火电厂烟气脱硫工艺技术研究及其工程应用.doc

1、全 国 电 力 行 业 脱 硫 脱 硝 技 术 协 作 网 暨 技 术 研 讨 会 论 文 集1火电厂烟气脱硫工艺技术研究及其工程应用江苏苏源环保工程股份有限公司 孙克勤 沈凯摘 要 ：结 合 工 程 应 用 对 自 主 开 发 的 石 灰 石 石 膏 湿 法 烟 气 脱 硫 系 统 工 艺流 程 以 及 工 艺 特 点 进 行 介 绍 ，对 该 技 术 运 行 调 试 过 程 的 关 键 环 节 以 及运 行 优 化 进 行 了 重 点 阐 述 ，并 结 合 现 场 试 验 数 据 将 该 技 术 与 引 进 的 同类 技 术 从 工 艺 和 运 行 两 个 方 面 进 行 了 全 面 的

2、比 较 ，结 果 表 明 该 技 术 在技 术 经 济 指 标 、运 行 消 耗 、系 统 的 可 控 性 等 多 个 方 面 均 优 于 其 它 同 类 技术 ，技 术 可 靠 并 已 实 现 大 规 模 的 工 程 应 用 ，该 工 艺 和 系 统 是 实 现 火 电 厂烟 气 脱 硫 系 统 建 造 低 成 本 、运 行 低 消 耗 这 一 目 标 的 有 效 途 径 和 可 靠 的技 术 保 障 。1、引言火电厂烟气脱硫技术在国外历经数十年的发展与应用，已经十分成熟，并形成了数种具有代表性的脱硫工艺，如石灰石石膏湿法烟气脱硫工艺、海水脱硫工艺、炉内喷钙尾部增湿工艺、干法烟气脱硫工艺、循

3、环 流化床（CFB ）脱硫工艺以及电子束法脱硫工艺等等 1。目前我国已进入火电厂烟气脱硫的高峰期，据中国电力企业联合会统计，截止到 2005 年底，建成投产的烟气脱硫机组容量达到 5300 万千瓦，正在建设的烟气脱硫机组容量超过 1 亿千瓦。在已投产的脱硫机组中，石灰石石膏湿法烟气脱硫工艺占到已投产机组容量的 92.7%，成 为全 国 电 力 行 业 脱 硫 脱 硝 技 术 协 作 网 暨 技 术 研 讨 会 论 文 集2我国烟气脱硫领域的主流工艺 2。“十一五”期间，国家要求加大具有自主知识产权的烟气脱硫工艺的开发力度和产业化程度，为具有自主知识产权的烟气脱硫技术提供了广阔的发展空间。针对我

4、国火电机组特点，江苏苏源环保工程股份有限公司自主开发了 OI2-WFGD 烟气脱硫技术，形成了具有知识产权的核心工艺包。OI 2-WFGD 脱硫技术在工艺系统以及装置关键环节的优化方面具有显著的特色，并已实现了大规模的工业应用，在技术经济指标、运行消耗、系 统的可控性等多个方面均优于其它同类技术，该工艺系统是火电厂烟气脱硫系统建造低成本、运行低消耗这一目标的有效途径和可靠的技术保障。2、OI 2-WFGD 工艺技术特点OI2-WFGD 烟气脱硫技术属于典型的石灰石石膏湿法烟气脱硫工艺，脱硫 剂为石灰石(CaCO 3)与水配制的悬浮浆液, 石灰石由于其良好的化学活性及低廉的价格因素而成为目前世界

5、上湿法脱硫广泛采用的脱硫剂制备原料。SO 2 与石灰石反应后生成的亚硫酸钙, 就地强制氧化为石膏，石膏经二级脱水处理可作为副产品外售。2.1 OI2-WFGD 工艺布置与流程本技术烟气脱硫采用传统的单回路喷淋塔工艺, 将含有氧化空气管道的浆池直接布置在吸收塔底部, 塔内上部设置三或四层喷淋 3。从锅炉来的原烟气中所含的 SO2 通过石灰石浆液的吸收在吸收塔内进行脱硫反应，脱硫效率不小于 95，处理 100的烟气，生成的亚硫酸钙悬浮颗粒，通过强制氧化在吸收塔浆池中直接氧化生成石膏颗全 国 电 力 行 业 脱 硫 脱 硝 技 术 协 作 网 暨 技 术 研 讨 会 论 文 集3粒。其它同样有害的物

6、质如飞灰，SO 3，HCl 和 HF 大部分含量也得到去除。工艺布置可采用一炉一塔或两炉一塔布置方案。两炉一塔工艺布置方案中两台锅炉来的原烟气由烟道汇合引出，经一台升压风机增压后, 送至烟气换热器（回 转再生式气气换热器,简称 GGH）。原烟气温度降至系 统要求的范围 后,随即进入吸收塔，进行脱硫。脱硫后的净烟气经除雾器，再返回至 GGH 进行加热，温度加至 80以上，通过烟囱排放至大气。其原则性系统图如图 1 所示。图 1 两炉一塔方案原则性工艺流程一炉一塔方案为单元制，每台锅炉来的原烟气经各自的升压风机增压后，分 别送至各自的烟气换热器（回转再生式气气换热器,简称GGH）。随即 进入对应

7、的吸收塔， 进行脱硫。脱硫后的 净烟气经除雾器，再返回至 GGH 进行加 热，温度加至 80以上，通过烟囱排放至大气。其原则性系统图如图 2 所示。全 国 电 力 行 业 脱 硫 脱 硝 技 术 协 作 网 暨 技 术 研 讨 会 论 文 集4图 2 一炉一塔方案原则性工艺流程对于采用了衬钛等防腐措施的钢制烟囱也可取消 GGH,烟气系统得以简化，系 统运行的可靠性以及故障率得以较大幅度的减少。脱硫剂石灰石磨制成粉后，通过制浆装置配成 30%的浆液通过石灰石浆液泵不断地补充到吸收塔内。脱硫副产品石膏通过石膏排出泵从吸收塔浆液池抽出，输送至石膏旋流站( 一级脱水系统)，经过一级脱水后的底流石膏浆液

8、其含水率约为 50%左右，直接送至真空皮带过滤机进行过滤脱水。石膏被脱水后含水量降到 10以下。在第二级脱水系统中还对石膏滤饼进行冲洗以去除氯化物，保证成品石膏中氯化物含量低于 100ppm,以保证生成石膏板或用作生产水泥填加料（掺合物）优质原料（石膏处理系统共用）。通常可考虑石膏旋流器和真空皮带机系统采用两套，当燃用设计煤种时，系统一运一备。当燃用校核煤种时，两套系统全部投运。2.2 OI2-WFGD 工艺优化在石灰石石膏湿法烟气脱硫系统中，脱硫效率、液气比、Ca/S全 国 电 力 行 业 脱 硫 脱 硝 技 术 协 作 网 暨 技 术 研 讨 会 论 文 集5比、石膏含水率、电耗、水耗、系

9、统阻力等重要的工艺技术参数以及经济指标体现了烟气脱硫系统工艺优化的程度与运行水平的高低。为了实现先进的技术经济指标，相比较同类技术，OI 2-WFGD 烟气脱硫技术在几个方面进行了独创性的工艺优化。1) 吸收塔系统吸收塔系统是整个脱硫系统的核心，影响吸收塔性能的主要因素包括气液接触耦合方式，吸收塔浆液池的气氛控制等多个方面，为防止设备结垢、堵塞等现象的发生，保证烟气脱硫装置及主机系统的正常运行，在国内外的脱硫工程中，吸收区普遍采用空塔喷淋的方式，即烟气与浆液逆向接触，烟气中的 SO2 向吸收剂浆液中扩散传质，其吸收反应速度及效率取决于烟气与浆液的相对速度，接触面积，停留时间等多种因素，而这些因

10、素之间又相互制约和牵制。目前国内外同类技术普遍采用的解决上述问题的方法是在各种因素中寻求一种平均化的折中，即忽略吸收塔各不同截面及截面不同部位分布的差异性，在一维假设的基础上寻求相对速度，接触面积及停留时间等的优化。这种看似“平均化 ”最优 的处理方案必然导致 资源(吸收剂) 的局部过剩和局部不足，从而在同等的能耗下不能充分发挥吸收塔应有的潜能，或在达到同等效能下消耗过多的资源。本技术吸收塔按照逆流式喷淋空塔设计，其特点是烟气在喷淋区自下而上流过，与吸收浆液呈 180逆流接触。为了使汽液相对速度达到最优，汽液接触面积达到最大，从而使传质效能最大化，本技术提出了 FGD 吸收塔吸收区汽液耦合平衡

11、设计 理论 4，相比较传统的均全 国 电 力 行 业 脱 硫 脱 硝 技 术 协 作 网 暨 技 术 研 讨 会 论 文 集6一化的空塔结构，该方法对各截面及截面的各个不同区域吸收剂分布进行差异化设计，在达到同等性能的情况下有效地降低了能耗，或在同等能耗下达到最大效能。图 3 气液耦合设计理论原理图 3 所示为本设计理论原理图，分别为空塔即没有喷淋的时候、传统的均匀喷淋的结果及本技术所提出的专利气液耦合设计理论。可以看出，在没有 喷淋的时候，在 这个区域自然形成一个很大的旋涡，而随着 喷淋的加入，旋涡逐渐变小，除雾器前沿的速度也逐渐变得均匀。通常除雾器要达到一定的除雾效果，对来流的速度分布及速

12、度最大值有一定的要求。当均匀喷淋时，其速度偏差在 40%左右，在这个区域旋涡变小，但还有一定的回流存在。而本技术对吸收塔各截面及截面的各个不同区域吸收剂分布的差异化设计，使除雾器前沿的速度分布趋于均匀，其偏差在 15%左右。从而容 许有更大的空塔流速。吸收塔阻力降低 10%，(按 1 台 600MW 机组计) 系统电耗降低5%，年 节电达 200 万度。吸收塔的吸收剂浆液池集 CaSO3 氧化、石膏结晶、石灰石溶解和向喷淋吸收系统提供吸收剂浆液等功能为一身。但是，这几项功能对全 国 电 力 行 业 脱 硫 脱 硝 技 术 协 作 网 暨 技 术 研 讨 会 论 文 集7于浆液 pH 值的要求是

13、不一致的：为了提高 CaSO3 氧化、石膏结晶和石灰石溶解的效率希望浆液的 pH 值较低，而为了提高吸收剂浆液对SO2 的吸收能力 则要求浆液的 pH 值较高。目前国内外同 类技术公知的 解 决 上 述 矛 盾 的 方 法 是 在 两 种 要 求 之 间 寻 求 折 中 ，结 果 必 然 是 仅 仅在 某 种 程 度 上 同 时 符 合 了 两 方 面 的 要 求 ，但 两 个 方 面 又 同 时 做 出 了 牺牲 。为了克服现有方法存在的问题，本技术提出了烟气脱硫吸收塔浆液池气氛控制装置的设计方法(图 4)，该技术可以在吸收塔浆液池中按照烟气脱硫系统工艺的要求对浆液气氛进行控制，提供同时满足

14、上述两方面要求的浆液气氛环境。其设计思想为：在由搅拌器引起的浆液旋转方向上，合理地布置石灰浆液进口、循环泵接口、石膏浆液排出口的位置，同时在石灰浆液进口、循环泵接口处布置隔离板对新鲜石灰浆液的扩散和混合进行分配、引导，使得在该局部形成一个气氛不同的特殊区域，以满足吸收剂对 pH 值的要求。而 该区域之外的浆液空间则仍保持 pH 值较低的气氛，以满足 CaSO3 氧化、石膏结晶、石灰石溶解的需要。从而可以针对浆液池的不同功能提供各自所需的气氛环境，提高生产能力，降低能耗提高系统对扰动响应速度数十倍，(按 1 台 600MW 机组计 )降低循环泵电耗 10%，年节电达 125 万度。全 国 电 力

15、 行 业 脱 硫 脱 硝 技 术 协 作 网 暨 技 术 研 讨 会 论 文 集8(a)传统 FGD 吸收塔浆液气氛控制系统 (b)本项目设计技术图 4 烟气脱硫吸收塔浆液池气氛控制装置的设计技术采用以上两项核心工艺技术优化方法后，以一台 600MW 烟气脱硫机组为例，首先判断外部扰动对吸收塔性能的影响，烟气负荷由 50%增至 100%。根据 pH 值监测数据，以及烟气负荷数据，可得出吸收塔在烟气负荷扰动条件下的动态响应曲线。原烟气 SO2浓度监测曲线如图 5 所示。可以看出在测试阶段 SO2浓度基本稳定在16001700mg/Nm3 左右。烟气负荷扰动为唯一扰动量。图 5 原烟气 SO2浓度

16、根据测试可得到吸收塔 pH 值在烟气扰动条件下的动态响应曲线，如图 6 所示。由 图 6 中可以看出 pH 值随烟气量的增加出 现了较为明显的下降。根据控制系统建模方法以及该对应的动态响应曲线，全 国 电 力 行 业 脱 硫 脱 硝 技 术 协 作 网 暨 技 术 研 讨 会 论 文 集9可以通过计算求出吸收塔特性参数 pH 值的动态响应模型， 进而得出烟气干扰通道下的吸收塔对象动态模型以及对应的传递函数为。吸收塔为具有自平衡能力的一阶滞后环节，具有良好的Ts1KeW抗干扰能力和可控性，有利于实现主要参数的自动调节，同时从响应特性可以看出系统堆扰动响应及时迅速，同时过渡过程时间短，能够在短时间

17、内迅速达到稳定，系统稳定性好，不易受外界扰动影响。图 6 pH 值动态响应曲线测试说明，在经过以上两项吸收塔系统核心工艺优化后，吸收塔性能得到了较大的提高，塔内气液接触充分，传质效果好，反应迅速充分，从而使系统调节性能增强，对扰动响应及时，并可迅速达到稳定。浆池内 pH 值参数稳定，提供了良好的 CaSO3 氧化、石膏结晶反应气氛，吸收塔系统性能优化效果明显。2) 烟气系统目前石灰石/石膏湿法烟气脱硫中吸收塔塔顶采用圆台/ 锥形结构，烟道截面则采用长方形结构，这种设计及布置方法耗材很多但整体刚度不强，通常在其塔顶需加设大量的加强结构以提高其刚度，从而 进一 步 增 加 了 设 备 重 量 ，对

18、 承 载 不 利 ；塔 顶 出 口 烟 道 很 长 ，且 支 撑 结 构 复 杂 、全 国 电 力 行 业 脱 硫 脱 硝 技 术 协 作 网 暨 技 术 研 讨 会 论 文 集10笨 重 ；不 利 于 流 场 均 布 ，影 响 换 热 器 的 工 作 效 能 ，且 压 损 过 大 5。因此本本技术提出了“烟气脱硫组合式烟道” 的设计理论优化烟道的工艺布置，采用出口烟道代替塔体的一部分，从而将出口烟道与塔体组合为一个整体，结构紧凑，为除雾器移至塔外节省了空间，除雾器得以合情合理地移至塔外。出口烟道的形式与尺寸可根据工艺与烟气流场分布的要求来优化确定，而不必完全受限于吸收塔筒体。另外，位于塔体内

19、的出口烟道为竖直段，有利于减少水分的夹带和凝积，减小位于其后的除雾器的负荷。该组 合式结构不但结构紧凑，烟道出口高度降低，烟气流场分布趋于合理，而且有利于截留净烟气中的水分，也为除雾器移至塔外烟道上安装创造了有利条件。其典型应用工程为国华太仓2600MW 烟气脱硫工程。由于各个电厂的布置条件各不相同，在对“组合式吸收塔及烟道”进行研究发展的同时，有必要对“垂直气流逆流式喷淋空塔” 进行进一步探究，优 化其设计理论，满足特定电厂的个性化需求。这一阶段的吸收塔设计以江苏盐城电厂 2150MW 机组 烟气脱硫工程为代表。其核心思想为：优化了吸收塔进出口烟道，提出了象鼻型出口烟道的理念，简化了 附属的

20、土建设施。如图 7 所示。全 国 电 力 行 业 脱 硫 脱 硝 技 术 协 作 网 暨 技 术 研 讨 会 论 文 集11图 7 象鼻型出口烟道该工艺优化方法依照烟气速度分布的规律来布置烟道的走向，依照等阻力的原则设置烟道流线形状，并尽可能的使烟道最短，支撑结构最为经济。在结构上，吸收塔筒体的下端固定在吸收塔基础上，吸收塔筒体的上端与圆形弯管相接，圆形弯管的另一端通过出口膨胀节与出口烟道相接构成象鼻型出口烟道，出口烟道的下端与气气换热器相接。该 工艺优化有效地提高烟气的流场分布效果，提高下游换热器设备的工作效能；降低了压力损失，从而降低了整个脱硫系统的能耗；减少了钢材耗量，提高了吸收塔及其出

21、口烟道的整体稳定性，简化了支撑结构。3) 脱水系统目前通常石膏脱水及石灰石浆液输送系统工艺流程中，吸收塔至石膏脱水系统的管路通常设置一回吸收塔的回流管路，用于确保当吸收塔排出石膏负荷高于脱水系统负荷时将部分石膏浆液送回吸收塔内。由此带 来了一个问题，即当石膏浆液负荷基本匹配时，水平布置的石膏回流管路内容易产生堵塞以及沉积，因此在选择石膏排出泵时必须考虑留出相当一部分的裕量用于维持回流管路内的浆液流动。全 国 电 力 行 业 脱 硫 脱 硝 技 术 协 作 网 暨 技 术 研 讨 会 论 文 集12本技术对石膏回流管路进行了优化，通过调整脱水系统布置高度，使石膏回流管路改水平布置为垂直布置，因此

22、石膏浆在回流管路中由于重力的作用会自动回流至吸收塔内，不会产生沉积堵塞等问题，同时在石膏排出泵的选型中也无需考虑石膏回流的裕量，使得石膏排出泵电耗明显降低，运行成本大大下降。3、OI 2-WFGD 工程应用截止 2005 年底，本项目技术已应用于全国 12 个电厂的 12 个烟气脱硫工程中，脱硫工程机组容量已达到 6185MW，其中已投产脱硫机组容量达到 3815MW。以太仓环保电厂一二期（2135MW2300MW）烟气脱硫工程为例，本工程烟气脱硫采用 传统的单回路喷淋塔工艺，工艺布置采用两炉一塔方案。太仓港环保电厂一期、二期烟气脱硫工程分别自 2004 年 9 月 5日及 2004 年 12

23、 月 27 日通过 168 小时试运行后及投入商业运行。系统投运以来，始终保持较高的投入率。系统保持了很高的运行时数，装置可用率达到 98以上。各项技术指标均超过设计值。由于燃用煤种为硫分较低的神华煤全硫平均水平在 0.45左右，多数情况下，只投用 2 台浆液循环泵即可达到的脱硫效率。一年半以来，一、二期烟气脱硫工程运行平均钙硫比达到设计值，小于 1.03，折算平均脱硫效率达到设计值，大于 95%的保证值。石膏 纯度平均达到 96以上，含水率始终保持在 10以下。各项性能指标均达到或超过设计要求，取得了显著的综合效益，具体性能指标如表 1 所示。表 1 太仓一、二期烟气脱硫工程主要性能指标全

24、国 电 力 行 业 脱 硫 脱 硝 技 术 协 作 网 暨 技 术 研 讨 会 论 文 集13太 仓一期 2135MW 太 仓二期 2300MW 实测 设计 实测 设计效率 96.4% 95% 97.1% 97%Ca/S 1.02 1.03 1.02 1.03可用率 98% 95% 98% 95%石膏含水率 6.1% 10% 9.6% 10%石膏纯度 92.0% 90% 90.5% 90%分系统优良率 98% 100%工期 9 月 20 天 10 个月自控投入率 90% 90%保护投入率 100% 100%达标情况 达标 达标太仓一期 2135MW 脱硫工程总建设周期仅 9 个月零 20 天，

25、创下了国内乃至国际烟气脱硫工程建设周期的最短记录。该工程被江苏省环保产业协会评为“2004 年江苏省优秀环 保工程” 。各 项 工 程 建 设指 标 均 达 到 国 际 先 进 水 平 ，建 设 过 程 共 进 行 四 级 项 目 验 收 ，所 有 项目 全 部 合 格 ，验 收 优 良 率 为 98%100%，安 装 验 收 优 良 率 100%。分系 统 测 试 优 良 率 100%，脱 硫 效 率 达 到 设 计 标 准 。图 8 分 别 为 已 实 施的 脱 硫 工 程 全 景 。全 国 电 力 行 业 脱 硫 脱 硝 技 术 协 作 网 暨 技 术 研 讨 会 论 文 集14图 8

26、太 仓港环保发电一、二期烟气脱硫工程太仓港环保发电一、二期烟气脱硫工程作为国家发展改革委组织的首批两个后评估试点脱硫工程之一于 2005 年底通过了专家组的考核，认为： 太仓一二期工程经过一年以上商业化运行，脱硫装置运行可靠，一、二期脱硫效率分别达到 97%、98%，均超过脱硫效率保证值 95%，石膏全部被综合利用，环保效益明显。 脱 硫 装 置 对 含 硫 量 有 较 强 适 应 能 力 ，在 原 烟 气 SO2含 量 超 出 设 计 值时 设 备 亦 能 正 常 运 行 。一 期 在 入 口 二 氧 化 硫 浓 度 为 1693mg/Nm3的工 况 下 ，开 3 台 浆 液 泵 ，脱 硫

27、效 率 达 97.12%；二 期 在 入 口 二 氧 化 硫 浓度 为 1464 mg/Nm3工 况 下 ，开 3 台 浆 液 泵 ，脱 硫 效 率 达 99.7%。 国产设备占实际设备总价 90.8%，主要设备 能够满足运行要求。浆液循环泵、GGH、磨煤机、真空皮带机、 浆液 衬胶管道等国产设备运行情况良好。 利用本自主技术建设的烟气脱硫工程在经过一年以上的连续运行后，各项指标与设备均处于优良的运行状态，系统运 行 稳 定 可 靠 ，利 用 率 高 ，达 标 性 强 。4、结语烟气脱硫工艺技术的优化是一个涉及范围广、影响因素多需要进全 国 电 力 行 业 脱 硫 脱 硝 技 术 协 作 网

28、暨 技 术 研 讨 会 论 文 集15行长期研究的问题。本文结合工程应用对自主开发的石灰石石膏湿法烟气脱硫系统工艺流程以及工艺特点进行介绍，对该技术运行调试过程的关键环节以及运行优化进行了重点阐述，并结合现场试验数据将该技术与引进的同类技术从工艺和运行两个方面进行了全面的比较，结果表明该技术在技术经济指标、运行消耗、系统的可控性等多个方面均优于其它同类技术。OI2-WFGD烟气脱硫核心工艺的成功应用，彻底打破国外在成套技术和关键工艺方面的垄断状态，成为火电厂烟气脱硫系统建造低成本、运行低消耗这一目标的有效途径和可靠的技术保障。并实现了关键工艺技术的可升级性，提高对国情的适应能力，促进了国内相关环保技术研究水平的提高和设备制造产业的发展。参考文献1 中国电力投资集团公司 . 中国燃煤电站脱硫和脱硝技术现状与发展A. 2004年学术年会电力分会场暨中国电机工程学会论文集C. 2004.2 中国电力企 业联合会. 中国火电厂烟气脱硫产业情况信息R. 2006. 7.3 孙克勤，张东平. OI2-WFGD 烟气脱硫技术介绍J. 电力环境保护，2004（3）:12-14.4 孙克勤. 烟气脱硫系统配置的优化J. 中国电力， 2003（2）:60-62.5 孙克勤，沈涛.烟气脱硫装置烟道精准 优化设计J. 水利电力机械，2005（1）:3-5.