陳 倆，石 洪，張 瑩

(國(guó)網(wǎng)湖北省電力公司電力科學(xué)研究院，武漢 430077)

1 概述

火電廠排放的二氧化硫形成的酸雨已嚴(yán)重危害人類(lèi)的生存環(huán)境，國(guó)家強(qiáng)制要求火電廠必須安裝煙氣脫硫裝置。但是，受技術(shù)和經(jīng)濟(jì)等條件的限制，必須發(fā)展脫硫率高、系統(tǒng)可利用率高、流程簡(jiǎn)化、系統(tǒng)電耗低、投資和運(yùn)行費(fèi)用低的脫硫技術(shù)和工藝。在這種形勢(shì)下，干法脫硫工藝應(yīng)運(yùn)而生。

作為干法煙氣脫硫的一種主要工藝，循環(huán)流化床煙氣脫硫 (CFB-FGD)以其流程簡(jiǎn)單、占地面積少、投資運(yùn)行費(fèi)用低、無(wú)需防腐、無(wú)脫硫廢水等優(yōu)點(diǎn)而倍受青睞［1］。

2 CFB-FGD干法脫硫工藝原理及工藝流程

CFB-FGD干法脫硫工藝與濕法脫硫工藝最大的區(qū)別就在于其所使用的脫硫劑是以干粉形態(tài)進(jìn)入吸收塔，而非像濕法脫硫一樣使用吸收劑的漿液進(jìn)行脫硫。CFB-FGD基本工藝原理為:

來(lái)自鍋爐的空氣預(yù)熱器出來(lái)的煙氣溫度一般120℃ ～180℃左右，通過(guò)一級(jí)除塵器，從底部進(jìn)入吸收塔，在此處高溫?zé)煔馀c加入的吸收劑、循環(huán)脫硫灰充分預(yù)混合，進(jìn)行初步的脫硫反應(yīng)，然后通過(guò)吸收塔底部的文丘里管的加速，吸收劑、循環(huán)脫硫灰受到氣流的沖擊作用而懸浮起來(lái)，形成流化床，進(jìn)行第二步充分的脫硫反應(yīng)。在這一區(qū)域內(nèi)流體處于激烈的湍動(dòng)狀態(tài)，循環(huán)流化床內(nèi)的Ca/S值可達(dá)到40～50，顆粒與煙氣之間具有很大的滑落速度，顆粒反應(yīng)界面不斷摩擦、碰撞更新，極大地強(qiáng)化了脫硫反應(yīng)的傳質(zhì)與傳熱。

在文丘里出口擴(kuò)管段設(shè)一套噴水裝置，噴入的霧化水一是增濕顆粒表面，二是使煙溫降至高于煙氣露點(diǎn)20℃左右，創(chuàng)造了良好的脫硫反應(yīng)溫度，吸收劑在此與SO2充分反應(yīng)。

凈化后的含塵煙氣從吸收塔頂部側(cè)向排出，然后進(jìn)入二級(jí)除塵器，再通過(guò)引風(fēng)機(jī)排入煙囪。由于排煙溫度高于露點(diǎn)溫度20℃左右，因此煙氣不需要再加熱，同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)無(wú)需任何的防腐［2］。

經(jīng)除塵器捕集下來(lái)的固體顆粒，通過(guò)再循環(huán)系統(tǒng)，返回吸收塔繼續(xù)反應(yīng)，如此循環(huán)，多余的脫硫灰渣通過(guò)物料輸送至灰倉(cāng)，最后通過(guò)輸送設(shè)備外排。

其工藝流程圖如圖1所示。

圖1 CFB-FGD干法脫硫工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of CFB-FGD

在CFB脫硫塔中，主要化學(xué)反應(yīng)方程式如下:

3 CFB-FGD干法脫硫工藝的運(yùn)行調(diào)節(jié)

海外某電廠1×350MW燃煤機(jī)組就是采用煙氣循環(huán)流化床 (CFB-FGD)干法脫硫工藝，設(shè)計(jì)鍋爐排煙溫度115℃ ～127℃，脫硫入口煙塵濃度為105400mg/Nm3(標(biāo)干，6%O2)，二氧化硫濃度為8092mg/Nm3(標(biāo)干，6%O2)，設(shè)計(jì)脫硫效率為80%。其脫硫劑選用生石灰 (生石灰品質(zhì)見(jiàn)表1)，通過(guò)消化器加水反應(yīng)生成消石灰后進(jìn)入吸收塔參與反應(yīng)，脫硫副產(chǎn)物為干態(tài)脫硫灰。

表1 生石灰成分分析Tab.1 Chemical composition analysis of quick lime

為了實(shí)現(xiàn)脫硫系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行，該電廠的CFBFGD干法脫硫工藝的系統(tǒng)控制和調(diào)節(jié)主要由吸收塔出口溫度、床層壓降和SO2排放濃度3個(gè)參數(shù)完成，分別對(duì)應(yīng)調(diào)節(jié)吸收塔的噴水量、脫硫灰循環(huán)量以及消石灰的投加量。3個(gè)參數(shù)相互配合，達(dá)到脫硫的最佳工況條件，保證脫硫的效果。

3.1 通過(guò)控制吸收塔出口溫度調(diào)節(jié)吸收塔的噴水量

監(jiān)測(cè)脫硫塔的出口煙氣溫度，以此來(lái)調(diào)節(jié)噴水系統(tǒng)的開(kāi)度和噴水量的大小，保持適當(dāng)?shù)腁ST值，使床溫在各種負(fù)荷和工況條件下，煙氣的酸露點(diǎn)溫度始終保持在較高處，這樣，吸收劑的活性最佳，能夠較好地捕捉SO2，并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，提高脫硫率。

吸收塔的出口溫度要求較為嚴(yán)格，一般控制在70℃ ～80℃［3］，如果吸收塔出口溫度過(guò)高，吸收塔噴水量將減小，脫硫效率將下降。如果吸收塔出口煙氣溫度過(guò)低，將靠近煙氣的露點(diǎn)，有可能帶來(lái)不良的影響，特別是煙氣溫度低于露點(diǎn)溫度時(shí)，會(huì)造成水分蒸發(fā)不好，產(chǎn)生結(jié)露，在吸收塔、煙道、除塵器的內(nèi)壁引起嚴(yán)重的結(jié)灰。

3.2 通過(guò)控制吸收塔床層壓降調(diào)節(jié)脫硫灰的循環(huán)量

在CFB-FGD運(yùn)行中，因?yàn)槲账矊訅航蹬c床層的粉塵負(fù)荷成正比，所以可以通過(guò)床層壓降來(lái)控制脫硫灰的循環(huán)量，使脫硫灰的循環(huán)量和循環(huán)次數(shù)控制在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，這樣既可控制下游二級(jí)除塵器的入口塵濃度和煙囪排塵濃度，又可提高吸收劑的利用率，降低鈣硫比。

而吸收塔的床層壓降是通過(guò)調(diào)試初期的測(cè)試和計(jì)算得出的。在運(yùn)行過(guò)程中，吸收塔的進(jìn)出口所測(cè)的壓降為總壓降 (△Ptotal)，它應(yīng)該為空塔壓降(△Pemptypipe)和床層壓降 (△Pbed)之和?？账航?(△Pemptypipe)為沒(méi)有粉塵負(fù)荷時(shí)的壓降，而床層壓降 (△Pbed)為粉塵負(fù)荷所引起的壓降。通過(guò)下式即可計(jì)算出床層壓降 (△Pbed):

而空塔壓降 (△Pemptypipe)與鍋爐的負(fù)荷 (由煙氣量Q來(lái)反應(yīng))的函數(shù)關(guān)系為Δpemptypipe=f(Q)=aQ2+bQ+c，式中系數(shù)a、b、c為常數(shù)，可通過(guò)FGD調(diào)試期間的測(cè)量值來(lái)確定。因?yàn)槲账娜肟跍囟?、壓力是隨著鍋爐負(fù)荷 (煙氣量)的變化而變化的，所以公式中的系數(shù)b、c不可能為0。在調(diào)試初期，停止脫硫灰循環(huán)系統(tǒng)、吸收劑加入系統(tǒng)，通過(guò)不斷調(diào)整鍋爐煙氣量，記錄給定的吸收塔煙氣量所對(duì)應(yīng)的吸收塔壓降，記錄范圍在946577～1388313Nm3/h(標(biāo)干)之間。將測(cè)試數(shù)據(jù)按如下示意圖 (圖2)做曲線，橫坐標(biāo)為風(fēng)量Q，縱坐標(biāo)為壓降。

由于清潔煙氣的循環(huán)，在鍋爐負(fù)荷低于75%時(shí)，吸收塔的入口煙氣量幾乎為定值。因此在該范圍內(nèi)的空塔壓降也可以認(rèn)為是常數(shù)。

圖2 CFB-FGD空塔壓降測(cè)試示意圖Fig.2 Test schematic diagram of FGD pressure drop without CFB

3.3 通過(guò)控制SO2排放量調(diào)節(jié)脫硫劑的投加量

監(jiān)測(cè)SO2排放濃度，用于調(diào)節(jié)脫硫劑 (消石灰)的加入量。當(dāng)鍋爐燃煤硫份增加時(shí)，脫硫入口SO2濃度將上升，同時(shí)出口SO2排放濃度也將增大，這時(shí)就應(yīng)加入更多的消石灰去吸收更多的SO2;相反當(dāng)出口SO2排放濃度減小時(shí)，就應(yīng)減少消石灰的投加量，使系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)合理，降低成本。

控制這3個(gè)監(jiān)測(cè)量及其相關(guān)的信號(hào)去調(diào)節(jié)各運(yùn)行回路，使脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行達(dá)到最優(yōu)化，這是干法脫硫工藝控制系統(tǒng)的基本要求。就控制的靈敏性、可靠性而言，由于該電廠CFB-FGD裝置的吸收劑、水和脫硫灰的再循環(huán)是獨(dú)立加入到脫硫塔的，這樣就避免了3個(gè)控制量的互相牽連。3個(gè)控制回路能完全獨(dú)立，各行其是，互不干擾。

當(dāng)然，以上3個(gè)參數(shù)總是相互影響的，如何更好的進(jìn)行協(xié)同調(diào)節(jié)，就是CFB-FGD干法脫硫工藝的優(yōu)化調(diào)整的關(guān)鍵所在。

4 CFB-FGD干法脫硫工藝的優(yōu)化調(diào)整

雖然增加脫硫劑的投加量可以提高脫硫效率，但是為了追尋脫硫效率，一味地大量投加脫硫劑顯然是不現(xiàn)實(shí)的，也是不經(jīng)濟(jì)的。尤其是對(duì)于需從一千多公里外進(jìn)口生石灰原料的該電廠來(lái)說(shuō)，脫硫系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行更是不容忽視。

所謂干法脫硫工藝的優(yōu)化調(diào)整就是通過(guò)對(duì)工藝中各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)的不斷調(diào)整，最終使得脫硫系統(tǒng)在保證脫硫效率的同時(shí)，脫硫劑的消耗量達(dá)到最低，即工藝性能和經(jīng)濟(jì)性能達(dá)到合理的平衡點(diǎn)。

生石灰消耗過(guò)大，脫硫運(yùn)行成本過(guò)高一直困擾著電廠和設(shè)備廠商。如何在不影響脫硫效率的前提下，通過(guò)對(duì)脫硫工藝參數(shù)的調(diào)整，最大限度地降低生石灰消耗，就成為了問(wèn)題的關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)該廠CFB-FGD工藝中控制參數(shù)和控制回路的分析，調(diào)整重點(diǎn)放在了吸收塔進(jìn)出口溫差和床層壓降上。

4.1 吸收塔進(jìn)出口溫差的調(diào)整

為了加快吸收塔內(nèi)的脫硫反應(yīng)，提高脫硫效率，CFB-FGD工藝中有一關(guān)鍵步驟就是在向吸收塔加入消石灰和再循環(huán)脫硫灰的同時(shí)，另有一路工藝水以霧化水的形式噴入吸收塔。噴入的水在吸收塔內(nèi)經(jīng)歷了滲透、溶解和蒸發(fā)的過(guò)程。水分滲透在Ca(OH)2顆粒間形成液膜，一方面使氣體分子在孔隙和產(chǎn)物層內(nèi)的擴(kuò)散轉(zhuǎn)變?yōu)橐合嘀械碾x子擴(kuò)散，減小了擴(kuò)散路徑和阻力;另一方面顆粒表面的水分通過(guò)吸收溶解了SO2，SO2液態(tài)組分與Ca(OH)2離子態(tài)組分在消石灰液相組分中 (液膜)進(jìn)行快速離子型化學(xué)反應(yīng)。這就使得煙氣中的SO2在被消石灰吸收的過(guò)程中，從氣固傳質(zhì)形式換化為液相傳質(zhì)，大幅加快了SO2的吸收反應(yīng)［4］。因此，系統(tǒng)中噴水量的多少直接關(guān)系到脫硫反應(yīng)，影響脫硫效率。顯然，吸收塔內(nèi)噴入的水越多越有利于脫硫反應(yīng)。

圖3 吸收塔出口煙氣溫度與排塵濃度和消石灰消耗量變化趨勢(shì)Fig.3 Variation trends of flue gas temperature at the outlet of absorber，dedusting density and lime consumption

該電廠脫硫系統(tǒng)通過(guò)跟蹤吸收塔的出口煙氣溫度，來(lái)自動(dòng)調(diào)節(jié)其噴水系統(tǒng)的開(kāi)度和噴水量的大小。因此，只要將吸收塔出口煙氣溫度設(shè)定的目標(biāo)值適當(dāng)降低，就可以提高吸收塔的噴水量。

然而，吸收塔出口煙氣溫度設(shè)定的目標(biāo)值也不能無(wú)限制地降低，因?yàn)槲账隹跓煔鉁囟冗^(guò)低，塔內(nèi)噴入的水不能迅速蒸發(fā)，從而產(chǎn)生結(jié)露，給脫硫系統(tǒng)下游煙道的內(nèi)壁帶來(lái)粘壁和腐蝕的威脅。同時(shí)，由于脫硫灰中濕度的增大，其粘性也增強(qiáng)，不利于后續(xù)的除塵和排灰。通過(guò)反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)吸收塔出口煙氣溫度低于69℃后，雖然消石灰的消耗量仍有降低的趨勢(shì)，但是脫硫系統(tǒng)出口的排塵濃度卻明顯增大，如圖3所示 (圖中排塵濃度應(yīng)考慮反饋時(shí)間上的滯后)。

吸收塔的噴水量除了受吸收塔出口溫度的制約外，同時(shí)也受到吸收塔入口煙氣溫度的影響。因?yàn)殡S著鍋爐排煙溫度的提升，吸收塔入口煙氣溫度升高，導(dǎo)致吸收塔的出口煙溫也跟著上升，噴水控制回路為了保持吸收塔出口煙溫不變，就會(huì)相應(yīng)地加大噴水量，所以吸收塔的噴水量實(shí)際上是受吸收塔進(jìn)出口的煙氣溫差控制的。

因此，在考慮到要保證吸收塔出口煙溫不能過(guò)低的前提下，采用提高吸收塔入口煙溫的方法來(lái)增大吸收塔進(jìn)出口煙溫差。聯(lián)系鍋爐運(yùn)行人員，適當(dāng)?shù)靥岣咤仩t的排煙溫度，從而使得加大吸收塔噴水量成為可能。同時(shí)，由于吸收塔進(jìn)口的煙氣溫度較高，可以有效地保證噴入吸收塔內(nèi)的所有水即時(shí)蒸干，從而有效避免了脫硫系統(tǒng)粘壁、腐蝕以及收塵除灰難等問(wèn)題。

4.2 床層壓降的調(diào)整

如前文所述，吸收塔床層壓降的控制直接影響著脫硫灰的循環(huán)量。而干法脫硫由于吸收劑是以干態(tài)的形式進(jìn)入吸收塔的，所以SO2的吸收反應(yīng)遠(yuǎn)沒(méi)有濕法脫硫快。因此，CFB－FGD的原理就通過(guò)脫硫灰的不斷循環(huán)來(lái)提高單位吸收劑的反應(yīng)時(shí)間，有效地充分利用吸收劑。脫硫灰的循環(huán)量多少直接關(guān)系到吸收劑是否反應(yīng)充分，決定吸收劑的消耗量。只要提高吸收塔的床層壓降，就可以增大脫硫灰的再循環(huán)量，從而提高單位吸收劑的反應(yīng)時(shí)間，降低吸收劑的消耗量。

然而，床層壓降的提升也是受各方面因素制約的，其中最主要的就是受煙氣流速的影響。如果床層壓降過(guò)高，脫硫灰循環(huán)量過(guò)多，現(xiàn)有的煙氣流速不足以克服吸收塔內(nèi)物料的阻力，吸收塔內(nèi)就無(wú)法形成良好的流化床層，嚴(yán)重的甚至可能造成蹋床現(xiàn)象。

根據(jù)該廠鍋爐風(fēng)量較大 (設(shè)計(jì)值為113萬(wàn)Nm3/h，而實(shí)際測(cè)試值都在130萬(wàn)Nm3/h以上)的特點(diǎn)，把床層壓降從原來(lái)的1.1kPa提升至1.2kPa，并不斷觀察吸收塔底部的排料情況，并未發(fā)現(xiàn)排料中有大量細(xì)灰存在，說(shuō)明在1.2kPa的床層壓降下，塔內(nèi)流化狀況良好。

5 優(yōu)化調(diào)整前后效果對(duì)比及經(jīng)濟(jì)效益

在入爐煤質(zhì)和吸收劑品質(zhì)基本不變的前提下，通過(guò)對(duì)吸收塔進(jìn)出口煙溫降和床層壓降的聯(lián)合調(diào)整，該電廠脫硫系統(tǒng)的生石灰消耗有明顯的降低。經(jīng)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，在機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行狀況下，鈣硫比(Ca/S)從原來(lái)的1.72下降至1.46，生石灰消耗量從原來(lái)的36.6噸/小時(shí)降低至31.1噸/小時(shí)，每小時(shí)生石灰消耗減少5.5噸。具體運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 CFB－FGD優(yōu)化調(diào)整前后運(yùn)行參數(shù)對(duì)比Tab.2 Running parameters comparison before and after the optimization and adjustment of CFB-FGD

該電廠的生石灰有一部分從國(guó)外進(jìn)口，進(jìn)口價(jià)格每噸約為250美元，折合人民幣1625元/噸;另一部分從國(guó)內(nèi)購(gòu)買(mǎi)，折合人民幣1415元/噸。按平均價(jià)格1520元/噸計(jì)算，設(shè)備年平均可用率以保證值98.5%計(jì)，則電廠每年的脫硫運(yùn)行成本將節(jié)約:

1520元/噸 ×5.5噸/小時(shí) ×24小時(shí)/天 ×360天/年 ×98.5%=71146944 元/年

6 結(jié)語(yǔ)

隨著干法煙氣脫硫工藝的普及，對(duì)其運(yùn)行的穩(wěn)定性、經(jīng)濟(jì)性的要求也將越來(lái)越高。如何根據(jù)各個(gè)電廠本身的特點(diǎn)，在不進(jìn)行系統(tǒng)改造的前提下對(duì)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，使脫硫系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定的運(yùn)行，這將是一個(gè)不斷摸索和嘗試的過(guò)程。

［1］薛建明，馬果駿.煙氣循環(huán)流化床脫硫工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析［J］. 江蘇電機(jī)工程，2003，22(7):11-14.

［2］彭 皓，陳健煒，黃再培.循環(huán)流化床干法煙氣脫硫技術(shù)在臨沂電廠的應(yīng)用［J］. 能源工程，2008，(1):45-46.

［3］李忠華，柏 源.煙氣循環(huán)流化床脫硫技術(shù)分析研究［J］.廣東化工，2010，37(1):95-97.

［4］何大闊，王福利，李振中.循環(huán)流化床煙氣脫硫效率的研究［J］. 動(dòng)力工程，2005，25(4):582-586.