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烟气除尘技术:影响湿法烟气脱硫效率的因素分析

[2019-1-18] 点击:

湿电咨询服务:张经理18633235200 陶经理18332815001

摘要:通过对湿法烟气脱硫工艺过程的分析和系统调试结果,总结出原烟气中氧量、粉尘、温度等参数的变化和工艺过程控制、设备运行方式的改变对烟气脱硫效率的影响规律,对运行实践有一定的指导意义。

关键词:烟气脱硫;二氧化硫;脱硫率;影响因素

1 前言

湿式石灰石-石膏烟气脱硫(以下简称FGD)是目前世界上技术最成熟、实用业绩最多、运行状况最稳定的脱硫工艺,脱硫效率在90%以上,副产品石膏可回收利用。杭州半山发电幸运飞艇采用德国斯泰米勒公司石灰石-石膏湿法工艺,处理4、5号炉2×125 MW机组的全部燃煤烟气,最大处理烟气量1.0×106 m3/h(湿),脱硫率在95%以上,FGD出口SO2排放浓度<180 mg/m3,作为烟气脱硫的副产品石膏,其纯度>90%,含水率<10%。

湿法烟气脱硫工艺涉及到一系列的化学和物理过程,脱硫效率取决于多种因素。在原料方面,工艺水品质、石灰石粉的纯度和颗粒细度等直接影响脱硫化学反应活性;在工艺控制方面,石灰石粉的制浆浓度、石膏旋流站排出的废水流量设定等都与脱硫率有关,而FGD关键设备的运行和控制方式将决定脱硫效果和终产物石膏的品质;机组原烟气参数如温度、SO2浓度、氧量、粉尘浓度等也不同程度地影响脱硫反应进程。本文旨在探讨原烟气与脱硫剂的接触反应时间、原烟气参数的变动、吸收塔浆液pH值、石膏浆液密度等因素对烟气脱硫效率的影响规律,为优化系统运行、提高脱硫效率提供参考。

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2 湿法脱硫工艺过程分析

FGD包括增压风机、气-气加热器、吸收塔、石灰石制浆系统、石膏脱水系统和废水处理等部分,其中吸收塔是烟气脱硫反应的关键部分,见图1所示。湿法烟气脱硫工艺的主要原理是以石灰石浆液作为脱硫剂,在吸收塔(洗涤塔)内对含有SO2的烟气进行喷淋洗涤,使SO2与浆液中的碱性物质发生化学反应生成CaSO3和CaSO4而将SO2去除,其化学反应如下:

气相部分:SO2+H2O+1/2O2→H2SO4

液相部分:H2SO4+CaCO3+H2O→CaSO4•2H2O +CO2

吸收塔由两层搅拌器(上、下各3台)、浆液喷淋盘(4层,交错排列)、两级除雾器组成,在添加新鲜石灰石浆液的情况下,石灰石、石膏和水的混合物通过4台循环泵至喷淋盘,浆液经喷嘴雾化成雾滴,从上部向下喷洒。烟气分别

4、5号炉烟道引出,经增压风机至气-气加热器,烟温从135℃降至100℃左右,然后进入吸收塔下部,在塔内上升过程中与雾滴充分接触,大部分SO2、SO3、HCl等从烟气中去除,反应后的净烟气通过除雾器,以除去夹带的液滴,然后进入气-气加热器被加热后排至烟囱。

在吸收塔内,通过氧化风机将空气引入到浆液中,再经搅拌器搅拌使氧充分注入浆液,这样既保证了被吸收的SO2与浆液反应后生成的HSO3-完全氧化成SO42-,又减少了浆液发生结垢的可能性,使石膏CaSO4•2H2O结晶析出,在吸收塔内停留一定时间后,通过石膏外排泵送至石膏旋流站。经旋流器分离的高浓度石膏浆液进入真空皮带机脱水形成水分少于10%的石膏,低浓度的旋流溢流液则返回至吸收塔继续反应或进入废水处理系统。

从湿法烟气脱硫工艺过程和化学反应历程不难发现,提高烟气与混合浆液的接触反应时间、增加浆液循环量、增加氧量、控制吸收塔浆液合理的pH值等措施都将有利于SO2的吸收、脱硫率的提高和石膏的形成。

3 影响脱硫率的因素分析

湿法烟气脱硫效率与原烟气参数和设备运行方式等有直接关系,而且许多因素是共同作用的。半山发电厂4、5号机组燃煤平均含硫率为0.8%,进入吸收塔的烟气中SO2浓度在1500 mg/m3(干)左右,由于煤种的变换,实际运行中SO2进口浓度在900 mg/m3~3500 mg/m3之间波动,脱硫率也不十分稳定,当原烟气中SO2突然升高时,脱硫率会有所下降,但若能有效地控制设备运行方式,就能保证FGD有较高而稳定的脱硫率。表1收集了在FGD整套启动调试和试运行期间,比较典型的各种工况下的运行参数,从中可以发现吸收塔浆液pH变化、循环泵运行方式、氧化风机投运台数等对脱硫率的影响规律。

3.1烟气与脱硫剂接触时间

烟气自气-气加热器进入吸收塔后,自下而上流动,与喷淋而下的石灰石浆液雾滴接触反应,接触时间越长,反应进行得越完全。每层喷淋盘对应一台循环泵,排列顺序为1、2、3、4号自下而上(见图1),4号循环泵对应的喷淋盘位置最高,与烟气接触洗涤的时间最长,因此投运4号循环泵有利于烟气和脱硫剂充分反应,相应的脱硫率也高。从表1实际运行的情况可以发现,在处理1台机组烟气时,不论运行哪3台循环泵都能保持很高的脱硫率,而运行2台循环泵时如果开启4号循环泵,则脱硫率可比运行其它循环泵时的脱硫率高出1~2%,效果显著;处理2台机组烟气时,2、3、4循环泵联合运行时的脱硫率要比1、2、3号泵联合运行时高出3%以上,可见,4号循环泵的投运对提高脱硫率效果显著,3号循环泵的影响次之,2号、1号依次减弱,也就是说,烟气与脱硫剂的接触时间越长,脱硫率越高。另外,新鲜的石灰石浆液是通过3号或4号循环管注入的,所以3、4号循环泵的投运与否将直接影响脱硫率。

3.2 浆液循环量

新鲜的石灰石浆液喷淋下来后与烟气接触后,SO2等气体与石灰石的反应并不完全,需要不断地循环反应,从表1可以发现,运行3台循环泵的脱硫率明显高于只运行2台的工况。原因是增加了浆液的循环量,也就加大了CaCO3与SO2的接触反应机会,从而提高了SO2的去除率。此外,增加浆液的循环量,将促进混合浆液中的HSO3-氧化成SO42-,有利于石膏的形成。

3.3 吸收塔浆液pH值

烟气中SO2与吸收塔浆液接触后发生如下一些化学反应:

SO2+H2O=HSO3+H

CaCO3+H=HCO3+Ca2+

HSO3-+1/2O2=SO4 2-+H

SO42-+Ca2++2H2O=CaSO4•2H2O

从以上反应历程不难发现,高pH的浆液环境有利于SO2的吸收,而低pH则有助于Ca2+的析出,二者互相对立,因此选择一合适的pH值对烟气脱硫反应至关重要。为此我们做了一次试验,在连续一段时间(10 h)内,人为调整石灰石浆液进吸收塔的流量,使浆液的pH值先从小到大,然后又逐渐减少,图2反映了pH变化时,脱硫率及浆液中CaCO3、CaSO4•2H2O含量的变化曲线。

通过试验发现,在一定范围内随着吸收塔浆液pH的升高,脱硫率一般也呈上升趋势,因为高pH意味着浆液中有较多的CaCO3存在,对脱硫当然有益,但pH>5.8后脱硫率不会继续升高,反而降低,原因是随着H+浓度的降低,Ca2+的析出越来越困难,当pH=5.9时,浆液中CaCO3的含量达到2.98%,而CaSO4•2H2O含量也低于90%,显然此时SO2与脱硫剂的反应不彻底,既浪费了石灰石,又降低了石膏的品质,pH再下降时,CaSO4•2H2O含量又回升,CaCO3则降低。因此,浆液pH值既不能太高又不能太低,一般情况下控制吸收塔浆液的pH在5.4~5.5之间,能使脱硫反应的Ca/S保持在设计值(1.02左右)内,获得较为理想的脱硫率,同时又使浆液中CaCO3的含量低于1%。

3.4氧量

O2参与烟气脱硫的化学过程,使4HSO3-氧化为SO42-,图3显示了接收二台机组烟气时,在烟气量、SO2浓度、烟温等参数基本恒定的情况下氧量对脱硫率的影响曲线,随着烟气中O2含量的增加,CaSO4•2H2O的形成加快,脱硫率也呈上升趋势。当原烟气中氧量一定时,可入为往吸收塔浆液中增加氧气,所以多投运氧化风机可提高脱硫率。当烟气中O2含量为6.0%时,运行2台氧化风机比运行1台氧化风机的脱硫率高出2%左右。

3.5 石膏浆液密度

随着烟气与脱硫剂反应的进行,吸收塔的浆液密度不断升高,通过吸收塔浆液化学成分的取样分析结果,当密度>1085 kg/m3时,混合浆液中Ca-CO3和CaSO4•2H2O的浓度已趋于饱和,CaSO4•2H2O对SO2的吸收有抑制作用,脱硫率会有所下降;而石膏浆液密度过低(<1075 kg/m3=时,说明浆液中CaSO4•2H2O的含量较低,CaCO3的相对含量升高,此时如果排出吸收塔,将导致石膏中Ca-CO3含量增高,品质降低,而且浪费了脱硫剂石灰石。因此运行中控制石膏浆液密度在一合适的范围内(1075~1085 kg/m3),将有利于FGD的有效、经济运行。

3.6 烟尘

原烟气中的飞灰在一定程度上阻碍了SO2与脱硫剂的接触,降低了石灰石中Ca2+的溶解速率,同时飞灰中不断溶出的一些重金属如Hg、Mg、Cd、Zn等离子会抑制Ca2+与HSO3-的反应。试验证明,如果烟气中粉尘含量持续超过400 mg/m3(干),则将使脱硫率下降1%~2%,并且石膏中CaSO4•2H2O的含量降低,白度减少,影响了品质。

3.7 烟气温度

实际运行过程中,机组负荷变化较频繁,FGD进口烟温也会随之波动,对脱硫率有一定的影响。理论上进入吸收塔的烟气温度越低,越利于SO2气体溶于浆液,形成HSO3-,所以高温的原烟气先经过气-气加热器降温后再进入吸收塔与脱硫剂接触有利于SO2的吸收。实际运行结果也证实了这一点,在处理二台机组烟气、运行2、4号循环泵、进口烟气SO2浓度和氧量基本不变的工况下,当进入吸收塔的烟温为96℃时,脱硫率为92.1%;当烟温升到103℃时,脱硫率已下降至84.8%,而接收一台机组烟气时烟温对脱硫率的影响就更明显了。

4 结论

(1)湿法烟气脱硫过程中,烟气与脱硫剂的接触反应时间越长、吸收塔浆液循环量越多越有利于脱硫率的提高。

(2)进入吸收塔的原烟气中O2含量高、粉尘浓度低、烟温低等都对脱硫反应有利,当氧量一定时,增开一台氧化风机能提高脱硫效率。

(3)保持吸收塔浆液pH在5.4~5.5之间,可使FGD保持较好的脱硫效果和石膏品质,pH太高不利于Ca2+的析出和石灰石的充分利用,pH过低则影响SO2的吸收。

(4)吸收塔浆液密度过高会降低脱硫率,过低时脱硫剂的利用不彻底,保持浆液密度在1075~1085 kg/m3之间,可获得较好的脱硫效果

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