在干法脫硫中,溫度、流速、停留時(shí)間、Ca/S比、壓力降、流場(chǎng)分布都是非常重要的參數(shù)。保證脫硫效率,溫度控制是首要手段,壓力降和Ca/S比是重要控制指標(biāo)。運(yùn)行中常見(jiàn)問(wèn)題主要是脫硫效率低、脫硫塔濕壁和塌床,分析造成問(wèn)題的原因并對(duì)癥處理。
吸收劑以干態(tài)進(jìn)入吸收塔與煙氣中的二氧化硫反應(yīng),脫硫終產(chǎn)物為“干態(tài)”為干法脫硫工藝。
工藝流程示意圖如下:
煙氣從脫硫塔底部側(cè)向進(jìn)入,經(jīng)文丘里被加速,在文丘里上部漸擴(kuò)段依次噴入吸收劑Ca(OH)2粉和霧化水,煙氣被降溫和增濕,水包Ca(OH)2粉液滴表面發(fā)生電離反應(yīng),生成Ca2+和OH-,起主要控制步驟的SO2由氣膜向液膜擴(kuò)散, SO2與H2O反應(yīng)后電離生成H+和SO32-,SO32- 和Ca2+反應(yīng)生成CaSO3。主要傳質(zhì)、傳熱和化學(xué)反應(yīng)如下:
在反應(yīng)過(guò)程中,顆粒之間相互碰撞和摩擦,其表面不斷更新,煙氣熱量將塔內(nèi)脫硫灰水分蒸發(fā),終產(chǎn)物呈干態(tài)。經(jīng)過(guò)布袋除塵器除下來(lái)的灰,大部分返回脫硫塔形成外循環(huán),少部分終產(chǎn)物外排。塔內(nèi)灰在塔頂部出口經(jīng)槽形板分離器分離后落入塔內(nèi),形成內(nèi)循環(huán)。
循環(huán)流化床煙氣脫硫的主要優(yōu)點(diǎn):(1)系統(tǒng)簡(jiǎn)單,系統(tǒng)設(shè)備少;(2)占地面積省,工程投資少,運(yùn)行費(fèi)用低;(3)系統(tǒng)無(wú)需防腐;(4)有效脫除SO3、幾乎全部脫除HCl、和HF;(5)系統(tǒng)布置靈活,非常適合現(xiàn)有機(jī)組改造;(6)脫硫副產(chǎn)品為干態(tài),有利于綜合利用和處置,不會(huì)造成二次污染。
主要缺點(diǎn):
(1)脫硫塔出口溫度應(yīng)嚴(yán)格控制在高于露點(diǎn)溫度15—20℃以上運(yùn)行。但是如果煙氣出口溫度低于65℃運(yùn)行,稍有不慎會(huì)造成塔內(nèi)壁結(jié)露、濕壁;(2)Ca/S比高,脫硫終產(chǎn)物中未反應(yīng)的Ca(0H)2多;(3)系統(tǒng)阻力大;
(4)流化床層壓降運(yùn)行不穩(wěn)定會(huì)導(dǎo)致出口SO2濃度波動(dòng)大,所以對(duì)操作人員素質(zhì)要求高;(5)脫硫終產(chǎn)物綜合利用受限;
(6)反應(yīng)速率慢。
二、系統(tǒng)裝置介紹
吸收劑制備系統(tǒng)主要包括生石灰倉(cāng)、消石灰倉(cāng)、消化器及與之配套的布袋除塵器、稱(chēng)重螺旋和電動(dòng)鎖氣給料機(jī)。在制備過(guò)程中,生石灰與水反應(yīng)放出熱量,將熟石灰中的水分蒸發(fā),熟石灰變成粉末。
噴粉增濕系統(tǒng)主要包括噴粉風(fēng)機(jī)、工藝水泵、水箱和噴嘴,其作用是將煙氣降溫增濕,為反應(yīng)提供水分。
煙氣系統(tǒng)主要包括煙道、電動(dòng)擋板門(mén)、引風(fēng)機(jī),其作用將煙氣接入和輸送。
凈煙氣再循環(huán)吸收系統(tǒng)主要包括再循環(huán)煙道和電動(dòng)擋板門(mén),其作用是維持床層流化速度,確保流化床層的穩(wěn)定。
輸灰系統(tǒng)主要包括外排灰電動(dòng)鎖氣給料機(jī)、輸灰斜槽、流量控制閥、倉(cāng)泵、加濕攪拌機(jī)等,其作用是為吸收塔提供穩(wěn)定的外循環(huán)灰。
電控系統(tǒng)主要包括電氣柜、DCS或PLC控制柜、UPS、CEMS、電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、流量計(jì)和壓力變送器等。作用是為裝置提供動(dòng)力和自動(dòng)控制、檢測(cè)報(bào)警等。
三、主要脫硫參數(shù)的影響
脫硫反應(yīng)的主要參數(shù)有溫度、Ca/S比、流速、停留時(shí)間、流場(chǎng)分布、消石灰品質(zhì)、壓力降、霧滴粒經(jīng)。
1、溫度
溫度是影響脫硫反應(yīng)推動(dòng)力的主要因素之一,脫硫塔出口溫度高低是通過(guò)噴水量控制的。反應(yīng)溫度與露點(diǎn)溫度的差值常稱(chēng)近露點(diǎn)溫度(ADST)。表面未被增濕的Ca(OH)2(S)是沒(méi)有活性的,與SO2(g)反應(yīng)較慢。為使反應(yīng)進(jìn)行,必須在煙氣中噴入霧化水。噴水量越大,ADST越小,煙氣濕度大,水滴碰撞并捕捉脫硫劑幾率增加,漿液滴含水量大,漿液完全蒸發(fā)所需時(shí)間延長(zhǎng),反應(yīng)時(shí)間增加;另一方面,溫度低,反應(yīng)速率越快。綜合作用下,脫硫效率隨ADST降低呈指數(shù)增長(zhǎng),即使Ca/S比低和Ca(OH)2活性不高也有很高的脫硫效率。噴水降溫對(duì)脫硫效率具有顯著效果。但ADST也不是越低越好,ADST越低,脫硫塔出口溫度低,會(huì)造成塔內(nèi)物料粘結(jié)、濕壁,嚴(yán)重時(shí)造成入口煙道和脫硫塔堵塞,甚至?xí)绊懞竺娌即龎m器和風(fēng)機(jī)運(yùn)行。濕度過(guò)高,水分完全蒸發(fā)時(shí)間越長(zhǎng),塔高增加,投資和運(yùn)行費(fèi)用增加。
通常煙氣結(jié)露點(diǎn)一般在48℃-51℃,系統(tǒng)一般在結(jié)露點(diǎn)溫度15℃—20℃以上運(yùn)行。如從18℃降低至11℃,脫硫效率會(huì)提高約30%,溫差降到11℃以下,操作運(yùn)行極為困難。
2、Ca/S比
工業(yè)上的Ca/S比是指參加化學(xué)反應(yīng)的總鈣量與總硫量的比,亦稱(chēng)有效Ca/S比。
相同溫度下,影響反應(yīng)速率最重要的是Ca(OH)2(l)和SO2(g)濃度。Ca/S比小,煙氣中的SO2不能完全反應(yīng),脫硫效率低。隨著Ca2+濃度增加,Ca/S比逐漸增大,液滴傳質(zhì)阻力減小,顆粒溶解阻力減小,反應(yīng)傳質(zhì)推動(dòng)力增大,脫硫效率提高明顯, Ca/S比太高,造成Ca2+濃度過(guò)量,SO2從氣相向液相擴(kuò)散、溶解和電離成為控制反應(yīng)的主要步驟,Ca2+有效利用率下降,脫硫效率增勢(shì)趨緩,同時(shí)運(yùn)行成本上升。一般設(shè)計(jì)Ca/S比1.2-1.5。據(jù)有關(guān)報(bào)道,當(dāng)Ca/S比達(dá)到1.5,脫硫效率約為90%,此時(shí)約40%的脫硫劑不能被有效利用。如果提高脫硫效率達(dá)到97%以上時(shí), Ca/S比通常不再作為考核指標(biāo)。
有30%-40%的活性鈣來(lái)自于外循環(huán)中灰的補(bǔ)充,外循環(huán)灰的引入延長(zhǎng)了脫硫劑與煙氣中SO2的接觸反應(yīng)時(shí)間,提高了Ca2+的有效利用率也提高了脫硫效率。
3、流速
煙氣流速是煙氣流量與脫硫塔內(nèi)過(guò)流面積的比值。根據(jù)《火電廠煙氣脫硫工程技術(shù)規(guī)范煙氣循環(huán)流化床法》(HJ/T 178-2005)標(biāo)準(zhǔn),塔內(nèi)循環(huán)建立后粉塵濃度按標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下0.8~1Kg/m3設(shè)計(jì),操作速度為3.5-5m/s,一般為4.5m/s。文丘里喉口35-40m/s,最高到60m/s。若要求提高脫硫效率,塔內(nèi)物料濃度達(dá)到2Kg/m3,塔內(nèi)流速選取必須保證流化速度大于床層灰的沉降速度。塔容積一定時(shí),塔內(nèi)流速選取越大,停留時(shí)間越短,對(duì)反應(yīng)越不利。
4、停留時(shí)間
停留時(shí)間是吸收塔有效高度與煙氣流速的比值。停留時(shí)間越長(zhǎng),脫硫劑與SO2反應(yīng)越徹底,脫硫效率越高。據(jù)報(bào)道,脫硫效率在90%時(shí),停留時(shí)間至少在4s以上。最大粒徑大于100?m的消石灰漿霧滴,在70-80℃反應(yīng)條件下,需5s以上才能充分蒸發(fā),才不致于對(duì)后續(xù)的除塵器、引風(fēng)機(jī)等設(shè)備造成積灰影響。煙氣在脫硫塔內(nèi)的停留時(shí)間最大設(shè)計(jì)為8s。一般要求停留時(shí)間大于液滴干燥時(shí)間即可,過(guò)大會(huì)增加脫硫塔的設(shè)備投資。延長(zhǎng)停留時(shí)間可減小Ca/S比,可以減少運(yùn)行費(fèi)用,并對(duì)后續(xù)除塵有利。
5、流場(chǎng)分布
脫硫系統(tǒng)一般設(shè)計(jì)為:鍋爐→電除塵→脫硫塔→布袋除塵器→引風(fēng)機(jī)→煙囪。
煙氣單側(cè)從下部引入脫硫塔,經(jīng)七管式文丘里進(jìn)行整流。流暢均布是通過(guò)復(fù)雜的計(jì)算機(jī)模擬實(shí)現(xiàn)的。如果流場(chǎng)不均出現(xiàn)湍流和偏心,濕壁現(xiàn)象不可避免,嚴(yán)重時(shí)整個(gè)系統(tǒng)不能穩(wěn)定運(yùn)行。
穩(wěn)定的流場(chǎng),關(guān)鍵在于建立穩(wěn)定的靜壓分布和均勻的速度分布。外循環(huán)灰采用空氣斜槽輸送,并防止循環(huán)灰板結(jié)(濕度小于3%),入塔前為穩(wěn)定流化狀態(tài),以便于很好融入流化床層中,是實(shí)現(xiàn)外部連續(xù)供應(yīng)的關(guān)鍵。
6、生石灰和消石灰品質(zhì)
生石灰要求:CaO>85%,T60<4min,粒度<1mm。高品質(zhì)的消石灰需要高品質(zhì)的生石灰。消石灰濃度一般為90%以上,最低不能小于85%。消石灰的粒徑越小,比表面積大,脫硫劑與SO2的接觸面積就越大,反應(yīng)速率越高。消石灰雜質(zhì)多,顆粒大,會(huì)增加動(dòng)力消耗和還會(huì)增加磨損輸灰管道的風(fēng)險(xiǎn),從而增加運(yùn)行和圍護(hù)成本。
7、壓力降
建立穩(wěn)定的流化床床層是保證脫硫效率和運(yùn)行穩(wěn)定的關(guān)鍵。循環(huán)流化床內(nèi)的固體顆粒濃度是側(cè)面反映流化床運(yùn)行正常的重要參數(shù),濃度一般為1 kg/m3-2kg/m3。在實(shí)際運(yùn)行中通過(guò)設(shè)定吸收塔的進(jìn)出口壓差來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)床內(nèi)的固體顆粒濃度,通過(guò)調(diào)節(jié)斜槽流量控制閥來(lái)控制脫硫塔內(nèi)的壓降。
正常情況下壓差為600Pa—1200Pa,超出范圍內(nèi)時(shí),控制系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整輸灰斜槽流量控制閥。
利用吸收塔進(jìn)口煙道的靜壓低于引風(fēng)機(jī)出口靜壓,不需要另外安裝風(fēng)機(jī),通過(guò)再循環(huán)煙道將引風(fēng)機(jī)下游的部分凈煙氣送回脫硫塔入口。
凈煙氣再循環(huán)擋板門(mén)的開(kāi)度是根據(jù)鍋爐出口煙氣量的變化自動(dòng)控制的,只要鍋爐出口煙氣量下降到正常滿(mǎn)負(fù)荷運(yùn)行工況下煙氣量設(shè)定值的70%以下時(shí),擋板門(mén)將自動(dòng)開(kāi)啟并根據(jù)煙氣量變化自動(dòng)跟蹤調(diào)節(jié),相應(yīng)的滯后時(shí)間不超過(guò)2分鐘,確保塔內(nèi)煙氣流速趨于穩(wěn)定,防止“塌床”。
四、常見(jiàn)問(wèn)題分析處理
1、影響脫硫效率的主要因素
(1)溫度
溫度是保證脫硫效率的首要控制手段,一般控制在65℃至75℃附近運(yùn)行,達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn),溫度應(yīng)盡可能高一些。為方便檢修,噴嘴最好備用一套,保證脫硫效率不會(huì)因停水驟降。煙氣入塔溫度過(guò)高或過(guò)低,都會(huì)影響脫硫效率。提高脫硫系統(tǒng)煙氣入口溫度可提高脫硫效率,因較高的溫度允許噴入更多的水降溫,反應(yīng)的總表面積增加,也提高了SO2的氣相擴(kuò)散系數(shù)。入塔溫度過(guò)高,煙溫降不到反應(yīng)溫度,脫硫效率難以提高;入塔溫度過(guò)低,噴入霧化水量過(guò)少,脫硫反應(yīng)難以進(jìn)行,需噴入熱水降溫,提高噴水量。入塔溫度一般控制在110-135℃。
(2) 生石灰的活性
消石灰的活性決定于生石灰質(zhì)量。生石灰品質(zhì)高,表面積大,活性高,粒徑90%以上通過(guò)1mm以下,活性度T60≤4min,可消化的有效成分多,脫硫過(guò)程中鈣的有效利用率就高,對(duì)提高脫硫效率有明顯效果。如果Ca(OH)2含雜質(zhì)多,或消化后生成Ca(OH)2的存放時(shí)間過(guò)長(zhǎng), Ca(OH)2與CO2發(fā)生反應(yīng),遇水產(chǎn)生潮解,相應(yīng)降低脫硫劑的活性,會(huì)嚴(yán)重影響脫硫效率。Ca(OH)2存放時(shí)時(shí)間不得超過(guò)三天。
(3)Ca/S比
脫硫效率隨Ca/S的增大而增大,提高到一定程度,脫硫效率增加趨緩,此時(shí)運(yùn)行費(fèi)用會(huì)大幅增加。為保證噴粉系統(tǒng)正常運(yùn)行,噴粉管道建議備用一條,至少應(yīng)備用一臺(tái)噴粉風(fēng)機(jī)。
(4)SO2入口濃度
脫硫效率隨入口SO2濃度的增加而下降,因SO2濃度高,氣相分壓大,反應(yīng)速率低。SO2入口濃度一般不超過(guò)1800 mg/Nm3。
(1)壓力降
壓力降是最常用的控制參數(shù),壓力降越高固氣比越大, Ca/S比高,參與反應(yīng)的床料多,脫硫效率高。如果太大,煙氣負(fù)荷稍一波動(dòng),容易造成“塌床”。脫硫塔壓力降一般不超過(guò)1500 Pa,最大不超過(guò)2000Pa。
(6)霧滴粒徑
霧滴粒徑是通過(guò)高效噴嘴的合理選型實(shí)現(xiàn)的,高壓回流噴嘴和雙流體噴嘴各有千秋。霧滴粒徑最低不能大于80-150?m,否則會(huì)形成滴流,增加脫硫塔濕壁的風(fēng)險(xiǎn)。從操作穩(wěn)定可靠方面考慮,筆者建議用高壓回流噴嘴。
(7)自動(dòng)化水平
噴粉量、噴水量根據(jù)鍋爐負(fù)荷、煙氣量、入口濃度和出口濃度自動(dòng)跟蹤調(diào)節(jié),保證調(diào)節(jié)不滯后,否則會(huì)影響脫硫效率。
2、脫硫灰濕壁
導(dǎo)致濕壁現(xiàn)象主要原因:
(1)煙氣流場(chǎng)分布不均,煙氣在吸收塔內(nèi)呈湍流、偏流狀態(tài),水霧、脫硫灰碰到塔內(nèi)壁或塔內(nèi)構(gòu)件很容易結(jié)塊,形成塊狀后粘壁會(huì)越積越多,結(jié)塊松散時(shí),會(huì)造成大塊脫硫灰落下,在塔外面有時(shí)能聽(tīng)到內(nèi)部大塊脫硫灰落下響聲。
(2)煙氣塔內(nèi)反應(yīng)段溫度過(guò)低,低于65℃,而干燥段溫度小于70℃,操作運(yùn)行很難控制,稍有不慎,很容易造成濕壁。
(3)外循環(huán)灰過(guò)濕,未充分干燥的脫硫灰不斷粘結(jié)成團(tuán)造成濕壁。脫硫循環(huán)灰濕度宜取2%左右,濕度越高,濕壁的機(jī)率越大。為防止?jié)癖冢谝淮螁?dòng)運(yùn)行時(shí),先對(duì)布袋除塵器進(jìn)行預(yù)涂灰,脫硫塔內(nèi)先噴Ca(OH)2粉后噴水;停運(yùn)時(shí),先停水后停Ca(OH)2粉。以后啟動(dòng)時(shí),先啟動(dòng)外循環(huán),建立起穩(wěn)定的流化床后再開(kāi)始噴Ca(OH)2粉和水。
(4)噴嘴埋在流態(tài)不穩(wěn)定、濕度不均勻的循環(huán)流化床層中,循環(huán)灰表面含水不均勻,且有游離狀態(tài)的液滴,易造成噴嘴及噴嘴上部吸收塔漸擴(kuò)段的粘結(jié)、濕壁,裝置不能長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。
(5)塔內(nèi)壓差過(guò)低,低于500Pa以下,煙氣中的循環(huán)灰量太少,容易造成循環(huán)灰過(guò)濕,容易產(chǎn)生濕壁。
3、吸收塔“塌床”
(1)布袋除塵器下船型灰斗,主要是為循環(huán)灰進(jìn)行緩沖儲(chǔ)料,料層較高(2-3m); 輸送循環(huán)灰的輸送斜槽,料層較低(200mm)。料層厚度不同,則壓降不同,輸送氣壓也就不一樣,不能使用同一臺(tái)羅茨風(fēng)機(jī)供氣。循環(huán)灰在流化槽段更容易結(jié)團(tuán),導(dǎo)致大量大顆粒脫硫灰入塔,這些顆粒與循環(huán)流化床設(shè)計(jì)流速不一樣,循環(huán)流化床系統(tǒng)床料失穩(wěn)最終塌床。
(2)床層壓降太大,超過(guò)一定值時(shí),在煙氣負(fù)荷波動(dòng)較大時(shí),如煙氣量低于正常負(fù)荷70%,凈煙氣再循環(huán)不能及時(shí)跟蹤運(yùn)行,煙氣速度小于流化速度容易“塌床”。塌床發(fā)生后應(yīng)及時(shí)外排,防止堵塞入口煙道。
五、技術(shù)進(jìn)度
1、脫硫塔干燥段逆向噴入消石灰漿液,可提高20%-30%左右的脫硫效率。
2、脫硫塔分段給水,水量遞減,分段增濕。在脫硫灰水分干燥恰好完成階段噴水,提高脫硫效率。
3、充分利用爐內(nèi)噴鈣剩余的CaO,降低后續(xù)脫硫塔的Ca/S比,降低運(yùn)行費(fèi)用。
4、在Ca(OH)2中添加1%NaOH、或2%MgO或CaCl2和NaCl。也有報(bào)道添加硅石粉和高爐渣,改善Ca(OH)2微徑結(jié)構(gòu)和比表面積。
5、后續(xù)處理采用布袋除塵器對(duì)脫硫的貢獻(xiàn)效率提高10%-20%。
6、抬高反應(yīng)器高度,延長(zhǎng)停留時(shí)間。
7、鍋爐與除塵器之間的煙道作為反應(yīng)器進(jìn)行脫硫,即給煙道中噴入吸收劑漿液,漿滴邊蒸發(fā)邊反應(yīng),反應(yīng)產(chǎn)物以干態(tài)粉末出煙道。
六、結(jié)論
通過(guò)以上綜合分析,總結(jié)出在干法脫硫工藝中,溫度、流速、停留時(shí)間、Ca/S比、壓力降、流場(chǎng)分布都是非常重要的工藝參數(shù)。降低溫度可顯著提高脫硫效率,在實(shí)際運(yùn)行操作中,脫硫塔出口煙氣溫度、壓力降、入口SO2濃度和Ca/S比是最直接和常用控制指標(biāo)。運(yùn)行常見(jiàn)問(wèn)題主要是脫硫效率低、脫硫塔濕壁和塌床。影響脫硫效率的因素主要是溫度、Ca/S比、入口SO2濃度、壓力降、脫硫劑品質(zhì)、流場(chǎng)分布、霧滴粒徑和自動(dòng)化控制水平。脫硫塔濕壁的原因主要是煙氣流場(chǎng)分布不均、煙氣塔內(nèi)反應(yīng)段溫度過(guò)低、塔內(nèi)壓差低于500Pa、塔外循環(huán)灰濕度大于3%、噴嘴產(chǎn)生滴流。塌床主要原因是床層壓降太大,煙氣負(fù)荷波動(dòng)較大;輸灰斜槽循環(huán)灰結(jié)團(tuán)。通過(guò)分析問(wèn)題產(chǎn)生的原因,采取有針對(duì)性的控制和預(yù)防措施,避免異常現(xiàn)象發(fā)生。