循环流化床干法脱硫工艺描述

项目方案书 1 循环流化床干法脱硫除尘一体化工艺描述 1 循环流化床干法脱硫系统 CFB FGD 概述 CFB FGD烟气循环流化床干法脱硫技术是循环流化床干法烟气脱硫技术发明人 世界著名环保公司德国鲁奇能捷斯公司 LLAG 公司具有世界先进水平的第五代循环流 化床干法烟气脱硫技术 CirculatingFluidizedBedFlueGasDesulphurization 简称 CFB FGD 该技术是目前商业应用中单塔处理能力最大 脱硫综合效益最优越的一种干法 烟气脱硫技术 该技术已先后在德国 奥地利 波兰 捷克 美国 爱尔兰 中国 巴 西等国家得到广泛应用 最大机组业绩容量为 660MW 简要介绍如下 发展历史 德国鲁奇能捷斯 LLAG 公司是世界上最早从事烟气治理设备研制和生产的企业 已有一百多年的历史 静电除尘器的除尘效率计算公式 多依奇公式 就是该公司的 工程师多依奇先生发明的 LLAG 在上世纪六十年代末首先推出了循环流化床概念 此 后把循环流化床概念应用到四十多个不同的工艺 LLAG在发明循环流化床锅炉的基础 上 首创将循环流化床技术 CFB 应用于工业烟气脱硫 经过三十多年不断的完善和 提高 目前其循环流化床干法烟气脱硫技术居于世界领先水平 工艺流程及原理说明 一个典型的 CFB FGD系统由预电除尘器 吸收剂制备及供应 脱硫塔 物料再循 环 工艺水系统 脱硫后除尘器以及仪表控制系统等组成 其工艺流程见图 1 1 项目方案书 2 图 1 1 CFB FGD工艺流程示意图 首先从锅炉的空气预热器出来的烟气温度一般为 120 180 左右 通过预除尘器后 从底部进入脱硫塔 当脱硫渣与粉煤灰须分别处理时 设置预除尘器 提高粉煤灰的综 合利用 在此处高温烟气与加入的吸收剂 循环脱硫灰充分预混合 进行初步的脱硫 反应 在这一区域主要完成吸收剂与 HCl HF的反应 然后烟气通过脱硫塔下部的文丘里管的加速 进入循环流化床床体 物料在循环流 化床里 气固两相由于气流的作用 产生激烈的湍动与混合 充分接触 在上升的过程 中 不断形成絮状物向下返回 而絮状物在激烈湍动中又不断解体重新被气流提升 形 成类似循环流化床锅炉所特有的内循环颗粒流 使得气固间的滑落速度高达单颗粒滑落 速度的数十倍 脱硫塔顶部结构进一步强化了絮状物的返回 进一步提高了塔内颗粒的 床层密度 使得床内的 Ca S 比高达 50 以上 SO2充分反应 这种循环流化床内气固两 相流机制 极大地强化了气固间的传质与传热 为实现高脱硫率提供了根本的保证 在文丘里的出口扩管段设有喷水装置 喷入的雾化水用以降低脱硫反应器内的烟温 使烟温降至高于烟气露点 20 左右 从而使得 SO2与 Ca OH 2的反应转化为可以瞬 间完成的离子型反应 吸收剂 循环脱硫灰在文丘里段以上的塔内进行第二步的充分反 项目方案书 3 应 生成副产物 CaSO3 1 2H2O 此外还有与 SO3 HF和 HCl 反应生成相应的副产物 CaSO4 1 2H2O CaF2 CaCl2 Ca OH 2 2H2O 等 烟气在上升过程中 颗粒一部分随烟气被带出脱硫塔 一部分因自重重新回流到循 环流化床内 进一步增加了流化床的床层颗粒浓度和延长吸收剂的反应时间 从化学反应工程的角度看 SO2与氢氧化钙的颗粒在循环流化床中的反应过程是一 个外扩散控制的反应过程 SO2与氢氧化钙之间的反应速度主要取决于 SO2在氢氧化钙 颗粒表面的扩散阻力 或说是氢氧化钙表面气膜厚度 当滑落速度或颗粒的雷诺数增加 时 氢氧化钙颗粒表面的气膜厚度减小 SO2进入氢氧化钙的传质阻力减小 传质速率 加快 从而加快 SO2与氢氧化钙颗粒的反应 只有在循环流化床这种气固两相流动机制下 才具有最大的气固滑落速度 同时 脱硫反应塔内能否获得气固最大滑落速度 是衡量一个干法脱硫工艺先进与否的一个重 要指标 也是一个鉴别干法脱硫工艺能否达到较高脱硫率的一个重要指标 当气流速度 大于 10m s 时 气固间滑落速度很小或只在脱硫塔某个局部具有滑落速度 要达到很高 的脱硫率是不可能的 喷入的用于降低烟气温度的水 以激烈湍动的 拥有巨大的表面积的颗粒作为载体 在塔内得到充分的蒸发 保证了进入后续除尘器中的灰具有良好的流动状态 由于流化床中气固间良好的传热 传质效果 SO3全部得以去除 加上排烟温度始 终控制在高于露点温度 20 以上 因此烟气不需要再加热 同时整个系统也无须任何的 防腐处理 净化后的含尘烟气从脱硫塔顶部侧向排出 然后转向进入脱硫后除尘器进行气固分 离 再通过引风机排入烟囱 经除尘器捕集下来的固体颗粒 通过除尘器下的脱硫灰再 循环系统 返回脱硫塔继续参加反应 如此循环 多余的少量脱硫灰渣通过气力输送至 项目方案书 4 脱硫灰库内 再通过罐车或二级输送设备外排 在循环流化床脱硫塔中 Ca OH 2与烟气中的 SO2和几乎全部的 SO3 HCl HF 等完成化学反应 主要化学反应方程式如下 Ca OH 2 SO2 CaSO3 1 2H2O 1 2H2O Ca OH 2 SO3 CaSO4 1 2H2O 1 2H2O CaSO3 1 2H2O 1 2O2 CaSO4 1 2H2O Ca OH 2 CO2 CaCO3 H2O Ca OH 2 2HCl CaCl2 2H2O 75 强吸潮性物料 2Ca OH 2 2HCl CaCl2 Ca OH 2 2H2O 120 Ca OH 2 2HF CaF2 2H2O 从上述化学反应方程式可以看出 Ca OH 2尽量避免在 75 左右与 HCl 反应 的 CFB FGD 烟气脱硫技术 的 CFB FGD烟气脱硫技术的工艺 结构特点如下 1 采用专门的烟气循环流化床脱硫反应塔 脱硫效率高 系统可靠 稳定 塔内完全没有任何运动部件和支撑杆件 操作气速合理 塔内磨损小 没有堆积死 角 设备使用寿命长 检修方便 特别是由于通过进气结构的改进设计和增加了清洁烟 气再循环装置 使烟气负荷在 40 110 变化范围内 均可保证塔内良好的气固混合 和充分的接触 无须在塔内增加絮流圈 保证了塔内不出现堆积死角 由于设计选择最佳的操作气速 使得气固两相流在 CFB内的滑落速度最大 脱硫 反应区床层密度高 颗粒在脱硫塔内单程的平均停留时间长达 40 秒左右 考虑循环倍 率 颗粒总的停留时间为 60 分钟左右 烟气在塔内的气固接触时间高达 8 秒以上 特别是吸收剂以及循环物料与烟气之间具有最长的接触行程 是其它干法脱硫的两倍 使得脱硫塔内的气固混合 传质 传热更加充分 优化了脱硫反应效果 从而保证了达 项目方案书 5 到较高的脱硫效率 2 采用高压回流式水喷嘴直接向脱硫塔内喷水降温 对负荷变化响应快 保障后 续除尘器可靠运行 采用进口的回流式水喷嘴 具有喷水压力高 雾化效果好 耐磨损耐腐蚀等优点 从高压水泵出来的工艺水通过高压回流式水喷嘴喷入脱硫塔内 烟气温度下降到脱硫反 应器所需要的最佳温度 高于烟气露点温度 15 以上 当锅炉负荷变化时 所需的喷 水量也随之变化 此时通过水系统中的回流水调节阀来调节喷入脱硫塔内的水量 对负 荷变化响应快 几乎同步 喷入塔内的水由于压力高 雾化效果好 瞬间气化后使得 塔内激烈湍动固物体不易粘结抱团 保证了后级除尘器的稳定可靠运行 3 控制简单 CFB FGD技术的工艺控制过程主要通过三个回路实现 见图 1 2 这三个回路相 互独立 互不影响 图 1 2 CFB FGD 工艺控制回路图 a SO2排放控制 根据脱硫塔进口 SO2量控制石灰粉的给料量 脱硫塔出口的 SO2 浓度 则用来作为校核和精确地调节石灰粉给料量的辅助调控参数 以保证达到按要求 的 SO2排放浓度 项目方案书 6 b 温度控制 为了促进消石灰和 SO2的反应 通过向脱硫塔内喷水来降低烟气的 温度 同时为了防止结露和有利于烟气的排放扩散 通常选取的脱硫塔出口温度高于烟 气的露点温度 10 20 通过对脱硫塔出口温度的测定 控制回流式水喷嘴向脱硫塔内的喷水量 以使温度 降低到设定值 工艺水通过高压水泵以一定的压力注入 可以在 CFB运行过程中进行 调节 脱硫系统停止运行时 工艺水会自动停止注入 加入脱硫塔的消石灰和水的控制是相对独立的 便于控制消石灰用量及喷水量 从 而使操作温度的控制变得更加容易 c 脱硫塔的压降控制 脱硫塔的压降由烟气压降和固体颗粒压降两部分组成 见 图 1 3 由于循环流化床内的固体颗粒浓度 或称固 气比 是保证流化床良好运行 的重要参数 在运行中只有通过控制脱硫塔的压降来实现调节床内的固 气比 以保证 反应器始终处于良好的运行工况 通过调节除尘器灰斗进入空气斜槽的物料量 控制送 回脱硫塔的再循环物料量 可保证脱硫塔压降的稳定 从而保证了床内脱硫反应所需的 固体颗粒浓度 Ug m s P P 1 gas P 1 total P 2 total P 2 gas 无无清清洁洁烟烟气气再再循循环环 有有清清洁洁烟烟气气再再循循环环 P min gas 100 Boiler Load40 Boiler Load P solids loading 图 1 3压降与烟气流速的关系图 项目方案书 7 P 烟气压降 Pmin gas 最小空塔压降 Psolids loading 脱硫反应所需的颗粒负荷 P1 gas 有清洁烟气再循环的空塔压降 P1 total 有清洁烟气再循环的总压降 P2 gas 无清洁烟气再循环的空塔压降 P2 total 无清洁烟气再循环的总压降 Ug 烟气流速 4 单塔处理能力大 已有大型化的应用业绩 通过采用一个塔内配置 7 个文丘里管的结构 单塔理论上最高可处理 280 104Nm3 h 配置 7 个文丘里单塔 CFB FGD系统已在 660MW 燃煤机组得到成功运 行 对于处理大烟气量的脱硫塔 如果采用单个文丘里喷嘴 仅仅机械地放大其尺寸 并同时保持文丘里管的角度及其高度与直径的比率 则脱硫塔会造得很高 对于处理大 烟气量 在工程上将变得不可能 如果人为地降低脱硫塔的高度 则会减少烟气与固体 颗粒剧烈混合的反应区的有效高度 从而影响脱硫率 为克服单个大文丘里喷嘴的局限 以便适于处理大烟气量 LLAG公司创造性地设 计了一种入口为 7 个文丘里喷嘴的脱硫塔 其优点 一是减少单个喷嘴的高度和自由射 流区 由进入脱硫塔底部的原烟气形成 的长高 由于在自由射流区内颗粒物的含量较 低 减少其长度 可增大有效反应空间 二是使烟气与固体颗粒物的混合得到加强 见图 1 4 项目方案书 8 图 1 4单嘴与多嘴结构的流场比较图 5 采用流线型的底部进气结构 保证了脱硫塔入口气流分布均匀 为了适应单塔处理大烟气量 必须采用多文丘里管的结构 采用多个文丘里烟气喷 嘴的脱硫塔 要求进入塔内的烟气流场分布较为均匀 否则因各个喷嘴流速差异较大 可能导致固体颗粒物从某个喷嘴向下滑落 为了解决布气不均匀造成塔内形成典型的不均匀的固体颗粒分布的问题 脱硫塔进 气方式采用流线型的底部进气结构 避免了两股气流对撞产生涡流 从而保证了脱硫塔 入口气流分布均匀 6 脱硫塔内操作气速相对稳定 负荷适应性好 进一步保证了气固两相流场的稳 定 由于采用了清洁烟气再循环技术 以及脱硫灰渣循环等措施 可以满足不同的锅炉 负荷要求 锅炉负荷在 40 100 范围内变化 脱硫系统可正常运行 如果按照较高负荷时的烟气量设计文丘里烟气喷嘴的流速 则在低负荷时 由于进 项目方案书 9 入脱硫塔的烟气量减少 文丘里喷嘴流速降低 压降减少 塔内物料将塌落 整个床层 的气固两相流机制将不能维持 将严重影响脱硫效率和脱硫系统的稳定工作 如果按低 负荷时的烟气量设计文丘里喷嘴的流速 则正常工况烟气量时脱硫塔内文丘里喷嘴的流 速将大大超出正常反应的要求 系统能耗及运行费用将明显增加 部分烟气不同程度发 生短路 从而使脱硫率很难得到保证 为此 CFB FGD技术 利用脱硫塔进口烟道的静压低于引风机出口静压 不需要 另外安装抽气风机 通过再循环烟道将引风机下游的部分净化烟气 根据负荷变化情况 调节烟道风挡来调节再循环到脱硫塔进口烟道中的净化烟气的流量 使文丘里喷嘴的流 速保持相对稳定 这一技术已在 CFB FGD项目中得到广泛应用 特别是调峰机组和多 炉共用一个脱硫塔的工艺布置 清洁烟气再循环的流程见下图 1 5 图 1 5清洁烟气再循环示意图 7 无须防腐 CFB脱硫塔内具有优良的传质传热条件 使塔内的水分迅速蒸发 并且可脱除几乎 全部的 SO3 烟气温度始终高于露点 15 左右 因此脱硫塔及其下游设备不会产生腐蚀 项目方案书 10 8 良好的入口烟气 SO2浓度变化适应性 当煤的含硫量或要求的脱硫效率发生变化时 无需增加任何工艺设备 仅需调节脱 硫剂的耗量便可以满足更高的脱硫率的要求 这一点对于碰到设计煤种和校核煤种相差 较大的情况时 其作用将更加明显 9 脱硫副产物流动性好 易于处理 脱硫剂利用率高 脱硫副产物排放少 经过研究和实验 找到了正确的注水位置 保证喷入脱硫塔内的冷却水的充分蒸发 加上烟气和颗粒在塔内具有较长的接触行程 进一步加强了冷却水的蒸发 因此脱硫副 产物流动性好 易于输送和处理 为了提高脱硫副产品的流动性 避免粘结效应 改善脱硫系统的运行条件 北京国 信恒润公司的脱硫技术利用消石灰与氯离子在不同反应温度段的反应生成物不同的特点 创造性地将吸收剂与脱硫再循环灰的加入口 改到脱硫塔上游烟道处 参见工艺示意图 1 1 其作用 一是使吸收剂与再循环脱硫灰提前与烟气中 SO2等酸性气体接触反应 延长反应时间 二是利用烟气热量加热和快速干燥再循环灰 改善再循环灰的流动性 三是使消石灰和氯离子在烟道内 120 以上温度下反应生成吸潮性较差 不易凝结的碱 式氯化钙 CaCl2 Ca OH 2 H2O 该项技术从 1996 年就开始在捷克 PILSEN电厂成功投入商业运行 至今已有几十 多套采用该项技术进行设计与应用的项目 如果在脱硫塔的低温段 70 80 温度 注入吸收剂和循环脱硫副产物 消石灰与 氯离子反应生成易吸潮的氯化钙 CaCl2 2H2O 一是易造成塔内物料粘壁 二是灰的 流动性下降 不利于脱硫副产物的处置 与此同时 从吸收剂及循环物料加入口到脱硫塔烟气气固接触行程和塔内气固接触 时间长 保证了塔内充分的脱硫反应 加上脱硫后除尘器收集脱硫灰全部返回塔内再循 项目方案书 11 环 只有少量的脱硫灰外排 因此灰的综合处理成本较低 10 系统简洁 可靠性高 脱硫系统对脱硫灰气力输送的要求较高 气力输送线一旦堵塞 将危及整个脱硫系 统的安全运行 由于脱硫系统的设计无须通过刻意降低操作温度至接近露点温度来满足 脱硫率的要求 从而避免了因物料含水量高 流动性差 造成气力输送堵塞情况的发生 2 循环流化床干法脱硫系统的强适应性 公司的 CFB FGD烟气脱硫系统具有很强的适应性和可操作性 能够自动跟随锅炉 的负荷变化而自动调整脱硫的运行状态 锅炉负荷变化的适应性 当锅炉负荷降低时 进入脱硫系