摘 　要:本文結(jié)合實際工程介紹了 CT- 121鼓泡式吸收塔脫硫工藝的技術(shù)特點。本脫硫工藝適用于燃用中高硫煤及燃油電廠的煙氣脫硫 ,具有高除塵率、高脫硫率、低能耗等優(yōu)點 ,實際運行已顯示出其優(yōu)良的可靠性和實用性。

關(guān)鍵詞:石灰石 - 石膏濕法;煙氣脫硫;鼓泡塔

燃煤電廠的煙氣脫硫(flue gas desulfurization,縮寫 FGD)是目前世界上大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的脫硫技術(shù)。在所有的脫硫工藝中 ,又以石灰石(石灰) - 石膏濕法脫硫占主導(dǎo)地位。經(jīng)過幾年的工程實踐 ,CT- 121 脫硫工藝已顯示出其優(yōu)越的性能。這種工藝能夠達到 95 %以上穩(wěn)定連續(xù)的脫硫率 ,10mgΠNm 3以下的粉塵排放率 ,具有優(yōu)異的可靠性和實用性。這項先進的技術(shù)將 SO2 的吸收、氧化、中和、結(jié)晶、以及除塵等工藝過程合并到一個單獨的氣 - 液 - 固相反應(yīng)器中進行。這個反應(yīng)器就是鼓泡式吸收塔(JBR) ,其構(gòu)造截面示意圖如圖1 所示。鼓泡塔技術(shù)目前已經(jīng)運用到單機裝機容量1000MW的脫硫裝置上。

1.工藝介紹

鼓泡塔是 CT- 121工藝的核心 ,煙氣通過噴射管均勻分布到JBR的漿液中 ,按化學(xué)方法推算 ,當(dāng)氣泡上升通過鼓泡層時 ,JBR里產(chǎn)生了多級的傳質(zhì)過程 ,由于氣 - 液多級接觸產(chǎn)生了龐大的接觸面積(是通常噴淋工藝的數(shù)十倍) ,所以傳質(zhì)速率很高。

原煙氣進入由上下隔板形成的封閉容器中。噴管安裝在下隔板上 ,將原煙氣導(dǎo)入吸收塔的漿液區(qū)。煙氣從漿液中鼓泡上升 ,流經(jīng)貫通上層隔板的上升管。由于煙氣速度很低 ,煙氣中攜帶的液滴在上層隔板的空間被沉降分離 ,處理后的凈煙氣流出吸收塔 ,通過除霧器除去剩余攜帶的液滴 ,后經(jīng) GGH升溫后排入煙囪。

鼓泡塔中的漿液分兩個區(qū):鼓泡區(qū)和反應(yīng)區(qū)。SO2 的吸收、亞硫酸氧化成硫酸、硫酸中和成石膏和石膏的結(jié)晶 4 種反應(yīng)是在鼓泡塔中同時完成的。

(1)鼓泡區(qū)

鼓泡區(qū)是一個由大量不斷形成和破碎的氣泡組成的連續(xù)氣泡層。原煙氣流經(jīng)噴射管進入漿液內(nèi)部產(chǎn)生氣泡 ,從而形成氣泡層。

在鼓泡區(qū) ,形成了很大的氣 - 液接觸區(qū) ,在這個區(qū)域中 ,煙氣中的 SO2 溶解在氣泡表面的液膜中。煙氣中的飛灰也在接觸液膜后被除去。氣泡的直徑從 3mm到 20mm(在這樣大小的氣泡中存在小液滴)不等。大量的氣泡產(chǎn)生了巨大的接觸面積 ,使JBR成為一個非常高效的多級氣 - 液接觸器。

鼓泡區(qū)大量氣泡的不斷迅速生成和破裂使氣 - 液接觸能力進一步加強 ,從而不斷產(chǎn)生新的接觸面積 ,同時將反應(yīng)物由鼓泡區(qū)傳遞至反應(yīng)區(qū) ,并使新鮮的吸收劑與煙氣接觸脫硫率取決于噴射管的浸液深度和漿液的 PH 值。在燃煤Sar=1 %,正常的 PH 定值下 ,浸液深度通常為 150mm 左右時 ,脫硫率大于95 %。通過調(diào)節(jié)從石膏脫水系統(tǒng)返回的濾液量 ,可以對浸液深度進行自動調(diào)節(jié)。

(2)反應(yīng)區(qū)

反應(yīng)區(qū)在鼓泡區(qū)以下 ,石灰石漿液直接補入反應(yīng)區(qū)。鼓泡塔漿池容積在設(shè)計上考慮了 15～20h的漿液滯留時間 ,為氧化空氣在漿液中被充分溶解、吸收的亞硫酸氧化成硫酸、石灰石溶解、石灰石與硫酸中和反應(yīng)、石膏晶體生成等一系列反應(yīng)提供了充足的反應(yīng)時間。

JBR的運行 PH值設(shè)計為4.5～2 ,這種相對較低的 PH值使石灰石溶解更加快速徹底。低 PH值環(huán)境下的快速和完善的氧化系統(tǒng)是JBR 成功運行的關(guān)鍵。漿液中鼓入空氣并排擠出溶解的 CO2 ,進一步促進了石灰石的溶解。因而 ,JBR的漿液成份主要是石膏晶體。通過排出一定的漿液至脫水(和廢水處理)系統(tǒng) ,使得JBR內(nèi)漿液中固形物濃度保持在 10 %～25 %范圍內(nèi)。

(3)內(nèi)部漿液循環(huán)

傳統(tǒng)的 FGD工藝采用的氣 - 液接觸方式 ,通過一系列大流量漿液循環(huán)泵和管道將大量的吸收劑提升至噴淋層進行循環(huán) ,形成一個氣 - 液接觸區(qū)。從而有液 - 氣比(LΠG)這個概念。而JBR中大直徑、低轉(zhuǎn)速的攪拌器 ,及噴入的氧化空氣形成的攪動一起 ,為鼓泡區(qū)和反應(yīng)區(qū)的吸收劑的交換提供了循環(huán)動力。所有的漿液循環(huán)都是在漿池內(nèi)部的循環(huán) ,不需要外部的循環(huán)泵和管道。因此 ,在 CT- 121工藝中 ,LΠG這個參數(shù)已沒有實際上的意義。JBR 的內(nèi)部循環(huán)速度相當(dāng)于漿液的流動速度(0.1mΠs～0.3mΠs 之間) 。在JBR底部 ,液體由中心向外側(cè)流動 ,并沿筒壁垂直上升 ,至JBR漿液層頂部后 ,液體由外側(cè)向中心流動 ,并沿攪拌器軸向下降 ,形成了一個對流循環(huán)過程。

2.化學(xué)反應(yīng)

CT- 121工藝與傳統(tǒng)的濕式石灰石 - 石膏煙氣脫硫工藝的化學(xué)反應(yīng)大體相似 ,但化學(xué)反應(yīng)的機理是不同的。兩者之間最大的不同在于運行中的 PH值。

CT- 121工藝的低 PH值增強了石灰石的溶解和亞硫酸的氧化 ,提高了石灰石的利用率。當(dāng) PH值在 4.5～5.3 之間時 ,石灰石的溶解非常迅速和安全 ,JBR 的漿液中基本不存在固態(tài)的碳酸鈣。JBR 的低 PH值和較長的滯留時間 ,使石灰石的利用率在98 %～100 %之間。此外 ,在低 PH值下 ,由于氫離子(H+)和亞硫酸氫根離子(HSO3 - )的濃度增大 ,氧化速度也大大加快了。

在JBR中 ,氧化過程與 SO2 的吸收過程在同一區(qū)域中進行 ,因而提高了 SO2 的傳質(zhì)速率 ,這種快速的氧化過程保證了液體中 SO2 處于低濃度狀態(tài) ,使得在低 PH值的條件下 ,有更多的氣態(tài) SO2 被吸收。
化學(xué)方程式(1)是 CT- 121工藝的總反應(yīng)式:SO2 +1 2O2+CaCO3 +2H2O→CaSO4·2H2O+CO2 (1)

(1)鼓泡區(qū)的化學(xué)反應(yīng)

在 中同時發(fā)生 5種反應(yīng)(吸收、氧化、中和、石灰石JBR 的溶解和結(jié)晶) 反應(yīng)最初發(fā)生于鼓泡區(qū)并于泡沫區(qū)下部的,反應(yīng)區(qū)里完成。首先 被氣泡表面的液體吸收并溶解于,SO2水中 如反應(yīng)式（2 ）所示, :
  SO2 (g) →SO2 (aq)(2)

然后 ,溶解的 SO2 與水反應(yīng)生成亞硫酸 ,如反應(yīng)式(3)所示:
 SO2 (aq) + H2O→H2SO3   (3)

亞硫酸分解為離子 ,亞硫酸氫根離子被溶解在液體中的氧氣氧化成硫酸根離子:
 H2SO3 →HSO3 - + H+   (4)
 HSO3- +1/2O2 (aq) →SO4  2- + H + (5)

CT- 121工藝的一個重要的優(yōu)點就是部分亞硫酸的氧化發(fā)生在鼓泡層。當(dāng)亞硫酸被氧化以后 ,它的濃度會降低 ,因而促進了 SO2 的吸收。

石灰石溶解并離解產(chǎn)生鈣離子 ,并與硫酸根離子發(fā)生中和反應(yīng)生成石膏。
CaCO3 (S) ←→CaCO3 (aq)   (6)
CaCO3 (aq) +2H +←→Ca  2++CO2 + H2O (7)
Ca 2++ SO4  2-+2H2O→CaSO4·2H2O  (8)

在鼓泡區(qū) ,SO2 的氣相傳質(zhì)過程(反應(yīng)式 2)和 CaCO3 的離解過程(反應(yīng)式(6)是控制反應(yīng)速度的主要過程。這兩個過程都在JBR特有的運行環(huán)境下得到了加強。同時 ,SO2 向液相的傳質(zhì)過程通過鼓泡區(qū)的攪動得到加強 ,碳酸鈣的離解由于低 PH值得到加強。

(2)反應(yīng)區(qū)的化學(xué)過程

反應(yīng)區(qū)為空氣中氧氣的溶解和石膏晶體的形成提供了充足的滯留時間。JBR 中的攪拌器使得反應(yīng)區(qū)中的組分充分混合 ,以便向鼓泡區(qū)輸送所需的組分。

由靠近JBR底部注入的空氣中的氧氣溶解過程如下:
O2 (g) →O2 (aq) (9)

在鼓泡區(qū)沒有被氧化的亞硫酸根在反應(yīng)區(qū)被氧化成硫酸。
   HSO3 - +1/2O2 (aq) →SO42- + H +  (10)

亞硫酸根離子的氧化產(chǎn)生了氫離子 ,使得JBR內(nèi)形成了所需的酸性環(huán)境。酸性溶液和液體中溶解的碳酸鈣進行中和反應(yīng)產(chǎn)生了石膏。反應(yīng)過程如下:
   CaCO3 (S) ←→CaCO3 (aq)   (11)
   CaCO3 (aq) +2H+  ←→Ca 2++ CO2 + H2O(12)
   Ca2+ + SO4 2- +2H2O→CaSO4·2H2O  (13)
   CaSO4·2H2O→晶體生成   (14)

O2 的溶解過程和副產(chǎn)品石膏的結(jié)晶過程是控制反應(yīng)速度的關(guān)鍵過程。

3.在實際工程中的應(yīng)用

CT- 121工藝在國內(nèi)運行業(yè)績優(yōu)良 ,已投入運行的機組有:廣州國華粵電臺山發(fā)電廠一期 2 ×600MW機組;江蘇華能淮陰發(fā)電廠二期2X330MW機組。正在投入安裝的工程有山西武鄉(xiāng)發(fā)電廠 2 ×600MW機組;云南顛東 4 ×600MW機組以及廣州國華粵電臺山發(fā)電廠二期3 ×600MW機組。

表1、表 2 分別為某一實際工程采用 CT - 121 工藝的FGD入口、出口污染物濃度。

從表中可以清楚地看到 ,CT- 121 工藝對 SO2 的去除率大于95 %,對其它含量小的酸性氣體幾乎可以全部去除 ,粉塵脫除率很高。完全滿足 GB13223 - 2003《火電廠大氣污染物排放標準》中對煙塵及 SO2 排放量的規(guī)定。

4.技術(shù)優(yōu)點

(1)SO2 脫除率高

JBR均勻的氣流分布是區(qū)別于噴淋塔的重大優(yōu)點 ,特別是在需要較高 SO2 脫除率時。在大型 FGD吸收塔中 ,影響脫硫率的一個主要不確定因素就是煙氣分配不均勻 ,噴淋塔中液- 氣分配不均可能會降低循環(huán)漿液的利用率。隨著吸收塔尺寸的增加 ,煙氣分配不均的可能性也會增加。對于鼓泡塔 ,克服浸液深度產(chǎn)生的壓降 ,使原煙氣倉成為一個天然的均壓箱 ,而大壓降保證了煙氣流量的均勻分配 ,使得每個噴射管噴出的煙氣在很大范圍內(nèi)是等速的均勻的 ,因此鼓泡塔工藝能夠確保在 15 %～100 %的負荷范圍內(nèi)運行 ,而不降低脫硫性能。

(2)粉塵排放少

JBR之所以具有高效的粉塵脫除率 ,是因為煙氣側(cè)相應(yīng)的高壓降、氣 - 液接觸面積大和接觸區(qū)煙氣滯留時間長 ,對于 1um以下的粉塵  ,JBR的脫除率高于傳統(tǒng)的噴淋工藝(鼓泡塔1um 以下的粉塵脫除效率可達 而噴淋塔只能達到60 %, 而噴淋塔只能達到20 %) 。JBR能減少現(xiàn)有裝置的粉塵排放并補償電除塵器的臨界特性。它可以允許現(xiàn)有的電除塵器停運部分電場來節(jié)約電力。除了脫硫所必須的直接費用以外 ,在任何情況下都不會使資本或JBR 的運行費有大的增加。這種靈活性在環(huán)保要求日益嚴格而環(huán)保費用不斷增加的情況下具有重大的意義。

(3)運行可靠、簡便

傳統(tǒng)工藝要求溶解的鈣類堿性物質(zhì)來提供脫硫所需的驅(qū)動力。這些物質(zhì)和其它的溶解物之間的動態(tài)平衡會被下面三個因素所破壞:

阻礙石灰石溶解的氟化鋁、抑制 PH值的氯化物、氣 - 液流量的不均分配。
平衡被破壞的結(jié)果就導(dǎo)致了:結(jié)垢;降低 SO2 脫除率;增加石灰石的消耗量;氧化反應(yīng)的不完全。
CT- 121工藝不依靠溶解的堿性物質(zhì)來提高吸收效率 ,易結(jié)垢;石灰石利用率高;氧化反應(yīng)完全。

(4)可靠性

CT- 121工藝具有高可靠性。世界上采用 CT- 121 裝置的實際運行業(yè)績中 ,高可靠性大于99 %。鼓泡塔的設(shè)計大大簡化了 FGD工藝。CT- 121 工藝的優(yōu)點集中體現(xiàn)為:SO2 脫除率高;裝置可靠性高;粉塵脫除率高;并且由于石灰石利用率高 ,進入最終石膏產(chǎn)品中殘余的石灰石也很少 ,石膏產(chǎn)品的純度也較高。

參考文獻:

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