綜上所述，鈣法脫硫技術設備多、系統復雜、投資高、運行成本高，且鈣法脫硫技術存在廢水處理的難題，但其最大的優勢是適應性強，受地理環境影響小，系統技術成熟、運行穩定。海水法脫硫技術工藝系統簡單，運行維護工作量少，但其對地理環境的局限性強，必須是滿足海水脫硫條件的海濱電廠。浙江石化動力中心地處海島，有滿足要求的冷卻海水直流系統，海水排放口海域為三類水質海域，采用海水脫硫工藝條件成熟，技術優勢明顯。