杜振，張成，朱躍

(1. 華電電力科學研究院有限公司，浙江 杭州 310030；2. 廣東海洋大學，廣東 湛江 524088)

0 引言

石灰石-石膏濕法脫硫技術因其脫硫效率高、技術成熟及運行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，在燃煤機組中應用占比達到93 %左右[1-4]。超低排放改造時對原有脫硫系統(tǒng)進行升級提效是改造的主流技術路線，而對高硫分的燃煤機組，雙塔雙循環(huán)脫硫技術應用較為廣泛[5-6]。雙塔雙循環(huán)技術是在原有吸收塔的基礎上，增加一級吸收塔對煙氣進行二次處理，從而形成雙塔雙循環(huán)的脫硫系統(tǒng)配置[7-8]。雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)對硫分的適應范圍較大，可以通過合理配置兩級吸收塔的循環(huán)漿液泵運行數(shù)量來實現(xiàn)高脫硫效率，實際應用中雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)的整體脫硫效率可達到99.5 %以上[9-11]。

雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)由于具有2套脫硫吸收塔系統(tǒng)，而兩級吸收塔內(nèi)SO2的吸收反應存在2個不同化學平衡，一二級吸收塔不同循環(huán)漿液泵組合、運行pH值、液氣比均會對整體脫硫效率產(chǎn)生影響[12-15]，因此如何更好地分配一二級吸收塔的脫硫效率，實現(xiàn)在最小能耗物耗水平下的最大脫硫效率已成為超低排放改造后雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)整的關鍵[16-18]。

本文通過分析雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)的能耗物耗特性，從而為進一步研究脫硫系統(tǒng)節(jié)能優(yōu)化方法、有效降低脫硫系統(tǒng)運行能耗和物耗提供理論基礎, 對提高脫硫系統(tǒng)的運行經(jīng)濟性、降低SO2的脫除成本具有重要意義。

1 研究方法

1.1 研究機組

研究選取 300 MW、600 MW 和 1000 MW 等級具有代表性的53臺燃煤機組，研究機組類型如表1所示，機組類型具有較強的代表性，通過對雙塔雙循環(huán)濕法脫硫系統(tǒng)性能進行測試，并結(jié)合入口SO2濃度、液氣比、煙氣流速、pH值等參數(shù)分析雙塔雙循環(huán)濕法脫硫系統(tǒng)能耗物耗特性。

表1 研究機組類型Table 1 The unit type for the study

1.2 采樣位置及方法

采樣點分別設在各機組脫硫系統(tǒng)一二級吸收塔進出口煙道處，如圖1所示，測點A為一級吸收塔入口測點，測點B為一級吸收塔出口和二級吸收塔入口測點，測點C為二級吸收塔出口測點，均按GB/T 16157—1996網(wǎng)格法進行逐點取樣。

圖1 采樣測點布置示意Fig. 1 Layout of sampling points

測試時機組負荷均不低于90 %，且最大波動幅度不超過5 %。測試期間，各機組的負荷和煤質(zhì)基本不變，鍋爐燃燒穩(wěn)定，脫硝系統(tǒng)和除塵系統(tǒng)均正常運行，在脫硫系統(tǒng)設計工況下，同步測量脫硫系統(tǒng)的處理煙氣量、煙溫、煙氣含氧量、電耗、整流電源運行參數(shù)等參數(shù)，其中煙氣量和SO2質(zhì)量濃度的氣體狀態(tài)均為標態(tài)、干基、6%O2。

1.3 計算方法

脫硫系統(tǒng)鈣硫比（Ca/S）是指CaCO3的消耗量與SO2脫除量的摩爾比，用于評價SO2脫除的CaCO3耗量大小，即

式中：LCa/s為脫硫系統(tǒng)鈣硫比，mol/mol； CCa為脫硫系統(tǒng)的CaCO3耗量，kg/h。

SO2脫除石灰石耗量是指脫除單位質(zhì)量SO2所需石灰石量，用于評價SO2脫除的石灰石耗量大小，可表示為

式中：N為SO2單位脫除石灰石耗量，kg/kg；NCa為脫硫系統(tǒng)的石灰石總耗量，kg/h。

SO2脫除水耗為脫除單位質(zhì)量SO2所需水量，用于評價SO2脫除的工藝水耗量大小，可表示為

SO2脫除成本為脫除單位質(zhì)量SO2所需的成本，由電耗費用，石灰石消耗費用和水耗費用組成?？杀硎緸?/p>

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2 效果分析

2.1 SO2脫除成本分析

脫硫系統(tǒng)實際運行過程中能耗指標主要為電耗，而物耗指標主要包括石灰石耗量、水耗等。SO2脫除成本如圖2所示，隨著脫硫系統(tǒng)入口SO2質(zhì)量濃度由 2 800 mg/m3增加到 8 400 mg/m3，單位質(zhì)量的SO2總脫除成本由0.6 元/kg降低到0.3元/kg，可以看出雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)對高濃度SO2脫除具有明顯優(yōu)勢，SO2濃度越高越能發(fā)揮雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)的脫除效果。

圖2 SO2脫除成本分析Fig. 2 Cost analysis of SO2 removal

同時通過對SO2總脫除成本進行分析可以看出，電耗成本約占其整體脫除成本的55% ～80%，且電耗成本隨入口SO2濃度的增加而降低；石灰石成本占其整體脫除成本的20% ～40%，隨入口SO2濃度的增加而增加；而水耗成本占比相對較為穩(wěn)定，占其整體脫除成本的10%以內(nèi)。因此單位質(zhì)量SO2脫除的能耗成本遠大于物耗成本。

2.2 SO2脫除能耗分析

入口SO2濃度對脫除能耗的影響如圖3所示，雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)一級吸收塔脫硫效率運行在75% ～95%，其中入口SO2質(zhì)量濃度在4 000 ～6 000 mg/m3時脫硫效率可達 90% ～95%，而二級吸收塔入口SO2質(zhì)量濃度均控制在2 000 mg/m3以內(nèi)，二級吸收塔脫硫效率均運行在90%以上。由于雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)的一二級吸收塔均需同步運行，當一級吸收塔入口SO2濃度較低時，一級吸收塔投運的循環(huán)漿液泵數(shù)量可相應減小，一級吸收塔脫硫效率處于較低狀態(tài)，而二級吸收塔為了保證出口SO2排放質(zhì)量濃度控制在35 mg/m3以內(nèi)，二級吸收塔脫硫效率相對較高。

圖3 入口SO2質(zhì)量濃度對脫除能耗的影響Fig. 3 Influence of inlet SO2 concentration on energy consumption of desulfurization

同時可以看出，一二級吸收塔的SO2脫除能耗均隨吸收塔入口SO2濃度的增高而降低，但二級吸收塔的SO2單位脫除能耗遠大于一級吸收塔，入口SO2濃度對二級吸收塔SO2單位脫除能耗的影響更大，且在入口S O2質(zhì)量濃度為1 200 mg/m3時二級吸收塔的 SO2單位脫除能耗處于較低水平。因此，為有效降低雙塔雙循環(huán)濕法脫硫系統(tǒng)單位質(zhì)量SO2脫除能耗，一級吸收塔入口 SO2質(zhì)量濃度應控制在 4 000 ～6 000 mg/m3，二級吸收塔入口 SO2質(zhì)量濃度應控制在1 200 mg/m3左右。一級吸收塔入口SO2濃度受燃煤硫分的直接影響，為控制一級吸收塔入口SO2濃度，需有效控制入爐煤硫分，通常采用燃煤摻配的方式將入爐煤硫分控制在1.5% ～2.5%；而二級吸收塔入口SO2濃度主要受一級吸收塔脫硫效果的直接影響，可通過調(diào)節(jié)一級吸收塔循環(huán)漿液泵投運臺數(shù)來調(diào)節(jié)二級吸收塔入口SO2濃度。

2.3 SO2脫除物耗分析

入口SO2濃度對脫硫物耗影響如圖4所示，脫硫系統(tǒng)SO2脫除水耗和石灰石耗量均隨入口SO2濃度的增加而降低。脫硫系統(tǒng)水耗主要包括煙氣降溫帶走的水蒸氣、煙氣攜帶小液滴、脫硫石膏含水和脫硫廢水。脫硫系統(tǒng)水耗中90 %的水分為煙氣降溫帶走的水蒸氣，該部分水耗直接受煙氣溫度的影響。由于本次雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)的入口煙溫為115 ～135 ℃，因此脫硫系統(tǒng)的總水耗相差不大，從而導致SO2脫除水耗隨入口SO2濃度的增加而降低。

圖4 入口SO2質(zhì)量濃度對脫硫物耗影響分析Fig. 4 Influence of inlet SO2 concentration on material consumption of desulfurization

另外由圖4可知，雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)SO2脫除石灰石耗量也受入口SO2濃度的影響，但脫硫系統(tǒng)Ca/S比波動相對較小，主要分布在1.0 ～1.1 mol/mol，這主要是由于石灰石耗量受石灰石純度的影響，同時隨著入口SO2濃度的增加，脫硫系統(tǒng)的Ca/S比趨近于1.0 mol/mol，此時石灰石的綜合利用效果較高。

2.4 漿液pH影響

根據(jù)傳質(zhì)機理，隨著漿液pH值的升高，吸收塔內(nèi)中和反應的表面積增加，從而增大中和反應速率，提高脫硫效率，但過高的pH值又會導致CaSO3析出量的增加，析出的CaSO3會附著在石灰石顆粒表面，從而抑制石灰石的溶解，進而不利于脫硫效率的提高，因此漿液pH 值對脫硫系統(tǒng)的性能具有顯著影響，是脫硫系統(tǒng)重要的控制參數(shù)。針對雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)，一級吸收塔主要作用是產(chǎn)生石膏，而低pH值有利于石膏的氧化和結(jié)晶，二級吸收塔主要作用是吸收SO2，高pH值能提高SO2脫除效率。

本文對吸收塔漿液pH 值對脫除能耗和脫硫效率的影響進行了研究。漿液pH值對脫除能耗的影響如圖5所示，一級吸收塔漿液pH 值為4.5 ～5.2時，隨著pH值的升高，SO2單位脫除能耗降低，而漿液pH值為5.2 ～6.2時，隨著pH值的升高，SO2單位脫除能耗增加。二級吸收塔漿液pH值為5.0 ～6.0時，隨著pH值的升高，SO2單位脫除能耗降低，而漿液pH值為6.0 ～6.8時，隨著pH值的升高，SO2單位脫除能耗增加。由于pH值較低時，CaSO4的溶解度較小，會有大量CaSO4析出，易結(jié)垢堵塞設備，影響系統(tǒng)的正常運行；而pH值較高時，CaSO3的溶解度較小，SO32-濃度較低，CaSO4的生成速度變小，不會生成CaSO4硬垢，但CaSO3的溶解度較小，易形成亞硫酸鹽軟垢。實際運行過程中一級吸收塔pH值在5.2左右，二級吸收塔pH值在6.0左右時，SO2單位脫除能耗最低。

圖5 漿液pH值對脫除能耗的影響Fig. 5 Influence of pH value on energy consumption of desulfurization

同時由圖5可以看出，一級吸收塔中漿液密度隨pH值的增加而降低，而二級吸收塔中漿液密度隨pH值的增加而增加，這主要是由于一級吸收塔中pH值越低，其石膏含量越高；二級吸收塔中pH值越高，需要添加的新鮮漿液量越大。另外可以看出一二吸收塔漿液密度一般控制在 1 080 ～1 150 kg/m3。

因此，雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)運行模式與單塔濕法脫硫系統(tǒng)存在較大差距，按照單塔工藝運行模式，將一二級吸收塔pH值控制在同一水平，則無法有效發(fā)揮雙塔雙循環(huán)工藝pH值分級的特點，導致SO2脫除能耗增加，為降低雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)運行能耗，一級吸收塔漿液pH值應控制在5.2左右，二級吸收塔漿液pH值應控制在6.0左右，同時一二級吸收塔漿液密度控制在1 080 ～1 150 kg/m3。

2.5 液氣比影響分析

液氣比是單位時間內(nèi)流經(jīng)吸收塔單位體積煙氣量相對應的漿液噴淋量，是噴淋脫硫系統(tǒng)重要的設計和運行參數(shù)。液氣比的大小對脫硫能耗有著顯著影響，提高液氣比將增加脫硫系統(tǒng)總能耗。液氣比對脫硫能耗的影響如圖6所示，一級吸收塔中SO2單位脫除能耗隨液氣比的變化不大，但脫硫效率隨液氣比的增加而增加。而對于二級吸收塔，液氣比為10 L/m3時，SO2的脫除效率較低，且SO2單位脫除能耗較高。液氣比越大，氣液之間的傳質(zhì)面積就越大，有效比表面積也就越大，從而傳質(zhì)速率增強，大的液氣比有利于強化傳質(zhì)性能，從而提高脫硫效率。因此在實際運行過程中，首先應將二級吸收塔液氣比控制在12 L/m3以上，從而有效地提高脫硫效率，降低SO2脫除能耗；在此基礎上可適當提高一級吸收塔的液氣比，從而在不增加SO2脫除能耗的條件下，有效控制一級吸收塔出口SO2濃度。

圖6 液氣比對脫除能耗的影響Fig. 6 Influence of liquid gas ratio on energy consumption of desulfurization

2.6 脫除能耗分布分析

脫除能耗分布如圖7所示，循環(huán)漿液泵能耗占雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)總能耗的50%左右，系統(tǒng)阻力造成的風機電耗約占總能耗的30%左右，而氧化風機和低壓系統(tǒng)電耗均占總能耗的10%左右。因此循環(huán)漿液泵是脫硫系統(tǒng)能耗優(yōu)化的關鍵設備，降低循環(huán)漿液泵能耗可以有效降低脫硫系統(tǒng)的能耗。降低循環(huán)漿液泵能耗可以采取的措施包括：（1）單臺吸收塔可在1臺循環(huán)漿液泵上配置變頻器，從而可有效調(diào)節(jié)漿液循環(huán)泵出力，降低負荷變化時的能耗；（2）根據(jù)不同負荷、不同硫分的實際運行情況進行分析，獲得不同工況下循環(huán)漿液泵組合模式與凈煙氣SO2的濃度關系，進而確定最佳運行方式；（3）低負荷或低硫分運行時優(yōu)先選擇下層噴淋層運行模式。

圖7 脫除能耗分布Fig. 7 Distribution of energy consumption

3 結(jié)論

（1）雙塔雙循環(huán)濕法脫硫系統(tǒng)脫除成本中脫除能耗成本占整體脫除成本的55% ～80%，而脫除能耗中循環(huán)漿液泵電耗占總能耗的50% ～70%，因此降低雙塔雙循環(huán)濕法脫硫系統(tǒng)運行成本的關鍵在于降低循環(huán)漿液泵的電耗。

（2）為降低雙塔雙循環(huán)濕法脫硫系統(tǒng)單位質(zhì)量SO2脫除能耗，一級吸收塔入口SO2質(zhì)量濃度應控制在 4 000 ～6 000 mg/m3，二級吸收塔入口SO2質(zhì)量濃度應控制在 1 200 mg/m3左右。

（3）雙塔雙循環(huán)濕法脫硫系統(tǒng)運行過程中，一級吸收塔漿液pH值應控制在5.2左右，二級吸收塔漿液pH值應控制在6.0左右，同時一二級吸收塔漿液密度控制在 1 080 ～1 150 kg/m3。

（4）雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)中，二級吸收塔主要作用是吸收SO2，應將液氣比控制在12 L/m3以上，從而有效地提高脫硫效率，降低SO2脫除能耗。