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石灰石_石膏法烟气脱硫系统设计

来源：六九路网

・12・烟尘治理

　　　　　　　工业安全与环保

　　IndustrialSafetyandEnvironmentalProtection

　　　　　　　　September2009

2009年第35卷第9期

石灰石-石膏法烟气脱硫系统设计

惠远峰

(吉林化工学院环境与生物工程学院　吉林吉林132022)

　　摘　要　针对2×125MW机组的烟气量和烟气中含硫量,结合我国烟气脱硫的技术现状设计出1套较完备的烟气脱硫系统。设计的主要内容:吸收塔的类型,流程,确定了工艺中选用各子系统的处理流程、装置和设备。对所设计的烟气脱硫工艺进行了技术经济分析,最后得出总的结论,并提出了工艺中存在的主要问题和几点建议。　　关键词　湿式石灰石-石膏法　烟气脱硫　吸收塔　技术经济分析

DesignofFlueGasDesulpherizationSysteminLimestone-gypsumWetMethed

HUIYuan-feng(EnvironmentalandBiologicalEngineeringInstitute,JilinInstituteofChemicalTechnology　Jilin,Jilin132022)

Abstract　Accordingtotheamountofthefluegasandthedesurfurizationrequestof2×125MWunit,asetofadequateFGDsystemsisde2signed,combinedwiththeexistedFGDtechnicalstatusinournation.Thedesignmainlyincludesthetypeandflowoftheabsorberanditalsointroducesthemainequipmentofthedesurfurization,andthetypeandthediagramflowofallsystems.MeanwhiletheeconomicandtechnicalanalysisoftheFGDsystemisconducted.Finallyitisconcludedandthemainproblemsexistedandsomesuggestionsareraised.Keywords　limestone-gypsumwetmethod　fluegasdesulpherization　absorber　technicalandeconomicanalysis

　　随着我国经济的快速发展,煤炭消耗量不断增加,SO2的排放量也日趋增多,造成SO2污染和酸雨的严重危害。酸雨使得森林枯萎,土壤和湖泊酸化,植被破坏,粮食、蔬菜和水果减产,金属和建筑材料被腐蚀。空气中的SO2也严重地影响人们的身心健康[1],它还可形成硫酸酸雾,危害更大[2]。为了实现酸雨和SO2污染控制目标,要加快国产脱硫技术和设备的研究、开发、推广和应用。因此研究开发适合我国国情的烟气脱硫技术和装置,吸收消化国外先进的脱硫技术是当前的迫切任务[3]。

1　湿式石灰石-石膏法烟气脱硫概述1.1

从除尘器出来的烟气一般要经过1个热交换器,然后进入吸收塔,在吸收塔里SO2直接和磨细的石灰石浆液接触并被吸收去除。新鲜的石灰石浆液不断地加入到吸收塔底部的持液槽内,被冲洗后的烟气通过除雾器和换热器,然后通过烟囱排放到大气中。反应产物从塔中取出,然后被送去脱水进一步处理。其工艺特点是脱硫率高,≥95%,工艺成熟,适合所有煤种,操作稳定,操作弹性好,脱硫剂易得,运行成本低,副产物石膏可以综合利用,不会形成二次污染。但是工艺流程较长,投资较高。

脱硫原理　

利用石灰石粉料浆洗涤烟气,使石灰石与烟气中的SO2

反应生成亚硫酸钙,脱去烟气中的SO2,再将亚硫酸钙氧化反应生成石膏[4]。

烟气中的SO2在水中具有良好的溶解性,在其遇到雾滴

-时,分解为H+和HSO3-或SO2,与吸收液中的Ca2+反应生3

成CaSO3或Ca(HSO3)2,CaSO3极难溶于水,在这种化学推动力作用下,推动SO2进一步的溶解,发生连锁式反应。通过烟气中的SO2与吸收液的这种反应达到脱硫的目的。

1.2

1—换热器;2—除雾器;3—吸收塔;

4—循环泵;5—持液槽

图1　气液并流式填料塔湿法烟气脱硫工艺流程

　工艺说明

在现有的烟气脱硫工艺中,湿式石灰石-石膏洗涤工艺

石灰石-石膏烟气脱硫系统的构成　

烟气脱硫(FGD)装置采用高效的石灰石-石膏湿法工

最为成熟,运行可靠性最高,应用也最为广泛。湿式石灰石

-石膏洗涤工艺分为自然氧化和强制氧化2种,其主要区别

艺,整套系统由以下子系统组成:①SO2吸收系统;②烟气系统;③石灰石浆液制备系统;④石膏脱水系统;⑤供水和排放系统;⑥废水处理系统;⑦压缩空气系统[4]。

2.1

SO2吸收系统　

在于是否在吸收塔底部的持液槽中通入空气把亚硫酸钙氧化成石膏(CaSO4・H2O)。目前,强制氧化工艺已经成为优先选择的脱硫工艺。其典型流程如图1所示。

烟气由进气口进入吸收塔的吸收区,在上升过程中与石

・13・

灰石浆液逆流接触,烟气中所含的污染气体绝大部分被清洗入浆液,与浆液中的悬浮石灰石微粒发生化学反应而被脱除,处理后的净烟气经过除雾器除去水滴后进入烟道。

2.2

2.5

　供水和排放系统

(1)供水系统。从电厂供水系统引接至脱硫岛的水源,

提供脱硫岛工业和工艺水的需要。

工业水主要用户为:除雾器冲洗水及真空泵密封水,冷却水冷却设备后排至吸收塔排水坑回收利用。

工艺水主要用户为(不限于此):石灰石浆液制备用水,烟气换热器的冲洗水,所有浆液输送设备、输送管路、贮存箱的冲洗水。

工艺水/工业水进入岛内工艺水箱/工业水箱,通过工艺水泵/工业水泵、除雾器冲洗水泵分别送至FGD区域的每个用水点。系统内的配套管道及其测量和控制仪表。

(2)排放系统。FGD岛内设置一个公用的事故浆液箱,

　烟气系统

从锅炉来的热烟气经增压风机增压后进入烟气换热器

(GGH)降温侧,经GGH冷却后,烟气进入吸收塔,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。除去SOX及其他污染物的烟气经GGH加热至80℃以上,通过烟囱排放。

2.3

石灰石浆液制备与供给系统　

由汽车运来的石灰石卸至石灰石浆液制备区域的地斗,

通过斗提机送入石灰石贮仓(贮仓的容量按需要的石灰石耗量设计),石灰石贮仓出口由皮带称重给料机送入石灰石湿式磨机,研磨后的石灰石进入磨机浆液循环箱,经磨机浆液循环泵送入石灰石旋流器,合格的石灰石浆液自旋流器溢流口流入石灰石浆液箱,不合格的从旋流器底流再送入磨机入口再次研磨。

系统设置1个石灰石浆液箱,每塔设置2台石灰石浆液供浆泵。吸收塔配有1条石灰石浆液输送管,石灰石浆液通过管道输送到吸收塔。每条输送管上分支出1条再循环管回到石灰石浆液箱,以防止浆液在管道内沉淀。

脱硫所需要的石灰石浆液量由锅炉负荷、烟气的SO2浓度和Ca/S来联合控制,而需要制备的石灰石浆液量由石灰石浆液箱的液位来控制,浆液的浓度由浆液的密度计控制。

2.4

事故浆液箱的容量应该满足单个吸收塔检修排空时和其他浆液排空的要求,并作为吸收塔重新启动时的石膏晶种。

吸收塔浆池检修需要排空时,吸收塔的石膏浆液输送至事故浆液箱最终可作为下次FGD启动时的晶种。

事故浆液箱设浆液返回泵(将浆液送回吸收塔)1台。

FGD装置的浆液管道和浆液泵等,在停运时需要进行冲

洗,其冲洗水就近收集在各个区域设置的集水坑内,然后用泵送至事故浆液箱或吸收塔浆池。

2.6

　压缩空气系统

脱硫岛仪表用气和杂用气由岛内设置的压缩空气系统

提供,压力为0.85MPa左右。

按需要应设置足够容量的储气罐,仪用稳压罐和杂用储气罐应分开设置。贮气罐的供气能力应满足当全部空气压缩机停运时,依靠贮气罐的贮备,能维持整个脱硫控制设备继续工作不小于15min的耗气量。气动保护设备和远离空气压缩机房的用气点,宜设置专用稳压贮气罐。贮气罐工作压力按0.8MPa考虑,最低压力不应低于0.6MPa。

2.7

　石膏脱水系统

石膏脱水系统包括:石膏旋流站,真空皮带过滤机,滤布

冲洗水箱,滤布冲洗水泵,滤液水箱及搅拌器,滤液水泵,石膏饼冲洗水泵,废水旋流站给料箱,废水旋流站给料泵,废水旋流站,石膏输送机,石膏库。

(1)石膏旋流站和废水旋流站。浓缩到大约55%(质量

　脱硫废水处理系统工艺流程

脱硫废水→中和箱(加入石灰乳)→沉降箱(加入Fe2

分数)的旋流站的底流浆液自流到真空皮带脱水机,旋流站的溢流自流到废水旋流站给料箱,一部分通过废水旋流站给料泵送到废水旋流站,其余部分溢流到滤液水箱。废水旋流站溢流到废水箱,通过废水输送泵送到废水处理系统,底流进入滤液箱。

(2)真空皮带脱水机。设置2套容量为2台机组脱硫系

ClSO4和有机硫)→絮凝箱(加入助凝剂)→澄清池→清水pH

调整箱→达标排放。

上述工艺流程反应机理为:①脱硫废水流入中和箱,在中和箱加入石灰乳,水中的氟离子变成不溶解的氟化钙沉淀,使废水中大部分重金属离子以微溶氢氧化物的形式析出;②废水流入沉降箱中,在沉降箱中加入FeClSO4和有机硫使分散于水中的重金属形成微细絮凝体;③微细絮凝体在缓慢和平滑的混合作用下在絮凝箱中形成稍大的絮凝体,在絮凝箱出口加入助凝剂,在下流过程中助凝剂与絮凝体形成更大的絮凝体;④在澄清池中絮凝体和水分离,絮凝体在重力浓缩作用下形成浓缩污泥,澄清池出水(清水)流入清水箱内加酸调节pH值到6-9后排至后续的除氯处理系统。

统石膏总产量75%的脱水系统。真空皮带脱水机和真空系统按此容量设计。

石膏旋流站底流浆液由真空皮带脱水机脱水到含90%固形物和10%水分,脱水石膏经冲洗降低其中的Cl-浓度。滤液进入滤液水回收箱。脱水后的石膏经由石膏输送皮带送入石膏库房堆放。

石膏库房通过优化设计,使石膏运输车辆装料便于进行,不会对厂区环境造成污染。

工业水作为密封水供给真空泵,然后收集到滤布冲洗水箱,用于冲洗滤布,滤布冲洗水被收集到滤饼冲洗水箱,用于石膏滤饼的冲洗。

滤液水箱收集的滤液、冲洗水等由滤液水泵输送到石灰石浆液制备系统和吸收塔。

　确定脱硫方案的考虑因素

(1)高脱硫率。新的排放标准更为严格,因此脱硫装置

必须要保证一定的脱硫率。目前,优化设计的湿法装置脱硫率在95%以上;喷雾干燥工艺可达85%-95%;改进的LI2

FAC工艺可达80%;CFB工艺的不断优化,脱硫率可保持在90%-95%。

・14・

(2)高可用率。为保证锅炉的正常运行,维护发电系统

石灰石-石膏法烟气脱硫工艺系统尽管优点多,但系统复杂,在系统设计方面要充分进行优化选择,考虑设计参数宽裕度以及对锅炉本体影响等问题,往往由于设计不完善为后期系统的调试运行加大难度或达不到设计效果。

腐蚀问题是湿法脱硫中常见问题。石灰石石膏法脱硫系统中造成腐蚀的因素主要有烟气中硫化物、氯化物、烟温以及由于石灰浆黏性附着对管道的堵塞等。因此在设计中应考虑防腐措施。烟气脱硫系统的防腐措施很多,如用合金材料制造设备和管道、使用衬里材料、用玻璃纤维增强热固性能树脂、采用旁路热烟气调节等,究竟采取什么措施,需依燃煤成分、所采用的烟气脱硫系统类型及经济状况而定。

结垢和堵塞是湿法脱硫工艺中最严重的问题,可造成吸收塔、氧化槽、管道、喷嘴、除雾器甚至换热器结石膏垢。严重的结垢将会造成压损增大,设备堵塞,因此结垢是目前造成设备停运的重要原因之一。结垢主要包括以下几种类型:碳酸盐结垢,亚硫酸盐结垢,硫酸盐结垢。大量运行经验表明[3],前2种结垢通常可以通过将pH值保持在9以下而得到很好的控制。在实际运行中,由于pH值较低,且在浆液到达反应槽过程中亚硫酸盐达到一个较高的过饱和度,从而在石灰石/石灰系统中亚硫酸盐结晶现象难以发生,因此很少发生亚硫酸盐的结垢现象。然而对于硫酸盐而言,其结垢现象是难以得到有效控制的。防止硫酸盐结垢的方法是使大量的石膏进行反复循环从而使得沉积发生在晶体表面而不是在塔内表面上。5%的石膏就足以达到这个目的。为得到所需的5%石膏的一个办法就是采取控制氧化措施。当氧化率为15%-95%,钙的利用率低于80%范围时硫酸钙易结垢。控制氧化就是采用抑制或强制氧化方式将氧化率控制在<15%或>95%。抑制氧化通过在洗涤液中添加抑制

-化物质,控制氧化率低于15%,使浆液SO2浓度远低于饱4

的安全,脱硫装置应具有良好的可用率,基本上能与锅炉同步运行。目前成熟的湿法工艺和先进的CFB工艺等的制造商基本上都可以承诺大于99%的可用率。

(3)工艺流程简化,投资和运行费用降低。旧的烟气脱

硫装置不仅系统复杂、设备庞大,而且电耗大,使得投资和运行费用都很高。20世纪90年代初的经济分析表明,湿法脱硫系统的投资费用约占电厂总投资的15%以上,有的甚至高达20%;干法和半干法一般分别在7%和12%左右。随着烟气脱硫技术的发展,系统简化,设备精简,投资和运行费用也相应减少。20世纪90年代初湿法脱硫装置的报价是200＄/kW,而目前只有60-100＄/kW。

(4)同时脱硫脱硝及其他污染物。随着环保意识的增强

和技术的进一步发展,发达国家大气污染物排放控制的重点已转向氮氧化物及其他污染物的控制。现有措施是安装2套庞大的污染物治理装置,占地面积大,经济性较差。可以预计,同时脱硫脱硝及其他污染物(如汞、微细粉尘等)的设备必将成为未来的发展方向。4　系统技术指标及其分析4.1

　影响FGD经济性的因素燃煤电厂建设FGD是一项综合性、多学科、复杂的系统

工程,既直接与环境和经济问题有关,又间接地与社会问题有关。因此影响FGD经济性的因素很多,其中最主要的影响因素是:①FGD工艺的类型;②建设FGD的电厂和机组的状况;③现有机组FGD的改造因子。

4.2

　现有机组FGD的经济评价

在进行FGD的经济评价时,无论是新建机组还是现有

机组,采用的主要评价指标有工程总投资、单位容量造价、年运行费用、寿命期间脱除每tSO2的成本和售电电价的增加值5个指标[5]。

4.3

和浓度,生成的少量硫酸钙与亚硫酸钙一起沉淀。强制氧化则是通过向洗涤液鼓入空气,使氧化反应趋于完全,氧化率高于95%,保证浆液有足够的石膏晶种用于晶体成长。

　评价方法

现有机组FGD的经济评价是以新建机组经济评价得到

的经济指标为基础,在系统、全面地考虑FGD改造中各种经济性的因子后,根据电厂或机组的实际情况,结合相关的量化标准,对影响因子进行定量化后,然后计算出现有机组的改造因子,并利用改造因子对新建机组的经济指标进行修正,得到现有机组FGD的经济指标。

5　结论与建议5.1

小结　

在石灰石石膏脱硫系统设计中,对设备进行优化选择的

同时综合考虑诸如防腐、防堵等一些常见问题,不仅能达到良好的设计效果而且能使工艺得到进一步完善,为系统的正常稳定运行提供可靠保证。

参考文献

[1]郝吉明,马广大.大气污染控制工程.北京:高等教育出版社,2002.498-499.

[2]钟秦.燃煤烟气脱硫脱硝技术及工程实例.北京:化学工业出版

　结论

石灰石-石膏湿法烟气脱硫的研究始于20世纪初。30

多年来,石灰石-石膏湿法烟气脱硫这种传统工艺得到了不断的改进和完善,工艺流程也得到了不断的优化。实践证明,在避免结垢堵塞,防止腐蚀磨损,提高脱硫系统的性价比等方面取得了突破性进展。特别是最近10年,通过对FGD化学过程的深入认识,工程设计和操作控制技术不断进步,投资费用大大降低,系统可用率大幅度提高。目前,石灰石

-石膏湿法FGD技术已经进入成熟的商业化时期。5.2

社,2002.

[3]杨广贤.火电厂烟气脱硫脱硝技术应用与节能环保及国家强制性

条文.北京:中国环境科学技术出版社,2007.

[4]郭东明.脱硫工程技术与设备.北京:化学工业出版社,2007.[5]JulerK,Dam-JohansenK.Wetoxidationofresidualproductfromsprayabsorptionofsulphurdioxide.ChemEngSci,1994,49:4515-4521.

(收稿日期:2008-09-22)

　存在问题及建议

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