一种分类方法是根据吸收剂及脱硫产物在脱硫过程中的干湿状态将脱硫技术分为湿法、干法和半干(半湿)法。湿法FGD技术是用含有吸收剂的溶液或浆液在湿状态下脱硫和处理脱硫产物。该法具有脱硫反应速度快、设备简单、脱硫效率高等优点,但普遍存在腐蚀严重、运行维护费用高和易造成二次污染。干法FGD技术的脱硫吸收和产物处理均在干状态下进行。该法无污水废酸排出、设备腐蚀程度低、烟气在净化过程中无明显温降、净化后烟温高,利于烟囱排气扩散等优点,但脱硫效率低,反应速度较慢、设备庞大等问题。半干法技术兼有干法和湿法的一些特点。脱污酸硫剂在干状态下脱硫,在湿状态下再生,或者在湿状态下脱硫,在干状态下处理脱硫产物,尤其是后者,反应速度快脱硫效率高,又无污水排出。
另一种分类方法是以脱硫产物的用途为分类方法,分为抛弃法和回收法。
2 湿法FGD技术
根据脱硫工艺的不同又有很多种不同的工艺,常见的有石灰石/石膏法,海水法、氨法、双碱法、氢氧化镁或氧化镁、氢氧化钠法等。
2.1 石灰石/石膏法
该工艺使用氧化钙或碳酸钙浆液在湿式洗涤塔中吸收二氧化硫。
其典型的工艺主要包括烟风系统(烟道挡板、烟气再热器、增压风机等)、吸收系统(吸收塔、循环泵、氧化风机、除雾器等)、吸收剂制备系统(石灰石储仓、磨石机、石灰石浆液罐、浆液泵等)、石膏脱水及储存系统(石膏浆泵、水力旋流器、真空脱水机等)、废水处理系统及公用系统(工艺水、电、压缩空气等)
主要优点是其吸收剂资源丰富,成本低廉,其废渣可抛弃,也可作为石膏回收。高硫煤,效率可在90%以上,低硫煤,效率可在95%以上。
传统的工艺有其潜在的缺陷:主要表现为设备的积垢、堵塞、腐蚀和磨损。
2.1.1 CT-121FGD工艺
1971年,日本千代田公司开发了第一代脱硫工艺--CT-101工艺,它以含铁催化剂的稀硫酸做吸收剂、副产品为石膏。1976年,又开发了第二代烟气脱硫系统,这项技术将二氧化硫的吸收、氧化、中和、结晶和除尘等几个工艺过程合并在一个吸收塔内完成,这个吸收塔反应器就是这个工艺的核心,叫做喷射式鼓泡反应器。
工艺流程:来自锅炉的原烟气经增压风机增压后进入换热器,冷却后的烟气被引入到烟道的烟气冷却区域,在此区域喷入补给水和吸收液,使得烟气被冷却到饱和状态,之后进入反应塔入口舱,装在入口舱下层板的喷射管将烟气导入吸收塔鼓泡区的石灰石液面以下区域,在鼓泡区域发生如下反应:1二氧化硫的吸收2 亚硫酸盐发生氧化反应生成硫酸盐3 硫酸盐发生中和反应生成石膏4 石膏结晶并析出。干净的烟气经过除雾器、GGH后进入烟囱。
在石灰石脱硫工艺中,为提高效率并防止结垢,液气比越来越大,吸收液在塔外的循环量越来越多,造成投资和运行费用增加。
在反应区(包含液相主要部分),由于空气鼓泡与机械搅拌,使空气与液体充分接触。由于有悬浮的石膏晶体与足够的停留时间,可使石膏晶粒长至需要的大小。
在喷射鼓泡层中,气体塔藏量与浸入深度及释放气速有关,浸入越浅或者释放气速越快,则气体塔藏量越高。液体深度为100-400mm范围时,气体塔藏量为0 .5-0.7,在这些条件下,气泡相当于直径为3-20mm范围的球。
JBR的另一个重要特点是氧气和钙不断地被补充到起吸收作用的反应区和气泡层,因此二氧化硫的吸收、氧化和中和一并进行。由于强烈的氧化作用,在该反应器系统中只有硫酸根离子而没有亚硫酸根离子。
我国重庆长寿化工厂的35t/h锅炉上采用了CT-121烟气脱硫技术,锅炉烟气经过原有水膜除尘器后,通过排烟引风机进入鼓炮反应器JBR,排烟管道的JBR入口处为气体冷却器,烟气在这里被冷却,然后在JBR里被喷到吸收液中形成气泡层进行脱硫反应,经过脱硫后的烟气在除雾器中除雾后经烟囱排入大气,被吸收的二氧化硫直接有JBR下部吹入的空气及烟气中的氧气氧化,进而与电石渣反应,形成石膏结晶体。为使石膏浆液保持在一定范围内,部分吸收液从JBR中抽出,石膏则在石膏处理槽内自然沉淀分离。石膏处理槽分为三个,一个一个的切换,重复沉淀分离、脱水和石膏的移动。经过脱水的堆积石膏首先由斗式吊车送到附近的石膏堆放场,然后出厂。上清液经母液槽回收,并返回到JBR。JBR、除雾器及烟道均采用日本制作的增强玻璃纤维塑料管FRP。
广东国华台山发电厂的CT121系统主要由吸收剂浆液制备系统、二氧化硫吸收系统、烟气系统、石膏脱水系统、工艺水供应系统、废水排出和处理系统、吸收塔浆液排放系统等组成。
(1) 石灰石浆液制备系统 两台炉设一套石灰石浆液制备系统
石灰石块(颗粒小于等于20mm)由自卸卡车直接卸入地下料斗,经皮带输送机及斗式提升机、石灰石仓顶输送机送至石灰石仓内,再由称重式皮带给料机送到湿式球磨机内部制成浆液送至石灰石浆液循环箱中,然后石灰石浆液由石灰石浆液循环泵输送到石灰石浆液旋流站进行粗颗粒分离。经分离后,大尺寸物料回球磨机再循环,满足颗粒需要含固量25%的石灰石浆液溢流并储存在石灰石浆液箱中,然后经石灰石浆液泵送至1#2#机组FGD装置的吸收塔内。为了使石灰石浆液混合均匀,防止沉淀,在石灰石浆液箱和石灰石浆液循环箱内装设浆液搅拌器。
系统内设置两台湿式球蘑机及石灰石浆液旋流站。每台球蘑机的额定出力按两台锅炉BMCR工况时75%的浆液耗量设计。
设置一个卸料斗及配套的除尘通风系统、皮带输送机(带有金属分离器)、斗式提升机及石灰石仓顶输送机,将石灰石块送入石灰石仓。石灰石仓的有效容积可以满足两台锅炉在BMCR工况下运行4天的石灰石耗量要求。石灰石仓设计的两个出料口分别供给每台磨机,每台磨机的给料机具有称重功能。
设置一个石灰石浆液箱,两台石灰石浆液泵,一台运行,一台备用。吸收塔内石灰石浆液的添加良根据FGD进、出口烟气的二氧化硫浓度及吸收塔循环浆液中的PH值进行调节。
(2) 二氧化硫吸收系统 来自回转式烟气-烟气加热器的烟气通过烟道的烟气冷却区域进入吸收塔。在烟气冷却器区域中,喷入补给水的吸收塔内浆液,使得烟气被冷却到饱和状态。来自烟气冷却区域的烟气进入由上隔板和下隔板形成的封闭的吸收塔入口烟室。装在入口烟室下隔板的喷射管将烟气导入吸收塔鼓泡区的石灰浆液面以下的区域。在鼓泡区域发生二氧化硫的吸收、氧化、石膏结晶等所有反应。发生上述一系列反应后,烟气通过上升管流入位于入口烟室上方的出口烟室,然后流出吸收塔。离开吸收塔后,洁净的烟气进入除雾器去除烟气所携带的雾滴。吸收塔内浆液被吸收塔搅拌器适当的搅拌,使得石膏晶体悬浮。由氧化风机吹出的氧化空气进入吸收塔的反应区,使被吸收的二氧化硫氧化。
将石灰石浆液送入吸收塔,脱除二氧化硫以及形成石膏。加入适当当量的石灰石,以保持吸收液PH值于5-6之间。
石膏浆液排出泵将含有15%-20%固体的石膏浆液从吸收塔排出到石膏脱水系统。
每台吸收塔配3台烟气冷却泵,两台运行,一台备用。配两台氧化风机,一台运行,一台备用,配两台搅拌器。
为吸收塔的浆池或搅拌器出现事故需要检修时,吸收塔内的浆液由排浆泵排至事故浆液箱中,为下次FGD启动提供晶种。
(3) 烟气系统 来自锅炉引风机出口的全烟气量从原烟气进口挡板门进入脱硫系统,经脱硫增压风机送至回转式烟气-烟气再热器,在GGH中,烟气(未处理)与来自吸收塔的洁净的烟气进行热交换后被冷却。被冷却的烟气在烟道的烟气冷却区域被进一步冷却,加湿后进入吸收塔。在塔内洗涤脱硫后的烟气经除雾器后进入换热器的升温侧被加热到80℃以上,然后从烟气出口挡板门进入烟囱排入大气。烟气出口雾滴小于50mg/m3(标准状态下)
回转式烟气换热器设有空气吹扫系统和高、低压冲洗水系统。
烟气系统的增压风机采用轴流式动叶可调风机。
脱硫烟气系统的进出口挡板门采用带密封的双挡板门,密封装置设置2×100%容量的密封风机(一台备用),FGD装置运行与停运时的密封介质分别为净烟气和空气。
脱硫系统设置100%容量的烟气旁路烟道,旁路烟道采用双挡板。在锅炉启动阶段和烟气脱硫设备停止运行时,FGD进出口挡板门关闭,旁路烟道挡板门打开,来自锅炉引风机的烟气由旁路烟道直接进入烟囱排放。旁路烟道挡板门具有快开功能。
(4) 石膏脱水系统 从吸收塔排出的石膏浆液经水力旋流器浓缩至含固量为40%-50%后,进入真空皮带脱水装置进行脱水。经脱水处理后的石膏表面含水率不超过10%,脱水后的石膏由皮带输送机送入石膏库中存放,水力旋流器分离出来的溢流液一部分进入废水排放系统,一部分则返回吸收塔循环使用。
为控制脱硫石膏中氯离子的含量,确保脱硫石膏品质,在石膏脱水过程中用工艺水对石膏及滤布进行冲洗。石膏过滤水收集在滤液水箱内,然后由滤液水泵送到吸收塔和湿式球蘑机。
设置两台真空皮带脱水机,每台真空皮带脱水机的处理按照两套FGD装置石膏总产量的75%设计,配置两台水环式真空泵,一台运行一台备用。设两台石膏储仓,其有效容积按能够储存BMCR运行工况下两台锅炉运行7天所产生的石膏设计。
(5) 废水排放系统和处理系统 两套脱硫装置设置一套废水排放和处理系统。
根据脱硫工艺的要求,脱硫系统需要连续的排放一定量的废水以维持吸收塔浆池适当的氯离子浓度。石膏浆液旋流器的溢流液中一部分送到废水水箱,由废水旋流器给水泵送到废水旋流器进一步浓缩,废水旋流器的底流返回吸收塔,含有1.2%固体颗粒的废水旋流器溢留经过废水输送泵送至废水处理系统,处理达标后排放。
(6)工艺水、闭式冷却水系统 两套脱硫装置共用一套工艺水、闭式冷却水系统,工艺水从主厂房工业水系统直接接入脱硫工艺水箱,然后由工艺水泵送至脱硫系统各用水点,主要包括:a 吸收塔浆池 制浆系统 真空皮带脱水装置用水 b 烟气冷却器用水 c GGH用水 d 设备冲洗水 e 所有浆液输送设备 输送管路 储存箱的冲击水
闭式循环冷却水从炉后闭式循环冷却水管接出供增压风机、氧化风机设备冷却用水,其回水回收至炉后闭式冷却水回水管。
(6) 浆液排放与回收系统 两套脱硫装置设置一套浆液排放和回收系统。FGD装置的浆液管道的浆液泵等,在停止运行时需要进行冲洗,其冲洗水就近收集在吸收塔旁边的集水坑内,然后用泵送至石膏浆液事故浆液箱或吸收塔浆池。吸收塔浆池需要排空进行检修时,塔内浆液通过排浆泵排入事故浆液池。在吸收塔重新启动前,通过泵将事故浆液箱的浆液送回吸收塔。每台吸收塔旁边设置一个集水坑,两套FGD装置共用一个事故浆液池。
(7) 杂用/仪用空气系统 脱硫工程的阀们控制方式为电动,供仪表吹扫的仪用压缩空气和供设备检修的杂用空气均从主厂房接入,脱硫系统不在设置。
CT-121脱硫工艺主要存在以下问题
A 吸收过程动力消耗大 接触吸收方式为鼓泡反应方式,因此会加大反应塔的压力损失,尤其在为了获得较高的脱硫效率时。
B 烟气温度降低太多 由于烟气是从液体中涌出,因此净化后的烟气温度低,需要安装烟气在热装置,以满足烟气温度的抬升高度及防止烟囱的腐蚀。
C 设备需要防腐处理 由于反应塔内处于底PH值运行状态,因此需要假装防腐内衬。
2.1.2 ABB公司的LS-2工艺
ABB公司在传统的空塔技术基础上,开发了新一代湿法脱硫系统,命名为LS-2,现在已经在Edison Niles电厂建成了工业示范装置。
LS-2系统的成本下降主要得益于吸收塔的减小。采用ABB辊式中速磨的干式石灰石制粉系统也使成本下降了,而且一次脱水也进行了优化并与吸收系统结合起来。设计的筒化使得工程设计及建设周期大大缩短。Niles 示范工程的设计建设用了21个月,远远少于该行业当前的标准。
(1) 吸收塔的设计 LS-2吸收塔设计基于ABB空式喷淋塔技术,采用了高烟气表面速度,细石灰石粉,从而大大减少了吸收塔尺寸。LS-2吸收塔采用的联箱为新型专利设计,它的喷雾浓度大,可以采用较少的喷嘴层数,由此降低塔高。
(2) 喷嘴设计 LS-2喷嘴区基于传统的空塔技术,并采用了高烟气流速及全新的集箱设计。将烟气流速从3m/s提高到5.54-6.1m/s.ABB全尺寸的高流速实验和EPRI高硫煤研究中心均证实,提高吸收塔流速可以大大增加脱硫的传质速率.在脱硫率不变的条件下,烟速从2.3m/s提高到4.3m/s,液气比减少32%,相应的传质速率增加50%。为适应空塔高烟气流速,采用了新型的ABB专利喷淋系统,具有较高的喷淋密度,可减少喷雾层,缩短吸收塔高度。
(3) 反应罐 反应罐是吸收塔的主体部分,它提供滞留时间以完成一系列的化学反应,常规反应统计停留时间为6min,而LS-2停留时间按3min设计。石灰石粒度要求高,要求99.5%通过325目(44微米),这可用ABB的raymond滚轮磨粉机来满足。
(4) 除雾器 采用ABB开发的专利除雾器。LS-2系统设计二级除雾器,在水平烟道与吸收塔的拐弯处装设一级水平倾角30度的大雾滴除雾器,它在高速流下运行时仍可按要求疏水。在水平烟道内装一级4通道常规卧式人字形除雾器。
2.1.3 优化双循环湿式FGD工艺
优化双循环湿式洗涤技术最先是美国research-cottrel(RC)公司20世纪60年代开发的。自70年代以来应用在美国的各种电厂,80年代初该技术转让给德国诺尔-克尔茨公司,并得到了进一步发展。该工艺采用石灰石浆作为反应剂,运行极为可靠,适用于大型锅炉。
优化双循环湿式洗涤法是一种单塔两段法,塔内分为两段,既吸收塔上段和吸收塔下段。烟气与塔内不同PH值的吸收液接触,达到脱硫的目的。
吸收塔上下段分别由循环泵循环,称为上循环和下循环。石灰石浆液一般单独引入上循环,但也可以同时引入上下两个循环。
(1) 吸收塔下段 当烟气切向或者垂直方向进入塔内时,烟气与下循环液接触,被冷却到饱和温度,下循环浆液的一部分由上循环液补充,因此含有未反应的石灰石。