孫厚杰

(深圳市天藝帝國環(huán)保工程有限公司，深圳 518000)

煙氣脫硫裸塔技術概述

孫厚杰

(深圳市天藝帝國環(huán)保工程有限公司，深圳 518000)

通過對通常石灰石濕法噴淋吸收塔漿液池造成的供漿瓶頸延遲響應以及攪拌延遲響應的分析，提出裸塔工藝解決方案以及該工藝極其簡單的無前饋單回路PID控制方案，該工藝方案吸收氧化中和瞬間同時在噴淋區(qū)完成，漿液池只進行石膏結(jié)晶，無增壓風機、氧化風機、除霧器、旁路，無須防腐，解決了目前占國內(nèi)外煙氣脫硫市場近95%的石灰石濕法脫硫裝置建設、運行、維修維護成本高等難題，同時提出了緊脫硫緩脫硝的政策建議。

漿液池供漿瓶頸;吸收氧化噴淋區(qū);瞬間同時完全反應;零壓損

1 常規(guī)石灰石濕法噴淋吸收塔工藝系統(tǒng)響應分析

通常濕法吸收塔將石灰石漿液注入漿液池攪拌后再經(jīng)過循環(huán)泵形成噴淋液，攪拌能力決定了漿液的混合均勻程度，以及系統(tǒng)不可預期波動的程度。攪拌能力越弱，吸收漿液混合均勻所需時間τ越長，同時將導致隨機的滯后時間與波動，造成紊亂甚至根本無法調(diào)節(jié)；系統(tǒng)越趨于穩(wěn)定時間越短，易于控制，但所需攪拌功率越大。忽略其他因素，此時SO2吸收量Q是一定時間τ內(nèi)供漿量平均流量U的函數(shù)，Q=f（U、τ），而不是瞬時流量V的函數(shù)，平均值U是供漿流量V與τ的函數(shù)。由于漿液池體積是固定的，噴淋漿液石灰石流量當量不能隨供漿石灰石流量馬上變化，這個系統(tǒng)瓶頸決定了供漿系統(tǒng)響應的滯后時間ξ的特性，漿凝池體積越小，系統(tǒng)隨動性越好、調(diào)峰能力越強，否則滯后嚴重、控制困難。由于漿液循環(huán)時間及吸收時間相對很短，因此系統(tǒng)響應時間就決定于τ與ξ，但二者是同時發(fā)生，系統(tǒng)響應延遲時間就決定于遲滯的時間，但干擾是疊加性的，使系統(tǒng)越發(fā)難以控制。

脫硫率η是SO2吸收量Q與煙氣含硫量G的比值：η=Q/G。因此，脫硫效率就決定于Q逼近G的程度，理想的脫硫率在理想狀態(tài)下噴淋漿液CaCO3，當量流量近似等于計算負荷需求量，在脫硫負荷長期穩(wěn)定、漿液池石灰石供需動態(tài)平衡下，即為CaCO3供漿當量流量。此時假設τ值足夠小，600MW機組80%脫硫負荷運行，漿液池一般約2000m3，循環(huán)泵循環(huán)總量一般不超過1500m3/h，石灰石供漿量為24m3/h（按石耗6～8t/h，漿液濃度δ30%，密度ρ1.2g/cm3計），則噴淋漿液石灰石濃度δ必須維持在0.48%（吸收塔漿液密度一般維持在1.08g/cm3）左右才能保證石灰石噴淋量為6～8t/h，保證預期脫硫率。運行期間石灰石供漿流量用于提高噴淋回流漿液石灰石濃度（視為0）從而達到與循環(huán)輸出的動態(tài)平衡，這個0.48%決定了漿液池的pH值并單值對應。假設此時出現(xiàn)滿負荷階躍擾動并保持足夠長期穩(wěn)定運行，石耗增至8～10t/h，則必須將漿液池石灰石濃度δ提高到0.6%（這期間循環(huán)泵滿負荷運行，如果循環(huán)量減少，則漿液石灰石濃度需相應提高，pH值相應提高，已達到吸收所需石耗），即漿液池濃度δ提高0.12%，需要額外注入約2.6t的石灰石，也即在階躍擾動前后動態(tài)平衡過渡期間，需要多加入7.3m3石灰石漿液以彌補漿液池濃度的提高。此時需要提高濃度的不僅是噴淋回流量，而主要是漿液池漿液，這是系統(tǒng)響應滯后瓶頸現(xiàn)象的決定性因素。

如按Ca/S前饋預先控制30m3/ h的吸收漿液流量，給予漿液濃度提高的有效流量為6m3/ h（按循環(huán)漿液石灰石全部用于吸收計算），即使始終按此速度提高濃度，達到新的動態(tài)平衡也需要約1h。

因供漿當量與循環(huán)當量的瓶頸循環(huán)當量不能馬上提高，隨著濃度的逐漸提高，有效流量逐漸減少：

實際所需時間：ξ=p∫dδ/V（t）|（ δ0，δ′）

其中，dδ：即時濃度，即時所需額外石灰石量的函數(shù)；

V（t）：有效流量，即時供需當量流量差；

δ0：擾動前CaCO3濃度；

δ′：擾動后CaCO3濃度；

p：系數(shù)。

有效流量V（t）是即時供需當量流量差，決定于濃度δ的增長，是濃度δ單值遞減函數(shù)，近似模擬經(jīng)驗公式：V（t）= ke-t，k為系數(shù)。所以新的動態(tài)供需平衡必須用微分增量控制陡然加入來實現(xiàn)，否則將是無限期的。

常規(guī)控制方案為Ca/S前饋、脫硫率η反饋的PID調(diào)節(jié)，但由于瓶頸遲滯，供漿流量難以掌控，再加上攪拌造成的噴淋石灰石當量濃度的波動，漿液pH極易超調(diào)，引起震蕩。

實際運行中，大部分中和反應在漿液池中進行，進入循環(huán)的石灰石濃度要低于上述濃度，但系統(tǒng)遲滯基本等效，只是中和反應轉(zhuǎn)移了位置，而位置的轉(zhuǎn)移只是影響了吸收中和時間。也因此降低了脫硫能力（噴淋末端酸度很大），增強了腐蝕強度與幾率。

實際運行τ值無法做到足夠小，瓶頸ξ導致的遲滯等問題變得更加復雜、嚴重，不均勻混合使脫硫率出現(xiàn)不可預期的波動，以及各種副作用。τ值只能盡量做?。涸龃髷嚢枘芰Γ瑪U大吸收漿液應急供漿能力來縮小系統(tǒng)響應時間。同時漿液池越小，ξ越小，石灰石濃度變化越快，系統(tǒng)響應越快。但不利于石灰石溶解，離子、粒子濃度大而活性差，不利于亞硫酸鹽氧化、中和等反應，進而影響吸收；漿液停留時間短（避免濃度過大）影響石膏結(jié)晶。

實際運行脫硫負荷也無法保持長期穩(wěn)定，由于煤質(zhì)變化及供電調(diào)度需求往往在幾秒至十幾秒鐘內(nèi)大幅度變化，尤其目前電煤緊張，煤源復雜，煤質(zhì)良莠參差，電業(yè)調(diào)度負荷頻繁大幅度變化，導致煙氣量及含硫量大幅變化，此時脫硫負荷穩(wěn)定周期T值遠小于ξ值及τ值，石灰石噴淋當量流量只是一條平緩曲線。雖然輔以pH值（決定于δ）控制，但pH值同樣具有系統(tǒng)、測量延遲，并受脫硫負荷、循環(huán)量變化影響，常規(guī)吸收塔控制系統(tǒng)無法隨脫硫負荷快速波動，致使大量SO2偷襲式排入大氣，同時難免導致吸收池內(nèi)CaCO3沉積結(jié)晶或酸度過大。而沉積的鈣則會帶來諸多弊病，往往使脫硫率居下不上，pH值居上不下。種種弊端阻撓了脫硫率的攀升，遏制了脫硫業(yè)的發(fā)展。

綜上分析，用實時計算漿液池漿液所需補充的石灰石吸收漿液量做微分D前饋控制、脫硫率η做反饋，輔以濃度δ調(diào)節(jié)（因δ目前測量比較困難，成本高，所以暫時不直接用于反饋，仍用η做反饋，優(yōu)于漿液池pH值受負荷、循環(huán)量、供漿狀態(tài)等影響較大且不能穩(wěn)定在最佳值，pH值宜做監(jiān)視），能得到比較穩(wěn)定理想的控制效果，隨動性、波動性大為改善。對于頻繁波動負荷，微分系數(shù)應小一些，以適應負荷的上下波動。

2 裸塔工藝系統(tǒng)響應分析、控制方案

最佳的系統(tǒng)響應特性是拋掉漿液池概念，解決系統(tǒng)瓶頸，將吸收漿液（或絕大部分）直接加入循環(huán)管道，利用循環(huán)泵同時攪拌，實現(xiàn)系統(tǒng)響應時間ξ、τ“零”的突破（只是循環(huán)流程及吸收反應的遲滯），同時將氧化空氣直接加入噴淋區(qū)，加快系統(tǒng)吸收等響應速度，反應進程良以群聚，莠以類別。由此控制已是水到渠成，只需采用脫硫率η作反饋、調(diào)節(jié)輸出供漿量的PID單回路即可，簡單明了，無需前饋。

3 裸塔工藝原理

吸收塔為天方地圓型式（如下圖），出入口為等徑方形，按一定比例收縮于原煙道、凈煙道，塔內(nèi)無除霧器，因此徹底解決了常規(guī)塔煙氣紊流偏流問題。石灰石吸收漿液直接注入漿液循環(huán)泵入口附近吸收塔底部，絕大部分吸收漿液直接進入噴淋，氧化空氣從噴淋區(qū)底部直接進入，氣液接觸時間為1s、煙速5～6m/s。

吸收塔剖視示意圖

噴淋液在行程中酸度的增加、CO2瞬時且徹底的釋放等有利反應 ，使經(jīng)過預溶解處理的過飽和CaCO3漿液迅速溶解，噴淋末端酸度增大，促使CaCO3中和溶解，這個動態(tài)平衡促使吸收溶解比較完全，因此循環(huán)泵出口的循環(huán)漿液可維持在CaCO3過飽和狀態(tài)，pH值預期可遠在6之上。由于過量氧化風的加入、激烈的氣液攪拌瞬間完成各項反應，尤其高pH值漿液出現(xiàn)在噴淋行程上部，而亞硫酸鹽的產(chǎn)生與氧化主要發(fā)生在噴淋行程下部，超大量氧化空氣使氧化即時徹底，高pH吸收漿液不會影響亞硫酸鹽的氧化。所以高pH值的循環(huán)漿液對吸收的影響只是正面的。

裸塔工藝較大幅度提高了L/G比，有效地增加了吸收率。 逆流交鋒煙氣，第一時間接觸酸液，及時充分地中和了吸收液中的H+，遏制了因噴淋液下降過程中酸度增加而分解逃逸的SO2，吸收反應是單項吸收而不是通常的平衡式。最大限度地提高了Ca/S比，同時激烈的氣液交互沖擊，使大量產(chǎn)生的泡膜破碎，幾乎使全部CO2直接而徹底地進入煙氣，解除了CO2對噴淋漿液中CaCO3溶解的遏制。如下方程式是單向方程式而不是通常噴淋技術中的動態(tài)平衡方程式，此項性能遠優(yōu)于鼓泡塔（CaCO3在鼓泡池中溶解） 。

過量氧化空氣逆流補充，保證了噴淋液中SO32-濃度自始至終非常低甚至根本就不存在，尤其在噴淋（吸收氧化） 區(qū)底部的煙氣很少，噴淋液酸度不再增加，但遭遇到大量富氧空氣而使SO32-離子幾乎全部氧化成SO42-離子，因此進入漿液池的噴淋液沒有亞硫酸鹽，不需要通常的羅茨氧化風機。

裸塔工藝高效地利用了氣膜，突破了通常吸收塔L/G比的極限，尤其適合含硫量大的劣質(zhì)煤。氣液激烈擾動，液滴破碎細小，增大了吸收液膜面積及效率，因此可以縮短氣液接觸時間即噴淋行程；可以提高煙速，減少幾乎只有石膏結(jié)晶的漿液池體積及其攪拌功率。

裸塔工藝與噴泡塔工藝流程、反應機理略同，而與鼓泡塔不同的是只有石膏結(jié)晶在漿液池中進行，SO2的吸收、CaCO3的溶解中和，以及CO2的釋放均在噴淋區(qū)進行，這正是裸塔型式的特點。鼓泡塔在0.5s的時間中完成鼓泡脫硫，具有98%的脫硫率、99%的CaCO3利用率、90%的除塵率，而裸塔的預期脫硫率則在0.99以上，CaCO3利用率、除塵率等指標期望接近或超過鼓泡塔，而建設運行成本更是鼓泡塔等工藝所望塵莫及的。

裸塔工藝可一次性瞬間完成吸收、中和、氧化等反應，其化學進程機制與鼓泡塔相同，幾乎無任何副反應生成（如COD等產(chǎn)物），不產(chǎn)生CaSO3等亞硫酸鹽蒸發(fā)。尤其是亞硫酸鹽及石膏主要在噴淋行程的下半部產(chǎn)生，亞硫酸鹽隨即被鏟除，因大量漿液與急速煙流相逢造成大量的液膜、紊流，下部石膏在蒸發(fā)升騰過程中與煙塵等雜質(zhì)一起被石灰石堿液沖洗過濾掉，無法到達噴淋行程頂部并排除，因此，凈煙氣幾乎沒有石膏污垢。噴淋漿液行程頂部是pH非常高的漿液，因此凈煙氣不含酸霧呈現(xiàn)堿性，不用設除霧器，后續(xù)煙道煙囪等設備設施可以不做防腐處理。

凈煙氣水霧的增加決定于L/G比及噴淋液溫升，當比值較小時，液體全部蒸發(fā)，但總量不一定很大，當比值很大時，漿液溫度上升很小，蒸發(fā)量很小，此函數(shù)有個蒸發(fā)量最大的極限值，因此L/G比的選擇要兼顧噴淋液即液膜溫升較小、水霧蒸發(fā)量小，以使其攜帶的污垢很小，裸塔工藝L/G比的選擇應盡量大，使噴淋液蒸發(fā)量、溫升、水霧攜帶污垢量減少。同時氣液接觸時間的大大縮短，大幅度降低了溫升，并且大量冷空氣首先直接進入噴淋區(qū)，對溫度逐漸增高的液膜起到逆程冷卻作用。由于漿液池熱質(zhì)的增加，漿液池溫度將升高，所以裸塔工藝原煙道、吸收塔不做防腐并加強散熱（冷凍區(qū)特殊考慮），或可考慮增加簡易金屬除霧器（壓損控制在30Pa以下）以控制水霧量。

由于通常吸收塔短路區(qū)實際煙速比較高，因此本方案煙速的提高并不能帶來更多的水霧污垢攜帶量。隨著鍋爐設計的日臻完善，能源綜合利用日趨合理高效，鍋爐排煙溫度將繼續(xù)降低，屆時排煙攜帶石膏等污染物現(xiàn)象將得到更加徹底的根除。

由于沒有除霧器、噴淋區(qū)，漿液池高度可大幅降低。經(jīng)過計算，600MW機組脫硫裸塔高度約為25m，大大提高了抗風抗震抗剪切等能力。

至此，增壓風機實際上僅僅為了克服漿液噴淋造成的煙氣壓損，通過將裸塔噴淋區(qū)分為順流動力氧化區(qū)（順流噴淋區(qū)）與逆流動力氧化區(qū)（逆流噴淋區(qū)），且兩區(qū)噴淋漿液量與配風量比值為2:1，結(jié)構(gòu)對稱，塔內(nèi)煙氣壓損“零突破”，從而取消了增壓風機，成為名副其實的裸塔。

4 緊脫硫緩脫硝

應用裸塔技術，1臺脫硫裝置1年僅用電即可節(jié)約近3千萬度，節(jié)煤1萬多t。目前全國火電裝機容量已達7.5億kW，若全上裸塔裝置，1年將節(jié)電近375億度，節(jié)煤1300萬t，這已經(jīng)相當于一個中等發(fā)達國家全年的用電量，如奧地利2006年的用電量為670億度。兩臺600MW機組假設投資8000萬改造脫硫裝置，2～3年即可收回成本。

據(jù)中電聯(lián)預計，2020年我國火電裝機將達到16億kW，屆時裸塔的技術優(yōu)勢、經(jīng)濟效益將更加明顯、可觀，等于年節(jié)省近2000多萬t煤，而2009年我國煤炭消費約為28億t，電煤消費約占50%，這已不是一個小比例，且裸塔每年還可少排放溫室氣體CO23000萬t。

2010年，全國60萬kW及以上火電廠用電率為6.79%，比上年增加0.17個百分點，導致用電率增加的一個重要原因就是2008年有一大批機組新增了脫硫設施。如果60萬kW發(fā)電機組都采用裸塔脫硫裝置，最少可使電廠的用電率下降1.25%。

由于裸塔建設運行維護成本極低（約為常規(guī)塔的10%），高效低耗，用來脫硫可實現(xiàn)全國乃至全球范圍的SO2“零”排放，同時因濕法石灰石脫硫工藝可脫除近50%的氮氧化物，所以不必再進行脫硝（酸雨中硫氮比為10:1），酸雨也會得到很好的治理。

氮元素是農(nóng)作物及植物不可或缺的營養(yǎng)元素，在農(nóng)業(yè)中占重要地位。且氮氧化物可制造臭氧，在一定程度上可彌補南極臭氧洞。因此，鑒于目前國內(nèi)外環(huán)保、大氣污染狀況，我們可以采取緊脫硫緩脫硝的政策。

由于裸塔建設、運行維護成本極低，污染廠礦將有充足的資金及極大的熱情響應國家脫硫政策，從而使脫硫環(huán)保事業(yè)進入良性循環(huán)，使環(huán)保自身得以可持續(xù)發(fā)展，使國家經(jīng)濟建設可持續(xù)發(fā)展得以有力支撐，進入良性循環(huán)。

5 不可持續(xù)的可持續(xù)經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略

因脫硫造成電廠用電率升高，企業(yè)虧損，利潤下降，再上脫硝，發(fā)電成本增加，工業(yè)企業(yè)用電成本提高，又將引起其他行業(yè)一系列經(jīng)濟、價格波動，將影響經(jīng)濟發(fā)展，甚至導致惡性循環(huán)、經(jīng)濟危機，使可持續(xù)經(jīng)濟發(fā)展戰(zhàn)略不可持續(xù)。而脫硫脫硝白白浪費的一次能源將影響國家長遠經(jīng)濟建設、目標的實現(xiàn)。由于裸塔建設、運行維護成本極低，又取消脫硝政令，污染廠礦將有充足的資金及積極的熱情響應國家脫硫政策，從而使脫硫環(huán)保事業(yè)進入良性循環(huán)，使環(huán)保自身得以可持續(xù)發(fā)展，使國家經(jīng)濟建設可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略得到有力支撐，進入良性循環(huán)。

[1]孫厚杰.電廠濕法煙氣脫硫吸收塔（申請?zhí)?01010179965.3）[P].北京：中國國家知識產(chǎn)權局，CN101816888A，2010-09-01.

[2]中華人民共和國科學技術部.2008中國科學技術發(fā)展報告[R].

[3]于洋,等.中國經(jīng)濟改革與發(fā)展:政策與績效[M].大連：東北財經(jīng)大學出版社.2005.

[4]環(huán)境保護部，國家發(fā)展和改革委員會，國土資源部，住房和城鄉(xiāng)建設部水利部，農(nóng)業(yè)部，衛(wèi)生部，國家統(tǒng)計局，國家林業(yè)局，中國氣象局，中國地震局，國家海洋局，等.2009中國環(huán)境狀況公報[R].

[5]國家電力監(jiān)管委員會，國家電力監(jiān)管委員會，國家能源局，國家能源局，等.2008年電力企業(yè)節(jié)能減排情況通報[R].2009-10.

[6]環(huán)境保護部.2008年環(huán)境統(tǒng)計年報[R].

[7]中投顧問.2010-2015年中國化肥市場投資分析及前景預測報告[R].

[8]王槊.中電投總經(jīng)理陸啟洲：我國火電50年內(nèi)仍將主導[Z].中電新聞.

Nude Tower Technology of FGD

SUN Hou-jie

X701.3

A

1006-5377（2011）08-0051-04

國家火炬計劃優(yōu)先發(fā)展技術領域（2010年）；國家重點新產(chǎn)品計劃優(yōu)先發(fā)展技術領域（2010年）。