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石灰石/石膏湿法脱硫工艺脱硫效率影响因素
RSS 打印 复制链接 发布时间:2019-06-19 16:53:44

 【摘 要】现阶段,我国大气治理市场不断扩大,脱硫脱硝工艺更新迭代,本文阐述石灰石/石膏湿法脱硫工艺的基本原理以及它的应用状况。

本文将以浆液PH值为基准,对影响脱硫效果的因素以及规律进行研究,并从工艺和设备方面简述如何保障湿法脱硫功效,以提升石灰石/石膏湿法脱硫工艺的脱硫效率。一般地,影响脱硫效率因素包括有石灰石的活性、液气比、钙硫比等。

1 引言

燃煤过程中会产生并排放二氧化硫(SO2)造成严重的空气污染,为实现全国SO2的消减目标,就须控制电力行业的SO2排放量。当前我国燃煤机组广泛地运用了石灰石/石膏湿法脱硫(wet  flue gas  desulfurization,以下简称FGD)这种烟气脱硫工艺,FGD的流程、形式和原理在国际上都有着异曲同工之妙。主要运用了包括有石灰石(主要成分是碳酸钙:CaCO3)、石灰(主要成分是氧化钙:CaO)或者碳酸钠(Na2CO3)等浆液作为洗涤剂,烟气通过吸收塔会发生化学反应,进而达到烟气洗涤的效果,从而使烟气中的二氧化硫(SO2)得以去除。最早的石灰石脱硫工艺,是在1927年英国为保护高层建筑,在泰晤士河岸的电厂得以利用,至今已有87年历史。经过不断地对技术、工艺革新完善,如今FGD具有以下优点:脱硫效率高,基本保证为90%,最高可达95%,更甚是98%;机组容量大;煤种适应性强;副产品容易回收;运营成本较低等。本文将从影响脱硫效率的因素参数进行分析,概述其影响的原因,进而为完善FGD系统、提升脱硫效率作理论依据。

2 FGD脱硫原理

这种工艺拥有极其丰富的资源作为吸收剂,能广泛地进行商业化开发,拥有成本低,可回收等优点。当前,作为FGD工艺中应用最为广泛地方法,石灰石/石灰法对高硫煤的脱硫率能保证至少90%,而那些低硫煤则能保证95%的脱硫率。

3 脱硫效率的影响因素

烟气换热器会使燃煤过程中产生的烟气降温冷却,进入吸收塔其中的HCl、HF以及灰尘等都会溶入浆液中,浆液中的水分会吸收SO2、SO3生成H2SO3,其能分解H+和HSO3-,与浆液中的CaCO3发生水反应生成二水石膏,使得浆液的PH值发生变化。为使吸收塔的脱硫效率得以保障,浆液通过循环泵从吸收塔浆池送到塔内喷嘴体系喷淋而下,会向吸收塔内持续输送浆液,使吸收塔内的浆液PH值保持在5~7之间。

3.1 吸收塔内浆液的PH值

吸收塔中浆液吸收掉SO2的程度决定着脱硫效率的高低,而浆液的PH值会使其受到影响。相关实验表明,PH值越高越能吸收SO2,而越低的PH值更能Ca2+,减少成本,此二者要求对立,因此合理控制浆液PH值,不但能最大化提升脱硫效率,还能降低成本。

浆液的PH值是一个缓慢的变化过程,因此也就不能通过监控进行及时控制来达到理想值。随着煤质和荷载的改变,烟气流量不断提升,脱硫效率逐步下降;通力烟气流动速度越快,使得烟气对喷淋浆液的浮力就越高,增加了烟气与浆液的混合时间,却提升了驼鹿效率;虽然烟气流速慢能更好地吸收SO2,但这样容易使烟道发生堵塞等问题。此外,相关数据表明,混合浆液中CaCO4˙2H2O和CaCO3的浓度达到饱和时,其浆液密度ρ=1135Kg/m3,而CaCO3˙2H2O会抑制浆液对SO2的吸收,使脱硫效率降低;而当浆液密度ρ≤1070Kg/m3时,CaCO3的浓度会相对升高,CaCO3˙2H2O的浓度变低,虽然使得脱硫效率增加,但会浪费大量的石灰石浆液,使得成本变高。因此,建议密度范围为[1070,1135]。

所以稳定浆液PH值,不仅是利用阀门来控制浆液的供给量,还需要做一个闭合控制回路,来控制进入浆液中的SO2的量。根据反应方程式:SO2+CaCO3=CaSO3+CO2↑可以得到,CaCO3与SO2的质量关系比为100:64。所以将烟气中SO2的含量作为参照,来控制浆液的供给量不但能满足反应的需求,还能控制PH值。实验表明,当PH<5.6时,ph越高浆液中就存有更多的caco3,脱硫效果越显著,但当ph>5.7时,使得Ca2+难以吸出,脱硫效率变化相对缓慢。低PH值能促进溶解,但不利于脱硫,还会造成设备酸性腐蚀。所以,建议浆液PH值的范围[5.4,5.6]。

3.2 石灰石活性

石灰石中约95%都是方解石,其主要是由CaCO3组成的沉积岩,其常见的杂质有MgCO3、SiO2、Fe2O3、Al2O3。在FGD系统中,会溶解部分MgCO3,但大部分的金属杂质即使在强酸下也不会被溶解。溶解过后的MgCO3虽然会提升脱硫效率,但其中Mg2+浓度过高会影响石膏的沉淀和脱水,进而降低石膏的纯度。SiO2较CaCO3的硬度强,需要更多的浆液原料,且具有腐蚀性,会使设备受到磨损,总而言之SiO2会降低石膏纯度以及石灰石活性。而金属离子会生成氟化络合物分布在石灰石之上,使得PH值相对偏低。所以,石灰石的溶解速率、温度、大小以及溶液中碳酸盐的含量都会觉得石灰石的活性,进而影响脱硫效率。

3.3 液气比

单位统计的烟气流量在脱硫吸收塔中用于循环的碱性浆液的体积流量就是液气比,其值等于单位时间内浆液的喷淋量和单位时间内湿烟气体积流量比。相关实验数据表明,液气比越小,随着不断增加的烟气流量,SO2气体在浆液中停滞时间较短,不能充分地与浆液混合,也就使得烟气中的脱硫效率就越低。值得一提的是,太小的液气比会使吸收塔达到“泛液点”,使得反应过程中不再产生鼓泡现象,影响了SO2的吸收;液气比也不能太大,过大的液气比对设备要求越高,进而会加大投资成本。某电厂330MW的机组当液气比达7时,脱硫效率达到95%,当液气比达到8.5时,脱硫效率高达97%,因此建议液气比范围[7,9]。

3.4 钙硫比

脱硫过程中使用的CaCO3中Ca与去除SO2中S的摩尔比值就是钙硫比,其化学反应理论值为1。一般地将石灰石碾压成粉并在浆液循环泵中多次循环才能使石灰石反应充分,钙硫比越高,电耗也就越高。实验表明,当钙硫比低于1.02时脱硫效率偏低,而当钙硫比高于1.05时脱硫效率趋于平衡。虽然钙硫比的增加会适当提升脱硫效率,但增加的幅度却相对受限,还会使PH值变大,继而不利于脱硫反应,所以,钙硫比范围在[1.02,1.05]比较适宜。

3.5 烟气中的飞灰

飞灰含量高的烟气会干扰石灰石的溶解,使石灰石中的Ca2+的溶解速率变低。而且灰尘产生的氟化络合物,会在石灰石表面形成“糖衣”,不但会降低石膏的纯度,还会是PH值下降,不利于SO2的吸收。此外飞灰中例如Hg、Cd、Zn等重金属还会使Ca+和HSO3-的反应受到抑制,降低脱硫效率。一般地,FGD粉尘流入量不得高于100mg/Nm3。

除此之外,氧气的含量以及烟气的温度或多或少地会导致石膏氧化反应不充分,使得浆液中的CaSO3˙H20含量过高,影响浆液质量并降低脱硫效率,所以必须保持充足的O2,提供合适地温度;再者设备的质量、结构以及性能等都会对脱硫效率产生影响;适当地添加有机酸,能促进石灰石的溶解,有效地提升脱离效率。

4 结语

运用FGD来控制火力燃煤发电过程中产生的SO2排放量,还有一个相当长的阶段。提升FGD脱硫效率,减少SO2的排放,不但能降低电厂成本,提升电厂价值,更能为我国当前的空气质量作出重要贡献。只有严格要求员工,结合实际情况,严格控制材料的质量,定期检查设备及时发现故障并予以解决,从而提高脱硫效率,有效地提升电厂经济价值。

 

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