燃煤电厂石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术概述

0 引 言

随着烟气脱硫技术不断发展,针对各种不同工况的烟气脱硫技术日新月异，半干法、干法、电子束法、流化床烟气脱硫、活性碳吸附等脱硫方法相继出现。但是湿法脱硫仍然是脱硫技术市场中占有份额最大、技术较成熟的一项技术。而石灰石-石膏湿法脱硫具有脱硫效率高、吸收剂来源丰富、价格低廉以及副产品可以回收利用等特点，是目前世界上燃煤电厂技术最成熟、使用业绩最多、运行状况较稳定的脱硫工艺。

1 石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺流程及反应原理

近年来，随着国家环保要求的提高和脱硫技术的发展，国内新建燃煤电厂主流工艺也有了一些变化，脱硫系统不设旁路，不设GGH，增压风机与引风机合并等。旁路取消导致脱硫系统需稳定运行才能确保主机安全运行。图1是近年新建燃煤电厂主流石灰石-石膏湿法脱硫工艺流程图。

图1 燃煤电厂石灰石石膏湿法脱硫工艺流程

该工艺的主要反应是在吸收塔中进行的，送入吸收塔的吸收剂（石灰石浆液）与进入吸收塔的烟气接触混合，烟气中的二氧化硫(SO2)与吸收剂浆液中的碳酸钙(CaCO3)以及进入的空气中的氧气(O2)发生化学反应，生成二水硫酸钙(CaSO4·2H2O)即石膏；脱硫后的烟气经过除雾器除去雾滴经烟囱排入大气。该工艺的化学反应方程式如下：

2 工艺系统

石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺系统（以下简称FGD）主要包括以下9个子系统：烟气系统、石灰石制备系统、吸收系统、石膏脱水和储运系统、排放系统、废水处理系统、公用系统、事故冷却系统和电气与监测控制系统。9个子系统中以吸收系统为核心，首先通过石灰石制备系统制备一定浓度的石灰石浆液输送至吸收系统，原烟气经烟气系统进入吸收系统后，烟气中SO2与吸收系统内石灰石浆液反应后生成石膏浆液，净烟气经过吸收系统后经烟囱排放至大气中。吸收系统中产生的石膏浆液通过石膏脱水系统产出脱硫副产物石膏和排出部分脱硫废水进入废水处理系统处理达标后排放。在整个脱硫过程中，公用系统提供吸收系统和其他子系统需要的水、汽等；电气与检测控制系统提供各子系统的动力及控制吸收系统和其他子系统正常运转。排放系统则将吸收系统设备的冷却水、机械密封水等收集后再次送至吸收系统。另外，排放系统和事故冷却系统在检修或事故状态下保护吸收系统。下面将分别介绍FGD的9个子系统。

2.1 烟气系统

烟气系统即烟气所流经的通道，主要设备包括烟气挡板、增压风机（引风机）、烟道、烟囱及其附件。

(1)增压风机

目前国内新建燃煤电厂一般将增压风机和引风机合并，即FGD不设增压风机。

(2)烟道

烟气进过吸收系统后湿度增加，温度降低，具有较强腐蚀性，湿烟道内壁需防腐，而且湿烟道底部和烟道膨胀节底部需设排水孔将烟道中的冷凝水及时排出。

另外，当两台机组共用一台单筒烟囱时，在FGD出口至烟囱进口应设置烟气挡板，否则机组无法单台炉停机检修；当每台机组对应一个烟囱内筒时FGD无需设置烟气挡板。

(3)烟囱

FGD后进入烟囱的湿烟气具有腐蚀性，所以烟囱内筒需防腐或采用耐腐蚀的钛合金材料。

图2 湿法脱硫烟气系统

2.2 石灰石制备系统

石灰石浆液系统的主要设备有卸料站、石灰石贮仓、石灰石输送机、石灰石磨机、水力旋流器、称重皮带给料机、泵、箱及搅拌器。

石灰石球磨机分为干式和湿式两种，FGD石灰石制备系统一般采用湿式球磨机(见图3)。石灰石块送至现场后，经皮带给料机、斗式提升机送至石灰石储仓内，再由称重皮带输送机送到湿式球磨机内磨制成浆液，石灰石浆经分离后，大尺寸物料再循环，合格的溢流物料存贮于石灰石浆液箱中。如果方便，也可直接购买石灰石粉在石灰石浆液罐中加工艺水达到所需浆液浓度（25%左右）。然后由石灰石浆液泵送至吸收塔。

图3 石灰石制备系统

2.3 吸收系统

吸收系统是湿法脱硫系统的核心，一般包括吸收塔、吸收塔浆液循环泵和喷淋层、石膏浆液排出泵、氧化风机等几个部分，还包括辅助的放空、排空设施。

(1)吸收塔

吸收塔的类型有多种，主要有喷淋塔、填料塔、鼓泡塔、液柱塔等。FGD一般采用喷淋塔（见图4），塔内壁需防腐。吸收塔分为三个区域：吸收塔浆液池、洗涤区和气体区。习惯上将吸收塔中吸收剂浆液液面以下称做吸收塔浆液池，此区域布置有吸收塔浆液搅拌器，防止浆液沉积，在这一区域的主要反应为：新加入石灰石的溶解、亚硫酸盐氧化生成硫酸盐、石膏晶体生长；洗涤区为吸收塔浆液池液面以上到浆液喷淋层，浆液自喷嘴喷出，与烟气接触，吸收烟气中的SO2和SO3；在吸收器内喷淋层上部至吸收塔出口是气体区，此区域装有除雾器，用于将脱硫后的烟气中的细小液滴去除，减少下游设备的腐蚀和结垢。

(2)吸收塔浆液循环泵和喷淋层

吸收塔浆液循环泵主要是将吸收塔浆液池内的浆液输送至喷淋层后由喷嘴喷射出来与烟气逆向接触发生反应，吸收烟气中的SO2和SO3。每台浆液循环泵对应一层喷淋层。

(3)石膏浆液排出泵

吸收塔内的石膏浆液由石膏浆液排出泵输送至石膏脱水系统进行后续处理。

(4)氧化风机

通过氧化风机向吸收塔浆液池内鼓入氧化空气，在搅拌器的作用下将氧化空气均匀分布至浆液内部，将CaSO3氧化生成CaSO4，CaSO4结晶析出生成石膏。

图4 湿法脱硫吸收系统

2.4 石膏脱水和储运系统

石膏脱水和储运系统的主要设备有石膏水力旋流器、真空皮带脱水机（见图5）、废水旋流器、皮带输送机和石膏储存间等。吸收塔内的石膏浆液通过石膏排出泵送入石膏水力旋流站浓缩，浓缩后的石膏浆液进入真空皮带脱水机，进入真空皮带脱水机的石膏浆液经脱水处理后由皮带输送机送入石膏储存间存放待运，可供综合利用。石膏旋流站的溢流浆液一部分返回吸收塔循环使用，一部分进入废水旋流器，废水旋流器底流返回吸收塔，上部溢流送至废水处理区域。

图5 石膏脱水系统

2.5 排放系统

排放系统包括排水坑、事故浆液箱和抛弃池等。吸收塔区域排水坑用于收集吸收塔区正常运行、清洗和检修中产生的排出物。吸收塔排水坑内的浆液由泵输送至吸收塔、事故浆液池或抛弃池。事故浆液池用于当吸收塔在检修或事故状态下排放储存吸收塔浆液池中的浆液。另外，当FGD设旁路时，FGD可以在主机投运正常后再投运。但目前FGD不设旁路，试运初期电除尘投运不正常导致烟气中大量灰尘和锅炉点火时未燃尽油进入吸收塔浆液池，会导致吸收塔浆液池中的浆液“中毒”，无法到达正常脱硫效果。应将“中毒”浆液通过排放系统外排至抛弃池抛弃。

2.6 废水处理系统

为降低FGD浆液中的氯离子浓度，需定期定量排出脱硫废水。由废水旋流器上溢流排出的废水进入废水处理系统，处理后达到《火电厂石灰石/石膏湿法脱硫废水水质控制指标》后排放。脱硫废水处理系统包括：Ca(OH)2加药系统、有机硫加药系统、絮凝剂加药系统、盐酸加药系统、出水系统、污泥脱水系统等。

2.7 公用系统

FGD公用系统包括工艺水箱、工艺水泵、除雾器冲洗水泵、压缩空气罐等。公用系统主要提供设备机械密封水、工艺水补水、管道冲洗水、除雾器冲洗水和仪用压缩空气等。

2.8 事故冷却水系统

当FGD有旁路时，事故状态下高温烟气可通过旁路挡板切换从旁路进烟囱保护吸收塔，可以不设事故冷却水系统。由于近年FGD不设旁路，当事故状态下FGD进口烟温过高或者脱硫岛失电时，高温烟气将通过吸收塔，而吸收塔内除雾器和防腐鳞片将在高温下损坏。所以无旁路FGD需设置事故冷却水系统。事故冷却水系统由事故冷却水箱、事故冷却喷嘴和配套管道阀门组成，也可以引一路消防水做冷却喷淋水。当事故状态出现时，事故冷却水由事故冷却喷嘴喷射进入烟道内给烟气降温后通过吸收塔。由上海电气石川岛电站环保工程有限公司承接的宁夏水洞沟电厂#1机组FGD在调试时，由于电除尘器处施工意外导致脱硫岛失电，事故冷却水系统自动投运，在失电的12 min内确保吸收塔内烟气温度未超过除雾器设计温度80℃。事实证明，无旁路FGD设事故冷却水系统是必须的，也是有效的。

2.9 电气与监测控制系统

电气与监测控制系统主要由电气系统、监控与调节系统和联锁环节等构成，其主要功能是为系统提供动力和控制用电;通过DCS系统控制全系统的启停、运行下况调整、联锁保护、异常情况报警和紧急事故处理;通过在线仪表监测和采集各项运行数据，还可以完成经济分析和生产报表。主要设备包括各类电气设备、控制设备以及在线仪表等。

图6 湿法脱硫烟气系统DCS控制

图7 湿法脱硫吸收系统DCS控制

3 影响脱硫效率的因素

3.1 烟气流速

在其他参数恒定的情况下，提高烟气流速可以增强气液两相的湍动，减薄烟气与吸收浆液之间的膜厚度，增强气液传质。另外，还能使喷淋液滴的下降速度相对降低，使单位体积内持液量增大，提高脱硫效率。但是，烟气流速的增大也会造成脱硫系统压力损失增大、能耗增加以及烟气带水而增加除雾器的负担。对于FGD 系统中所采用的主流塔型逆流喷淋塔来说，通常采用的烟气流速为3.5～4.5 m/s。

3.2 烟气温度

脱硫效率随吸收塔进口烟气温度的降低而增加，这是因为脱硫反应是放热反应，温度升高不利于脱除SO2化学反应的进行。但是烟气温度过低也会影响SO2的吸收。

3.3 入口烟气中SO2浓度

在钙硫摩尔比一定的条件下，当烟气中SO2浓度较低时，根据化学反应动力学，其吸收速率较低，吸收塔出口SO2浓度与入口SO2浓度相比降低幅度不大。由于吸收过程是可逆的，各组分浓度受平衡浓度制约。当烟气中SO2浓度很低时，由于吸收塔出口SO2浓度不会低于其平衡浓度，所以不可能获得很高的脱硫效率。因此，工程上普遍共识为，烟气中SO2浓度低则不易获得很高的脱硫效率，浓度较高时容易获得较高的脱硫效率。实际上，按某一入口SO2浓度设计的FGD装置，当烟气中SO2浓度很高时，脱硫效率会有所下降。

3.4 吸收塔进口烟气中的飞灰

烟气中的飞灰会在一定程度上阻碍SO2跟吸收剂的接触，减少了SO2的吸收表面积，降低了吸收速率。此外，飞灰中溶出的一些重金属离子会抑制和HSO的反应，进而影响脱硫效果。同时，大量的飞灰也会堵塞喷头。一般应控制吸收塔入口烟尘浓度小于 100 mg/m3。

3.5 石灰石纯度和粒径

石灰石中的杂质对石灰石颗粒的消溶起阻碍作用，并且杂质含量越高，这种阻碍作用越强。高纯度的石灰石有利于SO2的吸收以及生产优质的脱硫石膏。此外，石灰石的粒度大小直接影响有效反应面积的大小，通常粒度越小，单位体积的表面积越大，脱硫效率及石灰石利用率越高。但石灰石的纯度和粒度过高，将会导致吸收剂制备价格和能耗的上升。通常要求石灰石的纯度在90%以上，粒度小于30μm。

3.6 液气比（L/G）

液气比是与流经吸收塔的单位体积的烟气量相对应的浆液喷淋量。液气比对脱硫效率的高低有着重要的影响。在其他参数恒定的情况下，提高液气比能提高脱硫效率。但是高液气比使吸收塔内压力损失增大，风机能耗增加，浆液循环泵的流量增大，带来的系统设计功率及运行电耗的增加，运行成本提高较快。同时，循环液量的增大使得出口烟气的雾沫夹带增加，会造成后续设备和烟道的腐蚀。实际上，脱硫设计中在满足脱硫效率的基础上液气比越小越好。

3.7 循环浆液的pH值

浆液的低pH值有利于石灰石的溶解和CaSO3·1/2H2O的氧化，而高pH值则有利于SO2的吸收，二者互相对立。因此，选择一个合适的浆液pH值对烟气脱硫反应至关重要。吸收塔浆液的pH值一般控制在5.5左右。

3.8 浆液停留时间

吸收塔中的停留时间是指液体与烟气在吸收塔中的接触时间。浆液在浆液池内停留时间长将有利于浆液中的石灰石颗粒与SO2充分反应以提高脱硫剂的利用率，并使反应生成物CaSO3有足够的时间完全氧化生成CaSO4以获得粒度均匀、纯度高的脱硫石膏。但浆液停留时间过长将会使浆液池容积增大，氧化空气量和搅拌机的容量增大，将增加土建和设备费用及能耗。

3.9 钙硫比

在FGD装置中，钙硫比定义为加入CaCO3的摩尔数/吸收塔进口烟气中SO2的摩尔数。在保持液气比不变的情况下，钙硫比增大，注入吸收塔内吸收剂的量相应增大，引起浆液pH值上升，可增大中和反应的速率，增加反应的表面积，使SO2吸收量增加，提高脱硫效率。但是，由于石灰石的溶解度较低，其供给量的过度增加将导致浆液浓度的提高，会引起石灰石的过饱和凝聚，最终使反应的表面积减小，脱硫效率降低。对于石灰石-石膏湿法FGD装置，钙硫比一般选择在1.02～1.05之间。

4 脱硫系统中的运行优化措施

脱硫系统运行中，在保证脱硫效率的同时，可以采用以下优化措施保护脱硫装置和降低脱硫装置电耗。

4.1 提高石灰石品质

作为脱硫系统的吸收剂，石灰石的品质关系到整个系统的正常运行。首先，提高石灰石的纯度有利于提高脱硫效率；其次，石灰石中的杂质会加大对脱硫设备、管道和阀门的磨损，减少脱硫设备的寿命，威胁脱硫系统的正常运行。所以，提高石灰石品质对于优化脱硫系统意义重大。

4.2 根据不同工况调整浆液循环泵运行数量

脱硫系统中浆液循环泵的设计一般是满足BMCR工况并留有一定余量，而实际上，很多燃煤电厂由于电网限制或其他因素无法保持满负荷运行。当机组低负荷运行时，浆液循环泵不需要全部投运即可满足脱硫效率。例如宁夏水洞沟电厂，浆液循环泵设计为4台，当机组负荷较低时投运3台循环泵即可满足脱硫效率，大大降低了脱硫电耗。

另外，当燃用非设计煤种时且原烟气中SO2含量较低时，也可以在保证脱硫效率的前提下减少浆液循环泵的运行数量，降低脱硫电耗。

4.3 保持合适的吸收塔浆液密度

吸收塔浆液密度对浆液循环泵、氧化风机和石膏脱水系统的电耗均有影响。总体电耗随密度增加而逐渐增大。但是，吸收浆液密度对脱硫效率有一定的影响，过低的浆液密度会使脱硫效率明显下降，运行中仍需适当维持一定的浆液密度。吸收塔浆液密度一般在1100kg/m3左右时电耗敏感度存在分界点，因此运行应将浆液密度控制在1100kg/m3左右。

5 示范工程

图7 宁夏水洞沟电厂2×660MW机组脱硫系统

宁夏水洞沟电厂2×660MW火电机组位于宁夏自治区灵武市宁东镇，该电厂湿法脱硫系统（图7红框内）是国内首批无烟气旁路系统的典型案例，该项目由上海电气石川岛电站环保工程有限公司采用EPC模式承建，9个子系统配置完整，在进行先期设计时对每个子系统均进行了设计优化及论证，确保每个子系统的可靠性和高效性。项目已于2011年6月投入商业运行且运行良好。

6 结 论

（1）石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺脱硫效率高，技术成熟，运行可靠。近年来，国内新建燃煤电厂脱硫系统主流工艺可分为9个子系统。FGD不设旁路，对脱硫系统的要求进一步提高，需将调试初期“中毒”浆液外排和增加事故冷却水系统。

（2）影响脱硫效率的关键因数有很多，而且它们之间又相互影响，如果只追求高脱硫效率，在改变一些关键因数时会增大整个FGD的投资成本。在工程应用中，要根据情况选择合适的设计和运行参数，既要实现脱硫的高效率，又要兼顾经济上的可行性。

（3）在保证脱硫效率的前提下，可通过提高石灰石品质、根据不同工况调整浆液循环泵数量和保持合适的吸收塔浆液密度等措施优化脱硫系统。

[1]朱世勇.环境与工业气体净化技术[M].北京:化学工业出版社,2001.

[2]钟秦.燃煤烟气脱硫脱硝技术及工程实例[M].北京:化学工业出版社,2002.