石灰石石膏法烟气脱硫湿法系统设计讲义剖析.docx

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石灰石石膏法烟气脱硫湿法系统设计讲义剖析

石灰石-石膏法烟气脱硫

湿法系统设计讲义

1.概述

石灰石-石膏法烟气脱硫技术已经有几十年的发展历史,技术成熟可靠,适用范围广泛,据有关资料介绍,该工艺市场占有率已经达到85%以上。

由于反应原理大同小异，本培训教材总结了一些通用的规律和设计准则，基本适用于目前市场上常用的各种石灰石-石膏法烟气脱硫技术，包括喷淋塔、鼓泡塔、液柱塔等。

2.典型的系统构成

典型的石灰石/石灰－石膏湿法烟气脱硫工艺流程如图2-1所示，实际运用的脱硫装置的范围根据工程具体情况有所差异。

图2-1

3反应原理

3.1吸收原理

吸收液通过喷嘴雾化喷入吸收塔，分散成细小的液滴并覆盖吸收塔的整个断面。

这些液滴与塔内烟气逆流接触，发生传质与吸收反应，烟气中的SO2、SO3及HCl、HF被吸收。

SO2吸收产物的氧化和中和反应在吸收塔底部的氧化区完成并最终形成石膏。

为了维持吸收液恒定的pH值并减少石灰石耗量，石灰石被连续加入吸收塔，同时吸收塔内的吸收剂浆液被搅拌机、氧化空气和吸收塔循环泵不停地搅动，以加快石灰石在浆液中的均布和溶解。

3.2化学过程

强制氧化系统的化学过程描述如下：

（1）吸收反应

烟气与喷嘴喷出的循环浆液在吸收塔内有效接触,循环浆液吸收大部分SO2，反应如下：

SO2＋H2O→H2SO3（溶解）

H2SO3⇋H＋＋HSO3－（电离）

吸收反应的机理：

吸收反应是传质和吸收的的过程，水吸收SO2属于中等溶解度的气体组份的吸收，根据双膜理论，传质速率受气相传质阻力和液相传质阻力的控制，

吸收速率＝吸收推动力/吸收系数（传质阻力为吸收系数的倒数）

强化吸收反应的措施：

a）提高SO2在气相中的分压力（浓度），提高气相传质动力。

b）采用逆流传质，增加吸收区平均传质动力。

c）增加气相与液相的流速，高的Re数改变了气膜和液膜的界面，从而引起强烈的传质。

d）强化氧化，加快已溶解SO2的电离和氧化，当亚硫酸被氧化以后,它的浓度就会降低,会促进了SO2的吸收。

e）提高PH值，减少电离的逆向过程，增加液相吸收推动力。

f）在总的吸收系数一定的情况下，增加气液接触面积，延长接触时间，如：

增大液气比，减小液滴粒径，调整喷淋层间距等。

g）保持均匀的流场分布和喷淋密度，提高气液接触的有效性。

（2）氧化反应

一部分HSO3－在吸收塔喷淋区被烟气中的氧所氧化，其它的HSO3－在反应池中被氧化空气完全氧化，反应如下：

HSO3－＋1/2O2→HSO4－

HSO4－⇋H＋＋SO42－

氧化反应的机理：

氧化反应的机理基本同吸收反应，不同的是氧化反应是液相连续，气相离散。

水吸收O2属于难溶解度的气体组份的吸收，根据双膜理论，传质速率受液膜传质阻力的控制。

强化氧化反应的措施：

a）降低PH值，增加氧气的溶解度

b）增加氧化空气的过量系数，增加氧浓度

c）改善氧气的分布均匀性，减小气泡平均粒径，增加气液接触面积。

（3）中和反应

吸收剂浆液被引入吸收塔内中和氢离子，使吸收液保持一定的pH值。

中和后的浆液在吸收塔内再循环。

中和反应如下：

Ca2＋＋CO32－＋2H＋＋SO42－＋H2O→CaSO4·2H2O＋CO2↑

2H＋＋CO32－→H2O＋CO2↑

中和反应的机理：

中和反应伴随着石灰石的溶解和中和反应及结晶，由于石灰石较为难溶，因此本环节的关键是，如何增加石灰石的溶解度，反应生成的石膏如何尽快结晶，以降低石膏过饱和度。

中和反应本身并不困难。

强化中和反应的措施：

a）提高石灰石的活性，选用纯度高的石灰石，减少杂质。

b）细化石灰石粒径，提高溶解速率。

c）降低PH值，增加石灰石溶解度，提高石灰石的利用率。

d）增加石灰石在浆池中的停留时间。

e）增加石膏浆液的固体浓度，增加结晶附着面，控制石膏的相对饱和度。

f）提高氧气在浆液中的溶解度，排挤溶解在液相中的CO2，强化中和反应。

（4）其他副反应

烟气中的其他污染物如SO3、Cl、F和尘都被循环浆液吸收和捕集。

SO3、HCl和HF与悬浮液中的石灰石按以下反应式发生反应：

SO3＋H2O→2H＋＋SO42－

CaCO3+2HCl<==>CaCl2+CO2+H2O

CaCO3+2HF<==>CaF2+CO2+H2O

副反应对脱硫反应的影响及注意事项：

脱硫反应是一个比较复杂的反应过程，其中一些副反应，有些有利于反应的进程，有些会阻碍反应的发生，下列反应应当在设计中予以重视：

a）Mg的反应

浆池中的Mg元素，主要来自于石灰石中的杂质，当石灰石中可溶性Mg含量较高时（以MgCO3形式存在），由于MgCO3活性高于CaCO3会优先参与反应，对反应的进行是有利的，

但过多时，会导致浆液中生成大量的可溶性的MgSO3，它过多的存在，使的溶液里SO32-浓度增加,导致SO2吸收化学反应推动力的减小，而导致SO2吸收的恶化。

另一方面，吸收塔浆液中Mg＋浓度增加，会导致浆液中的MgSO4（L）的含量增加，既浆液中的SO42-增加，会对导致吸收塔中的悬浮液的氧化困难，从而需要大幅度增加氧化空气量，氧化反应原理如下：

HSO3－＋1/2O2→HSO4－

（1）

HSO4－⇋H＋＋SO42－

（2）

因为

（2）式的反应为可逆反应，从化学反应动力学的角度来看，如果SO42-的浓度太高的话，不利于反应向右进行。

因此喷淋塔一般会控制Mg＋离子的浓度，当高于5000ppm时，需要通过排出更多的废水，此时控制准则不再是CL－小于20000ppm

b）AL的反应

AL主要来源于烟气中的飞灰，可溶解的AL在F离子浓度达到一定条件下，会形成氟化铝络合物（胶状絮凝物），包裹在石灰石颗粒表面，形成石灰石溶解闭塞，严重时会导致反应严重恶化的重大事故。

c）Cl的反应

在一个封闭系统或接近封闭系统的状态下，FGD工艺的运行会把吸收液从烟气中吸收溶解的氯化物增加到非常高的浓度。

这些溶解的氯化物会产生高浓度的溶解钙,主要是氯化钙,如果高浓度的溶解的钙离子存在FGD系统中,就会使溶解的石灰石减少,这是由于”共同离子作用”而造成的,在”共同离子作用”下,来自氯化钙的溶解钙就会妨碍石灰石中碳酸钙的溶解。

控制CL离子的浓度在12000－20000ppm是保证反应正常进行的重要因素。

4系统描述

4.1FGD系统构成

烟气脱硫（FGD）装置采用高效的石灰石/石膏湿法工艺，整套系统由以下子系统组成：

（1）SO2吸收系统

（2）烟气系统

（3）石灰石浆液制备系统

（4）石膏脱水系统

（5）供水和排放系统

（6）废水处理系统

（7）压缩空气系统

4.2SO2吸收系统

烟气由进气口进入吸收塔的吸收区，在上升过程中与石灰石浆液逆流接触，烟气中所含的污染气体绝大部分因此被清洗入浆液，与浆液中的悬浮石灰石微粒发生化学反应而被脱除，处理后的净烟气经过除雾器除去水滴后进入烟道。

吸收塔塔体材料为碳钢内衬玻璃鳞片。

吸收塔烟气入口段为耐腐蚀、耐高温合金。

吸收塔内烟气上升流速为3.2-4m/s。

塔内配有喷淋层，每组喷淋层由带连接支管的母管制浆液分布管道和喷嘴组成。

喷淋组件及喷嘴的布置设计成均匀覆盖吸收塔上流区的横截面。

喷淋系统采用单元制设计，每个喷淋层配一台与之相连接的吸收塔浆液循环泵。

每台吸收塔配多台浆液循环泵。

运行的浆液循环泵数量根据锅炉负荷的变化和对吸收浆液流量的要求来确定，在达到要求的吸收效率的前提下，可选择最经济的泵运行模式以节省能耗。

吸收了SO2的再循环浆液落入吸收塔反应池。

吸收塔反应池装有多台搅拌机。

氧化风机将氧化空气鼓入反应池。

氧化空气分布系统采用喷管式，氧化空气被分布管注入到搅拌机桨叶的压力侧，被搅拌机产生的压力和剪切力分散为细小的气泡并均布于浆液中。

一部分HSO3－在吸收塔喷淋区被烟气中的氧气氧化，其余部分的HSO3－在反应池中被氧化空气完全氧化。

吸收剂（石灰石）浆液被引入吸收塔内中和氢离子，使吸收液保持一定的pH值。

中和后的浆液在吸收塔内循环。

吸收塔排放泵连续地把吸收浆液从吸收塔送到石膏脱水系统。

通过排浆控制阀控制排出浆液流量，维持循环浆液浓度在大约8－25wt％。

脱硫后的烟气通过除雾器来减少携带的水滴，除雾器出口的水滴携带量不大于75mg/Nm3。

两级除雾器采用传统的顶置式布置在吸收塔顶部或塔外部，除雾器由聚丙烯材料制作，型式为z型，两级除雾器均用工艺水冲洗。

冲洗过程通过程序控制自动完成。

吸收塔入口烟道侧板和底板装有工艺水冲洗系统，冲洗自动周期进行。

冲洗的目的是为了避免喷嘴喷出的石膏浆液带入入口烟道后干燥粘结。

在吸收塔入口烟道装有事故冷却系统，事故冷却水由工艺水泵提供。

当吸收塔入口烟道由于吸收塔上游设备意外事故造成温度过高而旁路挡板未及时打开或所有的吸收塔循环泵切除时本系统启动。

4.3烟气系统

从锅炉来的热烟气经增压风机增压后进入烟气换热器（GGH）降温侧，经GGH冷却后，烟气进入吸收塔，向上流动穿过喷淋层，在此烟气被冷却到饱和温度，烟气中的SO2被石灰石浆液吸收。

除去SOX及其它污染物的烟气经GGH加热至80℃以上，通过烟囱排放。

GGH是利用热烟气所带的热量加热吸收塔出来的冷的净烟气。

在设计条件下且没有补充热源时，GGH可将净烟气的温度提高到80℃以上。

烟气通过GGH的压损由一在线清洗系统维持。

正常运行时清洗系统每天需使用蒸汽吹灰3次。

此外，系统还配有一套在线高压水洗装置（约1月用1次）。

在热烟气的进口与GGH相连的烟道出口安置一套可伸缩的清洗设备，用来进行常规吹灰和在线水冲洗。

清洗装置都有单独的、可伸缩的矛状管和带有单独的辅助蒸汽和水喷嘴的驱动机械。

GGH配一台在线的冲洗水泵，该泵为在线清洗提供高压冲洗水。

自动吹灰系统可保证GGH的受热面不受堵塞，保持承诺的净烟气出口温度。

吹灰器自动控制。

当GGH停机后，换热元件可用一低压水清洗装置进行清洗。

此低压水清洗装置每年使用两次。

每台GGH上的两个固定的水冲洗装置用来进行离线冲洗。

每一个固定的水清洗装置配有带喷嘴的直管，从有一定间隔的喷嘴中均匀地向换热面喷冲洗水。

设置一套密封系统保证GGH漏风率小于1%。

烟道上设有挡板系统，以便于FGD系统正常运行和事故时旁路运行。

每套FGD装置的挡板系统包括一台FGD进口原烟气挡板，一台FGD出口净烟气挡板和一台旁路烟气挡板，挡板为双百叶式。

在正常运行时，FGD进出口挡板开启，旁路挡板关闭。

在故障情况下，开启烟气旁路挡板门，关闭FGD进出口挡板，烟气通过旁路烟道绕过FGD系统直接排到烟囱。

所有挡板都配有密封系统，以保证“零”泄露。

密封空气设两台100%容量的密封空气风机（一台备用）和二级电加热器，加热温度不低于70℃。

烟道包括必要的烟气通道、冲洗和排放漏斗、膨胀节、法兰、导流板、垫片/螺栓材料以及附件。

在BMCR工况下，烟道内任意位置的烟气流速不大于15m/s。

烟道留有适当的取样接口、试验接口和人孔。

对于每台锅炉的FGD系统，配置1台100％BMCR烟气量的增压风机（BUF），布置于吸收塔上游的干烟区。

增压风机为动叶可调轴流风机。

包括电动机、密封空气系统等。

4.4石灰石浆液制备与供给系统

由汽车运来的石灰石卸至石灰石浆液制备区域的地斗，通过斗提机送入石灰石贮仓（贮仓的容量按需要的石灰石耗量设计），石灰石贮仓出口由皮带称重给料机送入石灰石湿式磨机，研磨后的石灰石进入磨机浆液循环箱，经磨机浆液循环泵送入石灰石旋流器，合格的石灰石浆液自旋流器溢流口流入石灰石浆液箱，不合格的从旋流器底流再送入磨机入口再次研磨。

系统设置一个石灰石浆液箱，每塔设置2台石灰石浆液供浆泵。

吸收塔配有一条石灰石浆液输送管，石灰石浆液通过管道输送到吸收塔。

每条输送管上分支出一条再循环管回到石灰石浆液箱，以防止浆液在管道内沉淀。

脱硫所需要的石灰石浆液量由锅炉负荷，烟气的SO2浓度和Ca/S来联合控制，而需要制备的石灰石浆液量由石灰石浆液箱的液位来控制，浆液的浓度由浆液的密度计控制测量量作前馈控制旋流器个数。

4.5石膏脱水系统

机组FGD所产生的25wt％浓度的石膏浆液由吸收塔下部布置的石膏浆液排放泵（每塔两台石膏浆液排放泵，一运一备）送至石膏浆液旋流器。

系统设置2套石膏旋流站，2套石膏旋流站底流自流进入2台真空皮带脱水机。

每台真空皮带脱水机的设计过滤能力为2台机组脱硫系统石膏总量的75％。

石膏脱水系统包括以下设备：

—石膏旋流站

—真空皮带过滤机

—滤布冲洗水箱

—滤布冲洗水泵

—滤液水箱及搅拌器

—滤液水泵

—石膏饼冲洗水泵

—废水旋流站给料箱

—废水旋流站给料泵

—废水旋流站

—石膏输送机

—石膏库

（1）石膏旋流站和废水旋流站

浓缩到浓度大约55％的旋流站的底流浆液自流到真空皮带脱水机，旋流站的溢流自流到废水旋流站给料箱，一部分通过废水旋流站给料泵送到废水旋流站，其余部分溢流到滤液水箱。

废水旋流站溢流到废水箱，通过废水输送泵送到废水处理系统，底流进入滤液箱。

（2）真空皮带脱水机

设置2套容量为2台机组脱硫系统石膏总产量75％的脱水系统。

真空皮带脱水机和真空系统按此容量设计。

石膏旋流站底流浆液由真空皮带脱水机脱水到含90％固形物和10％水分，脱水石膏经冲洗降低其中的Cl－浓度。

滤液进入滤液水回收箱。

脱水后的石膏经由石膏输送皮带送入石膏库房堆放。

石膏库房通过优化设计，使石膏运输车辆装料便于进行，不会对厂区环境造成污染。

工业水作为密封水供给真空泵，然后收集到滤布冲洗水箱，用于冲洗滤布，滤布冲洗水被收集到滤饼冲洗水箱，用于石膏滤饼的冲洗。

滤液水箱收集的滤液、冲洗水等由滤液水泵输送到石灰石浆液制备系统和吸收塔。

4.6供水和排放系统

4.6.1供水系统

从电厂供水系统引接至脱硫岛的水源，提供脱硫岛工业和工艺水的需要。

工业水主要用户为：

除雾器冲洗水及真空泵密封水。

冷却水冷却设备后排至吸收塔排水坑回收利用。

工艺水主要用户为（不限于此）：

·石灰石浆液制备用水；

·烟气换热器的冲洗水；

·所有浆液输送设备、输送管路、贮存箱的冲洗水。

工艺水/工业水进入岛内工艺水/工业水箱，通过工艺水/工业水泵、除雾器冲洗水泵分别送至FGD区域的每个用水点。

系统内的配套管道及其测量和控制仪表。

4.6.2排放系统

FGD岛内设置一个公用的事故浆液箱，事故浆液箱的容量应该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。

吸收塔浆池检修需要排空时，吸收塔的石膏浆液输送至事故浆液箱最终可作为下次FGD启动时的晶种。

事故浆液箱设浆液返回泵（将浆液送回吸收塔）1台。

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各个区域设置的集水坑内，然后用泵送至事故浆液箱或吸收塔浆池。

4.7压缩空气系统

脱硫岛仪表用气和杂用气由岛内设置的压缩空气系统提供，压力为0.85Mpa左右。

按需要应设置足够容量的储气罐，仪用稳压罐和杂用储气罐应分开设置。

贮气罐的供气能力应满足当全部空气压缩机停运时，依靠贮气罐的贮备，能维持整个脱硫控制设备继续工作不小于15分钟的耗气量。

气动保护设备和远离空气压缩机房的用气点，宜设置专用稳压贮气罐。

贮气罐工作压力按0.8MPa考虑，最低压力不应低于0.6MPa。