汪 波
(沈陽創(chuàng)思達(dá)自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司,沈陽 110004)
循環(huán)流化床脫硫工藝運(yùn)行中常見問題淺析
汪 波
(沈陽創(chuàng)思達(dá)自動(dòng)化系統(tǒng)有限公司,沈陽 110004)
循環(huán)流化床脫硫是目前國內(nèi)應(yīng)用最多的(半)干法脫硫技術(shù),但經(jīng)過多年的運(yùn)行也暴露出諸如系統(tǒng)可靠性差、循環(huán)灰裝置易堵塞、濕壁、系統(tǒng)能耗大、運(yùn)行費(fèi)用高、脫硫率低等問題。本文就循環(huán)流化床脫硫工藝在實(shí)際運(yùn)行中存在的問題進(jìn)行了分析討論。
循環(huán)流化床;濕壁;堵塞;脫硫率;可靠性
煙氣脫硫是控制SO2排放的主要技術(shù)手段,而循環(huán)流化床法是目前國內(nèi)應(yīng)用最多的半干法脫硫技術(shù)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),目前國內(nèi)已有近千套該脫硫工藝系統(tǒng)在運(yùn)行。但經(jīng)過十多年的運(yùn)行也暴露出存在如濕壁、堵塞、磨損、能耗大、運(yùn)行費(fèi)用高、脫硫效率低、運(yùn)行可靠性差等問題。本文就現(xiàn)階段循環(huán)流化床脫硫工藝出現(xiàn)的主要問題進(jìn)行了分析討論。
通常對循環(huán)流化床的脫硫機(jī)理描述為:從鍋爐出來原煙氣由底部進(jìn)入循環(huán)流化床脫硫塔內(nèi),并將一定量的脫硫劑和水在文丘里喉口上端加入,經(jīng)文丘里縮放流化噴管煙氣加速,在喉管部位形成了紊流區(qū),在此部位煙氣與吸收劑、循環(huán)灰、工藝水形成了高傳質(zhì)的流化床。使吸收劑在脫硫塔內(nèi)懸浮、反復(fù)循環(huán),并與煙氣中的SO2等酸性氣體充分接觸,進(jìn)行脫硫化學(xué)反應(yīng),生成亞硫酸鈣與硫酸鈣,從而完成脫硫過程。反應(yīng)后的大量的氣—固混合物從脫硫塔頂部排出,進(jìn)入除塵器內(nèi),脫除的固體顆粒在控制閥的調(diào)節(jié)作用下,通過固體循環(huán)系統(tǒng),返回脫硫塔繼續(xù)參與脫硫反應(yīng),反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)灰的高倍率循環(huán)使循環(huán)灰顆粒之間發(fā)生激烈碰撞,使顆粒表面生成物的固形物外殼被破壞,里面未反應(yīng)的新鮮顆粒暴露出來繼續(xù)參加反應(yīng)??陀^上起到了加快反應(yīng)速度、干燥速度以及大幅度提高吸收劑利用率的作用。另外,由于高濃度密相循環(huán)的形成,反應(yīng)器內(nèi)傳熱、傳質(zhì)過程被強(qiáng)化,反應(yīng)效率、反應(yīng)速度都被大幅度提高。而且反應(yīng)灰中含有大量未反應(yīng)的吸收劑,所以反應(yīng)器內(nèi)實(shí)際鈣硫比遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于表觀鈣硫比。
由于脫硫劑、循環(huán)灰和反應(yīng)產(chǎn)物多次在脫硫塔和除塵器之間循環(huán),因此增加了停留時(shí)間,提高了脫硫效率。
從以上的論述可以看出,循環(huán)流化床的脫硫機(jī)理存在問題:一是沒有所謂在床層中對脫硫劑外殼反應(yīng)生成物的摩擦剝離過程,因?yàn)樵诿摿蜻\(yùn)行過程中反應(yīng)生成物料的外殼從理論上講根本不可能被磨掉;二是停留時(shí)間縮短。
(1)關(guān)于破碎的問題
首先,在脫硫過程中,床層是其脫硫反應(yīng)及物料循環(huán)區(qū)域處也是所謂的產(chǎn)物破碎區(qū)域,而此部位也是噴霧區(qū)域,由于噴霧造成脫硫劑及循環(huán)物料處于濕潤狀態(tài),而濕的物料是不能破碎的(濕式破碎除外);其次,物料的破碎是靠碰撞、沖擊、剪切、剝離等機(jī)械運(yùn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的,僅靠脫硫塔內(nèi)氣流的一點(diǎn)能量來磨掉反應(yīng)物的外殼幾乎是不可能的(按破碎能量計(jì)算其氣流能量不足以將其磨掉);最后,氣流破碎是采用雙向碰撞來達(dá)到破碎的目的,而在脫硫塔內(nèi)氣流的方向是同向的,向上的氣流只是將石灰和循環(huán)物料托起,其能量是不足以將脫硫生成物外殼磨掉的。
(2)關(guān)于停留時(shí)間的問題
由于氣流的原因,床層在運(yùn)行過程中極不穩(wěn)定,很難形成床層,所以脫硫劑及循環(huán)物料在塔內(nèi)的停留時(shí)間很短,又由于床層不穩(wěn)定,所以循環(huán)次數(shù)也相應(yīng)減少。進(jìn)一步造成停留時(shí)間減少,循環(huán)次數(shù)減少,停留時(shí)間縮短也是使脫硫效率降低的主要原因之一。
循環(huán)流化床脫硫技術(shù)不成熟主要表現(xiàn)在運(yùn)行可靠性差,而運(yùn)行可靠性差主要表現(xiàn)在塌床、濕壁、堵塞、磨損、脫硫效率低等方面。
2.1.1 塔內(nèi)的煙氣流動(dòng)狀況
煙氣進(jìn)入反應(yīng)塔后,在上升過程中,將會(huì)發(fā)生如圖1所示的偏轉(zhuǎn),并在另一側(cè)形成渦流“滯流區(qū)”。特別是在循環(huán)氣流作用下,更加劇了渦流“滯流區(qū)”的形成和擴(kuò)大。由于熱損失特別是霧化水滴粒子的蒸發(fā)吸熱,使得沿氣流上升的方向,塔內(nèi)的平均溫、濕度分布,分別呈遞減、遞增趨勢。在滯流區(qū)內(nèi),渦流攜帶著不同體積的包括蒸發(fā)殆盡的微小水滴,在滯流區(qū)內(nèi)循環(huán)、蒸發(fā),并與主流進(jìn)行少量的紊流擴(kuò)散,分子擴(kuò)散水平的濕、熱交換。因此,滯流區(qū)內(nèi)的含水量越來越高,而溫度則越來越低,直到在塔上方甚至整個(gè)滯流區(qū)內(nèi)接近或達(dá)到飽和。于是,由于蒸發(fā)驅(qū)動(dòng)力降低,越來越多的來不及蒸干的微小水滴粒子,在渦流的攜帶下,碰撞于塔壁而濕壁。通過檢查孔,可看到濕壁區(qū)域,這種結(jié)垢狀態(tài)表明了因氣流偏轉(zhuǎn)形成的旋轉(zhuǎn)流動(dòng)的存在。
圖1 模擬氣流在塔內(nèi)分布
2.1.2 產(chǎn)生原因分析
(1)塔體結(jié)構(gòu)因素
濕壁與塔體結(jié)構(gòu)、氣流場及溫度場密切相關(guān)。但要系統(tǒng)、準(zhǔn)確地測定脫硫塔內(nèi)流場及溫度場幾乎是不可能的。半干法脫硫塔的結(jié)構(gòu)影響了塔內(nèi)氣流的分布,作用于塔內(nèi)的濕、熱交換過程并影響溫度、濕度分布。當(dāng)塔內(nèi)存在較大尺度的渦流時(shí),容易發(fā)生濕壁現(xiàn)象。塔內(nèi)壁與氣流主體間溫差過大造成結(jié)露,是濕壁另一個(gè)主要原因,特別是在低溫距條件下。事實(shí)上,這類濕壁結(jié)垢問題會(huì)從脫硫塔一直延伸至除塵器甚至煙囪中,這也是溫距降低的受限因素之一。雖然低溫距使?jié)癖诘目赡苄源蟠笤黾?,但低溫對脫硫效果的提高是非常重要的?/p>
(2)霧滴蒸發(fā)因素
濕壁的非塔結(jié)構(gòu)因素主要包括:1)蒸發(fā)速度(對于霧化加濕,霧化粒度過大、噴嘴布置不當(dāng));2)結(jié)露(溫距過低或內(nèi)壁與氣流主體間溫差過大)。蒸發(fā)速度問題在加濕設(shè)計(jì)中受到較多的關(guān)注,通常能得到較好的解決,這里不做討論。由于煙氣黏性的存在,壁面附近塔內(nèi)各水平面上的徑向溫度基本上呈塔中高,塔壁低的分布。因此,當(dāng)溫距較低時(shí),塔壁易于結(jié)露從而使?jié)癖诂F(xiàn)象加劇。因而塔壁的良好保溫是必要的。事實(shí)上,除非進(jìn)行加熱處理,由于沿途熱損失,結(jié)露現(xiàn)象可一直存在下去,除塵器之前都有結(jié)露的可能,煙囪出口之前都有結(jié)露的可能。這也是溫距不能過度降低的原因之一。由于低溫距對于提高脫硫效率的必要性,防止結(jié)露濕壁同樣非常重要。發(fā)生濕壁現(xiàn)象后,系統(tǒng)的造價(jià)將因防腐處理大幅度地提高,干法總體上的優(yōu)越性將變得微不足道。不僅如此,由于噴入的粉狀脫硫劑在塔壁等表面濕潤的情況下容易沉降黏附于壁面上,從而形成了局部或全面的沉積濕壁現(xiàn)象。
另外,噴入的粉狀脫硫劑在塔壁等表面濕潤的情況下容易沉降黏附于壁面上,形成局部或全面的沉積濕壁現(xiàn)象。隨著沉積或濕壁厚度的增加,脫硫塔及除塵器前的管路的斷面也會(huì)發(fā)生變化,流動(dòng)狀態(tài)及脫硫反應(yīng)進(jìn)程也會(huì)發(fā)生變化。當(dāng)厚度太大,發(fā)生坍塌時(shí),坍塌的落塊砸在本來就不穩(wěn)定的床層上就會(huì)造成塌床,并會(huì)使出渣口等出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象,使得系統(tǒng)不能正常工作。所以濕壁對脫硫系統(tǒng)的不良影響非常大。但遺憾的是目前還沒有徹底解決濕壁的有效辦法。
脫硫系統(tǒng)中,噴嘴多數(shù)采用壓力噴嘴,霧化的效果不是很好。而且隨著噴嘴的噴口長期使用后的磨損,霧化效果會(huì)變得更差。霧滴來不及蒸發(fā)和分散,就會(huì)產(chǎn)生濕壁現(xiàn)象。
當(dāng)負(fù)荷變化時(shí),煙氣量和溫度發(fā)生變化,當(dāng)設(shè)定溫度不變時(shí),水量自動(dòng)會(huì)變化。此時(shí)循環(huán)流化床的給灰調(diào)節(jié)的弱點(diǎn)就暴露了,由于其是根據(jù)床壓調(diào)節(jié)的。當(dāng)負(fù)荷增大時(shí),給灰量不變,但煙氣量的增大同樣會(huì)導(dǎo)致床壓的增大,而負(fù)荷增大時(shí),加水量就必然增加,此時(shí)如果減少給灰量,就會(huì)導(dǎo)致灰的濕度增大,繼而也就增大了濕壁的可能性。
造成塌床有兩個(gè)原因:一是煙氣流速過低;二是料粒變大。煙氣流速過低主要是鍋爐負(fù)荷低的時(shí)候,煙氣流量的下降,無法保證喉部的流速?;揖蜔o法很好地與煙氣接觸,就會(huì)造成局部灰的濕度過大,發(fā)生塌床現(xiàn)象。另外,設(shè)計(jì)時(shí)所給的設(shè)計(jì)煙氣量與實(shí)際的煙氣量相差很大的話,也有造成塌床的可能。目前為了能在負(fù)荷變化時(shí)也能穩(wěn)定運(yùn)行,工藝中加設(shè)了凈煙氣再循環(huán)系統(tǒng)。這樣雖然能使得設(shè)備在低負(fù)荷時(shí)正常運(yùn)行,但在打開回風(fēng)煙道后,由于凈煙氣的快速補(bǔ)充,就會(huì)造成脫硫島入口負(fù)壓瞬時(shí)減小,對鍋爐爐膛正常負(fù)壓造成影響,造成爐膛正壓向外冒火的嚴(yán)重事故,如山東某化工廠脫硫項(xiàng)目中就曾出現(xiàn)過鍋爐爐膛正壓向外冒火的嚴(yán)重事故。同時(shí),凈煙氣的快速補(bǔ)給也會(huì)給風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行帶來負(fù)面影響,嚴(yán)重時(shí)還會(huì)引起風(fēng)機(jī)的喘振,而且鍋爐負(fù)荷突變會(huì)促使凈煙氣反應(yīng)滯后,如補(bǔ)給滯后,也會(huì)造成塌床現(xiàn)象發(fā)生。
物料粒變大主要有兩方面原因,一是吸收劑的供應(yīng)質(zhì)量不好,二是噴水質(zhì)量不好,造成料粒粘結(jié)變大,加料位置及物料分散度也是影響料粒變大的主要原因之一。有報(bào)道認(rèn)為,如果煙氣量減小,可以減少物料加入以避免塌床。但這個(gè)看法是片面的,因?yàn)槟芊窠⒎€(wěn)定的床層,主要是看氣流分布是否均勻及氣流速度能否托起物料顆粒,這與顆粒的質(zhì)量有關(guān),而與物料的總量沒有多少關(guān)系。試想40m/s以上的煙氣流速雖然吹不起一個(gè)鵝卵石,但足可以把一堆灰吹得無影無蹤。
噴水量、煙氣流量、噴水點(diǎn)設(shè)置、循環(huán)物料系統(tǒng)設(shè)置、脫硫劑加入點(diǎn)的位置、塔內(nèi)流場設(shè)計(jì)都會(huì)對床層的穩(wěn)定運(yùn)行產(chǎn)生重要的影響。
另外,在循環(huán)流化床脫硫中,是靠床壓來控制循環(huán)物料的加入,由于空塔流速與床壓密切相關(guān),而在實(shí)際控制中并沒有建立空塔速度、循環(huán)灰量與床壓之間的關(guān)系,也就是說,床壓與循環(huán)灰量的關(guān)系是不真實(shí)的。因此,僅靠床壓來控制循環(huán)灰量是不合理的。并且噴水量是靠出口溫度來控制的。因此,當(dāng)床層發(fā)生變化時(shí),無法保證床內(nèi)物料的濕度,無法防止?jié)穸冗^大、物料大量結(jié)塊而造成塌床。特別是當(dāng)煙溫波動(dòng)范圍較大時(shí),而流化床噴水量無法根據(jù)煙氣負(fù)荷精確控制,床內(nèi)截面流速難以做到均勻一致,這是造成流化床內(nèi)結(jié)垢堵塞的根本原因。這也是脫硫系統(tǒng)不能正常運(yùn)行的主要原因。
噴嘴霧化不好也是塌床的重要因素,循環(huán)灰與水形成濕度較大的灰塊,越變越大,吹不起來,有時(shí)就會(huì)形成貼壁,當(dāng)其變大后就會(huì)掉落,造成擊毀床層的嚴(yán)重后果。
(1)濕壁造成堵塞
在循環(huán)流化床脫硫工藝運(yùn)行過程中,經(jīng)常會(huì)發(fā)生濕壁現(xiàn)象,而且目前還無法解決。如河北某鋼廠400平米燒結(jié)機(jī)脫硫,2009年2月投入運(yùn)行,但運(yùn)行不到1個(gè)月就出現(xiàn)了嚴(yán)重的濕壁,并在塔內(nèi)壁/四周形成了厚約500mm的一層堅(jiān)硬結(jié)垢圈,造成堵塞,使石灰及循環(huán)物料根本無法正常加入。只能由人工鑿開結(jié)構(gòu)層清理。雖然經(jīng)多次整改,但因工藝本身固有的問題,每次整改后都難以長時(shí)間正常運(yùn)行。圖2為人工在開鑿塔內(nèi)結(jié)垢層。
圖2 人工在開鑿塔內(nèi)結(jié)垢層
另外,煙氣量、煙溫在波動(dòng)范圍較大時(shí),流化床噴水量也無法根據(jù)煙氣負(fù)荷精確控制,床內(nèi)截面流速難以做到均勻一致,這也是造成流化床內(nèi)結(jié)垢堵塞,影響其不能正常運(yùn)行的主要原因之一。
(2)循環(huán)裝置輸送不暢
空氣斜槽輸送不暢,堵灰現(xiàn)象十分嚴(yán)重,這已是所有循環(huán)流化床脫硫工藝的通病。如山東某石化廠5、6號(hào)100MW機(jī)組鍋爐脫硫工程,2006年3月投運(yùn),但運(yùn)行不到兩個(gè)月,脫硫裝置就出現(xiàn)了大面積堵灰,使除塵器、物料循環(huán)無法運(yùn)行(如圖3所示)。經(jīng)過整改后,還是經(jīng)常堵灰,導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)無法穩(wěn)定運(yùn)行。灰斗內(nèi)脫硫灰卸灰不流暢、板結(jié)嚴(yán)重導(dǎo)致整個(gè)灰斗都被堵死,只能拆下進(jìn)行人工清理,且粉塵隨風(fēng)四處飛揚(yáng),導(dǎo)致現(xiàn)場十分臟亂,業(yè)主意見很大。
圖3 堵塞后的空氣斜槽
又如云南某電廠循環(huán)流化床脫硫工藝,2001年12月停爐檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)脫硫塔塔壁結(jié)塊、積灰;旋風(fēng)分離器部分筒壁和灰斗積灰結(jié)塊;旋風(fēng)分離器入口襯板磨損嚴(yán)重,甚至磨壞掉入旋風(fēng)分離器及循環(huán)灰箱內(nèi),致使旋風(fēng)分離器出現(xiàn)灰斗堵灰、循環(huán)灰箱的輸灰機(jī)卡塞現(xiàn)象。
(3)噴槍、噴嘴易堵塞。
由于喉口氣流速度較高,且在此處為循環(huán)物料加入部位,雖然此處通常設(shè)置耐磨層,但由于耐磨層結(jié)構(gòu)施工等原因,脫落現(xiàn)象十分普遍,造成喉口部位磨損非常嚴(yán)重。
霧化噴嘴大多采用雙流式壓力噴嘴,霧化效果不是很好。而且隨著噴嘴的噴口長期使用后的磨損,霧化效果會(huì)變得更差,從而造成料粒黏結(jié)變大,產(chǎn)生塌床。
由于脫硫過程將大量粉塵反復(fù)循環(huán),所以有大量粉塵隨氣流進(jìn)入后部除塵器中,必然增加除塵器的負(fù)荷。而循環(huán)流化床脫硫工藝多數(shù)采用袋式除塵器來凈化煙氣,雖然設(shè)計(jì)時(shí)采用了相關(guān)措施,但對濾袋的磨損還是非常嚴(yán)重的。如廣州某垃圾電廠濾袋運(yùn)行半年左右后就被磨得千瘡百孔(如圖4所示)。
圖4 循環(huán)灰對濾袋的磨損
到目前為止,從已運(yùn)行的循環(huán)流化床脫硫工藝來看,普遍存在脫硫效率不高的情況,在穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)下一般在75%左右,并存在實(shí)際操作時(shí)難以適應(yīng)鍋爐煙氣波動(dòng),且脫硫產(chǎn)物無法有效處理等缺點(diǎn)。
在循環(huán)流化床脫硫運(yùn)行過程中,可靠性差主要表現(xiàn)在:1)床層難以建立,即使建立起來也不穩(wěn)定,隨時(shí)都有塌床的可能;2)循環(huán)物料堵塞,無法正常運(yùn)行,這已成為所有循環(huán)流化床脫硫工藝的通??;3)濕壁現(xiàn)象嚴(yán)重;4)控制系統(tǒng)無法投入自動(dòng)運(yùn)行,從目前已運(yùn)行的脫硫系統(tǒng)來看,基本上都是靠手動(dòng)來完成運(yùn)行的。
如石家莊某鋼廠50m2及70m2燒結(jié)機(jī)脫硫工程中,整個(gè)脫硫系統(tǒng)開始就無法正常開機(jī)運(yùn)行,后雖投入巨資整改,但仍無法正常運(yùn)行。
目前的煙氣脫硫工藝的運(yùn)營成本70%是電耗產(chǎn)生的;約20%為脫硫劑的消耗量。由于床層產(chǎn)生較大的壓降,而且后部除塵往往采用袋式除塵器,而袋式除塵器的壓降也較大,再加上輸送循環(huán)物料風(fēng)機(jī)及電加熱器,因此電耗比噴霧干燥法脫硫工藝高30%左右,又由于Ca/S比較高,脫硫劑耗量大,故運(yùn)行費(fèi)用也高。而循環(huán)流化床脫硫需大批量采購符合要求的T60標(biāo)準(zhǔn)的石灰粉,以目前投運(yùn)電廠的運(yùn)行情況來看,石灰消化存在諸多問題,如果采購滿足要求的消石灰Ca(OH)2將會(huì)增加業(yè)主的采購成本。而最大的問題是一般較難購買到品質(zhì)穩(wěn)定的高活性(T60標(biāo)準(zhǔn))的石灰粉。因此,其脫硫效果完全依賴于石灰的高純度及高活性。因此脫硫劑消耗大,運(yùn)行成本高。
1)到目前為止,還無法從根本上解決濕壁問題;2)脫硫系統(tǒng)的設(shè)備運(yùn)行不穩(wěn)定、可靠性差、故障率高,技術(shù)上不成熟;3)需要嚴(yán)格控制鍋爐燃煤的含硫量,一旦燃煤含硫量偏高,SO2就會(huì)排放超標(biāo);4)脫硫系統(tǒng)能耗高,運(yùn)營成本相對較高;5)脫硫率低,穩(wěn)定運(yùn)行一般在70%左右,當(dāng)環(huán)保要求進(jìn)一步提高時(shí),改造非常困難,容易發(fā)生SO2排放超標(biāo)問題;6)需要對石灰石的品質(zhì)、粒度、含水率等指標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格控制,如果粒度偏大或含水率偏高,容易發(fā)生給料機(jī)卡死、堵管等問題;7)工況適應(yīng)性與控制難以實(shí)現(xiàn),自動(dòng)控制存在很大的時(shí)滯效應(yīng),難以靈敏調(diào)整,脫硫效率難以保證;8)在循環(huán)流化床脫硫中,是靠床壓來控制循環(huán)物料的加入,但并沒有和降水溫聯(lián)系起來;9)循環(huán)流化床的建床需一定的時(shí)間,當(dāng)鍋爐需檢修時(shí),存在配合及重新開機(jī)的脫硫問題;10)技術(shù)上不成熟,商業(yè)運(yùn)行業(yè)績很少,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),目前國內(nèi)近千套裝置中,還沒有令人滿意的運(yùn)行案例;11)脫硫機(jī)理存在問題;12)發(fā)生濕壁現(xiàn)象后,系統(tǒng)的造價(jià)將因防腐處理大幅度地提高,干法總體上的優(yōu)越性將變得微不足道。
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Common Problems on Circulating Fluidized Bed Desulfurization Process
WANG Bo
(Cyclone System Design Co., Ltd, Shenyang 110004, China)
Circulating fluidized bed desulfurization means semi-dry desulfurization technology which is used widely in the country, but it shows many problems, such as weak system reliability、circulating ash equipment easily jammed、wetted wall、high energy consumption of system、high running expense、low desulfurization rate, and so on. This paper makes analysis on the common problems existed in circulating fluidized bed desulfurization process.
wetted wall; jammed; desulfurization rate; reliability
X701.3
A
1006-5377(2011)08-0047-04