浅析湍流式循环流化床干法脱硫工艺及优化运行

[摘要]目前，我国仍是燃煤为主的能源结构国家，2012年煤的产量可达36亿吨，居世界的第一位，煤炭占一次能源消费的70%以上。燃煤造成的大气污染主要是粉尘、SO2、NOX和CO2等，随着煤碳消费的不断增长，燃煤排放的二氧化硫也不断的增加，以连续多年超过2000万吨，已居世界前列，致使我国的酸雨和二氧化硫污染日趋严重。按污染工业的部门排序是火电厂，化工厂和冶炼厂，而燃煤火电厂的污染物排放量占全部工业排放总量的60%左右。

[关键字]湍流式循环流化床 干法脱硫工艺 优化运行

[中图分类号] TM623.3 [文献码] B [文章编号] 1000-405X（2013）-5-297-3

本文主要介绍浑江发电公司2×200MW机组配套的湍流式循环流化床干法脱硫工艺及在实际运行中的优化。

目前，我国仍是燃煤为主的能源结构国家，2012年煤的产量可达36亿吨，居世界的第一位，煤炭占一次能源消费的70%以上。燃煤造成的大气污染主要是粉尘、SO2、NOX和CO2等，随着煤碳消费的不断增长，燃煤排放的二氧化硫也不断的增加，以连续多年超过2000万吨，已居世界前列，致使我国的酸雨和二氧化硫污染日趋严重。按污染工业的部门排序是火电厂，化工厂和冶炼厂，而燃煤火电厂的污染物排放量占全部工业排放总量的60%左右。

二氧化硫（SO2）是煤中可燃性硫经在锅炉中高温燃烧，大部分氧化为二氧化硫，其中只有0.5～5%再氧化成三氧化硫。在大气中二氧化硫氧化成三氧化硫的速度非常缓慢，但在相对湿度较大，有颗粒物存在时，可发生催化氧化反应。此外在太阳光紫外线照射并有氧化氮存在时，可发生光化学反应生成三氧化硫和硫酸酸雾，这些气体对人体和动、植物均非常有害。大气中二氧化硫是造成酸雨的主要原因。中国遭受酸雨污染的农田已达4000万亩，每年造成的农业损失在15亿元以上。

为了清洁生产，提高资源利用效率，减少和避免污染物的产生，保护和改善环境，保障人体健康，促进经济和社会的可持续发展，国务院制定了，中华人民共和国清洁生产促进法，规范了燃煤电厂的清洁生产标准，明确了火力发电厂大气污染排放标准。所以减少火电厂排放的二氧化硫至关重要。当今世界上普遍采用的商业化脱硫工艺为钙法，占比例为90%以上，按脱硫吸收剂及脱硫产物在脱硫过程的干湿状态可将脱硫技术分为湿法、干法和半干（半湿）法。本文主要介绍浑江发电公司2×200MW机组配套的湍流式循环流化床干法脱硫工艺及在实际运行中的优化。

1 概况

浑江发电公司2×200MW机组烟气脱硫改造工程，于2008年开始

施工，2010年开始投入生产运行，采用湍流式循环流化床干法脱硫工艺，湍流式循环流化床干法脱硫技术是引用奥地利能源及环境公司（AEE）Turbosorp工艺技术，关键设备的工艺水高压回流式喷嘴由国外进口，在国外有较多的运行业绩，成熟可靠，设计烟气脱硫效率不低于85%（设计煤种，锅炉BMCR工况下），设计煤种下出口烟尘量小于50mg/Nm3。

2 工艺原理及过程

2.1 工艺原理

锅炉排烟在反应塔内通过以脱硫剂为主要床料的循环流化床；烟气通过反应塔底部的文丘里喷嘴与脱硫剂、循环灰在湍流床内充分混合；烟气中的SO2被脱硫剂吸收并转化为亚硫酸钙和硫酸钙；通过高压回流式喷嘴喷水控制床层中烟气最佳反应温度；床内粒子碰撞，使吸收剂颗粒表面发生磨损、腐蚀、不断去除吸收剂表面的反应物，暴露出新的反应面；通过床料在床内返混及外置循环可实现颗粒多次循环，以提高脱硫剂的利用率（见脱硫吸收塔结构示意图）。

2.2 工艺过程

湍流式循环流化床干法脱硫工艺主要由吸收剂制备及输送、吸收

塔、再循环灰、DCS控制、工艺水等系统组成。烟气从吸收塔流化床下部经文丘里喷嘴进入吸收塔，在塔内与消石灰颗粒充分混合，SO2、SO3及其它有害气体如HCI和HF与消石灰反应，生成CaSO3.1/2H2O、CaSO4. 2H2O和CaCO3。工艺水用喷嘴喷入吸收塔下部，以增加烟气湿度降低烟温，使反应温度尽可能接近烟气露点温度，从面提高脱硫效率。反应物由烟气从吸收塔上部携带出去，经除尘器分离，分离下来的固体灰渣及未完全发生反应的消石灰分二路排出，一路经空气斜槽送回吸收塔循环；一路经输灰仓泵排至终产物仓，送入塔内的灰渣量可根据负荷调整。在文丘里缩径处所形成的高速烟气流与循环灰和脱硫剂固体颗粒及液体雾滴迅速混合，在反应器中形成气—固—液三相流，吸收剂的再循环延长了脱硫反应时间，提高了脱硫剂的利用率。吸收剂可以用生石灰（Cao）在经消化器消化得到氢氧化钙【Ca（OH）2】细粉，由于制得的消石灰颗粒已经足够细，可以满足脱硫要求，因此无须再磨，即节省了购买球磨机等大型设备的投资费用，又减少了能耗，降低了运行费用。该工艺是一种干法流程，所以也不象湿法、半干法工艺需要为数众多的贮存罐，易磨损的浆液输送泵等复杂的吸收剂设备和输送系统，用简单的空气斜槽就可输送，大大简化了工艺流程。该工艺的副产品是干粉状，含水率只有2%左右，流动性好，适宜采用气力输送装置外运。其化学成分与喷雾干燥工艺的副产品类似，主要成分是CaSO3、CaSO4以及未反应的吸收剂等，加水后会发生固化反应。固化后的屈服强度可达15-18n/mm2，压实密度1.28g/cm3，强度与混凝土接近，渗透率和黏土相当，因此适用于矿井回填、道路基础等方面。

2.3 设计条件：烟气参数（设计煤种、设计工况）见表1

3 投入生产运行状况及实际运行中达不到设计效率的原因

3.1 运行初期各项主要技术参数如表2

3.2 运行初期达不到设计值的原因

吸收塔内壁挂灰结垢板结不能长时间连续运行；斜槽回灰阀调整精度下降，造成床压控制不稳；吸收剂消耗量大（钙硫比达1.5以上）；机组负荷低时（小于额定70%）运行中吸收塔底落灰严重无法稳定运行；塔底螺旋输灰机因轴强度低时常发生断裂；脱硫率有能控制在80%以上。由于上述问题的存在导致此脱硫装置迟迟达不到正式交付生产运行条件，同时不能满足环保允许排放参数的要求。

4 为保证脱硫系统稳定运行、排放参数达到环保要求进行了如下几点优化

4.1 对工艺水喷嘴安装角度及伸入塔内的长度进行优化

根据循环流化床颗粒相湍流结构研究结论中，颗粒的运动在壁面附近表现出显著的成团运动，颗粒间隙为0.1-0.2S，颗粒的脉动速度在距离壁面6mm左右处剧烈降低的结论，分析出了原有塔壁挂灰严重与喷嘴安装的精度有关。对塔安装的工艺水高压式回流喷嘴安装的角度α值和伸入塔中的长度L值（吸收塔结构示意图所示）进行了实际优化。实践证明高压式回流喷嘴的安装角度及伸入的长度非常关键，不合理将造成塔内雾化不良，吸收塔内温度下降过快，引起脱硫率效率下降，严重时造成塔壁挂料系统被迫停止运行。

优化后脱硫吸收塔由原来运行70多小时需处理塔壁挂灰延长到1年或2年处理一次，大大提高了脱硫连续运行的能力。

4.2 对运行中床压值进行优化

根据机组不同的负荷、运行中投入锅炉制粉套数、锅炉的烟气量适时对运行床压进行调整，实践中摸索出不同负荷下运行的最佳床压值，改变了原有规定的500-650Pa参照值。

优化后解决了因机组负荷变化大、负荷低时运行中床压无法稳定控制，塔底突然大量落灰，脱硫系统被迫停运的问题。

4.3 对脱硫剂品质进行优化

脱硫吸收剂采用的粉状CaO，其纯度和粒度对脱硫系统的运行很重要，特别是纯度对吸收剂消化系统、脱硫效率影响较大，也直接影响到系统运行的经济性。加强了对吸收剂进料的质量控制，为了保证质量，吸收剂储仓上料前、上料中有专人进行抽样化验，纯度低于75%、颗粒超过5%的坚决退料，保证高质量的吸收剂投入到系统运行中。

通过优化吸收剂品质后，解决了消化系统堵塞，不能连续运行的实际问题，同时也降低了运行的钙硫比，提高了脱硫系统运行的经济性。

4.4 对吸收剂消化器参水比进行优化

消化器参水比厂家安装后进行了设定，但由于吸收剂品质每次进料都发生变化，出现了吸收剂消化品质的波动。通过运行中实际分析，对参水比值对照进料品质进行适当调整，保证消化器出口的吸收剂消化率达到95%以上。

4.5 对回流斜槽上的回灰阀开度进行优化

进入塔床层内的粒子均匀碰撞，才能使吸收剂颗粒表面发生磨损、腐蚀、不断地去除反应剂表面的反应物，暴露出新的反应面，提高脱硫效率和脱硫剂的利用率。经过运行中观察分析，发现回灰阀由于设备结构原因，运行一段时间后在阀门通流部件上挂灰结垢，是影响调整精度的主要原因，运行中采用了定期对回灰阀通流部件清理的优化方式，达到了调整精度要求，实现了开度基本一致，循环灰均匀喷入塔内的功能。

5 优化后的效果

脱硫系统可随机组连续稳定运行，脱硫效率保持在85%-90%，粉尘浓度小于49mg/Nm3，净烟气温度保持在75℃以上，钙硫比实现1.2，各项技术参数达到设计标准要求，顺利通过国家环保验收，投入了正式生产运营。

6 经过几年运行实践，可得出湍流式循环流床干法脱硫具有如下技术特点

（1） 脱硫效率高，在钙硫比为1.1-1.5时，脱硫效率可达90%以上，可与湿法脱硫工艺相媲美。

（2）工艺流程简单，系统设备少，为湿法工艺的40%-50%，且转动部件少，从而提高系统的可靠性，降低了维护和检修费用。

（3）工程投资费用、运行费用和脱硫成本较低，为湿法工艺的50%-70%。

（4）占地面积小，为湿法工艺的30%-40%，且系统布置灵活，非常适合现有机组的改造和现场场地紧缺的新建机组。

（5） 能源消耗低。如电耗、水耗等为湿法工艺的30%-50%。

（6） 能有效脱除烟气中SO3、氯化物等有害气体，其脱除效率过高于湿法工艺，可达90%-99%。因而对反应塔及下游的烟道、烟囱等设备的腐蚀性较小，可不用采用烟气再热器，对现有的烟囱不需进行防腐处理，直接用排放脱硫烟气。

（7）对燃煤硫分适应性强，可用于0.3%-6.5%的燃煤硫分，且应用于中低硫煤时，其经济性优于湿法工艺。

6.8 无脱硫废水排放，且脱硫副产品成干态，不会造成二次污染，对综合利用和处置堆放有利。

7 结论

湍流式循环流化床干法脱硫工艺在火电厂中做为锅炉烟气脱硫技术是成熟的，系统安装后只要根据当地机组负荷率及燃煤质量、吸收剂品质的实际情况，在运行中进行实际优化完全可达到运行可靠，安全稳定运行，清洁生产的目的。此脱硫工艺具有较好的发展潜力和较大的推广使用价值。