半干法脱硫工艺的影响因素分析
半干法脱硫工艺的影响因素分析Analysis of desulfurization efficiency and application of semi2dry desulfurization technique
张国鑫
(浙江钱清发电有限责任公司,浙江绍兴 310025)
摘要:介绍了半干法LIFAC脱硫工艺的特点及在浙江钱清发电有限责任公司的实际应用情况。通过对该工艺实际运行状况的分析和提高脱硫效率的试验,提出了将炉前喷射改为四角切圆喷射技术,从而达到较稳定的运行状态,并提高脱硫效率。半干法脱硫工艺具有投资少,占地面积小的优点,运行5年多来,已累计削减S O220396t,取得了良好的社会效益。
关键词:半干法;脱硫效率;应用;分析
Abstract:This paper introduce s and analyze s the feature s of semi2dry LIFAC de sulfurization technique and its application in Zhejiang Qianjiang Power Co.,Ltd.Through application analysis and various te st for improving de sulfurization effi2 ciency,it discusse s about the technique renovating the original jet in front of the furnace into the quadrilateral tangential circle jet and it reache s quite steady operational condition and raise s de sulfurization efficiency.This technique needs small inve stment and occupys small floor space.In the pa st five years,we have decrea sed the discharge of SO2by 20396t,which ha s provided precious experience for the application of semi2dry de sulfurization technique in power plant. K ey words:semi2dry technique;de sulfurization efficiency;application;analysis
中图分类号:X701.3 文献标识码:B 文章编号:1009-4032(2006)02-0004-04
浙江钱清发电有限责任公司总装机容量260 MW,其1号机组(125MW)在浙江省内首次采用半干法脱硫工艺,由芬兰FOT UM公司提供LIFAC系统设备,控制系统为小型DCS(DAMTIC X D)系统。脱硫系统主要包括:石灰石输送及喷射系统,活化反应器和旁路烟道系统、烟气再热系统、压缩空气与增湿系统、电除尘灰再循环系统、活化器底渣处理系统、电气系统及Damatic控制系统等。LIFAC脱硫吸收剂采用较稳定的CaC O3,贮运方便,运行成本低。
1 LIFAC工艺系统基本原理及特点
1.1 基本原理
LIFAC脱硫系统主要分为炉内喷钙和炉后增湿活化两部分。
炉内喷射系统是将磨细到325目的石灰石粉喷射进入锅炉900℃～1200℃区域,石灰石(CaC O3)在高温下迅速分解,产生脱硫吸收剂CaO,在锅炉水平及尾部烟道中与烟气中的S O3和少量的S O2反应。这一阶段的脱硫效率一般为15%～25%,在钙硫比为2.35时,CaO的利用率在20%左右。其主要化学反应为:
CaC O3→CaO+C O2(1)
CaO+S O2+1/2O2→CaS O4(2)
CaO+S O3→CaS O4(3)
炉后增湿活化是将未反应的CaO和烟气通过活化器顶部的雾化水区域,雾化水与CaO反应生成Ca(OH)2,增加了吸收剂对S O2气体的吸附性。烟气通过活化器的脱硫效率一般为40%～55%。其主要化学反应为:
CaO+H2O→Ca(OH)2(4)
Ca(OH)2+S O2→CaS O3+H2O(5)
CaS O3+1/2O2→CaS O4(6)
反应生成的脱硫底渣的主要成分为飞灰70%, CaS O3与CaS O4的总和约为12%,Ca(OH)2加CaO 约为13%。
1.2 工艺特点
该工艺的主要特点是:
(1)适用于燃煤硫分为0.6%～2.0%的锅炉烟气脱硫,在Ca/S为1.5～2.5时,采用干灰再循环和灰浆再循环系统,脱硫率可达65%～75%。
(2)与湿法FG D系统相比,LIFAC的设备投资费用低,运行费用省。
(3)系统占地面积较小,安装活化反应器时对锅炉运行的影响较小,因此,它适合于场地有限的老电
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厂改造。
(4)反应产物是干粉,没有泥浆或污水排放,且反应产物可以用作建筑和筑路材料。
(5)钙喷入炉膛易引起积灰;总的热损失约为0.4%,使得锅炉效率降低约1.0%;由于钙的喷入
及再循环,使粉尘量增大,对除尘器的性能要求更高,能耗增加。
2 影响脱硫效率的因素
钱清发电公司的LIFAC 脱硫系统自2000年2月运行至今已经5年多,期间,公司曾就如何提高系统脱硫效率进行了多项试验,针对存在问题进行了相应的改进,提高了系统的运行稳定性和脱硫效率。2.1 石灰石粉细度和纯度的影响 石灰石的粒径越小,比表面越大,对气固反应越有利,脱硫率也越高。脱硫剂粒径与脱硫率的关系见图1。
从图中可以看出,脱硫率随粒径减小而增加。
在相同Ca/S 情况下,石灰石粒径对脱硫率的影响很大。Ca/S 为2.0时,小于40μm 80%通过的脱硫率约为20%,而100%通过的粒径小于40μm 的脱硫率约为26%。可见,减小石灰粒径可以提高脱硫率。采用更小粒度的吸收剂可以提高脱硫效率,但过度
追求降低石灰石颗粒度,它的负面影响是消耗更多的磨机能耗并增大磨机的磨损,两者之间的经济性应有一个平衡点。2.2 喷粉量的影响
LIFAC 脱硫系统的设计Ca/S 为2.35,喷射到炉膛的石灰石粉量为4.31～5.75t/h 。
试验研究表明,钙硫比对脱硫率有很大影响,脱硫率随着石灰石的增加而提高。在125MW ,硫分为0.9时,需要的石灰石量约为4.2t/h 。当Ca/S 比为1.5时,脱硫率约为15%;Ca/S 比为2.0时,脱硫率在20%左右,图2为Ca/S 与脱硫率的关系。随着Ca/S 的提高,脱硫效率会有进一步的提升空间,但
是Ca/S 的提高会增加脱硫剂用量,吸收剂的利用率将会下降,从而提高运行成本。综合考虑经济性和环保要求,Ca/S 不宜过高。
在炉后活化部分,因为随着Ca/S 比增加,烟气中的脱硫剂浓度增加,雾化水滴捕到的脱硫剂总量相应增加,脱硫效率得以提高。但在喷水量保持不变的情况下,随着Ca/S 比增大,水钙比相应减小,脱硫剂的活化效率降低,使得脱硫效率升高速率减慢,钙利用率相应降低。2.3 C aCO 3分解温度的影响 CaC O 3分解温度在800℃～1200℃之间,最佳温度在850℃～900℃,温度太低不能分解,温度太高则引起石灰石烧结;炉膛温度的变化与负荷、煤种、单双磨有关。原设计石灰石的喷射位置不能自动调节,完全凭经验依靠手动调助推风的压力来调整,而且没有相关的调节依据,石灰石粉很难喷至最佳分解点;2001年对脱硫系统进行大修,将炉前上、下喷钙方式改成四角切圆喷钙方式,从测量到的石灰石喷嘴附近的温度来看,石灰石喷射点的温度在800℃～1000℃之间,达到了石灰石分解温度的要
求,石灰石粉在炉内的停留时间在0.4s 左右,实践证明,石灰石粉喷嘴安装位置是合适的。
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2.4 燃煤硫分的影响
燃煤硫分越高,烟气中的S O 2浓度越高,S O 2向CaO 表面扩散越快,CaO 能够更多、更快地转化为CaS O 4。
钱清发电公司现在采用多煤种掺烧的方式,各煤种硫分偏差较大;另外,设计煤种的硫分是0.9～1.2%,由于当前煤种的变化波动较大,当实际燃煤硫分低于0.9%时,相当于间接增加了钙硫比,造成排出的灰中含钙量太高,冲灰水的pH 值很高,用这种水来冲渣造成锅炉出渣结成硬块,冲渣管、渣浆管结垢严重;当实际煤种硫分高于1.2%时,增加石灰石粉的用量不仅会引起锅炉的一系列副作用,而且石灰石管道压力偏高,造成系统停运。所以,必须采用稳定的煤种,以确保脱硫系统稳定运行。2.5 排烟温度的影响 排烟温度越高,进活化器的烟气温度越高,需要的增湿水量越多,脱硫剂活性也随着增高,脱硫效率亦得到提高,活化器进口温度与脱硫效率的关系见图3。试验表明,烟温在100℃以上时,活化塔进口烟温每提高10℃,脱硫率提高5%～10%。如果使用暖风器来抬高排烟温度,则会影响锅炉的热效率,烟温每升高10℃,锅炉热效率下降0.4%。另外,控制空预器的漏风率也是保持烟温的关键。总之,排烟温度的高低直接影响炉后活化效果和脱硫效率
。
2.6 活化器底部温度的影响
活化器底部温度越低,烟气中Ca (OH )2的活性越强。一般活化器出来的烟气温度在55℃～60℃之间,降低温度是为了增加脱硫效率,限定温度则是为了防止低温腐蚀;温度低,活化器的喷水量就增大,灰的湿度加大,对链式输送机和仓泵影响较大。活化器底部温度与脱硫效率的关系见图4。
当前较先进的技术是控制增湿固硫装置出口烟温高于烟气露点温度5～10℃,钱清公司1号炉脱硫活化器底部烟气温度控制在55℃以上,脱硫率在
65%～80%。
2.7 灰再循环倍率的影响
为了充分利用脱硫灰中未反应完全的CaO 和Ca (OH )2,脱硫系统需要设置活化器的灰再循环系统,这样既可以提高吸收剂的利用率,从而降低石灰石的消耗,减少副产品的生成量,也改善了对S O 2的吸收。图5为浙江大学热能工程研究所干法实验台实验数据,显示灰循环倍率与脱硫效率的关系。从图可知,灰循环比对脱硫率有一定的影响,脱硫率随着灰循环倍率增加而增大,脱硫效率提高,
还可改善活化器的运行状况,消除结垢、减少结灰。
钱清公司设计的灰循环倍率为3.74(石灰石耗量5.08t/h ,灰循环量19t/h ),由于灰循环倍率较低,循环灰对于脱硫效率的提高并没有做出足够的贡献,因此,应该相应地提高灰循环倍率,从而提高
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整体脱硫效率。2.8 增湿水量、雾化水颗粒的影响 喷水活化是使喷入的增湿水雾与烟气中的CaO 颗粒相互碰撞,在水滴平均粒径大于脱硫剂平均粒径时,碰撞结果一般为水滴捕捉脱硫剂颗粒,形成水滴包裹CaO 颗粒的浆滴。在浆滴内,由于化学反应放出的热量和过量水的存在,CaO 迅速而完全发生消化反应,颗粒迸裂成更小的Ca (OH )2微粒。浆滴内的反应为液相离子瞬间反应,在CaO 过量的情况下,控制因素为S O 2气体向反应面的扩散传质过程。在浆滴内存在两个反应面:整体浆滴脱硫反应界面和围绕Ca (OH )2微粒的局部反应锋面。S O 2气体溶解到浆滴表面后进行电离反应,生成的S O 32-和HS O 3-离子向浆滴内扩散,而水合生成的Ca (OH )2
微粒在浆滴环境内首先发生电离反应,电离的Ca 2+
和OH -以Ca (OH )2微粒为核心向外扩散,在浆滴内的某一界面上发生离子反应,这个面就是整体反应界面。在整体反应界面外,则形成以Ca (OH )2微粒为核心的局部反应锋面。一般认为,较低饱和温度下脱硫效率变化明显的原因主要有:(1)
喷水量大,水滴捕捉的脱硫剂量将增大,形成更多的脱硫剂浆滴;(2)降低了水滴和浆滴的蒸发速率,延长了水滴和浆滴的存在时间。水滴存在时间延长后就可捕集更多的CaO 颗粒,提高CaO 活化效率;浆滴存在时间延长则使液相脱硫反应时间相应加长;(3)在水雾浓度较高的区域相对湿度较高,处于该区域内未被水滴捕捉的脱硫剂颗粒的脱硫活性会大大提高,其活化机理与蒸汽增湿活化机理相同,随着蒸汽的扩散使脱硫效率有明显的提升。但是ΔT 过低,容易引起活化反应器和后部烟道及烟囱内结露腐蚀。
图6是锅炉负荷与增湿水量的关系,随着锅炉
负荷的增加,增湿水量也在不断增加。由于随着锅炉负荷的增加,处理烟气量以及烟气温度均有所增加,为了达到一定的脱硫率,需加大增湿水量。
增湿水雾化喷嘴雾化颗粒的大小直接影响底渣输送机底部的灰量和湿度;通过雾化喷嘴技改,简化雾化喷嘴结构,不容易引起结灰,雾化空气的耗量也明显下降。按照雾化喷嘴特性,在一定雾化空气压力(0.38MPa )时,雾化喷嘴出口颗粒有82.55%在103μm 以下,活化器底部的灰量减少;但是在实际运行中我们发现,当雾化水压大于雾化空气压力时,灰的湿度增大,仓泵输灰困难。
3 效益分析
3.1 社会效益
钱清发电有限责任公司半干法脱硫系统自2000年2月运行以来,始终保持着较高的投运率和
脱硫效率,到2005年底已削减S O 2排放量20396t ,取得了较好的社会效益。3.2 年运行费用 在燃煤硫分为1.06%,100%负荷下,电耗724kW ,水耗21t/h ,石灰石纯度92%,实际石灰石用量
为3.8t/h ,通过综合计算,单位电量成本0.032元/(kW ?h ),减排S O 2成本为7.81元/kgS O 2(包括人工工资及折旧)。
4 结语
经过实际运行和技术改进后,浙江钱清发电有限责任公司LIFAC 脱硫系统的稳定性和脱硫效率有所提高。据有关方面测试,在设计钙硫比2.35的情况下,脱硫效率可达到75%,在设计脱硫率为65%的情况下,可降低喷钙量15%左右,系统设备运行仍然较稳定。
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收稿日期:2005211207;修回日期:2006202220
作者简介:张国鑫(19632),男,浙江嵊州人,工程师,主要从事电厂环保保技术监督和节能监督工作。
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