循環半干法脫硫技術具有一次性投資較低、系統相對較簡單、結構緊湊等優點,但在燃用高硫煤機組的煙氣脫硫中應用較少。目前,國內有許多電廠燃用含硫量較高的煤種,通過對循環半干法脫硫技術應用于高硫煤的分析研究,優化工藝設計參數,可為其他工程提供借鑒。

荊門熱電廠4號爐原有的煙氣凈化裝置為水膜除塵器,為了滿足更高的環保要求,決定對其進行脫硫除塵改造,方案是采用循環半干法脫硫工藝配電除塵器。鍋爐燃用的設計煤種硫分為2. 17% ,校核煤種硫分為3. 12%。本文結合荊門熱電廠4號爐 (200MW機組)脫硫除塵改造工程,對循環半干法脫硫工藝在燃用高硫煤機組的實際應用進行了研究,對脫硫后電除塵器的適應性、操作溫度對脫硫效率的影響以及Ca /S(mol/mol)對脫硫效率的影響進行了分析。

1　工藝流程及參數

循環半干法脫硫工藝流程如圖1所示。煙氣從2臺空氣預熱器出來后進入4條脫硫除塵工藝線,凈化后的煙氣通過2臺并聯的引風機排入煙囪。每條脫硫除塵工藝線均由石灰消化系統、脫硫反應系統、電除塵器、灰循環增濕系統、灰輸送系統等組成。

從1臺空氣預熱器出來的煙氣分成2路,先進入1臺雙室單電場電除塵器,然后再進入2只反應器。在反應器中,煙氣中的SO2與Ca (OH) 2發生化學反應,完成SO2的吸收過程。反應器出來的煙氣在兩級電除塵器中進行除塵。

兩級電除塵器收集的粉塵貯存在流化槽內,大部分粉塵通過循環灰給料機加入到混合器中,在此與已在消化器中完成消化的Ca (OH) 2混合并增濕到水分4%左右,此時的灰仍具有很好的流動性。這種含有Ca (OH) 2的混合灰再次進入反應器與煙氣中的SO2發生反應完成脫硫過程。貯存在流化槽內的部分粉塵通過輸灰系統外送。

空氣預熱器出口煙氣參數見表1 (本文煙氣量均為標準狀態值) 。

2　試驗結果

2. 1　試驗步驟

在鍋爐負荷相對穩定,煤種硫分基本不變( 2% 左右) ,脫硫系統穩定運行的條件下進行以下試驗: 設定Ca /S為1. 0;操作溫度為68 ℃;儀器穩定后讀出脫硫效率及粉塵濃度; 分別測出70 ℃, 72 ℃, 74 ℃, 76 ℃, 80 ℃時的脫硫效率和粉塵排放濃度;改變Ca /S為1. 2、1. 4、1. 6、1. 8,分別測出各Ca /S下的脫硫率和粉塵排放濃度。

2. 2　試驗結果

根據記錄數據繪制出在一定Ca /S條件下脫硫操作溫度與兩級電除塵器出口粉塵濃度的關系曲線 (圖2) 。根據記錄數據繪制出在一定脫硫操作溫度條件下Ca /S與脫硫效率的關系曲線(圖3) 。

3　結果分析

3. 1　兩級電除塵器出口粉塵濃度的影響因素

從試驗結果來看,循環半干法的Ca /S對兩級電除塵器出口粉塵排放濃度影響不大。

但是,脫硫操作溫度(即電除塵器的運行溫度) 對兩級電除塵器出口粉塵排放濃度影響較大,隨著脫硫操作溫度的升高,兩級電除塵器出口粉塵排放濃度也增大,其主要原因為:

(1)隨著溫度的降低,飛灰比電阻下降 ,從而有利于除塵。

(2)溫度的降低是通過灰增濕實現的,增濕后,由于飛灰的團聚作用,使得飛灰顆粒粒徑變大,部分飛灰在除塵器內沉降;同時,飛灰粒徑增大也提高了粉塵的驅進速度,有利于收塵。

(3)隨著煙氣溫度下降,煙氣密度增大,使得氣體的擊穿電壓相應提高,電除塵器的操作電壓也提高,有利于提高除塵效率。同時,較大的煙氣濕度使吸收或凝結在粉塵表面的水分增多,導電性能更好; 另外,由于水分子是一種極性分子,介電常數比空氣大得多,它在電場中能大量吸附電子,使分子帶負電成為運動遲緩的負離子,從而使空間自由電子的數目大大減少,電離強度減弱,電暈電流減少,空氣間隙的耐壓強度增加,擊穿電壓升高,火花放電較難出現,提高了電除塵器的運行電壓,從而使收塵效果得到顯著提高。

3. 2　Ca /S對脫硫效率的影響

循環半干法脫硫化學反應過程一般遵循雙膜理論 ,由于煙氣中熱能量的存在,反應中同時進行著干燥過程。H. N. Gerald[ 3 ]指出,在脫硫劑與SO2 的反應過程中,會在脫硫劑表面形成一層產物層, SO2通過產物層擴散到脫硫劑內的過程成為反應速率的控制因素。雖然產物層與液滴內部存在著擴散必需的脫硫劑的濃度差,但當產物層達到一定厚度后,擴散速率將會下降,最終使脫硫反應終止。所以,實際運行中的脫硫劑利用率不可能是100%。從圖3可以看出,隨著Ca /S的增大,由于脫硫劑與 SO2接觸機會增加,脫硫效率明顯升高,此結果表明,實際應用中選擇合適的Ca /S相當重要。

另一方面,根據其他脫硫工程的實際經驗,在高硫煤工況下,要達到同樣的脫硫效率, Ca /S會明顯增大, 當SO2達到5 000mg/m3 時, Ca /S 較SO2 為 2 000mg/m3時約增加10%。在本次試驗中,由于電廠在鍋爐投運過程中沒有更換燃燒煤種,故沒有進行不同SO2濃度下的Ca /S試驗,只進行了特定煤種下的試驗。結果表明,在燃用高硫煤的情況下,循環半干法具有較好的脫硫效果。

3. 3　脫硫操作溫度對脫硫效率的影響

由于對系統進行了保溫,可以認為脫硫操作溫度只是通過增濕水加入量的大小產生變化。

在反應初期,含濕脫硫劑的硫鹽化反應速率明顯高于干燥脫硫劑顆粒,但隨著反應時間的延長,兩者反應速率的差別逐漸縮小,反應時間超過一定值后,兩者的反應速率相同。這是因為在開始階段, SO2與Ca (OH) 2之間的反應是氣液離子反應,反應速率主要由反應物在液相中的溶解速率和Ca2 + 、 HSO- 3 、SO2 - 3 等離子在液相中的擴散速率控制,反應速率較高。隨著反應時間的延長,顆粒內的水分不斷蒸發,致使脫硫劑表面只剩下結合水參與反應,它不能在整個顆粒中維持離子反應, SO2需通過孔隙擴散到達反應液面,同時,大量生成物CaSO3的存在使傳質阻力增大,反應速率大大降低,但它仍然高于干燥顆粒的反應速率;隨著蒸發過程的進行,顆粒表面的結合水也逐漸失去,此時SO2必須穿過致密的 CaSO3層才能與內部的Ca (OH) 2反應,反應速率進一步下降并與干燥Ca (OH) 2顆粒相近。

由于工程實際應用中反應時間取決于反應器的大小,反應時間不可能很長,故從脫硫的角度考慮, 循環半干法脫硫操作溫度應越低越好,這樣液膜蒸發慢,液相存在時間長, SO2與脫硫劑的反應時間增加,脫硫效率提高。另一方面,脫硫操作溫度也不能過低,以防止煙氣結露。

4　結語

通過實際應用表明,循環半干法脫硫在高硫煤工況下能達到較高的脫硫效率,但要求Ca /S較大。建議在實際應用中進一步分析當SO2濃度繼續增加時, Ca /S、脫硫效率等的相互影響,對循環半干法脫硫工藝在更高SO2濃度時的適用性及經濟性作出合理評價。

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