石灰石-石膏湿法脱硫工艺的基本原理

石灰石-石膏湿法脱硫工艺的基本原理

一、石灰石-石膏湿法脱硫工艺的基本原理

石灰石——石膏湿法烟气脱硫工艺的原理是采用石灰石粉制成浆液作为脱硫吸收剂，与经降温后进入吸收塔的烟气接触混合，烟气中的二氧化硫与浆液中的碳酸钙，以及加入的氧化空气进行化学反应，最后生成二水石膏。脱硫后的净烟气依次经过除雾器除去水滴、再经过烟气换热器加热升温后，经烟囱排入大气。由于在吸收塔内吸收剂经浆液再循环泵反复循环与烟气接触，吸收剂利用率很高，钙硫比较低(一般不超过1.1)，脱硫效率不低于95%，适用于任何煤种的烟气脱硫。

石灰石——石膏湿法烟气脱硫工艺的化学原理:

烟气中的SO2溶解于水中生成亚硫酸并离解成氢离子和HSO 离子;

烟气中的氧(由氧化风机送入的空气)溶解在水中，将 HSO 氧化成SO ; ? 吸收剂中的碳酸钙在一定条件下于水中生成Ca2+;

在吸收塔内，溶解的二氧化硫、碳酸钙及氧发生化学反应生成石膏

(CaSO4?2H2O)。由于吸收剂循环量大和氧化空气的送入，吸收塔下部浆池中的HSO或亚硫酸盐几乎全部被氧化为硫酸根或硫酸盐，最后在CaSO4达到一定过饱和度后结晶形成石膏—CaSO4?2H2O，石膏可根据需要进行综合利用或抛弃处理。

二、工艺流程及系统

湿法脱硫工艺系统整套装置一般布置在锅炉引风机之后，主要的设备是吸收塔、烟气换热器、升压风机和浆液循环泵

我公司采用高效脱除SO2的川崎湿法石灰石,石膏工艺。该套烟气脱硫系统(FGD)处理烟气量为定洲发电厂,1和,2机组(2×600MW)100,的烟气量，定洲电厂的FGD系统由以下子系统组成:

(1)吸收塔系统

(2)烟气系统(包括烟气再热系统和增压风机)

(3)石膏脱水系统(包括真空皮带脱水系统和石膏储仓系统)

(4)石灰石制备系统(包括石灰石接收和储存系统、石灰石磨制系统、石灰石供浆系统) (5)公用系统

(6)排放系统

(7)废水处理系统

1、吸收塔系统

吸收塔采用川崎公司先进的逆流喷雾塔，烟气由侧面进气口进入吸收塔，并在上升区与雾状浆液逆流接触，处理后的烟气在吸收塔顶部翻转向下，从与吸收塔烟气入口同一水平位置的烟气出口排至烟气再热系统。

吸收塔塔体材料为内衬玻璃鳞片的碳钢板。吸收塔烟气入口为内衬耐热玻璃鳞片的碳钢板。吸收塔内上流区烟气流速为4.2m/s，下流区烟气流速为10m/s。在上流区配有3组喷淋层，安装的三重螺旋喷嘴使气液效率接触，并达到高的SO2吸收性能。每个吸收塔配置3台循环泵。另有1台叶轮作为仓库备用。脱硫后的烟气流向装在吸收塔出口处的除雾器。在这个过程中，烟气与吸收塔喷嘴喷出的再循环浆液进行有效的接触。

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6台搅拌机。氧化风机用于将氧化空气鼓入反应池中与浆液反应。氧化系统采用喷管式系统，氧化空气被注入到搅拌机桨叶的压力侧。

一部分HSO3,在吸收塔喷淋区被烟气中的氧气氧化，剩余部分的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剂浆液从吸收塔打到石膏脱水系统。循环浆液浓度大约25wt,。排浆流速由控制阀控制。

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。两级除雾器安装在吸收塔的出口烟道上。除雾器由阻燃聚丙烯材料制作，型式为z型，两级除雾器均用工艺水冲洗。

吸收塔入口烟道侧板和底板处装有工艺水冲洗系统，冲洗自动定期进行。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而温升过高或所有的吸收塔循环泵切除时本系统启动。

2、烟道系统

增压风机

增压风机(BUF)布置在气气换热器上游、运行在干工况下(A位)。其型式为轴流式，带液压动叶可调控制器。增压风机包括电机、控制油系统、润滑油系统和密封空气装置。可变的叶片间距控其制流量及压力。

从主烟道引入的FGD系统入口烟道压力为200Pa，FGD系统停运时仍为200Pa，在FGD系统运行时其入口烟道压力为700Pa，因此增压风机的压头考虑了FGD系统烟道的压降和运行时进出口500Pa的压差的要求。

烟气再热系统

每台机组配置一台单立轴、回转再生式气气换热器(GGH)。在MCR工况下，GGH 能够将净烟气加热至80?C以上(烟囱入口处)，而不需要补充其他热源。在MCR工况下，GGH最大泄漏量少于1%烟气量。为了清洁和保证GGH的烟气压降满足要求,系统配备了压缩空气吹扫系统。GGH的在线冲洗水泵在GGH压降高于正常值投运，GGH的离线冲洗水泵在FGD定期检修时投运。

3、石膏脱水系统

石膏浆液由吸收塔排放泵从吸收塔输送到石膏脱水系统。石膏浆液浓度大约为25wt,。

石膏脱水系统为两炉(2X600MW)公用，包括以下设备:

l 石膏旋流站

l 带冲洗系统的真空皮带机

l 滤水回收箱

l 真空泵

l 滤布冲洗水箱

l 滤布冲洗水泵

l 带搅拌器的滤水箱

l 滤水泵

l 石膏饼冲洗水箱

l 石膏饼冲洗水泵

l 带搅拌器的缓冲箱

l 废水旋流站

l 废水箱

l 废水泵

l 石膏仓

石膏仓卸料装置

3、石膏脱水系统

(1)石膏旋流站

石膏浆液输送到安装在石膏脱水车间顶部的石膏旋流站。

浓缩到浓度大约55,的底流浆液自流到真空皮带脱水机，上溢浆液经缓冲箱自流到废水旋流站。废水旋流站的溢流通过废水泵送至废水处理系统，底流至滤水箱。

(2)真空皮带脱水机

真空皮带脱水机和真空系统为并列系统，每套系统的容量为两台机组MCR工况下75,的容量。石膏旋流站底流浆液自流输送到真空皮带脱水机，由真空系统脱水到大于含90,固形物和小于10,水份。当脱水时，石膏经冲洗降低其中的Cl,浓度。滤液经滤水回收箱进入滤水箱。通过皮带脱水机的翻卸，脱水石膏落入石膏仓，然后由石膏卸料装置卸至汽车运输(螺旋卸料装置排空平底仓)。

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。另外还供至石膏饼冲洗水箱，滤布冲洗后的水也收集在石膏饼冲洗水箱用于石膏饼的冲洗。

来自缓冲箱和滤布冲洗水箱的溢流以及废水旋流站的底流自流到滤水箱，然后由滤水泵输送到

湿式球磨机系统和吸收塔。

4、石灰石制备系统

石灰石制备系统为两台炉(2×600MW)共用，由下列子系统组成: (1)石灰石接收存储系统: 石灰石接收存储系统由下列设备组成: ?石灰石接收料斗石灰石卸料振动给料机

#1石灰石卸料皮带输送机

石灰石斗式提升机

#2石灰石卸料皮带输送机

石灰石布袋除尘器

石灰石仓

石灰石仓布袋除尘器

石灰石称重式皮带给料机

金属分离器

(2)石灰石研磨系统: 石灰石研磨系统由下列设备组成: ?湿式球磨机

磨机浆液箱

磨机浆液箱搅拌器

磨机浆液泵

石灰石浆液旋流站

4、石灰石制备系统

配置两套并列的石灰石研磨制浆系统。每套的容量相当于两台锅炉(2×600MW)在BMCR

运行工况时满负荷石灰石耗量的75,。

磨制后的石灰石粒度为90,通过250目筛。

石灰石在湿式球磨机内磨碎后自流到磨机浆液箱，然后由磨机浆液泵输送到石灰石浆液旋流站。含有大颗粒物料的石灰石浆液从旋流站底流浆液再循环回到湿式球磨机入口，上溢浆液排到石灰石浆液箱，制成的浆液浓度约为30,。

(3)石灰石浆液供给系统

提供一只石灰石浆液箱和四台石灰石浆液泵。

每只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。

5、公用系统

公用系统包括工艺水系统、工业水系统、冷却水系统和压缩空气系统。 6、

排放系统

排放系统设有1只事故浆液箱、2个吸收塔排水坑(每台机组1个)、1个石灰石制备系统排水坑和1个石膏脱水系统排水坑。

当需要排空吸收塔进行检修时，塔内的浆液主要由吸收塔排放泵排至事故浆液箱直至泵入口低液位跳闸，其余浆液依靠重力自流入吸收塔排水坑，再由吸收塔排水坑泵打入事故浆液箱。

由每个箱体和泵内排出的疏水也通过沟道分别集中到吸收塔排水坑、石灰石制备系统排水坑和石膏脱水系统排水坑。

三、主要设备介绍

(一)、吸收塔

湿法脱硫工艺的吸收塔结构型式经过近30年的发展和改进，已日趋成熟稳定，目前在世界上应用比较广泛和成熟的主要有以下三种:

喷淋塔:这是目前国内外应用业绩最多的一种塔型，运行稳定可靠、负荷适应能力强。国内已投运的德国政府贷款的国华北京热电厂、重庆电厂、浙江半山电厂均采用的德国斯坦米勒公司的喷淋塔技术。北京龙源环保公司借助这三个项目率先引进了斯坦米勒公司的脱硫技术;国内的其他脱硫工程公司相继引进了国外其他脱硫公司的类似技术或与国外公司合作开展投标工作。国外各家公司的喷淋塔在外形上和内部结构上大同小异，无实质性差异，只是在内部结构上考虑如何使烟气均

流、增加气、液接触面积、提高脱硫效率上各有千秋。例如，美国巴威公司在塔内增加了一层合金托盘以使烟气均流，增加气、液接触面积，降低液气比。德国比肖夫公司在吸收塔浆池内采用扰动泵搅拌强制氧化技术，有别于大多数公司采用叶轮式搅拌器。 ? 喷淋塔:

以最常用的逆流式吸收塔为例，吸收塔内可大致分为四个工作区域:

(1)急速冷却区。该工作区域位于吸收塔烟气进口区域，布置在进口上方的急速冷却喷嘴出的浆液使烟气迅速冷却并达到饱和状态，为进一步的吸收反应创造条件。

(2)SO2吸收区。处于饱和状态的烟气，在吸收塔的上部空间区域，在吸收浆液的喷淋下发生SO2的吸收过程。为了获得理想的吸收效果，喷嘴通常设计成交叉喷淋系统，布置成能使喷雾完全覆盖吸收塔的整个横断面，喷淋区的设计应使得烟气分布和浆液分布十分均匀，使流体处于高度湍流状态，增强烟气和浆液的均匀接触，增大气液传质面积。均匀的浆液喷淋可以通过喷嘴的合理设计来达到，但由于入口处的烟气流速不可能很均匀，而且，由于浆液喷淋造成的烟气阻力，尚不足以使烟气分布自动趋于均匀，所以，喷淋塔的设计还应考虑在喷淋吸收区的下部增设合理的烟气流动均布装置，比如，多孔板或栅板等。

由于吸收浆液与烟气是逆流，故存在较大的浓度梯度，即沿烟气流动的方向，SO2的含量下降，而吸收浆液的有效吸收成分的浓度增加，从而可以得到更高的脱硫效率。 (3)液滴分离区。烟气向上穿过喷淋塔，不可避免地要携带液滴，为了防止携带的浆液在下游沉积结垢和造成腐蚀，须设置液滴分离区，即脱硫后烟气的除湿或除雾，一般是采用除雾器。 (4)再循环浆液存储区(浆池)。脱硫吸收浆液在浆池内收集下来，经循环浆泵多次循环使用，脱硫后的反应生成物也均在浆池中生成。为了平衡整个脱硫系统内的Cl,离子的浓度和物质的平衡，必须连续不断地从

浆池中排出多余的石膏浆液。吸收塔内的脱硫负荷可以通过控制循环浆泵的运行数目来灵活调节。

液柱塔:最先由日本三菱公司开发，用于我国华能重庆珞璜电厂二期工程。目前重庆远达环保工程公司引进了日本三菱公司的液柱塔技术。清华同方公司自主开发了液柱塔技术。 ?填料塔:最先也由日本三菱公司开发，用于我国华能重庆珞璜电厂一期工程，同时建设的香港南丫岛电厂也有同型装置，运行管理较好。

喷淋塔、液柱塔两种塔型又俗称空塔。在目前国内脱硫工程的招投标工作中，一般均要求采用空塔。

(二)气-气换热器(简称为GGH)

经过吸收塔洗涤过的塔出口净烟气被冷却到水蒸汽的饱和温度(约为45~55?)，是否需要再热取决于各国的环保要求。在德国，大型燃煤装置烟囱出口处的最低温度规定为72?，以保证烟气能充分扩散，并防止冷烟雾下沉。考虑到烟囱的温降损失，FGD装置的出口烟温一般应大于80?。在我国，目前对于火力发电厂加装FGD 装置以后烟囱的出口烟温尚无明确规定，因此，国内已投运和在建的FGD装置均借鉴了德国的规定即要求FGD装置的出口烟温应加热并不低于80?。只有福建漳州后石电厂FGD装置的烟气未经加热直接排向大气，但其烟囱为双筒烟囱，内筒采用了钛合金钢板耐腐蚀，价格非常昂贵。

气,气热交换系统的主要设备为气,气换热器，还有吹灰器、辅助加热器等设备。气,气热交换器负有双重的功能，即烟气冷却功能和烟气再加热功能。通常，该系统降低进入脱硫塔的

烟气温度，以有利于进行化学反应，同时放出热量，这部分热量用来在换热器的另一侧加热净化后的低温烟气，以提高FGD装置的出口烟气温度:这一放热和吸热过程是通过同一个热交换器完成的。

(三)增压风机

如上所述，国内电厂加装FGD装置一般应新设置一台增压风机以克服FGD装置产生的额外压损。增压风机布置在“A”位与常规电厂的引风机并无实质区别，只是在两炉或多炉合用一座吸收塔时应考虑增压风机在低负荷时的效率问题，此时可考虑采用效率较高的动叶或静叶可调轴流风机。升压风机布置在“D”位时则必须采用耐低温腐蚀的风机，造价相应较贵。总之，增压风机的布置和选型应通过综合技术经济比较确定。

(四)湿式球磨机

湿式球磨机是FGD装置石灰石制备系统的核心设备，国内目前尚无成熟的制造技术和运行业绩，已投运和在建的FGD装置均采用了进口设备。其主要功能是将磨机入口粒径为15~20mm的石灰石研磨至90%通过250~325目筛网(即44~63μm)的石灰石浆液。 (五)真空皮带脱水机

真空皮带脱水机是FGD装置石膏脱水系统的核心设备，国内目前尚无成熟的制造技术和运行业绩，已投运和在建的FGD装置均采用了进口设备。其主要功能是将含固量为50~60%的石膏浆液利用真空脱水的原理脱除为表面水分?10%的二水石膏。

四、主要设计指标和考虑因素

在石灰石-石膏湿法脱硫工艺的设计中，需要考虑如下一些重要的设计和运行参数: (一)、烟气脱硫效率

(二)、钙硫摩尔比(Ca/S)

(三)、吸收塔内的烟气流速

(四)、液气比(L/G)

(五)、系统pH值

(一)、烟气脱硫效率

烟气脱硫效率表示脱硫能力的大小，一般用百分比表示，是衡量脱硫系统技术经济性的最重要的指标。脱硫系统的设计脱硫效率为在锅炉正常运行中(包括各种负荷条件和最差锅炉工况下)，并注明在给定的钙硫摩尔比的条件下，所能保证的最低脱硫效率。脱硫效率除了取决于所采用的工艺和系统设计外，还取决于排烟烟气的性质等因素。

脱硫效率也是考核烟气脱硫设备运行状况的重要指标，是计算SO2排放量的基本参数。对于连续运行的脱硫设备，入口SO2的浓度是随时间变化的，而且变化幅度有时很大，因此，实时计算的脱硫效率也是随时间变化的。因此，某一监测时段内设备的脱硫效率，应取整个时段内脱硫效率的平均值。在计算脱硫效率时，只计入SO2的脱除率，而通常不考虑SO3的脱除率。 (二)、钙硫摩尔比(Ca/S) 从化学反应的角度，无论何种脱硫工艺，在理论上只要有一个钙基吸收剂分子就可以吸收一个SO2分子，或者说，脱除1mol的硫需要1mol的钙。但在实际反应设备中，反应的条件并不处于理想状态，因此，一般需要增加脱硫剂的量来保证吸收过程的进行。钙硫摩尔比就是用来表示达到一定脱硫效率时所需要钙基吸收剂的过量程度，也说明在用钙基吸收剂脱硫时钙的有效利用率。一般用钙与硫的摩尔比值表示，即Ca/S比，所需的Ca/S越高，钙的利用率则越低。

以应用最为广泛的石灰石脱硫吸收剂为例，CaCO3的分子量为100，S的分子量为32，理论上，每脱除1kg的硫需要3.125kg的CaCO3。钙硫摩尔比由下式计算。反过来，如果已知为达到一定脱硫效率所需的钙硫摩尔比时，也可以由上式求出所需加入的石灰石量G。通常情况下，石灰石的消耗量占锅炉燃煤量的百分比小于6,。湿法脱硫工艺的反应是在气相、液相和固相之间进行的，反应条件比较理想，因此，在脱硫效率为90,以上时，其钙硫摩尔比略大于1，目前国外脱硫公司的先进技术一般不超过1.05，最佳状态可达1.01,1.02。

(三)、吸收塔内的烟气流速

烟气流速是指设计处理烟气量的空塔截面流速，以m/s为单位，因此，烟气设计流速决定了吸收塔的横截面面积，也就确定了塔的直径。烟气设计流速越高，吸收塔的直径越小，可降低吸收塔的造价。但另一方面，烟气流速越高，烟气与浆液的接触和反应时间相应减少，烟气携带液滴的能力也相应增大，升压风机的电耗也加大。

比较典型的逆流式吸收塔烟气流速一般在2.5~5m/s的范围内，大多数的FGD

装置吸收塔的烟气设计流速选取为3m/s，并趋向于更高的流速。国外FGD装置的运行经验表明，在SO2脱除率恒定的情况下，液气比L/G随着吸收塔烟气流速的升高而降低，带来的直接利益是可以降低吸收塔和循环泵的初投资，虽然升压风机的电耗要增加，但可由循环泵降低的电耗冲减。

因此，吸收塔烟气设计流速的选取是一个技术经济的综合比较，随着吸收塔的设计不断改进，烟气和浆液的反应吸收过程不断改善，设计和运行的烟气流速也在趋于提高。 (四)、液气比(L/G)

液气比是指洗涤每立方米烟气所用的洗涤液量，单位是L/m3。液气比是决定脱硫率的一个主要参数。液气比增大，意味着在同样的烟气量下，喷淋的浆液量增多，烟气与浆液的接触条件将更好，有利于SO2的吸收;但另一方面，循环的浆液量加大，浆液循环泵的功率消耗将显著加大，增大运行费用。

通常，对于喷淋塔，液气比的范围一般在8~25 L/m3。

(五)、系统pH值

浆液的pH值FGD装置运行中需要重点检测和控制的化学参数之一，它是影响脱硫率、氧化率、吸收剂利用率及系统结垢的主要因素之一。浆液的pH值高，意味着碱度大，有利于碱性溶液与酸性气体之间的化学反应，对脱除SO2有利，但会对副产物的氧化起抑制作用。降低pH值可以抑制H2SO3分解为SO32-，使反应生成物大多为易溶性的Ca(HSO3)2，从而减轻系统内的结垢倾向。浆液的pH值是靠

补充新鲜的石灰石浆液来维持的。通常，吸收塔浆池的pH值维持在5.4~5.8之间。