燃煤電廠石灰石/石膏濕法脫硫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)選取

王守春，趙 強(qiáng)，馮想紅

（1.西安航天源動力工程有限公司，陜西 西安 710100；2.西安航天動力研究所，陜西 西安 710100）

石灰石/石膏濕法脫硫作為世界上應(yīng)用最廣的煙氣脫硫技術(shù)之一[1-3]，主要應(yīng)用于燃煤電廠、化工廠自備電廠、冶金行業(yè)、建材行業(yè)等煙氣脫硫領(lǐng)域。尤其是燃煤電廠，石灰石/石膏濕法脫硫技術(shù)約占行業(yè)的90%以上[4]。

自2015年12月發(fā)布《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》以來，石灰石/石膏濕法脫硫在設(shè)計(jì)上進(jìn)行了創(chuàng)新，為實(shí)現(xiàn)燃煤電廠超低排放改造奠定了基礎(chǔ)。

1 脫硫系統(tǒng)簡介[5-10]

脫硫系統(tǒng)主要由以下5個(gè)部分組成：

（1）噴淋塔脫硫系統(tǒng)；（2）煙氣系統(tǒng)；（3）石膏后處理系統(tǒng)；（4）制漿系統(tǒng)；（5）公用系統(tǒng)。

1.1 噴淋塔脫硫系統(tǒng)

吸收塔一般采用逆流噴淋塔。煙氣由進(jìn)氣口進(jìn)入噴淋塔，漿池中的漿液經(jīng)漿液循環(huán)泵增壓后送至噴淋層，由噴淋層噴嘴霧化成大量微小液滴，煙氣與液滴逆向接觸，漿液中的堿性物質(zhì)吸收煙氣中的SO2反應(yīng)生成亞硫酸鈣，漿液回落到漿池中后，被強(qiáng)制鼓入的氧化空氣氧化成硫酸鈣，密度合適的石膏漿液被石膏排出泵泵送到石膏后處理系統(tǒng)。

1.2 煙氣系統(tǒng)

從鍋爐來的熱煙氣經(jīng)引風(fēng)機(jī)后進(jìn)入吸收塔。煙氣進(jìn)入吸收塔后，向上流動穿過噴淋層，在此煙氣被冷卻到飽和溫度，煙氣中的SO2被石灰石漿液吸收，凈化后的煙氣通過煙囪排放。

1.3 石膏后處理系統(tǒng)

含固量為15%的石膏漿液經(jīng)石膏排出泵增壓后進(jìn)入石膏旋流器，漿液經(jīng)石膏旋流器的漿液分配箱進(jìn)入石膏旋流子，經(jīng)旋流子固液分離后分成兩路漿液，濃度為50%的底流進(jìn)入真空皮帶脫水機(jī)進(jìn)行脫水，濃度為3%的頂流進(jìn)入濾液儲存罐。石膏旋流站底流漿液經(jīng)過真空皮帶脫水機(jī)脫水后，形成含固量大于90%，含水量小于10%的石膏。經(jīng)過皮帶脫水的脫水石膏，送入石膏堆料庫。

1.4 制漿系統(tǒng)

石灰石粉由密封罐車運(yùn)至脫硫島，經(jīng)氣力輸送至石灰石粉倉。石灰石粉經(jīng)旋轉(zhuǎn)給料閥進(jìn)入石灰石漿液箱與工藝水或石膏濾液混合制成30%濃度的石灰石漿液，由石灰石漿液泵補(bǔ)充至吸收塔。

1.5 公用系統(tǒng)

脫硫公用系統(tǒng)包括工藝水系統(tǒng)和壓縮空氣系統(tǒng)。

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

石灰石/石膏濕法煙氣脫硫工藝設(shè)計(jì)中設(shè)計(jì)參數(shù)的取值范圍不僅是物料平衡計(jì)算的基礎(chǔ)，也是脫硫系統(tǒng)工藝設(shè)備選型的基礎(chǔ)。

2.1 空塔流速

空塔流速一般為吸收塔出口實(shí)際煙氣量（即脫硫后濕飽和煙氣量）與吸收區(qū)截面積的比值，單位為m/s，它反映的是吸收區(qū)的表觀平均流速[11-12]。

空塔流速直接影響脫硫效率，從而影響到循環(huán)漿液流量。其作用機(jī)理為高的空塔流速將增加氣液湍流，其中對液滴的湍流影響最為顯著。因此吸收反應(yīng)傳質(zhì)增強(qiáng)，增加脫硫效率。另外，高空塔流速也將增加吸收區(qū)的持液量，從而增加傳質(zhì)表面積[13-14]。

鑒于超低排放改造對脫硫效率、粉塵排放濃度及煙氣液滴含量的要求，一般空塔流速控制在3.0～3.5 m/s。

2.2 漿液pH

漿液中Ca2+離子濃度是HSO3-發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的先決條件，也是增強(qiáng)物理擴(kuò)散的先決條件。Ca2+離子濃度取決于石灰石的溶解速度，而石灰石的溶解速度取決于pH、石灰石粒徑、漿池的容積、漿液離子強(qiáng)度和漿液中碳酸鈣含量[15]。

石灰石/石膏法脫硫的化學(xué)反應(yīng)相當(dāng)復(fù)雜，較低的pH有利于氧化反應(yīng)的進(jìn)行，而較高的pH則有利于液相對SO2的吸收，因此石灰石/石膏法脫硫系統(tǒng)通常是在SO2的吸收和氧化反應(yīng)之間取得某種折中平衡[8,16]。一般取漿液pH范圍為5.3～5.6，此時(shí)對應(yīng)的漿液中碳酸鈣含量為2%～3%。

2.3 漿液Cl-離子濃度

漿液Cl-離子有兩個(gè)來源：煙氣中的HCl和工藝水中的Cl-。Cl-與鈣離子反應(yīng)生成CaCl2，降低了石灰石的溶解速度，從而影響脫硫系統(tǒng)中SO2吸收速率。

高Cl-離子濃度將增加吸收塔漿液中的鈣離子濃度，進(jìn)而降低石灰石的溶解速率，漿液的堿性和pH值同時(shí)降低。此外，高濃度的溶解鹽將降低離子傳質(zhì)的速率，同樣降低SO2的傳質(zhì)效率。Cl-離子還能與鋁離子形成絡(luò)合物，這些絡(luò)合物沉積在石灰石表面，阻礙石灰石的溶解[17-18]。

高Cl-離子濃度也會加快了脫硫系統(tǒng)設(shè)備的腐蝕：當(dāng)Cl-離子濃度達(dá)到20 000×10-6時(shí)，絕大多數(shù)常規(guī)不銹鋼已不能使用，需要選用氯丁基橡膠、玻璃鱗片襯里等其他耐腐蝕材料；當(dāng)Cl-離子濃度達(dá)到60 000×10-6時(shí)，則需要經(jīng)常更換非常昂貴的防腐材料，如C276哈氏合金[19-20]。

基于以上因素考慮，漿液Cl-離子濃度可設(shè)定為20 000～40 000×10-6。

2.3.1 漿液過飽和度和密度

漿液過飽和度主要影響石膏的結(jié)晶。過飽和度較低時(shí)，漿液中石膏晶體主要以生長為主；過飽和度過高時(shí)，漿液中將生成大量不可控晶核，會導(dǎo)致塔內(nèi)件結(jié)垢[8]。

一般石灰石/石膏脫硫系統(tǒng)中將過飽和度控制在1.3～1.4之間[8,16]，由于漿液過飽和度無法直接控制，一般通過漿液密度來控制，漿液密度在1 080～1 250 kg/m3時(shí)，漿液過飽和度介于1.3～1.4之間。

2.3.2 漿液噴霧粒徑

脫硫系統(tǒng)中噴霧粒徑主要以索特平均粒徑表示[21]，定義為其表面等于粒子中所有顆粒平均表面積的粒子的平均直徑：即為具有此直徑的1個(gè)顆粒的表面積，正好等于所有顆粒表面積的平均值[22]。

液滴的索特直徑取決于噴嘴的類型、尺寸和壓降。一般將液滴索特平均粒徑設(shè)定到

2 200～2 500μm。對于超低排放工程，可通過對噴嘴的進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)適當(dāng)減小噴霧粒徑，比如增大噴嘴壓力、采用單向雙頭噴嘴、提高噴嘴出口漿液流速等方法。

2.4 石灰石停留時(shí)間

石灰石停留時(shí)間是漿池容積與漿液循環(huán)量的比值，一般單位為min。漿池的主要的功能是為石灰石的溶解提供空間，以提供足夠多的鈣離子用于脫硫反應(yīng)。因此，當(dāng)漿液到達(dá)噴淋層之前，必須有足夠的停留時(shí)間[16,23,24]。超低排放實(shí)踐過程中，由于要求的脫硫效率一般大于99%，此時(shí)漿液循環(huán)量非常大，這就導(dǎo)致漿池容積非常大，投資成本較高。因此，一般為兼顧脫硫性能與投資成本，石灰石停留時(shí)間一般設(shè)定為3.5～4.2 min。

結(jié)語

隨著燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作進(jìn)展，截至2022年底，全國已經(jīng)進(jìn)行超低排放改造并且達(dá)標(biāo)排放的煤電機(jī)組約10.5億kW。以上對石灰石/石膏濕法脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行了討論和闡述，對燃煤電廠超低排放改造過程中石灰石/石膏濕法脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)作用，主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

空塔流速控制在3.0～3.5 m/s；漿液pH范圍為5.3～5.6；漿液Cl-離子濃度設(shè)定為20 000～ 40 000×10-6；漿液密度控制在1 080～1 250 kg/m3之間；噴霧液滴索特平均粒徑為2 200～2 500μm；石灰石停留時(shí)間為3.5～4.2 min。