循環流化床煙氣脫硫系統運行的技術分析與建議

楊群山

（吉林省吉林市熱力集團有限公司，吉林 吉林 132000）

0 引言

在經濟發展速度不斷加快的情況下，我國的生態文明建設工作越來越深入。在當前的生態環境保護工作中，對鍋爐排氣和大氣污染排放的標準越來越嚴格。為了確保鍋爐煙氣達到排放標準，降低能耗，需要對潔凈煤燃燒先進技術循環流化床燃煤鍋爐進行應用。在循環流化床燃煤鍋爐系統運行過程中，需要加強煙氣脫硫系統的運行監測，對該技術進行充分應用，提高循環流化床煙氣脫硫系統的應用水平，保證煙塵去除率達標。

1 煙氣脫硫技術類型

現階段，在鍋爐運行過程中，可以根據不同分類方法對煙氣脫硫系統的具體技術類型進行劃分。

1.1 按照脫硫劑種類分類

根據脫硫劑的種類進行分類時，對煙氣脫硫技術進行劃分包含以石灰石為基礎的脫硫技術、以氧化鎂（MgO）為基礎的脫硫技術、以亞硫酸鈉（Na2SO3）為基礎的脫硫技術、以氨氣（NH3）為基礎的脫硫技術、以有機堿為基礎的有機堿法脫硫技術。

1.2 按照脫硫過程分類

根據脫硫過程對煙氣脫硫技術進行分類時，主要是按照燃燒前后進行分類，包含燃燒前、燃燒中、燃燒后脫硫3 種類型。燃燒前脫硫在應用過程中需要發揮選煤技術的優勢。在燃料燃燒之前需要對其含硫量進行控制，達到脫硫的目的。燃燒中的脫硫技術主要是指燃料在燃燒過程中開展脫硫操作，在燃燒時需要投入脫硫劑，借此脫除二氧化硫。循環流化床煙氣脫硫技術就屬于在燃燒中進行脫硫的技術類型。燃燒后脫硫需要在煙道外設置脫硫設備，完成煙氣脫硫。應用比較普遍的技術是石灰石－石膏法[1]。

1.3 按照吸收劑和脫硫產物分類

在煙氣脫硫過程中脫硫劑有干濕狀態，也可以將其分成濕法脫硫技術和干法脫硫技術、半干半濕法脫硫技術。濕法脫硫技術在運行中將脫硫漿液噴入脫硫塔，可以使其與煙氣混合，煙氣中的二氧化硫和脫硫漿液出現反應生成亞硫酸鈣（CaSO3）達到脫硫的目的。濕法脫硫技術的脫硫效率比較高，整體投資成本相對較低，設備占用的空間也相對較小，操作比較簡單方便，但是很容易出現二次污染，并且廢水后處理問題是難點，能耗比較高。干法脫硫技術需要將CaCO3直接噴入爐膛，高溫鍛造分解成氧化鈣（CaO），與煙氣中的二氧化硫直接發生反應，生成硫酸鈣。通過電子束照射、活性炭吸附能夠對二氧化硫進行轉化，使其成為硫酸銨或者硫酸。干法脫硫技術在應用過程中的整體操作相對簡單，并且在整個脫硫處理過程中不會產生污水，也不需要進行酸處理，整體運行功耗比較低，凈化后的煙氣溫度相對較高，排氣效率比較高，并且在干法脫硫操作過程中不會出現白煙問題，對煙氣進行凈化后也不需要二次加熱，產生的腐蝕問題比較小[2]。

2 循環流化床煙氣脫硫系統概述

2.1 循環流化床工藝組成

在本次研究過程中，循環流化床作為脫硫、除塵一體化煙氣脫硫技術具有突出的應用效益。在循環流化床運行過程中可以改造原有的除塵器，利用一級電除塵器保證粉煤灰的綜合利用效果。對循環流化床進行改造升級后，脫硫系統的主要組件包括預電除塵器、物料再循環工藝系統、吸收塔系統、水應用系統、吸收劑制備系統、脫硫后除塵器、儀器控制系統等不同結構組成。

在該系統運行過程中，從空氣預熱器中排除煙氣后，預除塵器可以完成煙氣初步處理，之后從底部進入脫硫塔內，高溫煙氣以及吸收劑循環，脫硫灰可以完成預混合之后進行脫硫操作。在整個系統運行過程中，吸收劑和氯化氫（HCl）、氟化氫（HF）可以發生反應，脫硫塔底部的文丘里管加速后可以使其進入循環流化床體內部，物料在循環流化床體內為氣固兩相。受氣流作用可以實現湍動混合保證物料接觸充分，上升時形成的絮狀物在湍動中解體，在氣流的提升作用下，會形成內循環顆粒流，這一顆粒流與循環流化床類似。氣固兩相的滑落速度比較高，一般是單顆粒滑落速度的幾十倍甚至以上。脫硫塔運行時，頂部結構會對絮狀物的下沉作用進行強化，確保脫硫塔內部顆粒床層的密度符合要求。循環流化床體內的鈣硫比在50 以上。在氣固兩相機制的作用中，可以強化氣固之間的傳質和傳熱效果，保證脫硫效率處于較高水平[3]。

在對循環流化床的整體運行結構進行改造時，需要將噴水裝置設置在文丘里管出口擴管的管段，噴霧的霧化水能夠使用反應器內的煙塵溫度降低，煙塵溫度比煙氣爐溫度高15℃左右時，可以確保二氧化硫和氫氧化鈣（Ca（OH）2）完全反應。此時，吸收劑以及循環脫硫灰在文丘里管的塔內可以進行充分反應生成副產物石膏（CaSO3·1/2H2O）。與此同時，與三氧化硫（SO3）、HCl 等可以反應生成副產物石膏以及氟化鈣（CaF2）、氯化鈣（CaCl2）。煙氣上升時，顆粒中的一部分物質會隨著煙氣排出脫硫塔，還有一部分物質因為自身重量原因會重新進入循環流化床內進行循環，確保流化床的床層顆粒濃度穩定，能夠延長吸收劑的反應時間。在煙氣處理完成后，含塵煙氣直接可以從脫硫塔的頂部排出并轉向脫硫除塵器。通過引風機將其引入煙囪后，除塵器可以捕集固體顆粒，之后除塵器地再循環系統可以將捕捉到的固體顆粒返回到脫硫塔持續反應。通過這種循環操作可以確保多余的脫硫灰渣及時進入脫硫灰倉內，通過罐車和二級輸送設備排出。

2.2 循環流化床脫硫系統的技術特點

在整個系統運行過程中操作比較簡單，綜合造價水平比較低。循環流化床煙氣脫硫系統的綜合造價與當前的濕法脫硫工藝50%造價成本相當，并且在后期開展系統運行和維護工作時工作量比較少，能夠降低維護費用。流化床的工藝維護工作量比較小，整個系統僅僅需要對風機、水泵等進行維護，費用是整個系統投資的1%左右。在循環流化床煙機脫硫系統運行過程中的整體電耗量比較低，其占發電總量的0.5%～0.7%，如果利用布袋除塵器，其電耗量會更低。此外，在循環流化床煙氣脫硫系統運行過程中水損耗量也比較低，因為該系統只有生石灰消化系統和吸收塔降溫系統這兩個環節需要利用水，整個系統的水耗量是濕法脫硫系統工藝水耗量的70%左右。該系統在運行過程中不需要對防腐措施進行考慮，主要是因為該工藝在運行中除了幾乎全部的HCl、HF 和SO3，煙氣溫度高于露點溫度高15℃，其他環節均沒有腐蝕情況。在整個系統運行中，幾乎所有設備的材質為碳鋼，耐腐蝕性較強。

在該工藝運行過程中整個工藝都比較簡單可靠，受燃煤含硫量的限制較小，當燃煤含硫量為1.1%～1.20%，鈣硫比不會超過1.2，脫硫率超過90%，并且排煙溫度為70℃以上。并且在系統運行中，即使使用的燃煤含硫量變化，也不會對系統產生較大影響，僅需要根據煤炭含硫量的實際情況完成鈣硫比、吸收劑量調整即可。此外，該系統對鍋爐負荷適應力要求并不高，可以通過調整吸收劑量、水平、吸收塔壓漿適應不同負荷應力的鍋爐。整個工藝系統的脫硫效率在90%以上，并不需要設置煙氣換熱器，可以防止煙氣換熱器漏風對換脫硫效率產生的負面影響。在操作過程中吸收劑需要利用生石灰粉或者消石灰粉，對這兩者的要求相對較高，吸收劑來源比較少。這一部分副產物的綜合利用價值也不如脫硫石膏。這也是循環流化床煙氣脫硫系統在運行過程中存在的主要不足。

3 循環流化床煙氣脫硫系統運行優化建議

3.1 二氧化硫吸收系統優化建議

在循環流化床煙氣脫硫系統運行過程中，需要明確吸收塔對脫硫系統產生的具體影響，重視二氧化硫吸收系統的優化工作。具體可以采取以下措施。

（1）科學設定液氣比。在整個系統運行中，對液氣比進行優化設計可以擴大塔內的噴淋密度以及面積，對提升脫硫效果有幫助。通過優化的液氣比一般保持在8～25L/m3。

（2）對煙氣速度進行科學設定。提高煙氣速度對降低吸收塔的直徑有積極作用。這樣可以減少鋼材使用量和其他設備的消耗，可以對改造成本進行合理控制。但是需要注意要對煙氣壓縮速度進行合理控制，不能過大，否則會導致吸收塔內部壓力以及運行負荷上升。一般情況下，煙氣速度為3.5m/s。

3.2 對吸收塔直徑進行優化

在吸收塔直徑優化過程中，需要分析脫硫塔內部的傳質和氣液分布情況，如果煙氣速度本身處于較小的范圍，流速增加速度超過壓降增加速度，煙氣速度處于持續上升的狀態，有很大可能引發液返問題。對吸收塔直徑進行設計時，必須考慮吸收劑液滴大小，保證煙氣速度值的合理性[4]。

3.3 加強噴淋層計算優化

在噴淋層設計選型過程中需要對噴頭材質進行確定，目前比較常見的噴頭材質為玻璃鋼材質和碳鋼材質。玻璃鋼材質具有較強的耐磨性能和耐化學腐蝕性能，但是硬度比較低，僅僅用來制作硬度要求不高的支管。碳鋼材質的硬度相對較高，可以作為關鍵管道發揮作用。

噴淋層在安裝布置過程中需要確定噴嘴在塔內的實際位置。根據環境的實際情況明確噴嘴和支管的距離，可以防止脫硫漿液和噴嘴碰撞。在對噴淋款式進行優化設計的過程中，脫硫塔的噴嘴必須具有較強的耐磨性和耐腐蝕性能，一般以螺旋式或者錐切形為主。大口徑設計可以避免噴嘴被堵塞或者結垢問題，使氣液接觸充分，保證霧化效果。

3.4 加強除霧器優化

在除霧器優化過程中需要對其進行科學選型。折流板型除霧器在應用過程中垂直放置時，折流板的數值為20～70mm，煙氣流量為2～3m/s，在水平放置情況下煙氣流量為6～10m/s。波形板除霧器在發揮作用的過程中，需要借助液滴慣性力進行分離，在氣流速度固定的情況下，大體積液滴慣性比較大，會出現明顯的分離情況。臨界分離粒徑可以作為對除霧器能力進行評價的重要指標，數值越小，說明除霧器的整體運行能力比較強。在對煙氣的停留時間進行優化時，需要對煙氣流速、脫硫噴淋塔內時間分析。為了防止脫硫漿液進入煙道，第1 層脫硫噴淋層的高度應設置為3～3.5m，噴淋層間需要設置成2～2.5m。這樣能夠保證煙氣在脫硫塔內有充分的停留時間，從而達到高效去除二氧化硫的目的。

在除霧器優化設計過程中，還要對沖洗參數進行設計，沖洗時需要清除除霧器的固體殘渣以及殘留漿液，防止出現堵塞或結垢問題，否則會導致煙氣流動時的阻力上升，影響脫硫效果。在設計過程中，對兩層沖洗水力量進行差異化設計，第1 層1L/（s·m2），第2 層為0.34L/（s·m2）。

3.5 系統運行優化建議

在系統運行過程中采取的優化設計措施主要包含以下內容。

（1）對爐內的脫硫效率進行優化。需要加強床溫控制工作，循環流化床的床溫會對脫硫劑的使用效果產生影響。如果床溫在800℃以下或者在870℃以上，都不利于形成脫硫反應，會對脫硫效果產生負面影響。因此，鍋爐的床溫最好保持在800～870℃，確保脫硫劑可以充分發揮作用，提高脫硫效果。除此之外，還要對鍋爐內部的脫硫特性進行充分利用，爐內脫硫之后煙氣有活性氧化鈣可以降低吸收劑的使用量，對活性氧化鈣進行充分利用能夠進一步提高脫硫效果，可以達到少用，甚至不用吸收劑完成脫硫要求的目的，對降低脫硫成本有積極作用[5]。

（2）石灰石品質控制。在運行優化過程中還要加強石灰石品質控制。石灰石的質量對脫硫效果有決定性影響。對石灰石進行選擇時，需要選擇含水率在1%的石灰石粉。石灰石粉碎系統在設計過程中，需要按照分級粉碎的原則，粗碎可以利用破碎機，細碎利用柱磨機。如果石灰石的來料粒徑在30mm 以下，可以直接使用磨機進行操作。石灰石的顆粒粒徑要保持在0.2～1.5mm。

（3）對物料滯留時間進行控制。這也是運行優化的主要措施之一。爐膛內的煙氣二氧化硫和氧化鈣有效反應時間越長，可以大大提高脫硫效果。因此，需要對硫化風速、循環倍率、煙氣速度等參數進行有效控制。

4 結語

在當前的工業生產過程中，為了保證脫硫效率，需要對循環流化床煙氣脫硫技術進行應用，該工藝能夠滿足我國現有的大氣污染物排放標準。在煙氣脫硫系統應用過程中，需要根據實際生產情況對脫硫技術進行科學選擇，根據循環流化床煙氣脫硫系統的具體運行情況對優化措施進行科學應用，充分發揮循環流化床煙氣脫硫技術的應用優勢，減少鍋爐煙氣中的污染排放量，提高生產系統的經濟效益和生態效益。