對(duì)FGD系統(tǒng)的研究及脫硫效率影響因素分析

陳柳 李歲月

摘要：FGD濕法煙氣脫硫工藝是脫硫行業(yè)中應(yīng)用最多的工藝種類之一，該工藝涉及物理反應(yīng)、化學(xué)反應(yīng)等多種復(fù)雜反應(yīng)。通過對(duì)濕法煙氣脫硫技術(shù)的研究，旨在解析脫硫過程中的反應(yīng)機(jī)理，分析pH、煙氣SO，的濃度、液氣比等因素對(duì)系統(tǒng)脫硫效率的影響，分析各子系統(tǒng)的主要功能及控制方式，優(yōu)化系統(tǒng)性能，提高系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：煙氣脫硫；脫硫效率；pH；SO2濃度

1 SO2對(duì)環(huán)境影響概述

為解決環(huán)境污染問題，滿足社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民越來越高的生活需求，必須減少大氣中的污染物。由于大氣中的SO2，NOx等有害氣體很大一部分是通過燃燒煤炭排放到大氣中的，因此，控制燃煤煙氣中SO2，NOx等氣體的含量是減少大氣污染物的有效措施。如何減少燃煤煙氣含硫量是我國(guó)必須解決的重大問題。我國(guó)有關(guān)部門先后頒布一系列環(huán)保政策，對(duì)火力發(fā)電廠燃煤煙氣的排放制定了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，要求煙塵、SO2、NOx的排放濃度分別不得高于30 mg/Nm3、100 mg/Nm3、100 mg/Nm3，對(duì)于部分重點(diǎn)區(qū)域的煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)更為嚴(yán)格。嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)促進(jìn)脫硫行業(yè)的快速發(fā)展，為提高脫硫系統(tǒng)的脫硫效率，更有效地減少SO2的排放量，脫硫控制系統(tǒng)必須進(jìn)一步優(yōu)化才能滿足行業(yè)需求。濕法煙氣脫硫技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，將石灰石漿液作為吸收劑吸收煙氣中的SO2，反應(yīng)生成物石膏無二次污染，具備商業(yè)價(jià)值?？梢苑治鯯O2吸收效率的影響因素，結(jié)合實(shí)際工況提高系統(tǒng)性能。

2 濕法煙氣脫硫工藝簡(jiǎn)述

濕式脫硫法的工作原理是以堿性溶液為脫硫劑中和煙氣中的酸性氣體。煙氣脫硫（Flue Gas Desulfurization，F(xiàn)GD）工藝發(fā)展比較成熟，脫硫劑石灰石資源豐富、脫硫的副產(chǎn)品石膏無二次污染且應(yīng)用廣泛，我國(guó)脫硫行業(yè)大多采用該工藝。FGD系統(tǒng)一般采用分布式控制系統(tǒng)（DistributedControl System，DCS）控制方式，根據(jù)FGD系統(tǒng)根據(jù)各部分的功能需求可分為以下幾大子系統(tǒng)：煙氣系統(tǒng)，吸收塔系統(tǒng)，漿液制備系統(tǒng)，石膏制備系統(tǒng)以及其他輔助系統(tǒng)。濕法煙氣脫硫工藝流程如圖1所示。

濕法煙氣脫硫工藝的脫硫過程如下：漿液制備系統(tǒng)將配置好的石灰石漿液呈堿性，作為SO2的吸收劑送至吸收塔系統(tǒng)。當(dāng)煙氣通過風(fēng)機(jī)增壓后由煙氣管道進(jìn)入吸收塔系統(tǒng)，與吸收塔上方噴淋下來的堿性漿液進(jìn)行中和反應(yīng)，吸收煙氣中的SO2等氣體。脫硫后的煙氣經(jīng)除霧器去除煙氣中的水分后經(jīng)煙道排出。脫硫副產(chǎn)品石膏漿液從吸收塔漿液池中泵出，經(jīng)過石膏制備系統(tǒng)充分脫水后得到石膏。

煙氣脫硫一般會(huì)采用DCS控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)脫硫系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、控制、調(diào)節(jié)、報(bào)警、計(jì)算、報(bào)表等功能?？刂葡到y(tǒng)的功能可分為脫硫數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)（DataAcquisition System，DAS）、主要順序控制系統(tǒng)（SequenceControl System，SCS）、主要模擬量控制系統(tǒng)（ModulatingControl System，MCS）等。DAS系統(tǒng)連續(xù)采集和處理所有與脫硫工藝系統(tǒng)有關(guān)的重要測(cè)點(diǎn)信號(hào)及設(shè)備狀態(tài)信號(hào)，能夠快速及時(shí)地向操作人員提供有關(guān)的實(shí)時(shí)信息；SCS系統(tǒng)包括脫硫系統(tǒng)啟動(dòng)、停止順序控制、除霧器清洗、石灰石漿液制備系統(tǒng)順序控制、石膏脫水系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)以及漿液管道沖洗順序控制功能組等；MCS系統(tǒng)包括石灰石漿液濃度控制、真空皮帶轉(zhuǎn)速控制、吸收塔液位控制、工藝水箱液位控制、吸收塔漿液pH控制等。

吸收塔系統(tǒng)是脫硫裝置的核心系統(tǒng)，SO2的吸收、石膏的生成等反應(yīng)均發(fā)生在吸收塔系統(tǒng)中。煙氣中的硫氧化物與石灰石漿液產(chǎn)生的反應(yīng)主要經(jīng)過4個(gè)階段，分別是：吸收反應(yīng)、氧化反應(yīng)、中和反應(yīng)、結(jié)晶。由于SO，溶于水H2SO3，電離出H+，HSO3-，SO32-；HSO3-和SO32-在反應(yīng)池中被氧化空氣氧化成SO42-；石灰石漿液中含有Ca2+和CO32-，HCO3-等離子，漿液呈堿性，中和吸收塔中的H+并釋放出CO2，使吸收塔中的漿液pH維持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)。SO2在石灰石漿液中反應(yīng)生成硫酸鈣，在吸收塔中結(jié)晶形成二水硫酸鈣，即石膏。系統(tǒng)主要的反應(yīng)方程式如下。

吸收反應(yīng)：

3 脫硫效率影響因素分析

脫硫效率是檢驗(yàn)脫硫系統(tǒng)性能的一個(gè)重要指標(biāo)。脫硫效率指的是單位時(shí)間內(nèi)脫硫系統(tǒng)脫除的SO2量占進(jìn)入脫硫系統(tǒng)煙氣中SO2量的百分比。濕法煙氣脫硫工藝涉及一系列的物理和化學(xué)反應(yīng)，因此脫硫效率取決于多種因素。

3.1 pH

SO2是酸性氣體，漿液與之反應(yīng)后pH會(huì)下降。吸收塔漿液pH的大小取決于石灰石漿液的濃度。當(dāng)漿液pH升高，可以加快SO2的吸收速度；但是pH增高，石灰石在水中的溶解速度會(huì)降低，這樣會(huì)降低吸收劑的吸收效果降低，造成資源浪費(fèi)；而且pH增高會(huì)降低反應(yīng)副產(chǎn)品石膏的品質(zhì)。當(dāng)漿液pH降低，SO2的吸收速度也會(huì)降低，同樣會(huì)影響系統(tǒng)的額脫硫效率。在煙氣脫硫過程中需要將pH保持在一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的閾值內(nèi)，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知當(dāng)pH在5.6左右，系統(tǒng)的脫硫效率最高，通常情況下，會(huì)將pH控制5.2-5.8。pH與系統(tǒng)脫硫效率之間的影響關(guān)系如圖2所示。

3.2入口煙氣SO2質(zhì)量濃度

煤炭中含硫量的大小直接影響到燃煤煙氣中的SO2的質(zhì)量濃度。由于SO2的溶于水是一個(gè)可逆過程，由雙模理論可知，增大SO2的質(zhì)量濃度，煙氣中SO2的分壓增大，能夠減小氣膜吸收阻力，提高SO，的吸收速度。但是，過高的SO2質(zhì)量濃度會(huì)使氣體溶于水后的酸性增強(qiáng)，吸收劑的消耗速度會(huì)加快，因此提高了液膜的吸收阻力，會(huì)降低脫硫效率。入口煙氣SO2質(zhì)量濃度與脫硫效率的影響關(guān)系如圖3所示。

3.3 液氣比

液氣比是指流經(jīng)吸收塔單位體積煙氣量相對(duì)應(yīng)的漿液噴淋量的比值。保持其他的參數(shù)不變或者維持在平衡狀態(tài)，增大液氣比，相當(dāng)于增大了原煙氣和吸收劑漿液的反應(yīng)面積，加快了反應(yīng)速度，有利于SO2的吸收，提高系統(tǒng)脫硫效率。但是脫硫效率和液氣比之間并不是線性正相關(guān)，液氣比增大時(shí)，脫硫效率高，但是，脫硫效率的增量會(huì)降低，液氣比過大，脫硫效率將不再變化。

3.4 入口煙氣溫度

對(duì)于一定的氣體溶質(zhì)和溶劑，氣體的溶解度隨溫度的升高而減小，吸收塔溫度越低，越有利于SO2氣體溶于漿液，形成HSO，，而且濕法脫硫工藝中產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)過程中釋放熱量，溫度低有利于生成CaSO4方向進(jìn)行。故吸收塔溫度越低，越有利于脫硫效率的提高。但是，溫度過低，SO2氣體難溶于水，且會(huì)導(dǎo)致凈煙氣出口處的煙氣溫度達(dá)不到規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語

分析了脫硫過程中石灰石漿液吸收煙氣中的SO2過程中發(fā)生的吸收、中和反應(yīng)，以及石膏生成的過程中的氧化、結(jié)晶反應(yīng)等反應(yīng)機(jī)理。通過對(duì)控制流程及系統(tǒng)脫硫效率的影響因素的分析知：漿液pH是影響系統(tǒng)脫硫效率的主要因素，pH為5.6時(shí)系統(tǒng)脫硫效率最高，結(jié)合實(shí)際工況，一般會(huì)將pH控制在5.2-5.8。入口煙氣溫度、SO2質(zhì)量濃度和液氣比也是影響系統(tǒng)脫硫效率的因素之一，脫硫系統(tǒng)工作時(shí)，煙氣溫度盡量不要太高，將脫硫后的凈煙氣溫度控制在排放標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)可對(duì)煙氣溫度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)；SO2質(zhì)量濃度的大小決定了使用的吸收劑量的大小，控制進(jìn)入吸收塔中的SO2質(zhì)量濃度時(shí)，需要綜合考慮燃煤含硫量和脫硫效率要求；脫硫效率隨液氣比增大而提高，但提高幅度會(huì)逐漸減小，液氣比過大不僅無法調(diào)高脫硫效率，還會(huì)造成漿液循環(huán)泵、噴淋層等設(shè)備的工作強(qiáng)度。