脱硫工艺原理.doc

1.工艺化学1.1烟气脱硫理论二氧化硫(SO2)是含硫煤在锅炉内燃烧时产生的气体产物。在燃烧时，煤中的硫发生氧化反应，产生各种含有硫的化合物，其中主要是SO2，煤中硫的含量越高，锅炉燃烧后产生烟气中的SO2的含量也越高。由于环境中SO2的排放受到一定限制，所以在SO2排出烟囱进入大气前，有必要脱除并处理所产生的硫化物。同别的气体一样，SO2不仅难以处理而且也难以把它跟别的气体分离开来。比如SO2的蒸发温度和凝结温度分别是-10和-73，简单的分离法不仅难以操作，费用高，而且不太可行。而向烟气喷水可以吸收其中的SO2，从而使SO2从气态变为液态。这种方法可以把SO2从烟气中分离，但又会引起其它问题。当SO2溶于水中时，产生了一种稀薄但极具腐蚀性的酸性溶液。这个处理过程中，所需的设备是由昂贵的原材料制造的，并需要大量的碱性化学物质（如NaOH）来中和所产生的酸液。可以用石灰石溶液（CaCO3）取代水，把CaCO3溶液喷向烟气，可以吸取出烟气中的SO2，并把它转变成一种便于处理的物质。与把SO 2溶于水一样，含有SO2的石灰石溶液也要经过一系列反应，产生亚硫酸钙固体（CaSO3）和硫酸钙固体（CaSO4）。在这一过程中，需注入空气，使CaCO3氧化成CaSO4，而CaSO4又结晶成CaSO42H2O (简称石膏)。1.2化学反应描述湿法石灰石脱硫系统中, 在气体、液体和固体物质中发生了一系列复杂的、动态的化学平衡反应。从下列反应方程式中可以获悉发生的反应：CaCO3 + SO2 CaSO3 + CO2 (石灰石 + 二氧化硫 亚硫酸钙 + 二氧化碳)CaSO3 + 1/2 02 CaSO4(亚硫酸钙 + 氧气 硫酸钙)在湿法石灰石脱硫系统中发生的化学反应可以分为几个步骤, 主要步骤是：吸收、中和、再生、氧化和结晶。尽管反应步骤是依次表达的，但其实际却是同时进行的。1.2.1 吸收吸收SO 2并将其转化成溶液是脱硫过程中的第一步。吸收是将可溶性气体转化成液体的过程。在吸收塔中，当SO 2遇到滴状的浆液时就被吸附了，浆液中的水吸收了SO2，使其变成了含有硫元素的酸性溶液，并且把它返回到反应池。吸收过程中发生的化学反应可以用下列方程式表示：SO2（g）+ H2O HSO3 + H+O2（g） O2（aq）1.2.2 中和在中和反应中，已溶于水的SO2与石灰石溶液发生反应，产生新的产物：亚硫酸钙（CaSO3）和硫酸钙（CaSO4）或石膏。中和反应发生在吸收塔的喷淋区。然而，形成固体的反应也可以在反应池里发生。中和反应的产物是二氧化碳，它将被排放到大气中。中和过程中发生的化学反应可以用下列方程式表示：HSO3（aq） + Ca +（aq） CaSO3（aq）+ H+（aq）Ca +（aq）+ H2SO4（aq） Ca SO4（aq）+ 2H+（aq）H+（aq）+ HCO3（aq） H2O (l) + CO2（g）H+（aq）+ OH（aq） H2O (l)1.2.3 再生添加的反应剂可以调整浆液的PH值，从而使溶液的酸性不至太强。另外，石灰石中含有钙离子，它可以与SO2结合，形成亚硫酸钙（CaSO3）。通过再循环，加料，清除再循环中产生的浆液，湿法烟气脱硫系统就可以持续运行并保持要求的脱硫效率。再生过程中发生的化学反应可以用下列方程式表示：CaCO3（s）+ H2O(l) Ca +（aq）+ HCO3（aq）+ OH（aq）1.2.4 氧化氧化过程是物质与氧气结合的过程，通过氧化作用，亚硫酸盐（SO32-）转变成了硫酸盐（SO42-）。当产生的硫酸盐与钙离子结合时就生成了硫酸钙或石膏，产生的石膏易脱水，具有商业用途。由于烟气中氧气的存在，不可避免会发生一些氧化反应。但是烟气中的氧气含量有限，并不能把所有的亚硫酸盐（SO32-）转变成硫酸盐（SO42-）。所以为了保证所有的亚硫酸盐都转变成硫酸盐，特设了一个外部供氧装置来提供反应所需的氧气。氧化过程中发生的化学反应可以用下列方程式表示：HSO3（aq） + 1/2 02（g） HSO4（aq）1.2.5 结晶结晶是指在溶液中发生化学反应，从而使一种物质在溶液中饱和，结晶分离出来。在化学反应池里，亚硫酸盐和硫酸盐都是溶解在水里的，直到溶液达到饱和，不能再溶解任何物质时，亚硫酸盐和硫酸盐才会结晶出来。可以用浆液的浓度来衡量结晶的程度，也可以用溶液中固体的百分含量来表示。为有效的结晶必须保持一定的固体浓度来，而过高的浓度会造成设备的磨损并增加运行的能耗。在循环浆液中，固体浓度和结晶速度必须控制在一定的限制范围内。下列化学反应能反映出结晶过程：Ca + + SO32+ 1/2 H2O (l)CaSO31/2 H2O（s）Ca + + SO42+ 2 H2O (l) CaSO42H2O（s）1.3潜在问题及系统控制1.3.1结垢异质沉淀是指在新形成的、黏附在杂质表面的固体,而同质沉淀是指在新形成的、黏附在同质表面的固体。在湿法烟气脱硫系统中, 异质沉淀指的是结垢，固体生成物附着在吸收装置系统表层。亚硫酸盐和硫酸盐都会造成结垢。当吸收装置中浆液的PH值突然变大时，亚硫酸盐会发生结垢，造成PH值忽然上升的一个原因是溶液中出现了氢氧化钙。当浆液的pH值超过10时，氢氧化钙就能存在。因为石灰石是作为一种添加的反应剂，所以系统中溶液的PH值不能超过中性，或pH值不能超过7，这样就降低了亚硫酸盐结垢的可能性。当反应池中已溶解的硫酸盐开始附着在杂质表面，就发生了硫酸盐的结垢。诸如除雾器的叶片位置等。从化学的角度看，烟气脱硫系统更多地发生同质沉淀，并且该系统可以降低发生异质沉淀的几率。发生同质沉淀和异质沉淀取决于石灰石含量及溶液的饱和程度。饱和度D如下式表达：过度饱和度（D）是钙离子（ACa +）的活性与硫酸根（ASO4=）的溶解性之积除以常数（Ksp）。可以由如下等式表示： ACa + * ASO4- Ksp = D当D小于1.0时, 溶液是处于亚饱和状态, 固体物质就会溶解。如果D=1.0时，溶液则处于饱和状态，固体物质就既不会再溶解也不会沉淀。而当D大于1.0时，溶液就处于过度饱和状态，固体物质就结晶出来。为了保证脱硫设备的工作效率，含有亚硫酸钙和硫酸钙的浆液要处于过度饱和状态。这样的话，就会有足够的晶体来产生结晶。而含有石灰石的浆液则要处于亚饱和状态，其中的微粒可以较快地溶解，并可以充分利用。如果含有硫酸钙或亚硫酸钙的浆液处于过度饱和状态，那么设备会发生硫酸盐结垢现象。采用如下方法可以减少吸收装置中硫酸盐的结垢现象：1、可采用事故浆液罐中的浆液或添加更多的晶种以促成结晶的形成。2、保持反应池中硫酸钙的含量大于15%。3、保持足够的池内滞留时间，使浆液在反应池中充分结晶，从而使出池浆液保持低的过饱率。如果浆液中石膏含量过高，那么浆液会加快结晶速度，而不利于同质结晶。这种结晶方式形成的小晶体是难以脱水。1.3.2固体含量控制适当的浆液浓度既可以保证有足够的固体来产生有效结晶, 也可以减少浆液对系统设备带来的不良影响。浓度的在线检测装置是安装在吸收塔壁上的差压测量装置。实际上，FGD系统中结垢现象是取决于设备中石膏百分比，而不是固体溶质的百分比。由于这些循环的固体溶质会含有少量的镁、灰烬、以及其他杂质，所以固体的测量含量要超过实际的石膏含量。当悬浮固体成分含量为18%时，设备就可安全运行，而不会发生硫酸盐结垢现象。1.3.3 系统变化根据所需负荷的不同,可改变锅炉的燃烧速度。锅炉的燃烧速度直接关系着燃烧过程中产生的SO2的含量。为了在不同燃烧速度时保证一定的脱硫效率，必须控制下列变量：加入反应池内的石灰石浆液流量，或PH值反应池中的浆液浓度整个浆液循环量加入吸收塔中的石灰石浆液的流量受反应池中液体的PH值、烟气量、烟气中的SO2含量、脱硫率等影响。随着烟气中SO2含量的增加（在FGD入口烟道测得），由于在吸收过程中形成了含有硫的酸，浆液的pH值便会下降。反应池中浆液的pH值是由石膏排放泵出口测量管道上的pH计测得的。从pH计上获得的pH值可以调整反应池添加石灰石的量，也可以认为调整添加石灰石的流量，从而把浆液的pH值调节到适当值，保证系统各项指标。必须保持系统浆液适当的浓度，从而降低在反应池中形成沉淀的机率。通常，反应池中的浓度必须保持在18%左右。在去除SO2的过程中，会因沉淀的产生而在反应池中不断形成固体物质。但在石膏浆液排放方式中，可以用脱水设备来去除反应池浆液中的固体，从而达到控制浓度的目的。除雾器冲洗系统中冲洗水可以稀释反应池中的浆液，保持反应池中的浆液总量并可以保持除雾器的清洁。如果没有控制好吸收塔中浆液的PH值和浓度，系统会存在结垢的隐患。只要反应池中固体成分保持在18%以上，并且使其pH值小于6.2，轻微的结垢便不会对系统有什么影响。2系统描述2.1 烟气处理系统每台机组通过两台引风机可以通过旁路烟道把烟气送入烟囱排放到大气，或送入FGD的入口烟道。每台机组的烟气通过各自的FGD入口挡板后，进入FGD的烟道，经增压风机提升压力、进入吸收塔。烟气在吸收塔中通过3喷淋层喷淋后，按照系统设计的脱硫率脱除SO2后，经吸收塔顶部的除雾器除去烟气中的浆液雾滴、水汽，然后通过出口挡板从烟囱的入口烟道送入烟囱排放到大气中。 烟气处理系统由装有旁路挡板的旁路烟道、增压风机、吸收塔、FGD出口挡板及将它们相连接的烟道组成。为了保证挡板的密封效果，每台机组的挡板系统均设置一套密封空气系统。吸收塔是一个将SO2从烟气中分离出的装置。每台机组配置了一台吸收塔，处理烟气量为2430000Nm3/h。为系统稳定、安全、高效地运行，FGD的入口烟道和出口烟道均安装了连续烟气排放监测系统（CEMS），分别测量FGD入口烟气的烟气流量、SO2含量、O2含量、含尘量，FGD出口烟气的烟气流量、SO2含量、O2含量、NOx含量、含尘量、温度、压力、湿度；入口烟道上安装有3取2的原烟气测温点和增压风机的入口压力测点。2.2 吸收和氧化2.2.1吸收塔当烟气进入吸收塔后，就会有浆液从吸收塔上部的喷淋层喷向烟气。每个吸收塔浆液循环系统都有三台循环泵，负责把吸收塔反应池中的浆液，输送到三个喷淋层。每个喷淋层根据需要设置148个喷头，每个喷头都安装了一个喷嘴，每个喷嘴负责把浆液喷入喷淋塔。当烟气和浆液接触时，就起了一系列的反应并吸收了其中的大部分二氧化硫。当混合物进入反应池时，反应还将继续进行。在进入吸收塔出口之前，已冲洗过的烟气将会上升到除雾器中，除雾器可以去除悬浮的湿气和浆液雾滴。当气体中的液滴撞击除雾器叶片时，各个液滴便会融合直至掉下。除雾器配备着一套冲洗设备，用以防止除雾器的堵塞。残留的浆液和冲洗水都会流入反应池。2.2.2反应池浆液液滴从喷淋区掉入反应池，在反应池中，二氧化硫与水、石灰石颗粒、氧气反应生成亚硫酸钙和硫酸钙。反应池装有四个侧进式搅拌器来保持固体颗粒的悬浮状态，并且使每个搅拌器前注入反应池的空气均匀分布。控制反应池内反应的两个主要变量是pH值和浆液浓度。设定pH值和浆液浓度的目的是为了用最少的石灰石来去除最多的二氧化硫。这两个变量都是由吸收塔上的仪器测得的。石膏排放泵从反应池中抽取浆液，并把浆液运到一次脱水系统。该系统转而把旋流器的溢流送到滤液处理系统。可以根据pH计的测量值来调整反应剂给料系统中石灰石的添加量。与反应池有关的另一变量是液位。水分以以下方式在吸收系统中被消耗：蒸发废水排放以水蒸气形式混入烟气，排出系统。形成石膏（自由水和结晶水）为了保证吸收塔的正常运行，必须不断加水来弥补上述过程中水的消耗。而水的主要补充来源来自除雾器冲洗系统。根据反应池中的液位状况，除雾器冲洗系统会调节冲洗的频度。补充水也会随着石灰石浆液、一次脱水系统溢流、二次脱水系统的滤液、设备冷却水、真空泵密封水注入吸收塔反应池。2.2.3氧化空气系统烟气脱硫系统可用以生产一种副产品：可供出售的石膏。通过空气强制氧化，99%的亚硫酸钙可以转化成硫酸钙。每台机组的氧化空气系统由两台氧化风机组成。运行时，一台风机运行另一个风机作为备用。氧化风机先压缩空气，再把空气输送到位于每个反应池搅拌器前的空气喷枪中，搅拌器能确保空气在反应池浆液中的均匀分布。在进入反应池前，空气要通过水冷却，防止系统堵塞，并保护FRP管免受高温侵袭。2.3反应剂制备系统石灰石浆液制备系统为两套脱硫系统公用。在设计煤种、锅炉BMCR工况下，石灰石的平均耗量为8.5t/h。卡车卸下的石灰石经地下料斗、给料机，由斗提机送至石灰石贮仓贮存。再由称重给料机输送至湿式球磨机内磨浆，石灰石浆液经旋流器分离后，大颗粒物料再循环，溢流物料存贮于石灰石浆箱中，再用泵送至吸收塔补充与SO2反应消耗了的吸收剂。2.4 反应剂给料系统为了保持反应池中pH值在正常范围，反应剂给料系统为吸收塔提供石灰石浆液。石灰石浆液给料泵可以通过一个回路把浆液循环至反应剂给料池。通常，回路上有通向吸收塔的给料管道和检修旁路管道。给料阀根据烟气量、含硫量、脱硫率、pH值等对石灰石浆液流量作出调整。2.5脱水系统来自吸收塔的石膏浆液经吸收塔排浆泵后进入石膏旋流器，浓缩后的浆液再经过真空皮带脱水机脱水，脱水的同时对石膏进行冲洗，以满足石膏综合利用的品质要求，脱水后石膏含水量小于10%（Wt），进入石膏库贮存。滤出液返回吸收塔作为补充水，以维持吸收塔内的液面平衡，或者进入石灰石制浆系统。旋流器的上清液一部分返回吸收塔，一部分进入废水旋流器，废水旋流器上清液泵送至脱硫废水处理系统。2.6排空系统FGD岛内设置一个两台炉公用的事故浆液箱，事故浆液箱的容量满足单个吸收塔检修排空时和其他浆液排空的要求，并作为吸收塔重新启动时的石膏晶种。事故浆液箱设浆液返回泵（将浆液送回吸收塔）1台及一台顶进式搅拌器。1#吸收塔和2吸收塔区域共设置一个排水坑，排水坑内采用FRP防腐。排水坑设1台搅拌器、1台排浆泵。FGD装置的浆液管道和浆液泵等，在停运时需要进行冲洗，其冲洗水就近收集在排水坑内，然后用泵送