某脱硫添加剂在高硫煤湿法脱硫装置上的应用

2013-09-21刘剑军

电力科技与环保 2013年5期

胡競，赵红，李贺，刘剑军

(武汉凯迪电力环保有限公司，湖北武汉 430223)

1 概述

随着新的《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223－2011)颁布实施，国家对火电厂SO2的排放控制提出了更高的要求［1］。为达到节能及降低运行成本的目的，减轻结垢和堵塞的现象，很多国内外机构都对脱硫添加剂进行了研究。由于燃煤储量的减少，煤质好的低硫煤越来越难买到，大多数电厂都无法购买到符合当初设计要求的燃煤［2］，且燃煤硫分偏高。为满足环保要求，同时又减少改造工程投资，增加以后脱硫运行的灵活性，我们采用了一种深度脱硫增效添加剂，并在2×600MW燃煤机组同期配套的石灰石/石膏湿法脱硫装置上进行了应用试验研究。

2 脱硫添加剂工程应用试验研究

本应用试验的目的是提高系统脱硫效率，增强电厂脱硫系统对高硫煤质的适应性。由于浆液循环泵是SO2吸收系统中最主要的耗电设备［3］，使用脱硫添加剂后，拟在执行目前400mg/m3排放标准时，减少一层喷淋层，停运一台浆液循环泵，降低液气比，达到节能的目的;在开启全部5层喷淋层时，添加剂的应用可将SO2排放浓度降至200mg/m3以下以达到更高的环保要求。

2.1 脱硫添加剂原理

石灰石/石膏法烟气脱硫技术是利用石灰石作为吸收剂，在吸收塔中与烟气中的SO2和其他污染物发生复杂的传质和化学反应，从而除去烟气中污染物。利用石灰石吸收剂吸收SO2等污染物过程的机理有过不同的理论，其中应用最广泛且较为成熟的是“双膜理论”［4］;根据“双膜理论”可以认为，SO2吸收过程中的传质总阻力取决于通过气、液两膜的分子扩散速率，也就是说SO2脱除速率受SO2在气、液两膜总分子扩散速率的控制。

在湿法FGD工艺，由于CaCO3较难溶于水，为提高CaCO3的溶解速度，浆液一般为弱酸性。实际上，除了上述的气－液界面外，还存在液－固界面，在非常复杂的气－液－固三相反应过程中，CaCO3的溶解速度控制了吸收过程的总速率，因此，提高CaCO3的溶解速度是提高脱硫效率的关键因素。通过加入一定量的脱硫添加剂，可以明显改善化学反应与传质过程，能促进 CaCO3的溶解［5－6］，缓冲浆液的pH值下降，加速SO2的化学吸收。

2.2 系统介绍

应用试验的脱硫装置采用一炉一塔单元配置，无GGH装置，设计煤种硫分2.9%，实际煤质硫分3.2%，设计入口烟气SO2浓度8492mg/m3(标态、干基、6%O2)，脱硫效率不低于95.3%。

吸收塔采用变径塔，底部直径17.6m，上部直径16.8m，吸收塔总高度为44.41m。吸收塔设计液位14.04m，吸收塔浆液池容积为3414m3，浆液循环时间5.97min，液气比14L/m3。吸收塔共设有5层喷淋层，1层托盘。第三层和第四层流量为6085m3/h，每层喷嘴数为122个;其他各层流量均为7300m3/h，每层喷嘴数为146个;吸收塔共设有5台氧化风机，4台运行，1台备用。

2.3 试验工况

当入口SO2浓度和pH值一定时，机组负荷越高脱硫效率越低［7］。为更好的检验脱硫添加剂的使用效果，我们进行了设备摸底，在保证电除尘效率达标，脱硫系统运行正常，仪表设备准确就位的情况下，决定进行脱硫添加剂试验。试验工况采用实际煤质高硫煤。试验过程中，通过对入口含硫量的调整以及循环泵的组合运行，作为本次试验的工况。同时组织人员对吸收塔浆液和石膏成分进行跟踪测试，保证脱硫系统处于正常的工作状态。添加剂的初次添加是通过滤液水箱补入浆液补充，之后每天将脱硫添加剂定量补充入石灰石浆液箱。

3 试验结果分析

3.1 脱硫添加剂对脱硫效率的影响

不添加脱硫剂，5层喷淋层全开时，脱硫效率及SO2出口浓度见表1。采用添加剂，开启5层喷淋和4层喷淋时结果见表2、表3。

表1 不加添加剂，开启5层喷淋

表2 采用添加剂，开启5层喷淋

从表1可知，在不添加脱硫剂时，5层喷淋层全开，在SO2入口浓度接近设计值时，SO2出口浓度基本可以达到环保排放要求，但一旦燃煤硫分提高则很有可能超标。

从表2可知，开启5层喷淋，并加入脱硫添加剂时，同样负荷下运行，在SO2入口平均浓度较高，出口浓度可控制在200mg/m3以下，脱硫效率较使用之前提高，pH值略有降低，在保证脱硫效率的前提下，pH值降低有利于Ca的析出［8］。对于西南地区火电厂，在应用了脱硫添加剂之后可达到一般地区环保排放标准。而如果不使用脱硫添加剂，如需使出口SO2排放浓度降至200mg/m3以下，则需对原有脱硫系统进行增容改造，增加一层喷淋层，不仅会带来一系列的改造费用，而且会造成电厂停炉。

如不添加脱硫剂，同样负荷下运行，仅开启4层喷淋，SO2出口浓度严重超标，脱硫效率下降，无法达到环保要求。

表3 采用添加剂，开启4层喷淋层

表3为关闭顶层喷淋系统，采用脱硫添加剂的工况试验数据。从表3可知，添加剂加入后4层喷淋的脱硫效率略高于加入添加剂前5层喷淋全开的效率。SO2出口平均浓度低于目前电厂执行的400mg/m3标准，达到环保要求。

3.2 添加剂对石膏成分的影响

脱硫添加剂对石膏成分的影响见表4。

表4 添加剂对石膏成分的影响 %

从表4可知，在使用脱硫添加剂后，石膏品质较好。CaCO3和CaSO3·1/2H2O的含量均有所下降，这是因为脱硫系统中添加适量的脱硫添加剂可以改善化学反应与传质过程，能促进CaCO3的溶解，缓冲浆液的pH值下降，加速SO2的化学吸收。由于SO2和CaCO3的溶解度都有限，脱硫添加剂的加入提供了碱性基团，增强了液膜传质因子，不仅可以促进CaCO3的溶解，提高其解离速率，减少液相阻力，同时也促进了SO2的溶解，减少了气相阻力。脱硫添加剂的存在使石灰石浆液循环吸收SO2的反应重复发生，脱硫添加剂起着类似催化剂的作用。

3.3 脱硫剂的添加及耗损

添加剂初次通过滤液水箱补入，然后进入吸收塔内，之后每天通过石灰石浆液箱给料补充。采用添加剂提高了烟气脱硫装置的洗涤效率，但同时也增加了一定的运行费用，添加剂的费用主要取决于添加剂的价格和损耗率。添加剂的损耗主要分为“溶液”和“非溶液”损耗。为维持一定的脱硫添加剂的浓度，每隔8h需要对添加剂进行一次补给。试验中脱硫添加剂的损耗主要是由以下部分组成:石膏滤饼带走部分;脱硫废水排放将带走一部分添加剂，直接造成损失;烟气中带走的添加剂;添加剂伴随着亚硫酸钙沉淀而沉淀;添加剂降解损失，主要是由于部分添加剂与溶液中的酸发生反应形成副产物而造成的损耗。上述几个方面中，除了废水排放和降解损失带走部分添加剂，其他损耗非常小。

3.4 脱硫添加剂的效益

本次试验分两个方案，方案A为停运顶层喷淋层后，只需保证连续补入添加剂的量，维持添加剂浓度，就可以满足400mg/m3排放标准;方案B为保持原5台浆液循环泵、喷淋层系统，添加脱硫剂后使出口SO2浓度降至200mg/m3，添加剂补给量和浆液循环泵及增压风机节省电耗见表5。

表5 不同条件下的添加剂消耗量及能耗节省

添加剂的价格按30000元/t;石灰石价格按40元/t、电价按 0.4元/(kW·h)，年运行时间按5000h计算，如采用维持SO2出口浓度400mg/m3，停运顶层喷淋方案，2台机组年节省运行费用约204.6万元;如采用保持5层喷淋不变，将SO2出口浓度降至200mg/m3方案，相对于开启6层喷淋层，2台机组年节省运行费用约290万元。从上述分析可以看出，使用脱硫添加剂不仅增加了脱硫装置运行的灵活性，也增强了脱硫系统的适应能力，更能带来不错的经济效益。