煙氣脫硫技術(shù)發(fā)展的歷史過程和現(xiàn)狀

煙氣脫硫技術(shù)的發(fā)展歷史過程和現(xiàn)狀
　 　a) 20世紀(jì)70年代，以石灰石濕法為代表第一代煙氣脫硫。 　
   　b) 20世紀(jì)80年代，以干法、半干法為代表的第二代煙氣脫硫。主要有噴霧干燥法、爐內(nèi)噴鈣加爐后增濕活化（LIFAC）、煙氣循環(huán)流化床（CFB）、循環(huán)半干法脫硫工藝（NID）等。這些脫硫技術(shù)基本上都采用鈣基吸收劑，如石灰或消石灰等。隨著對(duì)工藝的不斷改良和發(fā)展，設(shè)備可靠性提高，系統(tǒng)可用率達(dá)到97%，脫硫率一般為70%～95%，適合燃用中低硫煤的中小型鍋爐。
　　 c) 20世紀(jì)90年代，以濕法、半干法和干法脫硫工藝同步發(fā)展的第三代煙氣脫硫。  

　　由于技術(shù)和經(jīng)濟(jì)上的原因，一些煙氣脫硫工藝已被淘汰，而主流工藝，如石灰石-石膏濕法、煙氣循環(huán)流化床、爐內(nèi)噴鈣加爐后增濕活化、噴霧干燥法、氣體懸浮吸收脫硫工藝（GSA）以及改進(jìn)后的NID卻得到了進(jìn)一步的發(fā)展，并趨于成熟。這些煙氣脫硫工藝的優(yōu)點(diǎn)是：脫硫率高(可達(dá)95%以上)；系統(tǒng)可利用率高；工藝流程簡化；系統(tǒng)電耗低；投資和運(yùn)行費(fèi)用低。
 2.脫硫塔大型化的要點(diǎn)2.1盡量使用單塔脫硫'
　　隨著機(jī)組容量的增大，脫硫塔的直徑也隨著增大。在能使用單塔的情況下，盡量不要使用雙塔和多塔，因?yàn)閱我晃账夹g(shù)提高了系統(tǒng)的可靠性和脫硫率，而且初期投資費(fèi)可降低30%～50%。脫硫副產(chǎn)品回收利用的研究開發(fā)，也拓寬了其商業(yè)應(yīng)用的途徑。
2.2脫硫塔大型化的主要問題

脫硫塔大型化最主要的問題是要保證塔內(nèi)流場中溫度的均勻性和調(diào)節(jié)的靈敏性?！?br/> 　a) 塔內(nèi)流場中溫度均勻性的要求
在塔的高度方向的各個(gè)斷面上，各點(diǎn)的溫度趨于一致，不能有高、低溫差異太大的情況出現(xiàn)。因?yàn)楦邷靥幍腟O2吸收反應(yīng)效果較差，高溫時(shí)吸收劑的活性較小，反應(yīng)溫度與煙氣露點(diǎn)溫度的差值較大（AST），反應(yīng)率就低；而低溫處，尤其出現(xiàn)低于露點(diǎn)溫度，即AST＜0時(shí)，容易出現(xiàn)局部的結(jié)露、粘連和筒壁腐蝕，這就是為什么有些脫硫工藝需要在反應(yīng)塔內(nèi)加裝內(nèi)襯的原因，其實(shí)，這種情況的危害性較大，反應(yīng)塔可以通過內(nèi)襯防腐，但煙氣下游的設(shè)備和煙氣管道卻難以防腐，且花費(fèi)較大。
　b) 脫硫塔調(diào)節(jié)的靈敏性要求
　隨著負(fù)荷、工況的變化，各參數(shù)的負(fù)荷應(yīng)變時(shí)間短，較少滯后，使脫硫效率隨著工況的變化而變化，從而保證各種工況下脫硫率穩(wěn)定。
2.3循環(huán)流化床煙氣脫硫塔
　為保證脫硫反應(yīng)塔溫度的均勻性和調(diào)節(jié)靈敏性，要求塔內(nèi)有良好的傳質(zhì)特性。物料的傳質(zhì)往往比傳熱更重要，而且能更快達(dá)到更好的效果，單純的傳熱速度較慢，而且熱力場有熱力梯度，很難使各點(diǎn)的溫度在短時(shí)間內(nèi)很均勻，利用循環(huán)流化床的原理而設(shè)計(jì)的脫硫塔，在這一方面比較能夠達(dá)到這一要求，它使反應(yīng)塔內(nèi)的傳熱傳質(zhì)非常強(qiáng)烈。
循環(huán)流化床脫硫塔的特點(diǎn)　根據(jù)循環(huán)流化床原理而設(shè)計(jì)制造的脫硫反應(yīng)塔，其煙氣進(jìn)入反應(yīng)塔底部時(shí)，塔內(nèi)文丘里的加速，將噴入塔內(nèi)的吸收劑和循環(huán)回流的物料吹起，形成沸騰床體，氣體和物料無論處于流化床的過渡段還是穩(wěn)定段，都處于強(qiáng)烈的紊流狀態(tài)，物料之間的碰撞、摩擦、反應(yīng)、傳熱等物理化學(xué)過程非常強(qiáng)烈，任何工況變化所引起的波動(dòng)都會(huì)在這個(gè)強(qiáng)烈的傳熱傳質(zhì)狀態(tài)下迅速達(dá)到新的平衡。這樣，布置在塔頂?shù)臏囟葴y點(diǎn)產(chǎn)生假信號(hào)或幾個(gè)測點(diǎn)的溫度信號(hào)不一致而使控制系統(tǒng)無法及時(shí)進(jìn)行各種物料的調(diào)節(jié)的可能性大為減少，同時(shí)也使脫硫設(shè)備出現(xiàn)低溫、結(jié)露、腐蝕的概率大為減少。
.3.2回流式循環(huán)流化床煙氣脫硫塔的特點(diǎn)
　尤其是德國WULFF公司的回流式煙氣循環(huán)流化床（RCFB），其獨(dú)特的流場和塔頂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，在RCFB吸收塔中，煙氣和吸收劑顆粒的向上運(yùn)動(dòng)中會(huì)有一部分因回流（Reflux）而從塔頂向下返回塔中。這股向下的回流固體與煙氣的方向相反，而且，它是一股很強(qiáng)的內(nèi)部湍流，從而增強(qiáng)了煙氣與吸收劑的接觸時(shí)間。實(shí)際上可以認(rèn)為這是一種與外部再循環(huán)相似的內(nèi)部再循環(huán)。在內(nèi)部再循環(huán)的作用下，RCFB工藝的脫硫效率得到了優(yōu)化。也許很多脫硫工藝都很難避免腐蝕情況的出現(xiàn)，但這種概率和趨向則可以把握。
2.4脫硫塔內(nèi)煙氣濕度的控制
a　　溫度的控制，實(shí)質(zhì)上是對(duì)煙氣濕度的控制。脫硫工藝中，煙氣的濕度對(duì)脫硫效率的影響很大。例如爐內(nèi)噴鈣尾部增濕工藝，其爐內(nèi)噴鈣脫硫效率為25%～35%，尾部增濕效率為40%～50%，總效率為75%左右，這說明了煙氣濕度對(duì)脫硫效率的影響。在相對(duì)濕度為40%～50%時(shí)，消石灰活性增強(qiáng)，能夠非常有效地吸收SO2，煙氣的相對(duì)濕度是利用向爐內(nèi)給煙氣**的方法來提高。半干法煙氣脫硫工藝中，水和石灰以漿液的狀態(tài)注入煙氣，漿液中固態(tài)物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35%～50%，而干法脫硫工藝，如RCFB和NID，加入的水量相同，但水分布在粉料微粒的表面，用于蒸發(fā)的表面積很大。煙氣濕度的提高，可以使煙氣脫硫操作溫度接近或高于露點(diǎn)溫度10～20 ℃(實(shí)踐中，這一溫度范圍為65～75 ℃)，激活消石灰吸收SO2。SO2是煙氣中反應(yīng)較慢的成分，保持床溫接近露點(diǎn)溫度（即較高的相對(duì)濕度），可以保持微粒表面的濕膜有較長的停留時(shí)間，促進(jìn)SO2和Ca2化學(xué)成分之間的反應(yīng)，使吸收的程度和石灰的利用率達(dá)到最佳。SO3和鹵化酸類（HCl、HF等）的酸性比SO2強(qiáng)，所以SO3，HCL，HF成分在裝置中的去除率達(dá)99%，因其活性強(qiáng)，幾乎能全部與SO2同時(shí)被吸收，適量的鹵化酸類因鈣的吸濕性、因霧滴在濕潤環(huán)境中的干燥時(shí)間較長，有助脫除SO2，這也是采用接近露點(diǎn)溫度的另一好處。
3.干法脫硫工藝的運(yùn)行調(diào)節(jié)
　　干法脫硫工藝的系統(tǒng)控制和調(diào)節(jié)主要取以下3個(gè)信號(hào)，用以前饋或反饋到各個(gè)調(diào)節(jié)回路，相互配合，達(dá)到脫硫的最佳工況條件，保證脫硫的效果。
3.1控制好脫硫塔內(nèi)的溫度及高度重視塔內(nèi)的加水方式
　　a) 監(jiān)測脫硫塔內(nèi)的溫度，以此來調(diào)節(jié)**系統(tǒng)的開度和**量的大小，保持適當(dāng)?shù)腁ST值，使床溫在各種負(fù)荷和工況條件下，煙氣的酸露點(diǎn)溫度始終保持在較高處，這樣，吸收劑的活性最佳，能夠較好地捕捉SO2，并發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，提高脫硫率。
　　在大型化商業(yè)運(yùn)行的脫硫塔中，溫度的控制是比較困難的，它是制約脫硫裝置大型化發(fā)展的主要因素之一。當(dāng)脫硫塔直徑越來越大時(shí)，要各個(gè)大面積截面上的溫度保持均勻性，需采取大量的有效措施，目前，干法、半干法脫硫裝置還沒有在較大容量機(jī)組上使用的業(yè)績，與此有很大關(guān)系。較為成熟的脫硫技術(shù)，如旋轉(zhuǎn)噴霧法，GSA法，其單塔容量一般都在100 MW機(jī)組以下，單塔直徑4 500 mm以下，而NID法則做得更小一些。各國公司都在圍繞干法、半干法脫硫裝置大型化發(fā)展進(jìn)行開發(fā)和研究，德國WULFF公司利用流化床和帶內(nèi)回流的循環(huán)流化床技術(shù)（RCFB），在解決傳熱傳質(zhì)這一問題上，取得了一定的成績，效果明顯。目前，RCFB單塔用于奧地利1臺(tái)300 MW機(jī)組煙氣脫硫并獲得成功。
　　b) 給脫硫塔內(nèi)加水的方式頗為講究。在旋轉(zhuǎn)噴霧，GSA半干法中，由于吸收劑以漿液形式噴入時(shí)帶有水，運(yùn)行時(shí)又需加調(diào)節(jié)，造成由溫度信號(hào)而引起的水路調(diào)節(jié)變得復(fù)雜化，因?yàn)樵趪姖{工藝中，所加入的水與吸收劑的量有比例關(guān)系，使**調(diào)節(jié)受其它因素影響。NID法的水完全與吸收劑、再循環(huán)料一道加入反應(yīng)塔（視垂直煙道為反應(yīng)塔）。RCFB法吸收劑直接以干粉形態(tài)噴入，水路另外單獨(dú)噴入，就**調(diào)溫而言，RCFB法顯然要更方便一些。

3.2監(jiān)測SO2排放量
　　監(jiān)測SO2排放量信號(hào)，用于調(diào)節(jié)脫硫劑的加入量。當(dāng)SO2排放量較大時(shí)，就應(yīng)加入更多的吸收劑去吸收更多的SO2；當(dāng)SO2的排放量較小時(shí)，就應(yīng)減少吸收劑的使用，使系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)合理，降低成本。
3.3監(jiān)測吸收塔的壓降
　　監(jiān)測吸收塔的壓降，用于調(diào)節(jié)再循環(huán)量的大小，使脫硫渣的循環(huán)量和循環(huán)次數(shù)控制在設(shè)計(jì)范圍之內(nèi)，這樣既可控制下游脫硫除塵器的入口灰塵的質(zhì)量濃度和煙囪煙塵質(zhì)量濃度的排放，又可提高吸收劑的利用率，降低堿酸比。
　　控制這三個(gè)監(jiān)測量及其相關(guān)的信號(hào)去調(diào)節(jié)各運(yùn)行回路，使脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行達(dá)到最優(yōu)化，這是干法、半干法脫硫工藝控制系統(tǒng)的基本要求。就控制的靈敏性、可靠性而言，如果三個(gè)控制回路能完全獨(dú)立，各行其是，互不影響則最理想，而RCFB技術(shù)的控制原理最能符合這一要求，由于其吸收劑、水和脫硫渣的再循環(huán)是獨(dú)立加入到脫硫塔的，這樣就避免了其它工藝三者的互相牽連，避免了增加脫硫劑時(shí)附加了水而使溫度下降或加水降溫時(shí)附加了脫硫劑，從而增加再循環(huán)量而增大堿酸比的情況。當(dāng)然，以上三個(gè)參數(shù)總是相互影響、協(xié)同調(diào)節(jié)的，但三路系統(tǒng)的參數(shù)分別調(diào)節(jié)，會(huì)更方便靈活一些。
4.預(yù)除塵器設(shè)置的探討
　　對(duì)于是否使用預(yù)除塵器，很多文獻(xiàn)或資料并沒有詳細(xì)說明。據(jù)國外一些資料指出，一般干法或半干法都設(shè)有預(yù)除塵器，但國內(nèi)很多電廠沒有設(shè)預(yù)除塵器。不設(shè)預(yù)除塵器，筆者認(rèn)為起碼會(huì)影響以下2方面。
4.1不利于燃料灰和脫硫灰的再循環(huán)
　　根據(jù)計(jì)算，鍋爐燃煤產(chǎn)生的燃料灰的量比較多，而用于脫硫產(chǎn)生的脫硫灰的量比較少，通常前者是后者的三倍左右。以200 MW機(jī)組為例，耗煤量約95 t/h，產(chǎn)生的燃料灰約22 t（灰分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以25%計(jì)），而脫硫灰量（硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)以0.85%計(jì)）約7 t；以300 MW機(jī)組為例，耗煤量約140 t/h，產(chǎn)生的燃料灰約32 t，而脫硫灰量約11 t。這就是說，如果沒有預(yù)除塵器，當(dāng)脫硫灰和燃料灰混在一起再循環(huán)時(shí)，將有75%的再循環(huán)物是燃料灰，而這些大量的燃燒灰對(duì)提高脫硫率和降低堿酸比值并沒有幫助，還會(huì)減少吸收劑、脫硫灰與SO2的接觸，消耗動(dòng)力，增大反應(yīng)塔容量；由于再循環(huán)量變大，還會(huì)提高煙氣噴射的初始速度以達(dá)到同樣的流化狀態(tài)，這一初始速度的提高，還會(huì)帶來以下2個(gè)問題：
　　a) 減小煙氣在塔內(nèi)的停留時(shí)間，使氣體很快通過吸收塔，降低了塔內(nèi)的反應(yīng)率，將部分脫硫反應(yīng)留在了下游設(shè)備中。
　　b) 一般燃料灰比脫硫灰要粗一些，燃料灰的平均粒徑大致為15μm±5μm，脫硫灰的平均粒徑大致為10μm±5μm；燃料灰的體積質(zhì)量一般為700～1 000 kg/m3，而脫硫灰的體積質(zhì)量一般為500～1 000 kg/m3，煙氣流速的加大，將大量的細(xì)微粒帶出了反應(yīng)塔，不利于吸收劑的有效利用，影響了堿酸比。
4.2影響脫硫塔下游的脫硫除塵器
　　是否設(shè)置預(yù)除塵器，對(duì)脫硫塔下游的脫硫除塵器會(huì)產(chǎn)生較大的影響。如果沒有預(yù)除塵，大量燃煤灰混在脫硫灰中一起循環(huán)，使得循環(huán)量變大，脫硫除塵器的入口質(zhì)量濃度也隨之增大，在除塵器排放指標(biāo)一定的情況下，脫硫除塵器的入口質(zhì)量濃度是有限度的，太高的入口粉塵質(zhì)量濃度也會(huì)使除塵器的造價(jià)上升，這樣勢必減少循環(huán)次數(shù)，降低吸收劑利用率，使堿酸比值變大。如果有預(yù)除塵器，這一情況將得到改善。這就可以解釋GSA，NID脫硫工藝，在沒有預(yù)除塵器時(shí)，循環(huán)次數(shù)只有30～50次；而CFB，RCFB脫硫工藝，由于設(shè)置了預(yù)除塵器，循環(huán)次數(shù)就可以達(dá)到100～150次。
5.脫硫除塵器的設(shè)置
　　干法、半干法脫硫用的除塵器有別于火力發(fā)電廠的常規(guī)除塵器，大型火力發(fā)電廠一般1臺(tái)爐配2臺(tái)除塵器，而脫硫裝置如果是配單塔脫硫，則通常只配一臺(tái)除塵器。除了設(shè)備數(shù)量的不同使得脫硫除塵器變大外，其差別還主要在于除塵器入口質(zhì)量濃度的不同。火力發(fā)電廠所配除塵器的入口質(zhì)量濃度通常在35 g/m3左右（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)），若煙塵排放標(biāo)準(zhǔn)以200 mg/m3計(jì)（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)），則效率通常為99.4%左右，而脫硫除塵器的入口質(zhì)量濃度由于脫硫渣的多次再循環(huán)而變得很大，通常達(dá)到0.6～1 kg/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）。要達(dá)到相同的排放質(zhì)量濃度，除塵效率通常要求達(dá)到99.97%以上。如使用RCFB技術(shù)的廣州恒運(yùn)集團(tuán)公司的以大代小1×210 MW機(jī)組的煙氣脫硫系統(tǒng)，脫硫除塵器的入口質(zhì)量濃度為800 g/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)），除塵效率要求達(dá)99.975%；使用NID技術(shù)的浙江巨化股份有限公司的230 t/h煙氣脫硫用除塵器的入口質(zhì)量濃度為1 kg/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)），除塵效率要求達(dá)99.98%。凡利用循環(huán)技術(shù)進(jìn)行干法、半干法脫硫的工藝，其脫硫除塵器的入口質(zhì)量濃度都很高。如GSA，NID等工藝，由于循環(huán)量較大，一般循環(huán)次數(shù)為30～40次時(shí)，脫硫除塵器的入口質(zhì)量濃度便達(dá)到了1 kg/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）。如采用預(yù)除塵器，由于再循環(huán)量減少了大約70%，其循環(huán)次數(shù)在100～150次左右時(shí)，脫硫除塵器的入口質(zhì)量濃度可達(dá)到600～800 g/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)），如RCFB工藝。對(duì)于高粉塵質(zhì)量濃度的除塵器，國外有用布袋式的，也有用靜電式的。由于布袋除塵價(jià)格較高，檢修強(qiáng)度較大，更換頻率快，且系統(tǒng)壓降較大，廠用電高，我國趨向于使用靜電除塵器。靜電除塵器處理高質(zhì)量濃度粉塵在結(jié)構(gòu)上有其特殊的地方，各種工藝所采取的辦法也不盡相同，如GSA工藝，在煙氣進(jìn)靜電除塵器之前，先通過旋風(fēng)分離器進(jìn)行機(jī)械預(yù)除塵；NID脫硫工藝，在靜電除塵器上加一段機(jī)械預(yù)除塵和小灰斗；lurgi公司采用上進(jìn)氣方式，通過煙氣回轉(zhuǎn)折流預(yù)除塵；德國WULFF公司在進(jìn)口及第一電場采取預(yù)除塵措施的同時(shí)，又在振打清灰，改善放電極線形式，加大放電強(qiáng)度，提高放電電流強(qiáng)度，防止二次飛揚(yáng)等方面做工作，并取得了較好的效果，獲得了很高的除塵效率。盡管脫硫除塵器的入口質(zhì)量濃度很高，但由于脫硫灰分的組成主要是鈣的化合物，不會(huì)有燃煤灰中的Al2O3和游離SiO2等難以捕捉的物質(zhì)，且脫硫灰的粉塵較細(xì)、比電阻較小，含濕量相對(duì)高一些、溫度較低等因素，還是對(duì)除塵有利。但是，脫硫除塵器是干法、半干法脫硫工藝一個(gè)非常主要的設(shè)備。因?yàn)椴粌H有部分脫硫反應(yīng)在除塵器中完成，而且除塵器還與脫硫塔的再循環(huán)聯(lián)系在一起。嚴(yán)格意義上講，脫硫除塵器是干法、半干法脫硫工藝的一個(gè)組成部分，與脫硫塔密不可分，實(shí)際上，國外所講的煙氣脫硫技術(shù)工藝系統(tǒng)，就包括了脫硫除塵器。
6.結(jié)論
　　由于干法脫硫工藝在占地、造價(jià)、操作、調(diào)節(jié)、維護(hù)、副產(chǎn)品無二次污染等方面的優(yōu)點(diǎn)，這種工藝越來越受到業(yè)主方的廣泛青睞?，F(xiàn)在各國都在積極研究干法脫硫技術(shù)，并使之逐步向設(shè)備大型化、系統(tǒng)簡單化、控制自動(dòng)化發(fā)展，所以國內(nèi)干法、半干法應(yīng)用的比例也在逐步提高。隨著對(duì)干法脫硫工藝的深入認(rèn)識(shí)、研究和改進(jìn)以及對(duì)脫硫灰綜合利用的開發(fā)，煙氣脫硫技術(shù)將會(huì)有更加廣闊的應(yīng)用前景。