影响湿法烟气脱硫效率的因素分析

  

摘要：通过对湿法烟气脱硫工艺过程的分析和系统调试结果，总结出原烟气中氧量、粉尘、温度等参数的变化和工艺过程控制、设备运行方式的改变对烟气脱硫效率的影响规律，对运行实践有一定的指导意义。
关键词：烟气脱硫；二氧化硫；脱硫率；影响因素

1         前言

湿式石灰石－石膏烟气脱硫（以下简称FGD）是目前世界上技术最成熟、实用业绩最多、运行状况最稳定的脱硫工艺，脱硫效率在90％以上，副产品石膏可回收利用。杭州半山发电有限公司采用德国斯泰米勒公司石灰石－石膏湿法工艺，处理4、5号炉2×125 MW机组的全部燃煤烟气，最大处理烟气量1．0×10⁶ m³／h（湿），脱硫率在95％以上，FGD出口SO₂排放浓度＜180 mg／m³，作为烟气脱硫的副产品石膏，其纯度＞90％，含水率＜10％。

湿法烟气脱硫工艺涉及到一系列的化学和物理过程，脱硫效率取决于多种因素。在原料方面，工艺水品质、石灰石粉的纯度和颗粒细度等直接影响脱硫化学反应活性；在工艺控制方面，石灰石粉的制浆浓度、石膏旋流站排出的废水流量设定等都与脱硫率有关，而FGD关键设备的运行和控制方式将决定脱硫效果和终产物石膏的品质；机组原烟气参数如温度、SO₂浓度、氧量、粉尘浓度等也不同程度地影响脱硫反应进程。本文旨在探讨原烟气与脱硫剂的接触反应时间、原烟气参数的变动、吸收塔浆液pH值、石膏浆液密度等因素对烟气脱硫效率的影响规律，为优化系统运行、提高脱硫效率提供参考。

2         湿法脱硫工艺过程分析

FGD包括增压风机、气－气加热器、吸收塔、石灰石制浆系统、石膏脱水系统和废水处理等部分，其中吸收塔是烟气脱硫反应的关键部分，见图1所示。湿法烟气脱硫工艺的主要原理是以石灰石浆液作为脱硫剂，在吸收塔（洗涤塔）内对含有SO₂的烟气进行喷淋洗涤，使SO₂与浆液中的碱性物质发生化学反应生成CaSO₃和CaSO₄而将SO₂去除，其化学反应如下：
   气相部分：SO₂＋H₂O＋1／2O₂→H₂SO₄

液相部分：H₂SO₄＋CaCO₃＋H₂O→CaSO₄·2H₂O ＋CO₂↑

吸收塔由两层搅拌器（上、下各3台）、浆液喷淋盘（4层，交错排列）、两级除雾器组成，在添加新鲜石灰石浆液的情况下，石灰石、石膏和水的混合物通过4台循环泵至喷淋盘，浆液经喷嘴雾化成雾滴，从上部向下喷洒。烟气分别从4、5号炉烟道引出，经增压风机至气－气加热器，烟温从135℃降至100℃左右，然后进入吸收塔下部，在塔内上升过程中与雾滴充分接触，大部分SO₂、SO₃、HCl等从烟气中去除，反应后的净烟气通过除雾器，以除去夹带的液滴，然后进入气－气加热器被加热后排至烟囱。

在吸收塔内，通过氧化风机将空气引入到浆液中，再经搅拌器搅拌使氧充分注入浆液，这样既保证了被吸收的SO₂与浆液反应后生成的HSO₃^－完全氧化成SO₄^2－，又减少了浆液发生结垢的可能性，使石膏CaSO₄·2H₂O结晶析出，在吸收塔内停留一定时间后，通过石膏外排泵送至石膏旋流站。经旋流器分离的高浓度石膏浆液进入真空皮带机脱水形成水分少于10％的石膏，低浓度的旋流溢流液则返回至吸收塔继续反应或进入废水处理系统。

从湿法烟气脱硫工艺过程和化学反应历程不难发现，提高烟气与混合浆液的接触反应时间、增加浆液循环量、增加氧量、控制吸收塔浆液合理的pH值等措施都将有利于SO₂的吸收、脱硫率的提高和石膏的形成。

3          影响脱硫率的因素分析

湿法烟气脱硫效率与原烟气参数和设备运行方式等有直接关系，而且许多因素是共同作用的。半山发电厂4、5号机组燃煤平均含硫率为0．8％，进入吸收塔的烟气中SO₂浓度在1500 mg／m³（干）左右，由于煤种的变换，实际运行中SO₂进口浓度在900 mg／m³～3500 mg／m³之间波动，脱硫率也不十分稳定，当原烟气中SO₂突然升高时，脱硫率会有所下降，但若能有效地控制设备运行方式，就能保证FGD有较高而稳定的脱硫率。表1收集了在FGD整套启动调试和试运行期间，比较典型的各种工况下的运行参数，从中可以发现吸收塔浆液pH变化、循环泵运行方式、氧化风机投运台数等对脱硫率的影响规律。

 3．1烟气与脱硫剂接触时间

烟气自气－气加热器进入吸收塔后，自下而上流动，与喷淋而下的石灰石浆液雾滴接触反应，接触时间越长，反应进行得越完全。每层喷淋盘对应一台循环泵，排列顺序为1、2、3、4号自下而上（见图1），4号循环泵对应的喷淋盘位置最高，与烟气接触洗涤的时间最长，因此投运4号循环泵有利于烟气和脱硫剂充分反应，相应的脱硫率也高。从表1实际运行的情况可以发现，在处理1台机组烟气时，不论运行哪3台循环泵都能保持很高的脱硫率，而运行2台循环泵时如果开启4号循环泵，则脱硫率可比运行其它循环泵时的脱硫率高出1～2％，效果显著；处理2台机组烟气时，2、3、4循环泵联合运行时的脱硫率要比1、2、3号泵联合运行时高出3％以上，可见，4号循环泵的投运对提高脱硫率效果显著，3号循环泵的影响次之，2号、1号依次减弱，也就是说，烟气与脱硫剂的接触时间越长，脱硫率越高。另外，新鲜的石灰石浆液是通过3号或4号循环管注入的，所以3、4号循环泵的投运与否将直接影响脱硫率。
3．2浆液循环量

新鲜的石灰石浆液喷淋下来后与烟气接触后，SO₂等气体与石灰石的反应并不完全，需要不断地循环反应，从表1可以发现，运行3台循环泵的脱硫率明显高于只运行2台的工况。原因是增加了浆液的循环量，也就加大了CaCO₃与SO₂的接触反应机会，从而提高了SO₂的去除率。此外，增加浆液的循环量，将促进混合浆液中的HSO₃^－氧化成SO₄^2－，有利于石膏的形成。

3．3吸收塔浆液pH值

烟气中SO₂与吸收塔浆液接触后发生如下一些化学反应：

SO₂＋H₂O＝HSO₃^－＋H^＋

CaCO₃＋H^＋＝HCO₃^－＋Ca^2＋

 HSO₃^－＋1／2O₂＝SO₄^2－＋H^＋

SO₄^2－＋Ca^2＋＋2H₂O＝CaSO₄·2H₂O

从以上反应历程不难发现，高pH的浆液环境有利于SO₂的吸收，而低pH则有助于Ca^2＋的析出，二者互相对立，因此选择一合适的pH值对烟气脱硫反应至关重要。为此我们做了一次试验，在连续一段时间（10 h）内，人为调整石灰石浆液进吸收塔的流量，使浆液的pH值先从小到大，然后又逐渐减少，图2反映了pH变化时，脱硫率及浆液中CaCO₃、CaSO₄·2H₂O含量的变化曲线。

通过试验发现，在一定范围内随着吸收塔浆液pH的升高，脱硫率一般也呈上升趋势，因为高pH意味着浆液中有较多的CaCO₃存在，对脱硫当然有益，但pH＞5．8后脱硫率不会继续升高，反而降低，原因是随着H^＋浓度的降低，Ca^2＋的析出越来越困难，当pH＝5．9时，浆液中CaCO₃的含量达到2．98％，而CaSO₄·2H₂O含量也低于90％，显然此时SO₂与脱硫剂的反应不彻底，既浪费了石灰石，又降低了石膏的品质，pH再下降时，CaSO₄·2H₂O含量又回升，CaCO₃则降低。因此，浆液pH值既不能太高又不能太低，一般情况下控制吸收塔浆液的pH在5．4～5．5之间，能使脱硫反应的Ca／S保持在设计值（1．02左右）内，获得较为理想的脱硫率，同时又使浆液中CaCO₃的含量低于1％。

 

 3．4氧量

O₂参与烟气脱硫的化学过程，使4HSO₃^－氧化为SO₄^2－，图3显示了接收二台机组烟气时，在烟气量、SO₂浓度、烟温等参数基本恒定的情况下氧量对脱硫率的影响曲线，随着烟气中O₂含量的增加，CaSO₄·2H₂O的形成加快，脱硫率也呈上升趋势。当原烟气中氧量一定时，可入为往吸收塔浆液中增加氧气，所以多投运氧化风机可提高脱硫率。当烟气中O₂含量为6．0％时，运行2台氧化风机比运行1台氧化风机的脱硫率高出2％左右。

 3．5石膏浆液密度

随着烟气与脱硫剂反应的进行，吸收塔的浆液密度不断升高，通过吸收塔浆液化学成分的取样分析结果，当密度＞1085 kg／m³时，混合浆液中Ca－CO₃和CaSO₄·2H₂O的浓度已趋于饱和，CaSO₄·2H₂O对SO₂的吸收有抑制作用，脱硫率会有所下降；而石膏浆液密度过低（＜1075 kg／m³＝时，说明浆液中CaSO₄·2H₂O的含量较低，CaCO₃的相对含量升高，此时如果排出吸收塔，将导致石膏中Ca－CO₃含量增高，品质降低，而且浪费了脱硫剂石灰石。因此运行中控制石膏浆液密度在一合适的范围内（1075～1085 kg／m³），将有利于FGD的有效、经济运行。
3．6烟尘

原烟气中的飞灰在一定程度上阻碍了SO₂与脱硫剂的接触，降低了石灰石中Ca^2＋的溶解速率，同时飞灰中不断溶出的一些重金属如Hg、Mg、Cd、Zn等离子会抑制Ca^2＋与HSO₃^－的反应。试验证明，如果烟气中粉尘含量持续超过400 mg／m³（干），则将使脱硫率下降1％～2％，并且石膏中CaSO₄·2H₂O的含量降低，白度减少，影响了品质。
3．7烟气温度

实际运行过程中，机组负荷变化较频繁，FGD进口烟温也会随之波动，对脱硫率有一定的影响。理论上进入吸收塔的烟气温度越低，越利于SO₂气体溶于浆液，形成HSO₃^－，所以高温的原烟气先经过气－气加热器降温后再进入吸收塔与脱硫剂接触有利于SO₂的吸收。实际运行结果也证实了这一点，在处理二台机组烟气、运行2、4号循环泵、进口烟气SO₂浓度和氧量基本不变的工况下，当进入吸收塔的烟温为96℃时，脱硫率为92．1％；当烟温升到103℃时，脱硫率已下降至84．8％，而接收一台机组烟气时烟温对脱硫率的影响就更明显了。

4 结论

（1）湿法烟气脱硫过程中，烟气与脱硫剂的接触反应时间越长、吸收塔浆液循环量越多越有利于脱硫率的提高。

（2）进入吸收塔的原烟气中O₂含量高、粉尘浓度低、烟温低等都对脱硫反应有利，当氧量一定时，增开一台氧化风机能提高脱硫效率。

（3）保持吸收塔浆液pH在5．4～5．5之间，可使FGD保持较好的脱硫效果和石膏品质，pH太高不利于Ca^2＋的析出和石灰石的充分利用，pH过低则影响SO₂的吸收。

（4）吸收塔浆液密度过高会降低脱硫率，过低时脱硫剂的利用不彻底，保持浆液密度在1075～1085 kg／m³之间，可获得较好的脱硫效果