石灰石-石膏法煙氣脫硫SO2 吸收及CaSO3 氧化系統(tǒng)優(yōu)化措施研究

李雪松，王昉，王曉玲

（1.華能左權煤電有限責任公司，山西 晉中 032600；2.中國環(huán)境保護產(chǎn)業(yè)協(xié)會，北京 100045）

目前電力行業(yè)應用最成熟、最廣泛的脫硫技術是石灰石-石膏法煙氣脫硫工藝[1]，根據(jù)電力行業(yè)相關統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2015 年年底，石灰石-石膏法（含電石渣法）的市場占有率為92.87%。該工藝具備較高的脫硫效率及吸收劑利用率，運行穩(wěn)定性高，石灰石吸收劑價廉易得，能適應大容量機組和高濃度二氧化硫（SO2）煙氣條件，副產(chǎn)品脫硫石膏可綜合利用。該工藝主要包括廢水處理系統(tǒng)、SO2吸收及亞硫酸鈣（CaSO3）氧化系統(tǒng)、石膏脫水及儲存系統(tǒng)、煙氣系統(tǒng)、除霧器系統(tǒng)、吸收劑制備系統(tǒng)、自動控制和在線監(jiān)測系統(tǒng)[2]，其中SO2吸收及CaSO3氧化系統(tǒng)是該工藝重要的系統(tǒng)之一。

近年來，我國對燃煤電廠SO2的排放控制要求日趨嚴格。2011 年7 月發(fā)布的《火電廠大氣污染物排放標準》（GB 13223—2011）要求新建電廠SO2排放濃度限值為100mg/m3、重點地區(qū)低至50mg/m3、老機組為200mg/m3。2014 年9 月印發(fā)的《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014—2020 年）》要求我國東部地區(qū)新建燃煤發(fā)電機組SO2排放濃度不大于35mg/m3。2015 年12 月發(fā)布的《關于印發(fā)〈全面實施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案〉的通知》，要求SO2的超低排放濃度不高于35mg/m3。

為了達到SO2超低排放的標準，研究石灰石-石膏法煙氣脫硫SO2吸收及CaSO3氧化系統(tǒng)的優(yōu)化措施，以提高脫硫效率、降低成本、提高系統(tǒng)運行的安全穩(wěn)定性，具有重要的意義，也可為石灰石-石膏法煙氣脫硫技術在燃煤電廠超低排放工程應用中提供技術指導。

1 SO2 吸收及CaSO3 氧化系統(tǒng)優(yōu)化措施

系統(tǒng)優(yōu)化的基本原則既要立足現(xiàn)在，也要兼顧長遠目標；既要考慮技術先進性，也要考慮運行穩(wěn)定性；既要考慮初始投資，也要考慮運行費用；既要考慮投入，也要考慮效益[3]。

1.1 運行參數(shù)的優(yōu)化

1.1.1 液氣比（L/G）

液氣比反映吸收效率及吸收過程推動力的大小[4]，影響系統(tǒng)的經(jīng)濟性和技術性能。液氣比提高，可使煙氣中SO2與石灰石漿液在吸收塔內(nèi)的接觸面積增大，從而提高脫硫效率。但液氣比過高，會增加循環(huán)泵的數(shù)量和容量，增大氧化槽的尺寸，使設備初始投資和運行能耗增加，同時會增大出口煙氣的含水量，降低煙氣溫度，不利于煙氣排出。因此，液氣比一般控制在6—25（空塔宜在12—25；pH 值分區(qū)宜在6—18；復合塔宜為10—25）。

1.1.2 鈣硫比（Ca/S）

鈣硫比是系統(tǒng)運行經(jīng)濟性的重要指標。理論上Ca/S=1，在實際過程中，碳酸鈣（CaCO3）與SO2不能完全反應，使得實際Ca/S ＞1[5]。在液氣比不變的情況下，注入吸收塔內(nèi)的吸收劑石灰石的量增多，則Ca/S 增大，石灰石漿液的pH 值升高，會增大反應速率，從而提高SO2的吸收率。當Ca/S ＞1.05 時，SO2的吸收率開始趨于穩(wěn)定，吸收劑石灰石的溶解度較低，過量的供給將導致石灰石漿液質(zhì)量濃度提高，過飽和后，石灰石會發(fā)生凝聚和沉降，腐蝕設備，影響運行安全性，也會降低吸收反應的比表面積及石灰石吸收劑的利用率，從而降低脫硫效率。同時考慮吸收劑的費用、投資成本及能耗成本，一般控制Ca/S 為1.02—1.05[3]。

1.1.3 漿液停留時間

延長漿液的停留時間，可以提高石灰石漿液的利用率，有利于石膏結晶的長大和脫水，從而提高石膏純度。但漿液停留時間過長，會增加投資成本和運行成本。另外，固體物在氧化槽停留時間過長，由于大型循環(huán)泵和攪拌器對石膏結晶體的破碎作用，不利于石膏脫水[3]。所以，漿液在吸收塔中的停留時間通常不低于15h。

1.1.4 漿液循環(huán)停留時間

延長漿液循環(huán)停留時間，有利于在一個循環(huán)周期內(nèi)，在氧化槽中完成氧化、中和及沉淀析出，提高石灰石的溶解及利用率。但是延長漿液循環(huán)停留時間，會增大吸收塔氧化槽的容積和尺寸，增加投資和運行成本，所以漿液循環(huán)停留時間一般控制在3.5—7min。

1.1.5 漿液循環(huán)量

漿液循環(huán)量增加，會間接增加漿液與SO2的接觸時間，從而提高脫硫效率，但過高的漿液循環(huán)量會增加漿液循環(huán)泵的投資費用及耗電量，因此要合理設置漿液循環(huán)量[3]。

1.1.6 漿液密度

漿液密度主要指漿液中二水合硫酸鈣（CaSO4·2H2O）和CaCO3的含量。當漿液密度＞1085kg/m3時，漿液中CaCO3及CaSO4·2H2O 趨于飽和，如不及時排出漿液，CaSO4·2H2O 會抑制SO2的吸收，使脫硫效率降低。當漿液密度＜1075kg/m3時，漿液中CaCO3的含量相對較大，CaSO4·2H2O 含量相對較小，如此時排出漿液，CaCO3的利用率及脫硫石膏的品質(zhì)都會下降。所以漿液密度一般控制在1075—1085kg/m3。

1.1.7 漿液過飽和度

漿液過飽和度主要影響CaSO4·2H2O 的結晶速率，過飽和度超過一定值時，CaSO4·2H2O 的結晶會在已形成的CaSO4·2H2O 晶體上生長，過飽和度再高時，CaSO4·2H2O 會覆蓋吸收塔內(nèi)其他物質(zhì)的表面，降低CaCO3的利用率和脫硫效率，造成吸收塔內(nèi)表面結垢，一般過飽和度控制在120%—130%[3]。

1.1.8 塔內(nèi)煙氣流速

塔內(nèi)煙氣流速是空塔煙氣平均流速，是吸收塔內(nèi)飽和煙氣的表觀平均流速[4]，塔內(nèi)煙氣流速提高，可以通過湍流過程加強傳質(zhì)，石灰石噴淋漿液的下降速度相對降低，增加單位面積的漿液量，從而提高脫硫效率[6]。同時，塔內(nèi)煙氣流速提高，會縮短煙氣停留時間，從而降低脫硫效率，所以，空塔煙氣流速一般控制在3—3.8m/s。

1.1.9 漿液pH 值

漿液pH 值表示漿液中氫離子（H+）濃度，pH 值的高低主要影響SO2的吸收、吸收劑石灰石的溶解及CaCO3的氧化結晶，吸收劑石灰石的溶解及CaCO3的氧化結晶需要較低的pH 值，以確保吸收劑石灰石的完全溶解和CaCO3的氧化結晶，但pH 值過低會加劇設備腐蝕。SO2的吸收需要較高的pH 值，脫硫效率隨著漿液pH 值的增大而增大，但pH 值過高會導致吸收塔內(nèi)部結垢和管道堵塞。所以，傳統(tǒng)的石灰石-石膏法煙氣脫硫工藝一般控制pH 值為4.5—6.5[7,8]。

1.1.10 吸收塔液位

吸收塔液位對脫硫效率及系統(tǒng)能耗均有重要影響，液位升高，可延長石灰石漿液與SO2在塔內(nèi)的停留時間，從而提高SO2的吸收效率[9]。同時，液位升高，會增加氧化風機出力，從而增大電耗，而且液位過高，可能會造成煙氣短路或漿液溢流等事故，所以，要合理設置吸收塔液位。

1.2 技術設備的優(yōu)化

1.2.1 噴淋系統(tǒng)的優(yōu)化

噴淋系統(tǒng)的優(yōu)化主要是通過調(diào)整噴淋密度和霧化效果，從而改善氣液分布[16—18]。大直徑（〉20m）吸收塔噴淋系統(tǒng)的設計優(yōu)化難點是保證高效脫硫且不會發(fā)生漿液噴穿塔壁的問題。本文主要從噴淋層、噴嘴選型及噴嘴布置三個方面進行優(yōu)化研究。

1.2.1.1 噴淋層的優(yōu)化

噴淋層是吸收塔內(nèi)的核心部件之一，其設計會影響到脫硫系統(tǒng)的性能及穩(wěn)定運行。大直徑吸收塔多采用四層雙母管式噴淋層，可減少每根噴淋母管的長度，減輕支撐梁的荷載，為便于檢修和維護，噴淋層間距為1.8—2m[16,17]。

1.2.1.2 噴嘴選型的優(yōu)化

噴淋層的噴嘴可以選用單向實心噴嘴、雙側向空心噴嘴及雙向空心噴嘴3種形式的大流量切線噴嘴[16,17]，從而達到較高的漿液噴淋霧化效果。

1.2.1.3 噴嘴布置的優(yōu)化

噴淋層管道上應布置足夠數(shù)量的噴嘴，以保證石灰石漿液均勻分布在吸收塔斷面上，在噴淋重疊率不高的地方應適當增加噴嘴。結合噴淋母管、塔內(nèi)支撐梁和塔壁等對每個噴嘴位置進行放樣計算，特別注意吸收塔壁和噴淋層母管附近的噴嘴磨損情況，布置完成后，應對噴嘴的位置進行認真核對，避免將漿液直接噴淋到支撐梁上，對支撐梁造成磨損。

1.2.2 pH 值分區(qū)技術

pH 值分區(qū)技術通過在一個噴淋塔內(nèi)加裝隔離體或者設置兩個噴淋塔，對石灰石漿液進行物理分區(qū)，或者根據(jù)其流動方向、密度等自身特點形成自然分區(qū)，從而對石灰石漿液pH 值進行分區(qū)控制。一部分pH 值控制在4.5—5.3，以保證較高的石灰石溶解率和脫硫石膏的品質(zhì)，另一部分pH 值控制在5.8—6.4，以保證較高的SO2吸收率。典型的工藝有單塔雙pH值、單塔雙區(qū)、雙塔雙pH 值[11]等。

1.2.3 復合塔技術

復合塔技術是在噴淋層之間、噴淋層和石灰石漿液池之間加裝托盤類、湍流類和鼓泡類等氣液強化傳質(zhì)裝置，對吸收塔內(nèi)流場整合優(yōu)化，形成穩(wěn)定持液層，有利于煙氣與吸收劑充分接觸，提高脫硫效率。

1.2.3.1 托盤塔技術

托盤塔技術是在吸收塔增設一塊及以上穿流孔板托盤，托盤布置在吸收塔整個橫截面，煙氣經(jīng)過托盤往上流動，均勻分布在吸收塔整個截面。

1.2.3.2 旋匯耦合器

旋匯耦合器技術是在多相紊流摻混的強傳質(zhì)原理上，根據(jù)氣體動力學原理，利用特制的旋匯耦合裝置產(chǎn)生氣液旋轉翻騰的湍流空間，使氣液固三相充分接觸，降低氣液膜傳質(zhì)阻力，提高傳質(zhì)速率，從而提高脫硫效率[22—24]。

2 結語

目前電力行業(yè)應用最廣泛的技術是石灰石-石膏法煙氣脫硫工藝，近年來燃煤電廠SO2的排放控制要求日趨嚴格，為了滿足SO2超低排放的要求，對石灰石-石膏法煙氣脫硫SO2吸收及CaSO3氧化系統(tǒng)進行優(yōu)化，提高了脫硫效率、降低成本、提高系統(tǒng)運行的安全穩(wěn)定性，為石灰石-石膏法煙氣脫硫技術在燃煤電廠超低排放工程應用中提供了技術指導。通過對運行參數(shù)和技術設備兩方面進行優(yōu)化分析得出如下結論：

（1）工藝參數(shù)控制：液氣比為6—25（空塔宜為12—25；pH 值分區(qū)宜為6—18；復合塔宜為10—25）；鈣硫比為1.02—1.05；漿液在吸收塔中的停留時間通常不低于15h；漿液循環(huán)停留時間為3.5—7min；漿液密度為1075—1085kg/m3；一般過飽和度為120%—130%；空塔煙氣流速為3—3.8m/s；傳統(tǒng)的石灰石-石膏法煙氣脫硫工藝pH 值為4.5—6.5。

（2）技術設備優(yōu)化可采取對噴淋系統(tǒng)設計優(yōu)化、pH 值分區(qū)技術及復合塔技術等。

（3）可根據(jù)不同的入口SO2質(zhì)量濃度，選擇不同的技術組合，以達到超低排放要求。