石灰石-石膏法烟气脱硫SO2 吸收及CaSO3 氧化系统优化措施研究

李雪松，王昉，王晓玲

（1.华能左权煤电有限责任公司，山西 晋中 032600；2.中国环境保护产业协会，北京 100045）

目前电力行业应用最成熟、最广泛的脱硫技术是石灰石-石膏法烟气脱硫工艺[1]，根据电力行业相关统计数据，截至2015 年年底，石灰石-石膏法（含电石渣法）的市场占有率为92.87%。该工艺具备较高的脱硫效率及吸收剂利用率，运行稳定性高，石灰石吸收剂价廉易得，能适应大容量机组和高浓度二氧化硫（SO2）烟气条件，副产品脱硫石膏可综合利用。该工艺主要包括废水处理系统、SO2吸收及亚硫酸钙（CaSO3）氧化系统、石膏脱水及储存系统、烟气系统、除雾器系统、吸收剂制备系统、自动控制和在线监测系统[2]，其中SO2吸收及CaSO3氧化系统是该工艺重要的系统之一。

近年来，我国对燃煤电厂SO2的排放控制要求日趋严格。2011 年7 月发布的《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223—2011）要求新建电厂SO2排放浓度限值为100mg/m3、重点地区低至50mg/m3、老机组为200mg/m3。2014 年9 月印发的《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014—2020 年）》要求我国东部地区新建燃煤发电机组SO2排放浓度不大于35mg/m3。2015 年12 月发布的《关于印发〈全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案〉的通知》，要求SO2的超低排放浓度不高于35mg/m3。

为了达到SO2超低排放的标准，研究石灰石-石膏法烟气脱硫SO2吸收及CaSO3氧化系统的优化措施，以提高脱硫效率、降低成本、提高系统运行的安全稳定性，具有重要的意义，也可为石灰石-石膏法烟气脱硫技术在燃煤电厂超低排放工程应用中提供技术指导。

1 SO2 吸收及CaSO3 氧化系统优化措施

系统优化的基本原则既要立足现在，也要兼顾长远目标；既要考虑技术先进性，也要考虑运行稳定性；既要考虑初始投资，也要考虑运行费用；既要考虑投入，也要考虑效益[3]。

1.1 运行参数的优化

1.1.1 液气比（L/G）

液气比反映吸收效率及吸收过程推动力的大小[4]，影响系统的经济性和技术性能。液气比提高，可使烟气中SO2与石灰石浆液在吸收塔内的接触面积增大，从而提高脱硫效率。但液气比过高，会增加循环泵的数量和容量，增大氧化槽的尺寸，使设备初始投资和运行能耗增加，同时会增大出口烟气的含水量，降低烟气温度，不利于烟气排出。因此，液气比一般控制在6—25（空塔宜在12—25；pH 值分区宜在6—18；复合塔宜为10—25）。

1.1.2 钙硫比（Ca/S）

钙硫比是系统运行经济性的重要指标。理论上Ca/S=1，在实际过程中，碳酸钙（CaCO3）与SO2不能完全反应，使得实际Ca/S ＞1[5]。在液气比不变的情况下，注入吸收塔内的吸收剂石灰石的量增多，则Ca/S 增大，石灰石浆液的pH 值升高，会增大反应速率，从而提高SO2的吸收率。当Ca/S ＞1.05 时，SO2的吸收率开始趋于稳定，吸收剂石灰石的溶解度较低，过量的供给将导致石灰石浆液质量浓度提高，过饱和后，石灰石会发生凝聚和沉降，腐蚀设备，影响运行安全性，也会降低吸收反应的比表面积及石灰石吸收剂的利用率，从而降低脱硫效率。同时考虑吸收剂的费用、投资成本及能耗成本，一般控制Ca/S 为1.02—1.05[3]。

1.1.3 浆液停留时间

延长浆液的停留时间，可以提高石灰石浆液的利用率，有利于石膏结晶的长大和脱水，从而提高石膏纯度。但浆液停留时间过长，会增加投资成本和运行成本。另外，固体物在氧化槽停留时间过长，由于大型循环泵和搅拌器对石膏结晶体的破碎作用，不利于石膏脱水[3]。所以，浆液在吸收塔中的停留时间通常不低于15h。

1.1.4 浆液循环停留时间

延长浆液循环停留时间，有利于在一个循环周期内，在氧化槽中完成氧化、中和及沉淀析出，提高石灰石的溶解及利用率。但是延长浆液循环停留时间，会增大吸收塔氧化槽的容积和尺寸，增加投资和运行成本，所以浆液循环停留时间一般控制在3.5—7min。

1.1.5 浆液循环量

浆液循环量增加，会间接增加浆液与SO2的接触时间，从而提高脱硫效率，但过高的浆液循环量会增加浆液循环泵的投资费用及耗电量，因此要合理设置浆液循环量[3]。

1.1.6 浆液密度

浆液密度主要指浆液中二水合硫酸钙（CaSO4·2H2O）和CaCO3的含量。当浆液密度＞1085kg/m3时，浆液中CaCO3及CaSO4·2H2O 趋于饱和，如不及时排出浆液，CaSO4·2H2O 会抑制SO2的吸收，使脱硫效率降低。当浆液密度＜1075kg/m3时，浆液中CaCO3的含量相对较大，CaSO4·2H2O 含量相对较小，如此时排出浆液，CaCO3的利用率及脱硫石膏的品质都会下降。所以浆液密度一般控制在1075—1085kg/m3。

1.1.7 浆液过饱和度

浆液过饱和度主要影响CaSO4·2H2O 的结晶速率，过饱和度超过一定值时，CaSO4·2H2O 的结晶会在已形成的CaSO4·2H2O 晶体上生长，过饱和度再高时，CaSO4·2H2O 会覆盖吸收塔内其他物质的表面，降低CaCO3的利用率和脱硫效率，造成吸收塔内表面结垢，一般过饱和度控制在120%—130%[3]。

1.1.8 塔内烟气流速

塔内烟气流速是空塔烟气平均流速，是吸收塔内饱和烟气的表观平均流速[4]，塔内烟气流速提高，可以通过湍流过程加强传质，石灰石喷淋浆液的下降速度相对降低，增加单位面积的浆液量，从而提高脱硫效率[6]。同时，塔内烟气流速提高，会缩短烟气停留时间，从而降低脱硫效率，所以，空塔烟气流速一般控制在3—3.8m/s。

1.1.9 浆液pH 值

浆液pH 值表示浆液中氢离子（H+）浓度，pH 值的高低主要影响SO2的吸收、吸收剂石灰石的溶解及CaCO3的氧化结晶，吸收剂石灰石的溶解及CaCO3的氧化结晶需要较低的pH 值，以确保吸收剂石灰石的完全溶解和CaCO3的氧化结晶，但pH 值过低会加剧设备腐蚀。SO2的吸收需要较高的pH 值，脱硫效率随着浆液pH 值的增大而增大，但pH 值过高会导致吸收塔内部结垢和管道堵塞。所以，传统的石灰石-石膏法烟气脱硫工艺一般控制pH 值为4.5—6.5[7,8]。

1.1.10 吸收塔液位

吸收塔液位对脱硫效率及系统能耗均有重要影响，液位升高，可延长石灰石浆液与SO2在塔内的停留时间，从而提高SO2的吸收效率[9]。同时，液位升高，会增加氧化风机出力，从而增大电耗，而且液位过高，可能会造成烟气短路或浆液溢流等事故，所以，要合理设置吸收塔液位。

1.2 技术设备的优化

1.2.1 喷淋系统的优化

喷淋系统的优化主要是通过调整喷淋密度和雾化效果，从而改善气液分布[16—18]。大直径（〉20m）吸收塔喷淋系统的设计优化难点是保证高效脱硫且不会发生浆液喷穿塔壁的问题。本文主要从喷淋层、喷嘴选型及喷嘴布置三个方面进行优化研究。

1.2.1.1 喷淋层的优化

喷淋层是吸收塔内的核心部件之一，其设计会影响到脱硫系统的性能及稳定运行。大直径吸收塔多采用四层双母管式喷淋层，可减少每根喷淋母管的长度，减轻支撑梁的荷载，为便于检修和维护，喷淋层间距为1.8—2m[16,17]。

1.2.1.2 喷嘴选型的优化

喷淋层的喷嘴可以选用单向实心喷嘴、双侧向空心喷嘴及双向空心喷嘴3种形式的大流量切线喷嘴[16,17]，从而达到较高的浆液喷淋雾化效果。

1.2.1.3 喷嘴布置的优化

喷淋层管道上应布置足够数量的喷嘴，以保证石灰石浆液均匀分布在吸收塔断面上，在喷淋重叠率不高的地方应适当增加喷嘴。结合喷淋母管、塔内支撑梁和塔壁等对每个喷嘴位置进行放样计算，特别注意吸收塔壁和喷淋层母管附近的喷嘴磨损情况，布置完成后，应对喷嘴的位置进行认真核对，避免将浆液直接喷淋到支撑梁上，对支撑梁造成磨损。

1.2.2 pH 值分区技术

pH 值分区技术通过在一个喷淋塔内加装隔离体或者设置两个喷淋塔，对石灰石浆液进行物理分区，或者根据其流动方向、密度等自身特点形成自然分区，从而对石灰石浆液pH 值进行分区控制。一部分pH 值控制在4.5—5.3，以保证较高的石灰石溶解率和脱硫石膏的品质，另一部分pH 值控制在5.8—6.4，以保证较高的SO2吸收率。典型的工艺有单塔双pH值、单塔双区、双塔双pH 值[11]等。

1.2.3 复合塔技术

复合塔技术是在喷淋层之间、喷淋层和石灰石浆液池之间加装托盘类、湍流类和鼓泡类等气液强化传质装置，对吸收塔内流场整合优化，形成稳定持液层，有利于烟气与吸收剂充分接触，提高脱硫效率。

1.2.3.1 托盘塔技术

托盘塔技术是在吸收塔增设一块及以上穿流孔板托盘，托盘布置在吸收塔整个横截面，烟气经过托盘往上流动，均匀分布在吸收塔整个截面。

1.2.3.2 旋汇耦合器

旋汇耦合器技术是在多相紊流掺混的强传质原理上，根据气体动力学原理，利用特制的旋汇耦合装置产生气液旋转翻腾的湍流空间，使气液固三相充分接触，降低气液膜传质阻力，提高传质速率，从而提高脱硫效率[22—24]。

2 结语

目前电力行业应用最广泛的技术是石灰石-石膏法烟气脱硫工艺，近年来燃煤电厂SO2的排放控制要求日趋严格，为了满足SO2超低排放的要求，对石灰石-石膏法烟气脱硫SO2吸收及CaSO3氧化系统进行优化，提高了脱硫效率、降低成本、提高系统运行的安全稳定性，为石灰石-石膏法烟气脱硫技术在燃煤电厂超低排放工程应用中提供了技术指导。通过对运行参数和技术设备两方面进行优化分析得出如下结论：

（1）工艺参数控制：液气比为6—25（空塔宜为12—25；pH 值分区宜为6—18；复合塔宜为10—25）；钙硫比为1.02—1.05；浆液在吸收塔中的停留时间通常不低于15h；浆液循环停留时间为3.5—7min；浆液密度为1075—1085kg/m3；一般过饱和度为120%—130%；空塔烟气流速为3—3.8m/s；传统的石灰石-石膏法烟气脱硫工艺pH 值为4.5—6.5。

（2）技术设备优化可采取对喷淋系统设计优化、pH 值分区技术及复合塔技术等。

（3）可根据不同的入口SO2质量浓度，选择不同的技术组合，以达到超低排放要求。