張 軍

（1.福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364200；2.福建龍凈脫硫脫硝工程有限公司，福建 廈門 361009）

CFB-FGD應用于高含水褐煤機組的節(jié)水性能研究

張 軍1、2

（1.福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364200；2.福建龍凈脫硫脫硝工程有限公司，福建 廈門 361009）

為協(xié)助解決我國富煤缺水地區(qū)電力建設的水資源綜合利用問題，在配套環(huán)保設備方面開展了循環(huán)流化床干法煙氣脫硫（CFB-FGD）工藝的節(jié)水性能研究。根據吸收劑顆粒上液膜對脫硫的作用原理，分析了入口煙氣相對濕度對吸收劑顆粒上液膜存在時間的影響。以高含水褐煤機組煙氣濕度為目標，通過在CFB-FGD裝置上進行模擬實驗，初步研究了CFB-FGD干法脫硫工藝在處理高濕度煙氣下的節(jié)水性能。結果表明：CFB-FGD干法脫硫工藝在針對高濕度煙氣處理的節(jié)水性能上表現(xiàn)優(yōu)異，與常規(guī)濕度煙氣相比，可以節(jié)約25%左右的用水量。

循環(huán)流化床干法煙氣脫硫工藝；褐煤；節(jié)水

前言

水資源是基礎性的自然資源和戰(zhàn)略性的經濟資源，是生態(tài)與環(huán)境的控制性要素。水資源問題為世界普遍所關注, 其不僅影響、制約社會的可持續(xù)發(fā)展, 而且將成為21 世紀全球資源環(huán)境的首要問題, 直接威脅人類的生存和發(fā)展[1]。我國的人均水資源量只有2231立方米，僅為世界平均水平的31%，排第121位，是全球人均水資源最貧乏的國家之一，水資源形勢極為嚴峻[2]。

我國的煤炭資源和水資源成反比，煤炭資源豐富的西部地區(qū)，往往水資源缺乏。對于原本水資源就極為貧乏的中國，要建設西部大型煤電一體化基地，水資源成了唯一的短板。因此，開發(fā)高度節(jié)水的大型發(fā)電成套技術有利于我國富煤缺水地區(qū)的電力建設，有利于保障我國的能源安全，具有重要的戰(zhàn)略意義[3]。

煙氣循環(huán)流化床干法脫硫工藝具有節(jié)水、節(jié)能、脫硫除塵一體化等優(yōu)點，應用在我國富煤缺水地區(qū)大型火電機組煙氣脫硫上，呈現(xiàn)出良好的技術經濟性[4，5，6]。本文根據CFB-FGD脫硫工藝闡述了吸收劑顆粒上液膜對脫硫的作用；分析了入口煙氣相對濕度對吸收劑顆粒上液膜存在時間的影響；針對西部富煤缺水地區(qū)燃用高含水褐煤的大型發(fā)電機組，在CFB-FGD裝置上進行了煙氣模擬實驗，驗證了CFB-FGD干法脫硫工藝在處理高濕度煙氣下的優(yōu)異節(jié)水性能。

1 CFB-FGD工藝基本原理

CFB-FGD工藝的脫硫塔內，一方面進行氣相向液相的傳質過程，煙氣中的氣態(tài)污染物不斷地進入溶液中，同時與脫硫吸收劑離解后產生的鈣離子發(fā)生反應；另外一方面進行蒸發(fā)干燥的傳熱過程，顆粒上的液相水分受煙氣加熱影響不斷在塔內蒸發(fā)干燥；最后再生成固體干態(tài)的脫硫灰渣。CFB-FGD脫硫是包括脫硫傳質化學反應過程和蒸發(fā)干燥兩種過程的一次性連續(xù)處理工藝[5]。

干燥過程進行的是液相中的離子反應，而吸收劑干燥后進行的是分子反應（氣固反應）。根據化學反應規(guī)律，離子反應速率遠大于分子反應速率。巴塞羅那大學的研究人員在進行低溫狀態(tài)下SO2和Ca(OH)2的反應動力學研究發(fā)現(xiàn)，當相對濕度小于20%時，SO2和Ca(OH)2幾乎不發(fā)生反應。當相對濕度從20%增加到60%時，SO2和Ca(OH)2反應速度增加了10倍，而相對濕度和物料顆粒表面的水分密切相關[7，8]。因此，吸收劑顆粒上水膜的存在是SO2和Ca(OH)2實現(xiàn)快速離子化中和反應的關鍵因素。

在CFB-FGD脫硫工藝中，是通過向吸收塔內噴水來實現(xiàn)上述離子型反應的目的。因為噴入的水在高溫煙氣的作用下會蒸發(fā)，所以延長了吸收劑顆粒上液膜的存在時間，就相當于延長了SO2和Ca(OH)2離子化反應時間，可以提高脫硫效率和脫硫劑的利用效率[9，10]。

延長液膜的存在時間有兩種方法：一是通過增加噴水量；二是減慢液膜水分蒸發(fā)速率。顯然前者與節(jié)水原則是相違背的。因此，如何有效地減慢水分蒸發(fā)速率、延長液膜存在時間就成為CFB-FGD脫硫工藝提高脫硫效率，節(jié)約噴水量的關鍵。

2 節(jié)水關鍵—提高進口煙氣的相對濕度

2.1 理論分析

相對濕度（relative humidity）：是指煙氣中實際所含的水蒸汽和最大含水蒸汽（相同溫度的煙氣，最大含水蒸汽一樣）的百分比。國內外的研究人員已經肯定了相對濕度在SO2和Ca(OH)2的反應過程具有決定性作用。提高煙氣相對濕度，可以提高脫硫反應速率和脫硫效率。其本質是增大熱空氣的水汽分壓，從而實現(xiàn)物料表面水分蒸發(fā)速率的減慢和液膜存在時間的延長，最終達到在噴水量減少的情況下能提高脫硫反應速率和脫硫效率的目的[7，8，11]。

在CFB-FGD脫硫工藝塔內煙氣相對濕度由兩部分組成：一是原煙氣（進口煙氣）中的水汽；二是向吸收塔噴水蒸發(fā)產生的水汽。因此，完全可以充分利用原煙氣中的水汽而減少向吸收塔內的噴水量。

在CFB-FGD的實際運行中，是通過控制趨絕熱飽和溫度（AAST）來調節(jié)噴水量的[12-14]。趨絕熱飽和溫度是脫硫塔出口煙氣溫度與煙氣絕熱飽和溫度之差，這個參數(shù)用于衡量煙氣接近絕熱飽和溫度的程度（即煙氣接近飽和的狀態(tài)）。CFB-FGD的趨絕熱飽和溫度一般維持在15℃。因為當煙氣的相對濕度提高后，煙氣的露點溫度也隨著提高，所以為了維持AAST在15℃，反應塔內的操作溫度也要相應提高，這樣在進口煙氣溫度不變的情況下，就可以相應減少降溫噴水量。

2.2 實驗驗證

為了驗證上述理論分析結果，利用在三明鋼鐵廠建成投運的一期和二期兩套CFB-FGD裝置進行對比實驗。

調節(jié)一期和二期兩裝置煙氣的溫度和壓力等工況條件相當，一期裝置入口煙氣未作任何處理（原煙氣），其達到脫硫效率為96.68%的操作溫度是70.3℃（如圖1所示）。

圖1 三鋼一期CFB-FGD運行的DCS圖

二期則通過打開清潔煙氣循環(huán)風擋，引入清潔煙氣，由于凈煙氣的含濕量比原煙氣高，跟原煙氣混合以后就提高了煙氣的相對濕度。

根據上述理論分析，混合的煙氣的露點溫度會提高，而為了維持AAST在15℃，反應塔內的操作溫度也相應提高。二期達到脫硫效率為93.25%的實際操作溫度為84.5℃（如圖2所示）。相比同等條件下70℃的操作溫度，節(jié)約噴水高達25%，效果明顯。

圖2 三鋼二期CFB-FGD運行的DCS圖

2.3 燃燒褐煤和煙煤的煙氣采用CFB-FGD脫硫噴水量比較

原煙氣的相對濕度φ與含濕量H （濕空氣中水汽的質量與干空氣的質量之比，kg/kg）之間存在換算關系。原煙氣的含濕量跟燃燒的煤種有關，不同種類的燃煤產生的煙氣含濕量不同，例如褐煤中含水份比煙煤大，燃燒后產生的煙氣含濕量也比較大[15]。因此根據上述理論，在發(fā)電機組工況大致相同時，燃燒褐煤的煙氣采用

CFB-FGD脫硫噴水量要比燃燒煙煤的少。

以600MW機組燃用褐煤和煙煤的煙氣采用CFB-FGD脫硫所需要噴水量數(shù)據進行比較。從表中可以看出，燃燒褐煤的機組的進口煙氣相對濕度為2.91%，燃燒煙煤的則為1.6%，最終所需要的噴水量轉化成每1萬m3煙氣量需要的噴水量，燃燒褐煤的為0.343t/104Nm3，燃燒煙煤的為0.438t/104Nm3。經過計算后可知，煙氣相對濕度每提高1%，可以節(jié)約噴水量0.073t/104Nm3。

燃燒褐煤和煙煤的煙氣采用CFB-FGD脫硫噴水量比較表（同一個塔數(shù)據）

3 總結

“建立節(jié)水型社會，是解決中國水資源短缺問題最根本、最有效的戰(zhàn)略舉措，其意義和深遠影響不亞于舉世矚目的三峽工程和南水北調工程?！钡拇_，只有通過科學節(jié)水，提高水資源的利用效率和效益才能從根本上解決我國的水問題，進而保障我國的能源安全。CFBFGD干法脫硫工藝可以充分利用高濕煙氣中所蘊含的水分，在保證脫硫效率的同時減少了工藝用水量。這無疑對我國富煤缺水地區(qū)，特別是高含水褐煤豐富的內蒙古和西部地區(qū)大型煤電一體化基地建設具有重大意義。

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Water-saving Capability Study of CFB-FGD Applied in Generating Set with High Water-content Lignite

ZHANG Jun
(1. Fujian Longking Environmental Protection Co., Ltd., Fujian Longyan 364200, China; 2. Fujian Lonjing Desulfurization & Denitration Engineering, Co., Ltd., Fujian, Xiamen 361009, China)

In order to solve the comprehensive utilization of water resources of power construction in the areas of rich in coal but short of water in China, the water-saving capability study of CFB-FGD technology is carried out. The flue gas desulfurization effect of water membrane on the surface of absorbent is discussed through the analysis of basic principle of CFB-FGD process. The influence of inlet flue gas relative humidity on the water membrane retention time is covered. Flue gas simulation experiments are carried out on CFB-FGD systems. The result shows that the dry desulfurization technology of CFB-FGD shows excellence, about 25% water consumption can be saved based on the water-saving capability of high flue gas humidity treatment in comparison with the conventional flue gas humidity.

CFB-FGD; lignite; water-saving

X701

A

1006-5377（2015）12-0040-03

國家“863”計劃（2013AA065403），福建省科技重大專項（2011HZ0005-1），福建省自然科學基金項目（2014J06020）。