孫陟，擺玉芬

（新疆天富環(huán)保科技有限公司，新疆 石河子 832000）

1 引言

我國煤炭資源豐富，在未來很長一段時(shí)間內(nèi)，火力發(fā)電仍然是發(fā)電行業(yè)的主力軍，燃煤電廠在生產(chǎn)過程中，會(huì)產(chǎn)生大量硫氧化物、氮氧化物及粉塵，是造成大氣污染的主要原因之一[1]。2014年我國的SO2排放量為1974.4萬t，其中電力行業(yè)SO2排放量占全國SO2排放量的31.4%[2]，SO2不僅會(huì)直接威脅人體健康，造成酸雨，同時(shí)也是PM2.5的重要前體物。由此可見，燃煤電廠硫氧化物的排放控制對(duì)硫氧化物排放總量的控制具有關(guān)鍵性作用。石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)由于技術(shù)成熟、吸收劑來源廣泛、煤種適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被火電廠及鋼鐵廠廣泛應(yīng)用[3]。在煙氣脫硫系統(tǒng)中，吸收塔是最為核心的設(shè)備，塔內(nèi)的氣液傳質(zhì)效果決定了系統(tǒng)的脫硫效率，根據(jù)其吸收塔結(jié)構(gòu)不同，可分為以下幾種：

（1）噴淋塔。噴淋塔是最早采用的脫硫反應(yīng)裝置，其優(yōu)點(diǎn)是塔內(nèi)部構(gòu)件少，能避免結(jié)垢堵塞問題，壓力損失??；缺點(diǎn)是系統(tǒng)電耗高，脫硫塔高度大，導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)投資和運(yùn)行費(fèi)用較高[4]。

（2）填料塔。填料塔是一種廣泛使用的氣液傳質(zhì)設(shè)備，但由于填料塔內(nèi)部容易結(jié)垢堵塞，現(xiàn)在已很少使用[5]。

（3）鼓泡塔。鼓泡塔的工藝與噴淋塔相反，其液態(tài)吸收劑是連續(xù)相，而煙氣為分散相，因此鼓泡塔能在低pH下獲得較高的脫硫效率[6]，并且有利于石膏結(jié)晶，石膏品質(zhì)較好；但其單塔占地面積較大，系統(tǒng)壓降也較噴淋塔大。

（4）篩板塔。篩板塔在正常運(yùn)行時(shí)，液體自上而下橫向通過各層塔板后由塔底流出，而煙氣則經(jīng)布在塔板上的開孔由下而上穿過各層塔板由塔頂排出。篩板塔不僅結(jié)構(gòu)簡單，清洗方便，不易堵塞，還可降低濕法煙氣脫硫成本。

石灰石-石膏濕法脫硫工藝雖然脫硫效率高，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，但仍存在設(shè)備腐蝕嚴(yán)重、石灰石用量較大等問題，需進(jìn)一步完善。隨著燃煤電廠對(duì)煙氣濕法脫硫裝備性能要求的不斷提高，尤其是火電污染物排放標(biāo)準(zhǔn)不斷嚴(yán)格，眾多學(xué)者在脫硫塔流場優(yōu)化及濕法脫硫機(jī)理等方面開展了大量工作，包括添加劑促溶增效、脫硫系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化等，降低投資費(fèi)用、提高脫硫效率仍是濕法煙氣脫硫技術(shù)的未來發(fā)展方向[7、8]。張軍等[9]人對(duì)篩板塔細(xì)顆粒物協(xié)同脫除特性進(jìn)行研究，證實(shí)在相同條件下，篩板塔對(duì)細(xì)顆粒物的脫除效果顯著高于噴淋塔，篩板持液層近似鼓泡，氣液擾動(dòng)強(qiáng)烈，促進(jìn)了部分顆粒的團(tuán)聚長大，強(qiáng)化了細(xì)顆粒物的脫除。張衛(wèi)峰[10]探討不同脫硫添加劑對(duì)脫硫效率的影響，發(fā)現(xiàn)加入一定的有機(jī)或無機(jī)添加劑，能提高脫硫吸收劑的利用率，減少石灰石的耗量，從而降低濕法FGD的運(yùn)行成本[10]。 因此，本文建立了篩板塔煙氣濕法脫硫?qū)嶒?yàn)平臺(tái)，主要用于濕法燃煤煙氣脫硫工藝中各參數(shù)的相互影響研究，分析pH、粉塵濃度、脫硫添加劑對(duì)于篩板塔脫硫效率的影響，探討篩板對(duì)脫硫漿液氧化的促進(jìn)作用，實(shí)驗(yàn)結(jié)果將為吸收塔的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

2 實(shí)驗(yàn)條件及裝置

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)主要用于對(duì)濕法燃煤煙氣脫硫工藝中篩板塔各參數(shù)的相互影響研究，如圖1所示，整個(gè)脫硫裝置由篩板塔、漿液槽、循環(huán)泵、攪拌器、風(fēng)機(jī)等組成。風(fēng)機(jī)的風(fēng)量為500m3/h，通過風(fēng)機(jī)進(jìn)出口閥門可調(diào)控風(fēng)量在100～400m3/h范圍；循環(huán)泵的流量為3m3/h，經(jīng)泵出口管道閥門，可將漿液流量調(diào)節(jié)在0.5～3m3/h；篩板塔采用四層孔板布液，每層孔板的設(shè)計(jì)托液高度為5cm，并在每層篩板上方設(shè)置檢測孔來檢測經(jīng)過每層篩板后煙氣的濃度；SO2和粉塵在風(fēng)機(jī)入口負(fù)壓最大處加入，經(jīng)過風(fēng)機(jī)葉輪和入口煙道的充分混合后進(jìn)入篩板塔與漿液接觸反應(yīng)。

2.2 實(shí)驗(yàn)儀器及藥品

TESTO煙氣分析儀，電子分析天平，大氣采樣儀，電爐，石灰石（30 0目通過率為85%），己二酸（AR）。

圖1 篩板塔煙氣脫硫系統(tǒng)

2.3 pH對(duì)篩板塔脫硫效率的影響

在體積為1m3的塔釜中配置石膏濃度為10%的脫硫漿液，在攪拌的條件下加入石灰石脫硫劑，調(diào)節(jié)pH至6.0，開啟氧化風(fēng)、循環(huán)泵調(diào)整好液氣比，同時(shí)通入SO2氣體調(diào)節(jié)混合煙氣中的SO2濃度，測定不同篩板層檢測孔處的煙氣濃度，計(jì)算脫硫效率。實(shí)驗(yàn)過程中通過不斷添加石灰石穩(wěn)定漿液的pH，煙氣風(fēng)量為200m3/h，液氣比為5L/m3。

2.4 脫硫添加劑對(duì)篩板塔脫硫效率的影響

在體積為1m3的塔釜中配置石膏濃度為10%的脫硫漿液，在攪拌的條件下加入石灰石脫硫劑，向漿液中加入脫硫添加劑己二酸，加入濃度為0.1g/L，調(diào)節(jié)pH至6.3，開啟氧化風(fēng)、循環(huán)泵調(diào)整好液氣比并通入SO2氣體調(diào)節(jié)混合煙氣中的SO2濃度，測定不同篩板層檢測孔處的煙氣濃度，計(jì)算脫硫效率，并確定脫硫添加劑的最佳用量。

2.5 粉塵濃度對(duì)篩板塔脫硫效率的影響

在體積為1m3的塔釜中配置石膏濃度為10%、粉塵直接加在漿液中，在攪拌的條件下加入石灰石脫硫劑，調(diào)節(jié)pH至5.3，開啟氧化風(fēng)、循環(huán)泵調(diào)整好液氣比并通入SO2氣體調(diào)節(jié)混合煙氣中的SO2濃度，測定不同篩板層檢測孔處的煙氣濃度，計(jì)算脫硫效率。實(shí)驗(yàn)過程中通過不斷添加石灰石穩(wěn)定漿液的pH，煙氣風(fēng)量為200m3/h，液氣比為5L/m3。

將粉塵濃度分別配置為：0.5g/L、2.0g/L、5.0g/L，其他條件不變重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，研究粉塵濃度對(duì)篩板塔脫硫效率的影響。

2.6 粉塵對(duì)各篩板層脫硫效率的影響

在體積為1m3的塔釜中配置石膏濃度為10%、粉塵由風(fēng)機(jī)入口處加入，在攪拌的條件下加入石灰石脫硫劑調(diào)節(jié)pH至5.3，開啟氧化風(fēng)、循環(huán)泵調(diào)整好液氣比并通入SO2氣體調(diào)節(jié)混合煙氣中的SO2濃度，測定不同篩板層檢測孔處的煙氣濃度，計(jì)算脫硫效率。實(shí)驗(yàn)過程中通過不斷添加石灰石穩(wěn)定漿液的pH，煙氣風(fēng)量為200m3/h，液氣比為5L/m3。

將粉塵濃度分別配置為：1.0g/L、2.0g/L、5.0g/L、10.0g/L，其他條件不變重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)，研究粉塵對(duì)篩板塔脫硫效率的影響。

2.7 脫硫效率的計(jì)算

脫硫效率表示脫硫能力的大小，一般用百分比表示，對(duì)于連續(xù)運(yùn)行的脫硫設(shè)備，入口煙氣中SO2的濃度是隨時(shí)間變化的，因此，對(duì)于某一時(shí)段內(nèi)設(shè)備的脫硫效率，應(yīng)取整個(gè)時(shí)段內(nèi)脫硫效率的平均值。脫硫效率的計(jì)算公式為：

式中：

η—脫硫效率，%；

C—鼓泡塔出口煙氣中 SO2的濃度，ppm；

C0—鼓泡塔入口煙氣中SO2的濃度，ppm。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 pH對(duì)篩板塔脫硫效率的影響

脫硫效率曲線1（入口SO2濃度：850ppm）見圖2；脫硫效率曲線2（入口SO2濃度：2100ppm）見圖3。

分析圖2、圖3，在一定范圍內(nèi)，隨著吸收塔漿液pH的升高，脫硫率也呈上升趨勢，因?yàn)楦遬H意味著漿液中有較多的碳酸鈣存在，更有利于SO2的吸收。兩組實(shí)驗(yàn)的入口煙氣濃度分別為850ppm、210ppm，在相同的pH時(shí)，兩組實(shí)驗(yàn)的脫硫效率幾乎相等，在pH為5.5、5.8、6.0時(shí)，裝置具有較高的脫硫效率，脫硫效率隨pH下降的趨勢較為緩慢；當(dāng)pH低于5.5時(shí)，隨著pH的下降，脫硫效率下降劇烈。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，篩板塔更能適應(yīng)高濃度的煙氣脫硫，因?yàn)闊煔庠诖┻^篩板的氣孔時(shí)具有較高的氣速，能快速促進(jìn)生成物亞硫酸鈣的氧化和碳酸鈣的溶解。尤其對(duì)于燃煤煙氣，煙氣中的氯離子降低了漿液中碳酸鈣的溶解，可通過篩板塔的加速作用得以平衡。

圖2 脫硫效率曲線1（入口SO2濃度：850ppm）

圖3 脫硫效率曲線2（入口SO2濃度：2100ppm）

3.2 加入脫硫添加劑后脫硫效率變化曲線

脫硫添加劑對(duì)脫硫效率的影響如圖4所示。

分析圖4得出，脫硫添加劑的加入能提高燒結(jié)煙氣的脫硫效率，當(dāng)pH在4.5～5.0時(shí)，提高的幅度較大，系統(tǒng)脫硫效率提高了10%～15%。在其他參數(shù)相同的條件下，液氣比的提高能有效增加氣液接觸面積，強(qiáng)化氣液傳質(zhì)，從而提高脫硫效率。己二酸的加入能改善化學(xué)反應(yīng)與傳質(zhì)過程，在促進(jìn)石灰石的溶解和穩(wěn)定漿液pH等方面都有較好的作用；己二酸還能降低氣-液-固相間的傳質(zhì)阻力，因此可提高脫硫系統(tǒng)的脫硫率和吸收劑的利用率，進(jìn)一步降低脫硫運(yùn)行成本?？兹A[11]等人利用噴淋式脫硫裝置也證實(shí)了在提高石灰石脫硫效率方面，己二酸比甲酸有著更好的性能，是一種較好的單一脫硫添加劑。

圖4 脫硫添加劑對(duì)脫硫效率的影響

3.3 粉塵濃度對(duì)篩板塔脫硫效率的影響（見圖5）

隨著粉塵濃度的增加，各層篩板的脫硫效率逐漸下降，說明燃煤粉塵的進(jìn)入，會(huì)對(duì)石灰石顆粒進(jìn)行包裹，阻礙漿液中石灰石顆粒與SO2進(jìn)行反應(yīng)，粉塵在脫硫漿液中溶出的某種組分或某幾種組分會(huì)降低石灰石的活性，從而降低了脫硫效率。在圖5顯示的4條曲線中，粉塵濃度為0.5g/L、2.0g/L時(shí)的兩條曲線間距較為分散，說明當(dāng)漿液中的粉塵濃度由0.5g/L增加到2.0g/L時(shí)，脫硫效率下降的較為明顯。

圖5 粉塵濃度對(duì)篩板塔脫硫效率的影響

粉塵從風(fēng)機(jī)入口加入和漿液槽加入的兩種實(shí)驗(yàn)條件中，從風(fēng)機(jī)入口加入粉塵時(shí)脫硫效率的下降趨勢遠(yuǎn)高于從漿液槽中加入，說明粉塵對(duì)脫硫效率的影響主要表現(xiàn)在粉塵與漿液接觸時(shí)的較短時(shí)間內(nèi)，粉塵融入漿液的瞬間使得漿液pH迅速下降，脫硫效率也隨之下降。

3.4 粉塵濃度對(duì)各篩板層脫硫效率的影響（見圖6）

通過對(duì)各層篩板層的脫硫效率進(jìn)行分析，在風(fēng)機(jī)入口處加入粉塵后，隨著粉塵量的增加，篩板層的脫硫效率逐漸下降，且粉塵加入量越大，脫硫效率下降越快；將各層篩板脫硫效率的下降趨勢對(duì)比分析可發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加入的粉塵量相同時(shí)，各層篩板的脫硫效率下降幅度不同，首先與煙氣接觸的第一層篩板脫硫效率下降最多，而最后與煙氣接觸的第四層篩板脫硫效率下降最少，主要是因?yàn)闊煔馐紫冉?jīng)過第一層篩板后，大部分粉塵都被漿液捕集下來，以后各層篩板捕集到的粉塵逐層減少。

圖6 粉塵濃度對(duì)各篩板層脫硫效率的影響

4 結(jié)論

篩板塔濕法脫硫工藝中漿液pH、入口粉塵濃度、脫硫添加劑均會(huì)影響系統(tǒng)脫硫效率。通過煙硫酸鈣氧化時(shí)對(duì)氧氣利用率的研究發(fā)現(xiàn)，在粉塵的催化作用下，燃煤煙氣中的高含氧量完全可以氧化脫硫過程中新生成的亞硫酸根；通過在噴淋層下方增加篩板層不僅可以促進(jìn)煙氣中的氧氣氧化脫硫漿液，而且可以起到截留燃煤煙氣中的粉塵和氯離子的效果；通過在塔內(nèi)加裝簡單構(gòu)件，不僅能提高塔內(nèi)流場均勻性，還能增加氣液接觸機(jī)會(huì)。在一定的操作范圍內(nèi)，篩板上能形成穩(wěn)定的持液層，從傳質(zhì)角度分析，篩板上的泡沫層增大了氣液接觸面積，板上強(qiáng)烈的氣液湍流更有利于的SO2吸收，提高脫硫效率。在脫硫系統(tǒng)安裝設(shè)計(jì)時(shí)，可在底部以一層篩板代替一層噴淋層的方式制成篩板式噴淋塔，或增加一層篩板作為噴淋塔的優(yōu)化改造方式，用以提高燃煤煙氣脫硫系統(tǒng)的脫硫效率。