【正文】 煙氣循環(huán)流化床脫硫工藝 【論文摘要】介紹了煙氣循環(huán)流化床的脫硫工藝及其流程，在與石灰石石膏濕法脫硫工藝對(duì)比的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，并展望了在我國(guó)的應(yīng)用前景。 煙氣循環(huán)流化床脫硫工藝近幾年發(fā)展迅速 ,是一種適用于燃煤電廠的新干法脫硫工藝。它以循環(huán)流化床為原理，通過物料在反應(yīng)塔內(nèi)的內(nèi)循環(huán)和高倍率的外循環(huán)，形成含固量很高的煙氣流化床，從而強(qiáng)化了脫硫吸收劑顆粒之間、煙氣中 SO SO HCl、 HF 等氣體與脫硫吸收劑間的傳熱傳質(zhì)性能，將運(yùn)行溫度降到露點(diǎn)附近，并延長(zhǎng)了固體物料在反應(yīng)塔內(nèi)的停留時(shí)間 (達(dá) 30～ 60 min)，提高了 SO2 與脫硫吸收劑間的反應(yīng)效率、吸收劑的利用率和脫硫效率。在鈣硫比為 1.1～ 的情況下，系統(tǒng)脫硫效率可達(dá) 90％以上，完全可與石灰石石膏濕法工藝相媲美，是一種性能價(jià)格比較高的干法或半干法煙氣脫硫工藝。 1 脫硫工藝的發(fā)展與現(xiàn)狀 20 世紀(jì) 70年代初，為治理煉鋁設(shè)備、垃圾焚燒爐等尾氣排放中的 HCl、 HF等有害氣體，德國(guó)的 LLB(Lurgi Lentjes Bischoff)公司研究開發(fā)了專用的煙氣循環(huán)流化床技術(shù)，并得到了廣泛的商業(yè)應(yīng)用。 20 世紀(jì) 80 年代中期， 由于環(huán)保法規(guī)和 SO2 排放標(biāo)準(zhǔn)的日趨嚴(yán)格，德國(guó)動(dòng)力工業(yè)對(duì)煙氣脫硫設(shè)備有了巨大的需求。為此， LLB 公司在原來用于煉鋁等尾氣處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)了適用于電站鍋爐的煙氣循環(huán)流化床脫硫工藝。 經(jīng)過 20 多年深入的研究和商用經(jīng)驗(yàn)的積累，以及對(duì)工藝化學(xué)過程和工程實(shí)踐理解的深化，煙氣循環(huán)流化床脫硫技術(shù)在最近幾年得到了很大的發(fā)展，不僅技術(shù)成熟可靠，而且投資、運(yùn)行費(fèi)用也大為降低，為濕法工藝的 50％～ 70％。 目前，煙氣循環(huán)流化床脫硫工藝已達(dá)到工業(yè)化應(yīng)用的主要有 3種工藝流程： (1) 德國(guó) LLB 公司開發(fā)的煙氣循環(huán) 流化床脫硫工藝， (CFB)； (2) 德國(guó) Wulff 公司的回流式煙氣循環(huán)流化床脫硫工藝， (RCFB )； (3) 丹麥 公司研究開發(fā)的氣體懸浮吸收煙氣脫硫工藝， (GSA)［ 1］。 2 工藝系統(tǒng)及流程 無論是 LLB 公司的 CFB 工藝、 Wulff 公司的 RCFB 工藝，還是 . Smith公司的 GSA 工藝，它們的工作原理基本相似。工藝系統(tǒng)主要由吸收劑制備、吸收塔、物料再循環(huán)、煙氣及除塵器、副產(chǎn)品處置和儀表控制 6 個(gè)系統(tǒng)組成［ 3］。 CFB 工藝 CFB 的工藝流程見圖 1，其主要特點(diǎn)是： (1) 吸收劑以干態(tài)的消石灰粉從反應(yīng)塔上游的入口煙道噴入，屬干法脫硫工藝； (2) 采用獨(dú)立的煙氣增濕系統(tǒng)，亦即增濕水量?jī)H與反應(yīng)塔出口的煙氣溫度有關(guān)，而與煙氣中的 SO2 濃度、吸收劑的噴入量等無關(guān)； (3) 采用部分凈化煙氣再循環(huán)的方式來提高系統(tǒng)低負(fù)荷時(shí)的運(yùn)行可靠性和反應(yīng)塔床料的穩(wěn)定性； (4) 采用機(jī)械式預(yù)除塵器。 圖 1 典型的 CFB 脫硫工藝流程 RCFB 工藝 RCFB 的工藝流程見圖 2。與 CFB 工藝相比， RCFB 工藝主要在反應(yīng)塔的流場(chǎng)設(shè)計(jì)和塔頂結(jié)構(gòu)上作了較大的改進(jìn)，其主要特點(diǎn)是： (1) 反應(yīng)塔內(nèi)增加了擾流板和塔頂物料回流裝置，強(qiáng)化了 內(nèi)循環(huán)，取消了預(yù)除塵器； (2) 吸收劑以干態(tài)的消石灰粉或石灰漿液從反應(yīng)塔底部噴入，屬干法或半干法脫硫工藝； (3) 反應(yīng)塔擴(kuò)散段上安裝了若干個(gè)回流式壓力水噴嘴，使吸收劑顆粒與水霧接觸更均勻更充分； (4) 煙氣在塔內(nèi)的停留時(shí)間長(zhǎng) (4 s 以上 )。 1— 鍋爐； 2— 鍋爐除塵器； 3— 消石灰倉(cāng)； 4— 反應(yīng)塔； 5— 石灰漿槽； 6— 增濕水箱； 7— 脫硫除塵器； 8— 中間灰倉(cāng)； 9— 集灰?guī)欤?10— 煙囪 圖 2 典型的 RCFB 脫硫工藝流程 GSA 工藝 GSA 工藝的工藝流程見圖 3。其主要特點(diǎn)是： (1) 吸收劑以石灰漿液的形式從反應(yīng)塔底部的中心噴入，屬半干法脫硫工藝； (2) 采用高位布置的旋風(fēng)分離器作為預(yù)除塵器； (3)可在較低的趨近絕熱飽和溫度 (ΔT=3 ～ 6 ℃) 下運(yùn)行。 圖 3 典型的 GSA 脫硫工藝流程 3 應(yīng)用業(yè)績(jī) 自 1987 年德國(guó) LLB 公司的 CFB 工藝在電站鍋爐投入商業(yè)運(yùn)行以來，經(jīng)過多年的研究和商用經(jīng)驗(yàn)的積累， LLB、 WULFF 和 (FLS)3 個(gè)公司的各種煙氣循環(huán)硫化床脫硫工藝在最近幾年得到了很大發(fā)展，應(yīng)用業(yè)績(jī)大大增加。 據(jù)統(tǒng)計(jì)：到 2020 年底，已建成投用的有 50 多套，其中 LLB 公司的 CFB共 24 套、 Wulff 公司的 RCFB 共 16 套、 FLS 公司的 GSA 共 10 多套。在 50 MW 至300 MW 燃煤或燃油機(jī)組中，采用此種工 藝的約有 21 套。應(yīng)用于煙氣量大于 30萬 Nm3/h 最多的是 LLB 公司共 15 套，其次是 Wulff 公司共 2套， FLS 計(jì) 1 套。應(yīng)用機(jī)組容量最大的是 Wulff公司，即 2020年初投入試運(yùn)行的 300 MW燃油機(jī)組，其單塔最大處理煙氣量為 95萬 Nm3/h［ 5］。 4 系統(tǒng)布置 在場(chǎng)地緊缺的現(xiàn)有機(jī)組和新建機(jī)組建設(shè)脫硫工程時(shí)，煙氣循環(huán)流化床脫硫工藝是可供選用的、有效的脫硫方案之一。其主要原因是該工藝結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、設(shè)備布置緊湊、且可利用現(xiàn)有的設(shè)備如煙囪、除塵器等，占用場(chǎng)地僅為濕法工藝的 30%～ 40%。 采用煙氣循環(huán)流化床脫硫工藝的脫硫系統(tǒng)在電廠的布置方式主要有 5種： (1) 反應(yīng)塔布置在鍋爐和鍋爐 /脫硫除塵器之間 (指捕集鍋爐原煙氣中的煙塵，同時(shí)又捕集脫硫副產(chǎn)物 )。采用這種方式時(shí)，必須新建鍋爐引風(fēng)機(jī)或改造現(xiàn)有的鍋爐引風(fēng)機(jī)。 (2) 反應(yīng)塔布置在電廠原有的鍋爐除塵器的上游，在鍋爐和原有鍋爐除塵器之間。原有鍋爐除塵器在必要時(shí)應(yīng)進(jìn)行改造，并新建鍋爐引風(fēng)機(jī)或改造現(xiàn)有的鍋爐引風(fēng)機(jī)。 (3) 反應(yīng)塔布置在鍋爐除塵器 (指捕集鍋爐原煙氣中煙塵的除塵器 )和新建的脫硫除塵器之間，并在反應(yīng)塔前增加脫硫風(fēng)機(jī) ； (4) 反應(yīng)塔和新建的脫硫除塵器 (指捕集脫硫副產(chǎn)物專用的除塵器 )均布置在煙囪之后，并在新建的脫硫除塵器后增加脫硫風(fēng)機(jī)。 (5) 反應(yīng)塔和新建的脫硫除塵器均布置在鍋爐房的頂部，并在新建的脫硫除塵器后增加脫硫風(fēng)機(jī)［ 5］。 5 技術(shù)評(píng)價(jià) 技術(shù)特點(diǎn) (1) 脫硫效率高：在鈣硫比為 ～ 時(shí)，脫硫效率可達(dá) 90%以上，是目前各種干法、半干法煙氣脫硫工藝中最高的，可與濕法工藝相媲美； (2) 工程投資費(fèi)用、運(yùn)行費(fèi)用和脫硫成本較低，為濕法工藝的 50%～ 70%。 (3) 工藝流程簡(jiǎn)單，系統(tǒng)設(shè)備少，為濕法工藝的 40%～ 50%，且轉(zhuǎn)動(dòng)部件少，從而提高了系統(tǒng)的可靠性，降低了維護(hù)和檢修費(fèi)用； (4) 占地面積小，為濕法工藝的 30%～ 40%，且系統(tǒng)布置靈活，非常適合現(xiàn)有機(jī)組的改造和場(chǎng)地緊缺的新建機(jī)組。 (5) 能源消耗低，如電耗、水耗等，為濕法工藝的 30%～ 50%。 (6) 能有效脫除 SO氯化物和氟化物等有害氣體，其脫除效率遠(yuǎn)高于濕法工藝，達(dá) 90%～ 99%，因而對(duì)反應(yīng)塔及其下游的煙道、煙囪等設(shè)備的腐蝕性較小，可不采用煙氣再熱器，對(duì)現(xiàn)有的煙 囪可不進(jìn)行防腐處理，直接使用干煙囪排放脫硫煙氣。 (7) 對(duì)鍋爐負(fù)荷變化的適用性強(qiáng)，負(fù)荷跟蹤特性好，啟停方便，可在 30％負(fù)荷時(shí)投用，對(duì)基本負(fù)荷和調(diào)峰機(jī)組均有很好的適用性。 (8) 對(duì)燃煤硫分的適應(yīng)性強(qiáng)，可用于 %～ %的燃煤硫分。且應(yīng)用于中低硫煤時(shí) (＜ 2%)，其經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于濕法工藝。 (9) 無脫硫廢水排放，且脫硫副產(chǎn)品呈干態(tài)，不會(huì)造成二次污染，對(duì)綜合利用和處置堆放有利。 (10) 脫硫后煙塵既可用靜電除塵器，也可用布袋除塵器捕集。 (11) 已有 10 多年的運(yùn)行 經(jīng)驗(yàn)，工藝已成熟、可靠，且最大配套機(jī)組容量已達(dá) 300 MW。 (12) 在脫硫吸收劑中加入少量的鐵基催化劑，可脫除 60%～ 90%氮氧化物，具有脫硫脫氮一體化的發(fā)展?jié)摿Α? 存在的缺點(diǎn)和有待解決的問題 (1) 采用高品位的石灰作為吸收劑。 由于發(fā)達(dá)國(guó)家石灰工業(yè)發(fā)達(dá)，易得到高質(zhì)量的商品石灰，因此以石灰作為吸收劑不會(huì)有任何供應(yīng)上的問題。但我國(guó)石灰的供應(yīng)尚存在品位低、質(zhì)量不穩(wěn)定、供應(yīng)量不足、供應(yīng)源分布不均、價(jià)格過高等缺陷。 另外，石灰對(duì)人體有一定的危害，因此采用石灰作為吸收劑必須 保證系統(tǒng)有良好的密封性和安全措施，否則會(huì)給電廠的安全文明生產(chǎn)和工業(yè)衛(wèi)生達(dá)標(biāo)帶來困難。 (2)脫硫副產(chǎn)品的綜合利用。 本工藝的脫硫副產(chǎn)品中含有一定量的亞硫酸鈣。亞硫酸鈣的化學(xué)性能不穩(wěn)定，在自然環(huán)境下會(huì)逐漸氧化為硫酸鈣，同時(shí)體積會(huì)增大，將有可能影響原粉煤灰的綜合利用。如要保持原粉煤灰的綜合利用，則脫硫系統(tǒng)必須布置在鍋爐除塵器之后，且必須增設(shè)用于捕集脫硫副產(chǎn)品的脫硫除塵器。 目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)脫硫副產(chǎn)品的綜合利用已積累了不少經(jīng)驗(yàn)，新的利用途徑也正在開發(fā)之中。 (3) 系統(tǒng)的壓力降較大 (1 500～ 2 500 Pa)。 一般現(xiàn)有電廠引風(fēng)機(jī)的壓頭裕量難以克服如此大的壓降，需要增加新的脫硫風(fēng)機(jī)。高的壓力損失還將使得運(yùn)行費(fèi)用有所增加。 (4) 反應(yīng)塔的壓力降波動(dòng)較大。由于反應(yīng)塔內(nèi)大量物料不斷地湍動(dòng)，因此反應(yīng)塔的壓力降有較大波動(dòng)，對(duì)鍋爐爐膛負(fù)壓的穩(wěn)定性有一定影響。如將脫硫增壓風(fēng)機(jī)設(shè)置在脫硫系統(tǒng)上游，可適當(dāng)減小影響［ 3］。 6 經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià) 以新建 100 MW 燃煤機(jī)組、脫硫設(shè)備全部考慮進(jìn)口為基礎(chǔ)，對(duì) CFB、 RCFB和 GSA 3種煙氣循環(huán)流化床脫硫工藝與石灰石石膏濕法拋棄工藝的經(jīng)濟(jì)比較 見表 1。 表 1 4種脫硫工藝經(jīng)濟(jì)比較的基本參數(shù) 項(xiàng) 目 CFB RCFB GSA 濕法拋棄 機(jī)組容量 /MW 100 100 100 100 處理煙氣量萬 /Nm3178。h 1 45 45 45 45 燃煤硫分/% 3 3 3 3 鈣硫比 ≤ ≤ ≤ ≤ 脫硫效率 /% 90 90 90 90 反應(yīng)塔出口溫度 /℃ 70～ 75 70～ 75 70 70～ 75 循環(huán)灰量 /kg178。Nm 3 1 1 1 / 電耗 /(kW178。h)178。h 1 480 450 540 1 550 水耗 /t178。h 1 20 20 29 45 吸收劑消耗 /kg178。h 1 3 452 3 452 3 186 4 696 設(shè)計(jì)壽命 /a 20 20 20 20 年運(yùn)行時(shí)間 /h 6 500 6 500 6 500 6 500 表 2 列出 4種脫硫工藝的 5 個(gè)主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，即工程總投資、單位容量投資、年運(yùn)行成本、壽命期內(nèi)脫除 SO2 的成本和因脫硫增加電價(jià)的具體數(shù)值。由表 2可見，在機(jī)組容量、燃煤狀況、脫硫效率等技術(shù)參數(shù)基本相同的情況下，3種煙氣循環(huán)流化床脫硫工藝的經(jīng)濟(jì)性基本相同，且均優(yōu)于石灰石石膏濕法拋棄工藝［ 5］。 表 2 4種脫硫工藝的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)及比較 項(xiàng) 目 CFB WCFB GSA 濕法拋棄 工程總投資 /萬元 3 500 3 400 3 800 5 802 單位容量投資 /元 178。(kWh) 1 350 340 380 年運(yùn)行費(fèi)用 /萬元 1 079 1 039 1 098 1 766 壽命期內(nèi)脫除 SO2 的成本 /元 178。t 1 727.5 1 脫硫增加電價(jià) /元 178。(kWh) 1 3 0 5 0 工程總投資或單位容 量投資 5 1 脫除 SO2 的成本或脫硫增加電價(jià) 2 1 由表 2可見，煙氣循環(huán)流化床脫硫工藝的工程投資和脫除 SO2 的成本均為濕法拋棄工藝的 60%～ 70%。幾種脫