燃煤电厂石灰石/石膏湿法脱硫系统的设计参数选取

2024-04-11王守春冯想红

化工设计通讯 2024年1期

关键词：石灰石吸收塔石膏

王守春，赵强，冯想红

（1.西安航天源动力工程有限公司，陕西西安 710100；2.西安航天动力研究所，陕西西安 710100）

石灰石/石膏湿法脱硫作为世界上应用最广的烟气脱硫技术之一[1-3]，主要应用于燃煤电厂、化工厂自备电厂、冶金行业、建材行业等烟气脱硫领域。尤其是燃煤电厂，石灰石/石膏湿法脱硫技术约占行业的90%以上[4]。

自2015年12月发布《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》以来，石灰石/石膏湿法脱硫在设计上进行了创新，为实现燃煤电厂超低排放改造奠定了基础。

1 脱硫系统简介[5-10]

脱硫系统主要由以下5个部分组成：

（1）喷淋塔脱硫系统；（2）烟气系统；（3）石膏后处理系统；（4）制浆系统；（5）公用系统。

1.1 喷淋塔脱硫系统

吸收塔一般采用逆流喷淋塔。烟气由进气口进入喷淋塔，浆池中的浆液经浆液循环泵增压后送至喷淋层，由喷淋层喷嘴雾化成大量微小液滴，烟气与液滴逆向接触，浆液中的碱性物质吸收烟气中的SO2反应生成亚硫酸钙，浆液回落到浆池中后，被强制鼓入的氧化空气氧化成硫酸钙，密度合适的石膏浆液被石膏排出泵泵送到石膏后处理系统。

1.2 烟气系统

从锅炉来的热烟气经引风机后进入吸收塔。烟气进入吸收塔后，向上流动穿过喷淋层，在此烟气被冷却到饱和温度，烟气中的SO2被石灰石浆液吸收，净化后的烟气通过烟囱排放。

1.3 石膏后处理系统

含固量为15%的石膏浆液经石膏排出泵增压后进入石膏旋流器，浆液经石膏旋流器的浆液分配箱进入石膏旋流子，经旋流子固液分离后分成两路浆液，浓度为50%的底流进入真空皮带脱水机进行脱水，浓度为3%的顶流进入滤液储存罐。石膏旋流站底流浆液经过真空皮带脱水机脱水后，形成含固量大于90%，含水量小于10%的石膏。经过皮带脱水的脱水石膏，送入石膏堆料库。

1.4 制浆系统

石灰石粉由密封罐车运至脱硫岛，经气力输送至石灰石粉仓。石灰石粉经旋转给料阀进入石灰石浆液箱与工艺水或石膏滤液混合制成30%浓度的石灰石浆液，由石灰石浆液泵补充至吸收塔。

1.5 公用系统

脱硫公用系统包括工艺水系统和压缩空气系统。

2 设计参数

石灰石/石膏湿法烟气脱硫工艺设计中设计参数的取值范围不仅是物料平衡计算的基础，也是脱硫系统工艺设备选型的基础。

2.1 空塔流速

空塔流速一般为吸收塔出口实际烟气量（即脱硫后湿饱和烟气量）与吸收区截面积的比值，单位为m/s，它反映的是吸收区的表观平均流速[11-12]。

空塔流速直接影响脱硫效率，从而影响到循环浆液流量。其作用机理为高的空塔流速将增加气液湍流，其中对液滴的湍流影响最为显著。因此吸收反应传质增强，增加脱硫效率。另外，高空塔流速也将增加吸收区的持液量，从而增加传质表面积[13-14]。

鉴于超低排放改造对脱硫效率、粉尘排放浓度及烟气液滴含量的要求，一般空塔流速控制在3.0～3.5 m/s。

2.2 浆液pH

浆液中Ca2+离子浓度是HSO3-发生化学反应的先决条件，也是增强物理扩散的先决条件。Ca2+离子浓度取决于石灰石的溶解速度，而石灰石的溶解速度取决于pH、石灰石粒径、浆池的容积、浆液离子强度和浆液中碳酸钙含量[15]。

石灰石/石膏法脱硫的化学反应相当复杂，较低的pH有利于氧化反应的进行，而较高的pH则有利于液相对SO2的吸收，因此石灰石/石膏法脱硫系统通常是在SO2的吸收和氧化反应之间取得某种折中平衡[8,16]。一般取浆液pH范围为5.3～5.6，此时对应的浆液中碳酸钙含量为2%～3%。

2.3 浆液Cl-离子浓度

浆液Cl-离子有两个来源：烟气中的HCl和工艺水中的Cl-。Cl-与钙离子反应生成CaCl2，降低了石灰石的溶解速度，从而影响脱硫系统中SO2吸收速率。

高Cl-离子浓度将增加吸收塔浆液中的钙离子浓度，进而降低石灰石的溶解速率，浆液的碱性和pH值同时降低。此外，高浓度的溶解盐将降低离子传质的速率，同样降低SO2的传质效率。Cl-离子还能与铝离子形成络合物，这些络合物沉积在石灰石表面，阻碍石灰石的溶解[17-18]。

高Cl-离子浓度也会加快了脱硫系统设备的腐蚀：当Cl-离子浓度达到20 000×10-6时，绝大多数常规不锈钢已不能使用，需要选用氯丁基橡胶、玻璃鳞片衬里等其他耐腐蚀材料；当Cl-离子浓度达到60 000×10-6时，则需要经常更换非常昂贵的防腐材料，如C276哈氏合金[19-20]。

基于以上因素考虑，浆液Cl-离子浓度可设定为20 000～40 000×10-6。

2.3.1 浆液过饱和度和密度

浆液过饱和度主要影响石膏的结晶。过饱和度较低时，浆液中石膏晶体主要以生长为主；过饱和度过高时，浆液中将生成大量不可控晶核，会导致塔内件结垢[8]。

一般石灰石/石膏脱硫系统中将过饱和度控制在1.3～1.4之间[8,16]，由于浆液过饱和度无法直接控制，一般通过浆液密度来控制，浆液密度在1 080～1 250 kg/m3时，浆液过饱和度介于1.3～1.4之间。

2.3.2 浆液喷雾粒径

脱硫系统中喷雾粒径主要以索特平均粒径表示[21]，定义为其表面等于粒子中所有颗粒平均表面积的粒子的平均直径：即为具有此直径的1个颗粒的表面积，正好等于所有颗粒表面积的平均值[22]。

液滴的索特直径取决于喷嘴的类型、尺寸和压降。一般将液滴索特平均粒径设定到

2 200～2 500µm。对于超低排放工程，可通过对喷嘴的进行优化设计适当减小喷雾粒径，比如增大喷嘴压力、采用单向双头喷嘴、提高喷嘴出口浆液流速等方法。

2.4 石灰石停留时间

石灰石停留时间是浆池容积与浆液循环量的比值，一般单位为min。浆池的主要的功能是为石灰石的溶解提供空间，以提供足够多的钙离子用于脱硫反应。因此，当浆液到达喷淋层之前，必须有足够的停留时间[16,23,24]。超低排放实践过程中，由于要求的脱硫效率一般大于99%，此时浆液循环量非常大，这就导致浆池容积非常大，投资成本较高。因此，一般为兼顾脱硫性能与投资成本，石灰石停留时间一般设定为3.5～4.2 min。