CT- 121 鼓泡式吸收塔在實際工程中的應用
摘 要:本文結合實際工程介紹了 CT- 121鼓泡式吸收塔脫硫工藝的技術特點。本脫硫工藝適用于燃用中高硫煤及燃油電廠的煙氣脫硫 ,具有高除塵率、高脫硫率、低能耗等優點 ,實際運行已顯示出其優良的可靠性和實用性。
關鍵詞:石灰石 - 石膏濕法;煙氣脫硫;鼓泡塔
燃煤電廠的煙氣脫硫(flue gas desulfurization,縮寫 FGD)是目前世界上大規模商業化應用的脫硫技術。在所有的脫硫工藝中 ,又以石灰石(石灰) - 石膏濕法脫硫占主導地位。經過幾年的工程實踐 ,CT- 121 脫硫工藝已顯示出其優越的性能。這種工藝能夠達到 95 %以上穩定連續的脫硫率 ,10mgΠNm 3以下的粉塵排放率 ,具有優異的可靠性和實用性。這項先進的技術將 SO2 的吸收、氧化、中和、結晶、以及除塵等工藝過程合并到一個單獨的氣 - 液 - 固相反應器中進行。這個反應器就是鼓泡式吸收塔(JBR) ,其構造截面示意圖如圖1 所示。鼓泡塔技術目前已經運用到單機裝機容量1000MW的脫硫裝置上。
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1.工藝介紹
鼓泡塔是 CT- 121工藝的核心 ,煙氣通過噴射管均勻分布到JBR的漿液中 ,按化學方法推算 ,當氣泡上升通過鼓泡層時 ,JBR里產生了多級的傳質過程 ,由于氣 - 液多級接觸產生了龐大的接觸面積(是通常噴淋工藝的數十倍) ,所以傳質速率很高。
原煙氣進入由上下隔板形成的封閉容器中。噴管安裝在下隔板上 ,將原煙氣導入吸收塔的漿液區。煙氣從漿液中鼓泡上升 ,流經貫通上層隔板的上升管。由于煙氣速度很低 ,煙氣中攜帶的液滴在上層隔板的空間被沉降分離 ,處理后的凈煙氣流出吸收塔 ,通過除霧器除去剩余攜帶的液滴 ,后經 GGH升溫后排入煙囪。
鼓泡塔中的漿液分兩個區:鼓泡區和反應區。SO2 的吸收、亞硫酸氧化成硫酸、硫酸中和成石膏和石膏的結晶 4 種反應是在鼓泡塔中同時完成的。
(1)鼓泡區
鼓泡區是一個由大量不斷形成和破碎的氣泡組成的連續氣泡層。原煙氣流經噴射管進入漿液內部產生氣泡 ,從而形成氣泡層。
在鼓泡區 ,形成了很大的氣 - 液接觸區 ,在這個區域中 ,煙氣中的 SO2 溶解在氣泡表面的液膜中。煙氣中的飛灰也在接觸液膜后被除去。氣泡的直徑從 3mm到 20mm(在這樣大小的氣泡中存在小液滴)不等。大量的氣泡產生了巨大的接觸面積 ,使JBR成為一個非常高效的多級氣 - 液接觸器。
鼓泡區大量氣泡的不斷迅速生成和破裂使氣 - 液接觸能力進一步加強 ,從而不斷產生新的接觸面積 ,同時將反應物由鼓泡區傳遞至反應區 ,并使新鮮的吸收劑與煙氣接觸脫硫率取決于噴射管的浸液深度和漿液的 PH 值。在燃煤Sar=1 %,正常的 PH 定值下 ,浸液深度通常為 150mm 左右時 ,脫硫率大于95 %。通過調節從石膏脫水系統返回的濾液量 ,可以對浸液深度進行自動調節。
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(2)反應區
反應區在鼓泡區以下 ,石灰石漿液直接補入反應區。鼓泡塔漿池容積在設計上考慮了 15～20h的漿液滯留時間 ,為氧化空氣在漿液中被充分溶解、吸收的亞硫酸氧化成硫酸、石灰石溶解、石灰石與硫酸中和反應、石膏晶體生成等一系列反應提供了充足的反應時間。
JBR的運行 PH值設計為4.5～2 ,這種相對較低的 PH值使石灰石溶解更加快速徹底。低 PH值環境下的快速和完善的氧化系統是JBR 成功運行的關鍵。漿液中鼓入空氣并排擠出溶解的 CO2 ,進一步促進了石灰石的溶解。因而 ,JBR的漿液成份主要是石膏晶體。通過排出一定的漿液至脫水(和廢水處理)系統 ,使得JBR內漿液中固形物濃度保持在 10 %～25 %范圍內。
(3)內部漿液循環
傳統的 FGD工藝采用的氣 - 液接觸方式 ,通過一系列大流量漿液循環泵和管道將大量的吸收劑提升至噴淋層進行循環 ,形成一個氣 - 液接觸區。從而有液 - 氣比(LΠG)這個概念。而JBR中大直徑、低轉速的攪拌器 ,及噴入的氧化空氣形成的攪動一起 ,為鼓泡區和反應區的吸收劑的交換提供了循環動力。所有的漿液循環都是在漿池內部的循環 ,不需要外部的循環泵和管道。因此 ,在 CT- 121工藝中 ,LΠG這個參數已沒有實際上的意義。JBR 的內部循環速度相當于漿液的流動速度(0.1mΠs～0.3mΠs 之間) 。在JBR底部 ,液體由中心向外側流動 ,并沿筒壁垂直上升 ,至JBR漿液層頂部后 ,液體由外側向中心流動 ,并沿攪拌器軸向下降 ,形成了一個對流循環過程。
2.化學反應
CT- 121工藝與傳統的濕式石灰石 - 石膏煙氣脫硫工藝的化學反應大體相似 ,但化學反應的機理是不同的。兩者之間最大的不同在于運行中的 PH值。
CT- 121工藝的低 PH值增強了石灰石的溶解和亞硫酸的氧化 ,提高了石灰石的利用率。當 PH值在 4.5～5.3 之間時 ,石灰石的溶解非常迅速和安全 ,JBR 的漿液中基本不存在固態的碳酸鈣。JBR 的低 PH值和較長的滯留時間 ,使石灰石的利用率在98 %～100 %之間。此外 ,在低 PH值下 ,由于氫離子(H+)和亞硫酸氫根離子(HSO3 - )的濃度增大 ,氧化速度也大大加快了。
在JBR中 ,氧化過程與 SO2 的吸收過程在同一區域中進行 ,因而提高了 SO2 的傳質速率 ,這種快速的氧化過程保證了液體中 SO2 處于低濃度狀態 ,使得在低 PH值的條件下 ,有更多的氣態 SO2 被吸收。
化學方程式(1)是 CT- 121工藝的總反應式:SO2 +1 2O2+CaCO3 +2H2O→CaSO4·2H2O+CO2 (1)
(1)鼓泡區的化學反應
在 中同時發生 5種反應(吸收、氧化、中和、石灰石JBR 的溶解和結晶) 反應最初發生于鼓泡區并于泡沫區下部的,反應區里完成。首先 被氣泡表面的液體吸收并溶解于,SO2水中 如反應式（2 ）所示, :
SO2 (g) →SO2 (aq)(2)
然后 ,溶解的 SO2 與水反應生成亞硫酸 ,如反應式(3)所示:
SO2 (aq) + H2O→H2SO3 (3)
亞硫酸分解為離子 ,亞硫酸氫根離子被溶解在液體中的氧氣氧化成硫酸根離子:
H2SO3 →HSO3 - + H+ (4)
HSO3- +1/2O2 (aq) →SO4 2- + H + (5)
CT- 121工藝的一個重要的優點就是部分亞硫酸的氧化發生在鼓泡層。當亞硫酸被氧化以后 ,它的濃度會降低 ,因而促進了 SO2 的吸收。
石灰石溶解并離解產生鈣離子 ,并與硫酸根離子發生中和反應生成石膏。
CaCO3 (S) ←→CaCO3 (aq) (6)
CaCO3 (aq) +2H +←→Ca 2++CO2 + H2O (7)
Ca 2++ SO4 2-+2H2O→CaSO4·2H2O (8)
在鼓泡區 ,SO2 的氣相傳質過程(反應式 2)和 CaCO3 的離解過程(反應式(6)是控制反應速度的主要過程。這兩個過程都在JBR特有的運行環境下得到了加強。同時 ,SO2 向液相的傳質過程通過鼓泡區的攪動得到加強 ,碳酸鈣的離解由于低 PH值得到加強。
(2)反應區的化學過程
反應區為空氣中氧氣的溶解和石膏晶體的形成提供了充足的滯留時間。JBR 中的攪拌器使得反應區中的組分充分混合 ,以便向鼓泡區輸送所需的組分。
由靠近JBR底部注入的空氣中的氧氣溶解過程如下:
O2 (g) →O2 (aq) (9)
在鼓泡區沒有被氧化的亞硫酸根在反應區被氧化成硫酸。
HSO3 - +1/2O2 (aq) →SO42- + H + (10)
亞硫酸根離子的氧化產生了氫離子 ,使得JBR內形成了所需的酸性環境。酸性溶液和液體中溶解的碳酸鈣進行中和反應產生了石膏。反應過程如下:
CaCO3 (S) ←→CaCO3 (aq) (11)
CaCO3 (aq) +2H+ ←→Ca 2++ CO2 + H2O(12)
Ca2+ + SO4 2- +2H2O→CaSO4·2H2O (13)
CaSO4·2H2O→晶體生成 (14)
O2 的溶解過程和副產品石膏的結晶過程是控制反應速度的關鍵過程。
3.在實際工程中的應用
CT- 121工藝在國內運行業績優良 ,已投入運行的機組有:廣州國華粵電臺山發電廠一期 2 ×600MW機組;江蘇華能淮陰發電廠二期2X330MW機組。正在投入安裝的工程有山西武鄉發電廠 2 ×600MW機組;云南顛東 4 ×600MW機組以及廣州國華粵電臺山發電廠二期3 ×600MW機組。
表1、表 2 分別為某一實際工程采用 CT - 121 工藝的FGD入口、出口污染物濃度。
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從表中可以清楚地看到 ,CT- 121 工藝對 SO2 的去除率大于95 %,對其它含量小的酸性氣體幾乎可以全部去除 ,粉塵脫除率很高。完全滿足 GB13223 - 2003《火電廠大氣污染物排放標準》中對煙塵及 SO2 排放量的規定。
4.技術優點
(1)SO2 脫除率高
JBR均勻的氣流分布是區別于噴淋塔的重大優點 ,特別是在需要較高 SO2 脫除率時。在大型 FGD吸收塔中 ,影響脫硫率的一個主要不確定因素就是煙氣分配不均勻 ,噴淋塔中液- 氣分配不均可能會降低循環漿液的利用率。隨著吸收塔尺寸的增加 ,煙氣分配不均的可能性也會增加。對于鼓泡塔 ,克服浸液深度產生的壓降 ,使原煙氣倉成為一個天然的均壓箱 ,而大壓降保證了煙氣流量的均勻分配 ,使得每個噴射管噴出的煙氣在很大范圍內是等速的均勻的 ,因此鼓泡塔工藝能夠確保在 15 %～100 %的負荷范圍內運行 ,而不降低脫硫性能。
(2)粉塵排放少
JBR之所以具有高效的粉塵脫除率 ,是因為煙氣側相應的高壓降、氣 - 液接觸面積大和接觸區煙氣滯留時間長 ,對于 1um以下的粉塵 ,JBR的脫除率高于傳統的噴淋工藝(鼓泡塔1um 以下的粉塵脫除效率可達 而噴淋塔只能達到60 %, 而噴淋塔只能達到20 %) 。JBR能減少現有裝置的粉塵排放并補償電除塵器的臨界特性。它可以允許現有的電除塵器停運部分電場來節約電力。除了脫硫所必須的直接費用以外 ,在任何情況下都不會使資本或JBR 的運行費有大的增加。這種靈活性在環保要求日益嚴格而環保費用不斷增加的情況下具有重大的意義。
(3)運行可靠、簡便
傳統工藝要求溶解的鈣類堿性物質來提供脫硫所需的驅動力。這些物質和其它的溶解物之間的動態平衡會被下面三個因素所破壞:
阻礙石灰石溶解的氟化鋁、抑制 PH值的氯化物、氣 - 液流量的不均分配。
平衡被破壞的結果就導致了:結垢;降低 SO2 脫除率;增加石灰石的消耗量;氧化反應的不完全。
CT- 121工藝不依靠溶解的堿性物質來提高吸收效率 ,易結垢;石灰石利用率高;氧化反應完全。
(4)可靠性
CT- 121工藝具有高可靠性。世界上采用 CT- 121 裝置的實際運行業績中 ,高可靠性大于99 %。鼓泡塔的設計大大簡化了 FGD工藝。CT- 121 工藝的優點集中體現為:SO2 脫除率高;裝置可靠性高;粉塵脫除率高;并且由于石灰石利用率高 ,進入最終石膏產品中殘余的石灰石也很少 ,石膏產品的純度也較高。
參考文獻:
1 劉卜崗. 鼓泡塔煙氣脫硫技術在 600MW 機組中的應用 電力設備. ,2005 ,7.
2 李友平,尹華強,劉中正.炭法煙氣脫硫技術研究進展. 工業安全與環保,2005 ,5.
3 何蘇浩,等. 石灰石 石灰—石膏濕法脫硫幾種反應塔的比較.電力環境保護,2001 ,3.
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