烟气脱硫裸塔技术概述

孙厚杰

(深圳市天艺帝国环保工程有限公司，深圳 518000)

烟气脱硫裸塔技术概述

孙厚杰

(深圳市天艺帝国环保工程有限公司，深圳 518000)

通过对通常石灰石湿法喷淋吸收塔浆液池造成的供浆瓶颈延迟响应以及搅拌延迟响应的分析，提出裸塔工艺解决方案以及该工艺极其简单的无前馈单回路PID控制方案，该工艺方案吸收氧化中和瞬间同时在喷淋区完成，浆液池只进行石膏结晶，无增压风机、氧化风机、除雾器、旁路，无须防腐，解决了目前占国内外烟气脱硫市场近95%的石灰石湿法脱硫装置建设、运行、维修维护成本高等难题，同时提出了紧脱硫缓脱硝的政策建议。

浆液池供浆瓶颈;吸收氧化喷淋区;瞬间同时完全反应;零压损

1 常规石灰石湿法喷淋吸收塔工艺系统响应分析

通常湿法吸收塔将石灰石浆液注入浆液池搅拌后再经过循环泵形成喷淋液，搅拌能力决定了浆液的混合均匀程度，以及系统不可预期波动的程度。搅拌能力越弱，吸收浆液混合均匀所需时间τ越长，同时将导致随机的滞后时间与波动，造成紊乱甚至根本无法调节；系统越趋于稳定时间越短，易于控制，但所需搅拌功率越大。忽略其他因素，此时SO2吸收量Q是一定时间τ内供浆量平均流量U的函数，Q=f（U、τ），而不是瞬时流量V的函数，平均值U是供浆流量V与τ的函数。由于浆液池体积是固定的，喷淋浆液石灰石流量当量不能随供浆石灰石流量马上变化，这个系统瓶颈决定了供浆系统响应的滞后时间ξ的特性，浆凝池体积越小，系统随动性越好、调峰能力越强，否则滞后严重、控制困难。由于浆液循环时间及吸收时间相对很短，因此系统响应时间就决定于τ与ξ，但二者是同时发生，系统响应延迟时间就决定于迟滞的时间，但干扰是叠加性的，使系统越发难以控制。

脱硫率η是SO2吸收量Q与烟气含硫量G的比值：η=Q/G。因此，脱硫效率就决定于Q逼近G的程度，理想的脱硫率在理想状态下喷淋浆液CaCO3，当量流量近似等于计算负荷需求量，在脱硫负荷长期稳定、浆液池石灰石供需动态平衡下，即为CaCO3供浆当量流量。此时假设τ值足够小，600MW机组80%脱硫负荷运行，浆液池一般约2000m3，循环泵循环总量一般不超过1500m3/h，石灰石供浆量为24m3/h（按石耗6～8t/h，浆液浓度δ30%，密度ρ1.2g/cm3计），则喷淋浆液石灰石浓度δ必须维持在0.48%（吸收塔浆液密度一般维持在1.08g/cm3）左右才能保证石灰石喷淋量为6～8t/h，保证预期脱硫率。运行期间石灰石供浆流量用于提高喷淋回流浆液石灰石浓度（视为0）从而达到与循环输出的动态平衡，这个0.48%决定了浆液池的pH值并单值对应。假设此时出现满负荷阶跃扰动并保持足够长期稳定运行，石耗增至8～10t/h，则必须将浆液池石灰石浓度δ提高到0.6%（这期间循环泵满负荷运行，如果循环量减少，则浆液石灰石浓度需相应提高，pH值相应提高，已达到吸收所需石耗），即浆液池浓度δ提高0.12%，需要额外注入约2.6t的石灰石，也即在阶跃扰动前后动态平衡过渡期间，需要多加入7.3m3石灰石浆液以弥补浆液池浓度的提高。此时需要提高浓度的不仅是喷淋回流量，而主要是浆液池浆液，这是系统响应滞后瓶颈现象的决定性因素。

如按Ca/S前馈预先控制30m3/ h的吸收浆液流量，给予浆液浓度提高的有效流量为6m3/ h（按循环浆液石灰石全部用于吸收计算），即使始终按此速度提高浓度，达到新的动态平衡也需要约1h。

因供浆当量与循环当量的瓶颈循环当量不能马上提高，随着浓度的逐渐提高，有效流量逐渐减少：

实际所需时间：ξ=p∫dδ/V（t）|（ δ0，δ′）

其中，dδ：即时浓度，即时所需额外石灰石量的函数；

V（t）：有效流量，即时供需当量流量差；

δ0：扰动前CaCO3浓度；

δ′：扰动后CaCO3浓度；

p：系数。

有效流量V（t）是即时供需当量流量差，决定于浓度δ的增长，是浓度δ单值递减函数，近似模拟经验公式：V（t）= ke-t，k为系数。所以新的动态供需平衡必须用微分增量控制陡然加入来实现，否则将是无限期的。

常规控制方案为Ca/S前馈、脱硫率η反馈的PID调节，但由于瓶颈迟滞，供浆流量难以掌控，再加上搅拌造成的喷淋石灰石当量浓度的波动，浆液pH极易超调，引起震荡。

实际运行中，大部分中和反应在浆液池中进行，进入循环的石灰石浓度要低于上述浓度，但系统迟滞基本等效，只是中和反应转移了位置，而位置的转移只是影响了吸收中和时间。也因此降低了脱硫能力（喷淋末端酸度很大），增强了腐蚀强度与几率。

实际运行τ值无法做到足够小，瓶颈ξ导致的迟滞等问题变得更加复杂、严重，不均匀混合使脱硫率出现不可预期的波动，以及各种副作用。τ值只能尽量做小：增大搅拌能力，扩大吸收浆液应急供浆能力来缩小系统响应时间。同时浆液池越小，ξ越小，石灰石浓度变化越快，系统响应越快。但不利于石灰石溶解，离子、粒子浓度大而活性差，不利于亚硫酸盐氧化、中和等反应，进而影响吸收；浆液停留时间短（避免浓度过大）影响石膏结晶。

实际运行脱硫负荷也无法保持长期稳定，由于煤质变化及供电调度需求往往在几秒至十几秒钟内大幅度变化，尤其目前电煤紧张，煤源复杂，煤质良莠参差，电业调度负荷频繁大幅度变化，导致烟气量及含硫量大幅变化，此时脱硫负荷稳定周期T值远小于ξ值及τ值，石灰石喷淋当量流量只是一条平缓曲线。虽然辅以pH值（决定于δ）控制，但pH值同样具有系统、测量延迟，并受脱硫负荷、循环量变化影响，常规吸收塔控制系统无法随脱硫负荷快速波动，致使大量SO2偷袭式排入大气，同时难免导致吸收池内CaCO3沉积结晶或酸度过大。而沉积的钙则会带来诸多弊病，往往使脱硫率居下不上，pH值居上不下。种种弊端阻挠了脱硫率的攀升，遏制了脱硫业的发展。

综上分析，用实时计算浆液池浆液所需补充的石灰石吸收浆液量做微分D前馈控制、脱硫率η做反馈，辅以浓度δ调节（因δ目前测量比较困难，成本高，所以暂时不直接用于反馈，仍用η做反馈，优于浆液池pH值受负荷、循环量、供浆状态等影响较大且不能稳定在最佳值，pH值宜做监视），能得到比较稳定理想的控制效果，随动性、波动性大为改善。对于频繁波动负荷，微分系数应小一些，以适应负荷的上下波动。

2 裸塔工艺系统响应分析、控制方案

最佳的系统响应特性是抛掉浆液池概念，解决系统瓶颈，将吸收浆液（或绝大部分）直接加入循环管道，利用循环泵同时搅拌，实现系统响应时间ξ、τ“零”的突破（只是循环流程及吸收反应的迟滞），同时将氧化空气直接加入喷淋区，加快系统吸收等响应速度，反应进程良以群聚，莠以类别。由此控制已是水到渠成，只需采用脱硫率η作反馈、调节输出供浆量的PID单回路即可，简单明了，无需前馈。

3 裸塔工艺原理

吸收塔为天方地圆型式（如下图），出入口为等径方形，按一定比例收缩于原烟道、净烟道，塔内无除雾器，因此彻底解决了常规塔烟气紊流偏流问题。石灰石吸收浆液直接注入浆液循环泵入口附近吸收塔底部，绝大部分吸收浆液直接进入喷淋，氧化空气从喷淋区底部直接进入，气液接触时间为1s、烟速5～6m/s。

吸收塔剖视示意图

喷淋液在行程中酸度的增加、CO2瞬时且彻底的释放等有利反应 ，使经过预溶解处理的过饱和CaCO3浆液迅速溶解，喷淋末端酸度增大，促使CaCO3中和溶解，这个动态平衡促使吸收溶解比较完全，因此循环泵出口的循环浆液可维持在CaCO3过饱和状态，pH值预期可远在6之上。由于过量氧化风的加入、激烈的气液搅拌瞬间完成各项反应，尤其高pH值浆液出现在喷淋行程上部，而亚硫酸盐的产生与氧化主要发生在喷淋行程下部，超大量氧化空气使氧化即时彻底，高pH吸收浆液不会影响亚硫酸盐的氧化。所以高pH值的循环浆液对吸收的影响只是正面的。

裸塔工艺较大幅度提高了L/G比，有效地增加了吸收率。 逆流交锋烟气，第一时间接触酸液，及时充分地中和了吸收液中的H+，遏制了因喷淋液下降过程中酸度增加而分解逃逸的SO2，吸收反应是单项吸收而不是通常的平衡式。最大限度地提高了Ca/S比，同时激烈的气液交互冲击，使大量产生的泡膜破碎，几乎使全部CO2直接而彻底地进入烟气，解除了CO2对喷淋浆液中CaCO3溶解的遏制。如下方程式是单向方程式而不是通常喷淋技术中的动态平衡方程式，此项性能远优于鼓泡塔（CaCO3在鼓泡池中溶解） 。

过量氧化空气逆流补充，保证了喷淋液中SO32-浓度自始至终非常低甚至根本就不存在，尤其在喷淋（吸收氧化） 区底部的烟气很少，喷淋液酸度不再增加，但遭遇到大量富氧空气而使SO32-离子几乎全部氧化成SO42-离子，因此进入浆液池的喷淋液没有亚硫酸盐，不需要通常的罗茨氧化风机。

裸塔工艺高效地利用了气膜，突破了通常吸收塔L/G比的极限，尤其适合含硫量大的劣质煤。气液激烈扰动，液滴破碎细小，增大了吸收液膜面积及效率，因此可以缩短气液接触时间即喷淋行程；可以提高烟速，减少几乎只有石膏结晶的浆液池体积及其搅拌功率。

裸塔工艺与喷泡塔工艺流程、反应机理略同，而与鼓泡塔不同的是只有石膏结晶在浆液池中进行，SO2的吸收、CaCO3的溶解中和，以及CO2的释放均在喷淋区进行，这正是裸塔型式的特点。鼓泡塔在0.5s的时间中完成鼓泡脱硫，具有98%的脱硫率、99%的CaCO3利用率、90%的除尘率，而裸塔的预期脱硫率则在0.99以上，CaCO3利用率、除尘率等指标期望接近或超过鼓泡塔，而建设运行成本更是鼓泡塔等工艺所望尘莫及的。

裸塔工艺可一次性瞬间完成吸收、中和、氧化等反应，其化学进程机制与鼓泡塔相同，几乎无任何副反应生成（如COD等产物），不产生CaSO3等亚硫酸盐蒸发。尤其是亚硫酸盐及石膏主要在喷淋行程的下半部产生，亚硫酸盐随即被铲除，因大量浆液与急速烟流相逢造成大量的液膜、紊流，下部石膏在蒸发升腾过程中与烟尘等杂质一起被石灰石碱液冲洗过滤掉，无法到达喷淋行程顶部并排除，因此，净烟气几乎没有石膏污垢。喷淋浆液行程顶部是pH非常高的浆液，因此净烟气不含酸雾呈现碱性，不用设除雾器，后续烟道烟囱等设备设施可以不做防腐处理。

净烟气水雾的增加决定于L/G比及喷淋液温升，当比值较小时，液体全部蒸发，但总量不一定很大，当比值很大时，浆液温度上升很小，蒸发量很小，此函数有个蒸发量最大的极限值，因此L/G比的选择要兼顾喷淋液即液膜温升较小、水雾蒸发量小，以使其携带的污垢很小，裸塔工艺L/G比的选择应尽量大，使喷淋液蒸发量、温升、水雾携带污垢量减少。同时气液接触时间的大大缩短，大幅度降低了温升，并且大量冷空气首先直接进入喷淋区，对温度逐渐增高的液膜起到逆程冷却作用。由于浆液池热质的增加，浆液池温度将升高，所以裸塔工艺原烟道、吸收塔不做防腐并加强散热（冷冻区特殊考虑），或可考虑增加简易金属除雾器（压损控制在30Pa以下）以控制水雾量。

由于通常吸收塔短路区实际烟速比较高，因此本方案烟速的提高并不能带来更多的水雾污垢携带量。随着锅炉设计的日臻完善，能源综合利用日趋合理高效，锅炉排烟温度将继续降低，届时排烟携带石膏等污染物现象将得到更加彻底的根除。

由于没有除雾器、喷淋区，浆液池高度可大幅降低。经过计算，600MW机组脱硫裸塔高度约为25m，大大提高了抗风抗震抗剪切等能力。

至此，增压风机实际上仅仅为了克服浆液喷淋造成的烟气压损，通过将裸塔喷淋区分为顺流动力氧化区（顺流喷淋区）与逆流动力氧化区（逆流喷淋区），且两区喷淋浆液量与配风量比值为2:1，结构对称，塔内烟气压损“零突破”，从而取消了增压风机，成为名副其实的裸塔。

4 紧脱硫缓脱硝

应用裸塔技术，1台脱硫装置1年仅用电即可节约近3千万度，节煤1万多t。目前全国火电装机容量已达7.5亿kW，若全上裸塔装置，1年将节电近375亿度，节煤1300万t，这已经相当于一个中等发达国家全年的用电量，如奥地利2006年的用电量为670亿度。两台600MW机组假设投资8000万改造脱硫装置，2～3年即可收回成本。

据中电联预计，2020年我国火电装机将达到16亿kW，届时裸塔的技术优势、经济效益将更加明显、可观，等于年节省近2000多万t煤，而2009年我国煤炭消费约为28亿t，电煤消费约占50%，这已不是一个小比例，且裸塔每年还可少排放温室气体CO23000万t。

2010年，全国60万kW及以上火电厂用电率为6.79%，比上年增加0.17个百分点，导致用电率增加的一个重要原因就是2008年有一大批机组新增了脱硫设施。如果60万kW发电机组都采用裸塔脱硫装置，最少可使电厂的用电率下降1.25%。

由于裸塔建设运行维护成本极低（约为常规塔的10%），高效低耗，用来脱硫可实现全国乃至全球范围的SO2“零”排放，同时因湿法石灰石脱硫工艺可脱除近50%的氮氧化物，所以不必再进行脱硝（酸雨中硫氮比为10:1），酸雨也会得到很好的治理。

氮元素是农作物及植物不可或缺的营养元素，在农业中占重要地位。且氮氧化物可制造臭氧，在一定程度上可弥补南极臭氧洞。因此，鉴于目前国内外环保、大气污染状况，我们可以采取紧脱硫缓脱硝的政策。

由于裸塔建设、运行维护成本极低，污染厂矿将有充足的资金及极大的热情响应国家脱硫政策，从而使脱硫环保事业进入良性循环，使环保自身得以可持续发展，使国家经济建设可持续发展得以有力支撑，进入良性循环。

5 不可持续的可持续经济发展战略

因脱硫造成电厂用电率升高，企业亏损，利润下降，再上脱硝，发电成本增加，工业企业用电成本提高，又将引起其他行业一系列经济、价格波动，将影响经济发展，甚至导致恶性循环、经济危机，使可持续经济发展战略不可持续。而脱硫脱硝白白浪费的一次能源将影响国家长远经济建设、目标的实现。由于裸塔建设、运行维护成本极低，又取消脱硝政令，污染厂矿将有充足的资金及积极的热情响应国家脱硫政策，从而使脱硫环保事业进入良性循环，使环保自身得以可持续发展，使国家经济建设可持续发展战略得到有力支撑，进入良性循环。

[1]孙厚杰.电厂湿法烟气脱硫吸收塔（申请号201010179965.3）[P].北京：中国国家知识产权局，CN101816888A，2010-09-01.

[2]中华人民共和国科学技术部.2008中国科学技术发展报告[R].

[3]于洋,等.中国经济改革与发展:政策与绩效[M].大连：东北财经大学出版社.2005.

[4]环境保护部，国家发展和改革委员会，国土资源部，住房和城乡建设部水利部，农业部，卫生部，国家统计局，国家林业局，中国气象局，中国地震局，国家海洋局，等.2009中国环境状况公报[R].

[5]国家电力监管委员会，国家电力监管委员会，国家能源局，国家能源局，等.2008年电力企业节能减排情况通报[R].2009-10.

[6]环境保护部.2008年环境统计年报[R].

[7]中投顾问.2010-2015年中国化肥市场投资分析及前景预测报告[R].

[8]王槊.中电投总经理陆启洲：我国火电50年内仍将主导[Z].中电新闻.

Nude Tower Technology of FGD

SUN Hou-jie

X701.3

A

1006-5377（2011）08-0051-04

国家火炬计划优先发展技术领域（2010年）；国家重点新产品计划优先发展技术领域（2010年）。