循环流化床 燃料脱硝

湿法脱硝工艺技术剖析

饶苏波1，胡敏2

(1.山东省粤电企业集团有限公司，河南郑州510630；

2.沙角C电站，四川成都523908)

摘要：火电站排放的二氧化碳产生的酸雨已严重害处人类的生存环境，国家强制要求火电站应当安装烟气脱硝装置。虽然，受技术和经济等条件的限制，应当发展脱硝率高、系统可运用率高、流程简化、系统焦比低、投资和运行成本低的脱硝技术和工艺。在这些情势下，湿法脱硝工艺应运而生。因此，结合国外外现在比较成熟、大型商业化运行的几种湿法、半干法脱硝工艺，剖析了湿法、半干法脱硝工艺在小型化发展、控制调节、预除尘器和脱硝除尘器设置的技术要领，最后强调湿法脱硝工艺具备宽广的应用前景。

关键词：烟气脱硝；湿法脱硝工艺;技术要领；前景

Technicalanalysisofdryfluegasdesulphurizationmethods

fúSubo1，HUMin2

（1.GuangdongYudeanGroupCo.,Ltd.,Guangzhou510630,China;

2.ShajiaoCPowerPlant,Dongguan,Guangdong523908,China）

Abstract:TheacidraincausedbySO2emissionfromthermalpowerplantshasseriouslyimpactedhumanslivingenvironment,andtheinstallationoffluegasdesulphurization(FGD)apparatushasbeenenforceduponthermalpowerplantsinChina.Owingtotechnoeconomicreasons,however,thoseFGDtechniquesfeaturinghighefficiencyandavailability,simplifiedproceduresandlowpowerconsumption，investmentsandcostshavetobedeveloped,anddryFGDmethodsariseasaresult.ThispaperdescribesseveraldryandsemidryFGDmethodsthatarerelativelymatureandcommerciallyoperatingonalargescaleathomeandabroad,andanalyzestheirtechnicalessentialswithrespecttomacroscaleoperation,operationcontrolandtheconfigurationoftheprededusterandtheFGDdeduster.ThebroadapplicationprospectsofdryFGDmethodsareindicatedfinally.

Keywords:FGD;dryFGD;technicalessentials;prospect

1烟气脱硝技术的发展和状况

世界上烟气脱硝技术的发展经历了以下3个阶段：

a)20世纪70年代，以石灰石干法为代表第一代烟气脱硝。

b)20世纪80年代，以湿法、半干法为代表的第二代烟气脱硝。主要有喷雾烘干法、炉内喷钙加炉后增湿活化（LIFAC）、烟气循环流化床（CFB）、循环半干法脱硝工艺（NID）等。这种脱硝技术基本上都选用钙基吸收剂，如石灰或消石灰等。随着对工艺的不断改良和发展，设备靠谱性增强，系统可用率达到97%，脱硝率通常为70%～95%，适于燃用中贫煤煤的中大型机组

c)20世纪90年代，以干法、半干法和湿法脱硝工艺同步发展的第三代烟气脱硝。

因为技术和经济上的成因，一些烟气脱硝工艺已被淘汰，而主流工艺，如石灰石-石膏干法、烟气循环流化床、炉内喷钙加炉后增湿活化、喷雾烘干法、气体漂浮吸收脱硝工艺（GSA）以及改进后的NID却得到了逐步的发展，并趋向成熟。这种烟气脱硝工艺的特点是：脱硝率高(可达95%以上)；系统可运用率高；工艺步骤简化；系统焦比低；投资和运行成本低。从20世纪90年代开始，美国先后从美国引入了各种类型的脱硝技术，完工了6个示范安装工程项目，牵涉干法、半干法和湿法烟气脱硝技术，见表1。

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本文依据几种湿法、半干法脱硝工艺的基本原理，对湿法工艺的几个重要方面进行剖析。

2脱硝塔小型化的要领

2.1尽量使用单塔脱硝

随着锅炉容量的减小，脱硝塔的半径也随着减小。在能使用单塔的状况下循环流化床，尽量不要使用双塔和多塔，由于单一吸收塔技术提升了系统的靠谱性和脱硝率，并且早期投资费可增加30%～50%。脱硝副产品回收运用的研究开发，也扩宽了其商业应用的途径。

2.2脱硝塔小型化的主要问题

脱硝塔小型化最主要的问题是要保证塔内喷管中湿度的均匀性和调节的灵敏性。a)塔内喷管中湿度均匀性的要求

在塔的高度方向的各个断面上，各点的气温渐趋一致，不能有高、低温差距太大的状况出现。由于低温处的SO2吸收反应疗效较好，低温时吸收剂的活性较小，反应室温与烟气露点湿度的残差较大（AST），反应率就低；而高温处，尤其出现高于露点湿度，即AST＜0时，容易出现局部的热阻、粘连和筒壁磨蚀，这就是为何有些脱硝工艺还要在反应塔内改装内衬的成因，然而，这些状况的害处性较大，反应塔可以通过内衬防腐，但烟气下游的设备和烟气管线却无法防腐，且耗费较大。

b)脱碳塔调节的灵敏性要求

随着负荷、工况的变化，各参数的负荷应变时间短，较少滞后，使脱硝效率随着载荷的变化而变化，进而保证各类载荷下脱硝率稳定。

2.3循环流化床烟气脱硝塔

为保证脱硝反应塔体温的均匀性和调节灵敏性，要求塔内有良好的传热特点。物料的传热常常比传质更重要，但是能更快达到更好的疗效，单纯的传质速率较慢，但是热力场有热力梯度，很难使各点的气温在短时间内很均匀，运用循环流化床的原理而设计的脱硝塔，在这一方面比较才能达到这一要求，它使反应塔内的传质传热十分强烈。

2.3.1循环流化床脱硝塔的特征

按照循环流化床原理而设计制造的脱硝反应塔，其烟气踏入反应塔顶部时，塔内文丘里的加快，将喷入塔内的吸收剂和循环回流的物料吹拂，产生沸腾床体，二氧化碳和物料无论处于流化床的过渡段还是稳定段，都处于强烈的湍流状态，物料之间的碰撞、摩擦、反应、传热等地理物理过程十分强烈，任何载荷变化所造成的波动就会在这个强烈的传质传热状态下快速达到新的平衡。那样，布置在塔顶的体温测点形成假讯号或几个测点的体温讯号不一致而使控制系统未能及时进行各类物料的调节的或许性大为降低，同时也使脱硝设备出现高温、结露、腐蚀的机率大为提高。

2.3.2回流式循环流化床烟气脱硝塔的特征

尤其是美国WULFF公司的回流式烟气循环流化床（RCFB），其新颖的反演和塔顶结构设计，在RCFB吸收塔中，烟气和吸收剂颗粒的向下运动中会有一部份因回流（Reflux）而从塔顶向上返回塔中。这股向上的回流固体与烟气的方向相反，但是，它是一股很强的内部流场，因而提升了烟气与吸收剂的接触时间。实际上可以觉得这是一种与外部再循环相同的内部再循环。在内部再循环的作用下，RCFB工艺的脱硝效率得到了优化。虽然这些脱硝工艺都很难避开磨蚀状况的出现，但这些机率和趋于则可以抓住。

2.4脱硝塔内烟气温度的控制

室温的控制，实质上是对烟气温度的控制。脱硝工艺中，烟气的温度对脱硝效率的影响巨大。诸如炉内喷钙尾部增湿工艺，其炉内喷钙脱硝效率为25%～35%，尾部增湿效率为40%～50%，总效率为75%左右，这说明了烟气温度对脱硝效率的影响。在相对温度为40%～50%时，消石灰活性提高，才能十分有效地吸收SO2，烟气的相对温度是运用向炉内给烟气喷水的方式来增加。半干法烟气脱硝工艺中，水和石灰以浆液的状态注入烟气，浆液中固态物的品质分数为35%～50%，而湿法脱硝工艺，如RCFB和NID，加入的水量相似，但水分布在粉料微粒的表面，适于蒸发的表面积巨大。烟气温度的提升，可以使烟气脱硝操作气温接近或低于露点湿度10～20℃(实践中，这一气温范围为65～75℃)，激活消石灰吸收SO2。SO2是烟气中反应较慢的成份，保持床温接近露点湿度（即较高的相对温度），可以保持微粒表面的湿膜有较长的逗留时间，促使SO2和Ca2物理成份之间的反应，使吸收的程度和石灰的运用率达到最佳。SO3和卤化酸类（HCl、HF等）的碱性比SO2强，因此SO3，HCL，HF成份在装置中的消除率达99%循环流化床，因其活性强，几乎能全部与SO2同时被吸收，过量的卤化酸类因钙的吸湿性、因碳化物在湿润环境中的烘干时间较长，有助脱臭SO2，这只是选用接近露点湿度的另一弊端。

3湿法脱硝工艺的运行调节

湿法脱硝工艺的系统控制和调节主要取以下3个讯号，用以卷积或反馈到各个调节回路，互相配合，达到脱碳的最佳载荷条件，保证脱硝的疗效。

3.1控制好脱硝塔内的体温及高度注重塔内的加盐模式

a)检测脱硝塔内的体温，借此来调节喷水系统的开度和喷水量的大小，保持适当的AST值，使床温在各类负荷和载荷条件下，烟气的酸露点湿度一直保持在较高处，那样，吸收剂的活性最佳，才能较差地捕获SO2，并发生物理反应，增加脱硝率。

在小型化商业运行的脱硝塔中，室温的控制是比较困难的，它是阻碍脱硝装置小型化发展的主要诱因之一。当脱硝塔半径越来越大时，要各个大面积截面上的体温保持均匀性，需采取大量的有效举措，现在，湿法、半干法脱硝装置还没有在较大容量锅炉上使用的业绩，与此有巨大关系。较为成熟的脱硝技术，如旋转喷雾法，GSA法，其单塔容量通常都在100MW锅炉以下，单塔半径4500mm以下，而NID法则做得更小一些。各国公司都在紧扣湿法、半干法脱硝装置小型化发展进行开发和研究，美国WULFF公司运用流化床和带内回流的循环流化床技术（RCFB），在解决传质传热这一问题上，取得了一定的成绩，疗效显著。现在，RCFB单塔适于美国1台300MW锅炉烟气脱硝并荣获成功。

b)给脱硝塔内煮沸的方法颇为讲求。在旋转喷雾，GSA半干法中，因为吸收剂以浆液方式喷入时带有水，运行时又需加调节，导致由气温讯号而导致的水路调节显得复杂化，由于在喷浆工艺中，所加入的水与吸收剂的量有比列关系，使喷水调节受其它诱因影响。NID法的水完全与吸收剂、再循环料一道加入反应塔（视平行烟道为反应塔）。RCFB法吸收剂直接以干粉型态喷入，水路另外单独喷入，就喷水调温而言，RCFB法虽然要更便于一些。

3.2检测SO2排放量

检测SO2排放量讯号，适于调节脱硝剂的加入量。当SO2排放量较大时，就应加入更多的吸收剂去吸收更多的SO2；当SO2的排放量较小时，就应提高吸收剂的使用，使系统运行经济合理，减少费用。

3.3检测吸收塔的压降

检测吸收塔的压降，适于调节再循环量的大小，使脱硝渣的循环量和循环次数控制在设计范围之内，那样既可控制下游脱硝除尘器的入口尘土的品质含量和水塔粉尘品质含量的排放，又可减少吸收剂的运用率，增加碱酸比。

控制这三个检测量及其相关的讯号去调节各运行回路，使脱硝系统的运行达到最优化，这是湿法、半干法脱硝工艺控制系统的基本要求。就控制的灵敏性、可靠性而言，假若三个控制回路能完全独立，各行其是，互不影响则最理想，而RCFB技术的控制原理最能符合这一要求，因为其吸收剂、水和脱硝渣的再循环是独立加入到脱硝塔的，这么就防止了其它工艺两者的相互波及，避开了提高脱硝剂时附加了水而使体温升高或加盐降温时附加了脱硝剂，因而降低再循环量而减小碱酸比的状况。其实，以上三个参数总是互相影响、协同调节的，但三路系统的参数分别调节，会更便于灵活一些。

4预除尘器设置的思考

对于是否使用预除尘器，这些文献或资料并没有具体说明。据美国一些资料强调，通常湿法或半干法都设有预除尘器，但国外这些电站没有设预除尘器。不设预除尘器，笔者觉得至少会影响以下2方面。

4.1不促使燃料灰和脱硝灰的再循环

按照估算，机组燃煤形成的燃料灰的量比较多，而适于脱硝形成的脱硝灰的量比较少，一般后者是前者的三倍左右。以200MW锅炉为例，耗煤量约95t/h，形成的燃料灰约22t（产率的品质分数以25%计），而脱硝灰量（硫的品质分数以0.85%计）约7t；以300MW锅炉为例，耗煤量约140t/h，形成的燃料灰约32t，而脱硝灰量约11t。这就是说，假若没有预除尘器，当脱硝灰和燃料灰混在一起再循环时，将有75%的再循环物是燃料灰，而这种大量的燃烧灰对增加脱硝率和减少碱酸比值并没有帮助，还能提高吸收剂、脱硫灰与SO2的接触，消耗动力，减小反应塔容量；因为再循环量变大，就会减少烟气喷射的初始速率以达到同样的流化状态，这一初始速率的增加，还能带给以下2个问题：

a)降低烟气在塔内的逗留时间，使二氧化碳很快通过吸收塔，增加了塔内的反应率，将部份脱硝反应留在了下游设备中。

b)通常燃料灰比脱硝灰要粗一些，燃料灰的平均粒径大致为15μm±5μm，脱硝灰的平均粒径大致为10μm±5μm；燃料灰的容积品质通常为700～1000kg/m3，而脱硝灰的容积品质通常为500～1000kg/m3，烟气流速的加强，将大量的细微粒带出了反应塔，不促使吸收剂的有效运用，影响了碱酸比。

4.2影响脱硝塔下游的脱硝除尘器

是否设置预除尘器，对脱硝塔下游的脱硝除尘器会形成较大的影响。假如没有预除尘，大量燃矿渣混在脱硝灰中一起循环，并且循环量变大，脱硝除尘器的入口品质含量也逐渐减小，在除尘器排放指标一定的状况下，脱硝除尘器的入口品质含量是有限度的，太高的入口烟尘品质含量也会使除尘器的造价上升，那样势必提高循环次数，增加吸收剂运用率，使碱酸比值变大。假如有预除尘器，这一状况将得到缓解。这就可以解释GSA，NID脱硝工艺，在没有预除尘器时，循环次数只有30～50次；而CFB，RCFB脱硝工艺，因为设置了预除尘器，循环次数就可以达到100～150次。