海水烟气脱硫技术改进探讨

王思粉,冯丽娟,张佩,王景刚,李宇慧

(中国海洋大学海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室,山东青岛 266100)

海水烟气脱硫技术改进探讨

Research on improvement of seawater flue gas desulfurization technology

王思粉,冯丽娟,张佩,王景刚,李宇慧

(中国海洋大学海洋化学理论与工程技术教育部重点实验室,山东青岛 266100)

近年来,海水烟气脱硫技术已在我国沿海地区火电厂脱硫项目中广泛应用。结合海水烟气脱硫技术的研究现状和电厂的应用实践,对如何提高脱硫效率、减小曝气池占地面积等给出了具体改进建议,为我国海水烟气脱硫技术的改进与完善提供参考。

海水脱硫;SO2;脱硫率;曝气池

0 引言

海水烟气脱硫工艺是以天然海水为吸收剂来脱除烟气中SO2的湿法脱硫技术[1]。海水脱硫工艺具有以下优点[2]:以海水为吸收剂,可节约淡水资源;脱硫效率高,一般可达90%以上;不产生副产品和废弃物,无二次污染;不存在设备及管道结垢、堵塞等问题,系统利用率高;技术成熟,工艺简单,维护方便,投资、运行费用低。目前,全世界拥有海水烟气脱硫技术的公司[3]主要有:挪威ABB-Alstom公司、德国能捷斯-比晓夫公司、日本富士化水公司、美国杜康公司、荷兰霍高文公司、中国东方锅炉股份有限公司等。

我国在自行研发海水烟气脱硫技术的同时,于20世纪90年代后期开始引进国外先进技术。作为我国第一个引进项目的海水烟气脱硫示范工程[4],深圳西部电厂4号机组300MW海水烟气脱硫装置于1999年投运。截至2009年底,我国已投运海水烟气脱硫装置的最大单机容量为1036MW。海水烟气脱硫已成为我国有着较好工业应用业绩和广阔应用前景的烟气脱硫技术,但其工程技术基本上被国外公司垄断。目前,在火电厂大型机组海水烟气脱硫机组建设中,国内企业主要通过引进技术、联合设计等方式,逐步掌握海水烟气脱硫的主要经济、技术指标、主设备选型及工艺系统设计等关键技术。另外,从技术水平上看,国内现已投运的海水烟气脱硫装置的技术指标和国产化率普遍偏低,脱硫效率一般在90%左右[5],排水pH值普遍较低。我国海水烟气脱硫技术有待进一步的改进与完善。

本文主要结合国内外海水烟气脱硫技术的研究现状和电厂的实践经验,对我国海水烟气脱硫技术中如何提高海水对SO2吸收容量、提高脱硫效率、减小曝气池占地面积、排水pH值、提高设备抗腐蚀性能及国产化等方面提出改进建议,为我国海水烟气脱硫技术的改进与完善提供参考。

1 提高海水对SO2的吸收容量

天然海水对SO2的吸收容量较小,导致目前海水烟气脱硫还不能处理高硫煤燃烧产生的烟气,仅适用于处理中、低硫煤燃烧产生的烟气。

海水烟气脱硫工艺中存在的这一问题是由海水性质决定的。海水正常pH范围一般为7.8～8.3,呈弱碱性,盐度为35,具有一定的离子强度,这使得海水虽能吸收SO2,但其吸收容量并不太大。

研究表明[6],海水对SO2的吸收容量主要与海水的温度、碱度及盐度有关,降低海水温度、提高碱度和盐度有利于增大海水对SO2的吸收容量。其中,值得关注的是提高海水碱度和盐度的途径。

王庆璋等[7-10]自主研发了利用碱厂废弃白泥(主要成分CaCO3和Mg(OH)2)以及电厂半干法脱硫废灰(主要成分Ca(OH)2和CaSO3·1/2H2O)作为海水脱硫添加剂,增加海水的碱度,脱除烟气中的SO2。该工艺以废治废,适用于不同硫分的煤,SO2吸收速度快,海水用量少,无二次污染。

朱培怡等[11]利用鼓泡吸收装置研究了经氧化添加剂强化后浓海水对低浓度SO2的吸收效果。结果表明,氧化镁可极大地提高海水的溶硫性能。在室温条件下,氧化镁投加量为0.5 g/L时,强化海水对SO2的吸收效果最好,吸收容量1901.38mg/L,是普通海水的3～6倍。

2 提高脱硫效率

目前,国内已投运的海水烟气脱硫装置的脱硫效率普遍偏低,一般在90%左右。

理论和实践证明[12-13],海水烟气脱硫系统脱硫效率的高、低主要取决于工艺条件(液气比、吸收温度等)、吸收塔结构及海水碱度等因素,提高脱硫效率的措施主要有以下几点:

(1)在海水烟气脱硫工艺中,海水对SO2的吸收主要是在吸收塔内完成。应保证吸收塔内有足够大的液气比,使大量的海水与烟气接触,这样才能获得较高的脱硫效率。一般情况下要求进入吸收塔的海水量应占到循环水总量的1/6左右。

(2)脱硫系统应设置GGH,以降低吸收温度,提高脱硫效率。当吸收塔的工艺条件确定后,入塔烟气温度越低,脱硫效率越高。所以,烟气进入吸收塔前必须进行降温,一般降至80℃左右。烟气在吸收塔中经海水净化后,温度会进一步降低(40℃左右),低于酸性烟气的露点温度,易出现酸性物质结露,造成烟道及烟囱腐蚀。另外,低温不利于烟气扩散,造成烟囱大量冒白烟。所以,在烟气排出吸收塔后一般需要加热升温至70℃以上[14]。GGH将原烟气的热量传递给净烟气,可在降低原烟气温度的同时提高净烟气温度[15]。

深圳西部电厂和厦门嵩屿电厂脱硫系统均设置了GGH,脱硫效率较高,并可以减轻净烟道及烟囱的腐蚀,避免烟囱冒白烟。漳州后石电厂脱硫系统没有配置GGH,而是在吸收塔入口烟道设置预冷却器,优点是可以减少系统阻力和一次性投资及运行成本,缺点是脱硫后烟气温度较低(30℃左右),对净烟气烟道和烟囱的内部防腐要求更高,且造成烟囱冒白烟[16]。

(3)合理设计吸收塔结构是关键。吸收塔是脱硫装置的核心设备,其结构设计的优、劣直接关系到脱硫效率的高、低[17]。海水脱硫常用吸收塔类型有填料塔和喷淋塔两种。其中,填料塔内设多层填料,传质过程主要发生在填料表面的液膜内,众多的空心薄片填料保证了液、气两相流体具有尽可能大的有效传质面,并通过填料不断改变水流方向,延长海水滞留时间,促进烟气与海水的充分结合。优点是海水与烟气的混合均匀充分,脱硫效率有保证;缺点是烟气阻力大,运行电耗高。喷淋空塔内部没有填充构件,通过增压泵将海水引至吸收塔上部的若干层喷嘴,喷嘴将增压泵提供的海水在吸收塔中雾化成颗粒细小、均匀分布的液滴,雾状下行的液滴与烟气逆流混合,达到脱除烟气中SO2的目的,其海水与烟气的混合效果不如填料塔,但烟气阻力较小,维护简便。深圳西部电厂海水烟气脱硫吸收塔采用一炉一塔的立式方形混凝土结构填料塔,漳州后石电厂采用一炉二塔的立式圆柱形钢结构喷淋式空塔,嵩屿电厂采用的是一炉一塔的立式圆柱形钢结构喷淋式空塔。

另外,在优化吸收塔设计时,应选择合适的液气比和空塔流速,以保持液、气两相流体的合适湍动程度。深圳西部电厂海水烟气脱硫系统的液气比较小,吸收塔的空塔流速也较小,属于比较保守的设计,适当提高这些指标可得到较高的脱硫效率[12]。嵩屿电厂海水烟气脱硫系统吸收塔虽为空塔,但设计时优化了吸收塔烟气的流动方向与扩散能力,同时选用耐腐蚀性强、分布均匀的5层喷嘴,有利于海水与烟气的充分混合和有效传质[13],脱硫效率可以达到95%以上。

(4)充分发挥脱硫添加剂的作用。近年来,随着对脱硫添加剂研究的日益深入,以Bechtel工艺[5]为代表的海水脱硫工艺得到了较好的应用。常用的脱硫添加剂有石灰、氢氧化钠等碱性物质。

黄岛发电厂3、5、6号机组海水脱硫系统改造工程,利用青岛碱业股份有限公司副产废弃物白泥作海水脱硫的添加剂,脱硫效率超过90%,悬浮物和pH均能达标排放。其中,3号机组采用直接法海水白泥乳脱硫工艺,可节约生石灰1.24×104t/a;5、6号机组采用间接法海水白泥乳脱硫工艺,可节约海水1.845×108m3/a,节电1.54×107kW·h/a;脱硫系统改造后,黄岛发电厂万元生产总值综合能耗降低22%,利用白泥5.48×104t/a,不仅节约了成本,而且使得固体废物资源化,解决了白泥的治理和综合利用难题,达到了以废制废,净化环境的目的,实现了企业间的循环经济[18]。

3 减小曝气池占地面积

在海水烟气脱硫装置中,曝气池是海水恢复系统的主要构筑物,由于其占地面积较大,使得海水烟气脱硫装置规模过于庞大,成本增加。

针对这一问题,深圳西部电厂扩建的5、6号机组海水脱硫装置,在4号机组的基础上,通过增大空气喷嘴的覆盖面积来缩小曝气池面积,取得了显著效果。5、6号机组海水脱硫系统设计时,曝气池为横向布满空气喷嘴,使空气喷嘴的覆盖面积比4号机组大,曝气池面积比4号机组小。但从曝气池的空气喷嘴布置来看,纵向喷嘴并未布满,喷嘴组之间仍有2.2m的空档,其间隙可适当缩小,能使整个曝气池面积减小约20%左右[12]。

通常情况下,吸收塔只作为海水与烟气液—气传质的场所。而嵩屿电厂海水脱硫吸收塔则结合了湿法石灰石脱硫吸收塔的作法,在吸收塔底部增设了预曝气池,增加了吸收塔的曝气功能,起到了部分氧化SO2的作用。另外,嵩屿电厂在海水恢复系统的设计中采用2.6m的深度曝气、40000m3/h的大气量曝气及5.1min的长水力停留时间优化了曝气条件,使得海水水质的恢复较为彻底[13]。通过这两方面的改进,嵩屿电厂海水脱硫吸收塔不仅最大限度地发挥了吸收塔的功能,减少了后续曝气处理负担,又显著提高了曝气池的曝气性能,最大限度地减小了占地面积和成本。

在曝气池恢复系统的基础上,秦皇岛电厂在吸收塔后增设了电解海水恢复辅助(ECO)系统,利用电解过程的阳极氧化作用来消除和降低COD值。中试结果显示,ECO系统性能良好,运行稳定,使海水水质恢复得到保证,并很大程度的减少了后续曝气处理负担,减小了占地面积和成本。

4 提高排水pH值

由于我国新环保标准对排水pH的要求由6.5提高到6.8,导致早期投运的海水脱硫装置必须进行改进,同时,也对在建机组提出了更高的要求。

脱硫海水的pH主要通过混合新鲜海水进行曝气恢复。为了尽量减少脱硫排水的pH对排放海域水质的影响,除了控制燃煤硫分、保证一定的脱硫效率外,海水恢复系统的曝气氧化设计至关重要。在不增大曝气池体积的前提下,深圳西部电厂5、6号机组通过采取提高曝气风机压头、增大空气喷嘴的覆盖面积等措施,提高曝气池中海水的混合程度及湍流程度,使H+充分反应并快速吹脱产生的CO2,从而提高排水的pH值[12]。

5 提高脱硫设备的抗腐蚀性能

海水介质的强腐蚀性对脱硫设备材料性能要求较高[19],脱硫后的海水呈酸性,其腐蚀性更强,给海水脱硫系统使用的材料提出了更高要求。

目前,我国海水烟气脱硫装置中所需涂料、固化剂、稀释剂、清洗剂、玻璃钢管内衬及加强用相关材料均依赖国外进口,这不仅增加了建设投入与运行成本,还在一定程度上限制了海水脱硫技术的推广与应用。因此,脱硫设备的防腐技术已成为我国当前海水烟气脱硫研究的重点。

脱硫设备的防腐要针对不同部位的不同防腐要求,优选不同的材料和施工技术。防腐方案的选择必须满足海水烟气脱硫系统对防腐的要求,即高的机械性能、良好的化学稳定性及热稳定性、优良的抗渗性能等,同时,还必须考虑成本高低、施工难易、安全运行时间等因素[20]。

目前,海水烟气脱硫的防腐方法主要从两方面考虑,一是使用耐腐的合金钢复合材料,合金钢的抗腐蚀性能好、耐磨,主要用作烟气挡板、烟道、GGH、吸收塔和曝气池等的耐腐材料;二是使用防腐涂料,常用的是环氧煤沥青涂料(涂在混凝土基体表面)和玻璃鳞片树脂涂料(涂在金属基体表面),主要用于吸收塔和净烟气烟道的防腐[19]。

6 国产化

目前,我国已经投运和在建的海水烟气脱硫装置所采用的技术主要来源于挪威ABB-Alstom公司、日本富士化水公司和中国东方锅炉股份有限公司[21]。其中,只有嵩屿电厂采用我国东方锅炉自主研发的纯海水脱硫技术,其余电厂均以国内脱硫公司总承包、国外公司提供技术支持为主要模式,或电厂直接与国外技术支持方签订合同,由国外公司提供产品和相关服务。

虽然我国海水脱硫的初期投资和运行费用都低于湿式石灰石—石膏脱硫法,但海水脱硫系统的关键技术和关键设备(如烟气换热器的蓄热元件、吸收塔内的填料、除雾器、塔内海水分配元件、曝气装置等)绝大多数是引进国外的。如果海水脱硫系统的设计和设备能够实现国产化,将会大大降低初期投资和运行费用,节省更多资金,使海水脱硫技术更快地在我国沿海地区推广应用[22]。

国内脱硫公司和设备制造厂应加速推进海水烟气脱硫技术和关键设备的国产化,加大海水脱硫技术的研发投入,加快中试进度,使海水脱硫系统的设计和关键设备的制造自主化、产权化,并尽快将自主设计的脱硫装置投入运行,形成多家海水脱硫公司、多种技术有序竞争的格局[23]。

7 结语

海水烟气脱硫具有投资和运行费用低、工艺简单、脱硫效率高等众多优点,适合我国的技术现状[24-27],加之深圳西部电厂的带头示范作用,海水烟气脱硫已成为我国沿海地区新建、扩建电厂及老厂改造环保项目优先考虑的烟气脱硫技术。目前,在充分吸取国内外设计及运行经验的基础上,可进一步对该海水烟气脱硫进行改进和完善,从而降低运行成本、提高电厂经济效益,为电厂的环境保护工作做出更大贡献。

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X701.3

B

1674-8069(2010)03-001-04

2010-03-22;

2010-04-12

王思粉(1987-),女,山东省济宁人,硕士研究生,主要研究方向为海水烟气脱硫技术。E-mail:feennnn@126.com

国家高技术研究发展计划(863计划)(2007AA061800)

Abstract:In recent years,seawater flue gas desulfurizat ion(SFGD)technology has been w idely used in FGD projects of coastal thermalpower p lants in China.This research propose several suggestions based upon analysis of the research status of SFGD technology and its practical experience in thermal power plants in order to provide a reference for the improvement of SFGD techno logy in our country.

Key words:seawater desulfurization;SO2;desulfurization efficient;aeration basin