5煙氣脫硫物料平衡

1、濕式石灰石石膏法煙氣脫硫物料平衡,馬雙忱,物料總衡算方程進行物料總衡算的空間范圍稱為控制體，此控制體的界面稱為控制面。進行總衡算的基本定律是物料守恒定律，其方程為：輸入的流率-流出的流率=累積的速率其中累積的速率也包括由化學反應生成的速率。這一總的表達式看似簡單，實際上卻變化無窮，它是我們分析和解決問題的基礎 。進行總衡算一般用歐拉方法，即固定控制體的體積及控制面，對控制體或控制面進行衡算。對于任意一個體積為V，控制面的總面積

2、為A的空間控制體，有多個進出口，以u為流過微圓面積dA的流體流速，ρ為其密度，流速方向與dA的法線交角為α，則ρu通常稱為質(zhì)量通量（kg/m2.s)，通用的總質(zhì)量衡算方程（凈質(zhì)量流率+質(zhì)量積累流率）為：對于物料流入的質(zhì)量流量為qm1 (kg/h) ，流出的質(zhì)量流量為qm2的容器，總物料衡算方程為：如果物料為混合物，則除了總物料衡算以外，還可以對每一個組分進行衡算。但對于一個含n個組分的體系，總共只有n個獨立方程。,FGD工

3、藝過程物料平衡 根據(jù)質(zhì)量守恒定律，任何一個生產(chǎn)過程，其原料消耗量應為產(chǎn)品量與物料損失量之和。通過了解FGD工藝過程的物料平衡，可以知道輸入系統(tǒng)的原料轉(zhuǎn)變?yōu)槊摿虍a(chǎn)物以及流失的情況，以便尋求改善這一轉(zhuǎn)變過程的途徑。 在FGD系統(tǒng)設計中需進行物料平衡計算，確定原料、產(chǎn)出物和損失物的數(shù)量關系，以及系統(tǒng)熱平衡關系，物料平衡計算是FGD系統(tǒng)設計的重要數(shù)據(jù)也是運行管理的重要參數(shù)。,下圖是濕法石灰/石灰石FGD工藝總物料平衡示意圖。系統(tǒng)的主要輸

4、入流體是煙氣和吸收劑。煙氣進入FGD系統(tǒng)之前，先經(jīng)除塵裝置(ESP或布袋除塵器)除去煙氣中99.5%以上的飛灰。雖然一些石灰/石灰石濕法FGD工藝能除去煙氣中的飛灰(一般除塵效率不超過80%)，或采用堿性飛灰作吸收劑，但飛灰對工藝過程會產(chǎn)生一些有害的影響。,物料平衡概述,濕法石灰/石灰石FGD系統(tǒng)總物料平衡,這種有害影響主要是：①降低石膏質(zhì)量；②加重了漿液對設備的磨損性；③增加了脫硫石膏脫水難度；④“封閉”吸收劑，使其失去活性。

5、后一種情況在運行中的表現(xiàn)是，漿液pH值、脫硫效率下降，雖向吸收塔內(nèi)大流量地注入吸收劑漿液，反應罐pH值仍不上升，吸收效率也沒有明顯回升。其原因多半是進入吸收塔的煙塵含量較高，運行pH值控制又較低，由飛灰?guī)氲腁l3+與漿液中的F-形成的絡合物達到一定濃度，吸附在吸收劑固體顆粒表面，“封閉”了吸收劑的活性，顯著減慢了吸收劑的溶解速度。另外，隨飛灰引入系統(tǒng)的其他化學物質(zhì)，如鎂、錳能起到氧化催化劑的作用，這對強制氧化工藝是有利的，但對抑制

6、氧化工藝則有害。隨飛灰?guī)氲囊恍┲亟饘俪藭绊懝に嚨幕瘜W反應外，還會影響排放廢水的質(zhì)量。因此，一般不希望有過量的飛灰?guī)胛障到y(tǒng)。入口煙氣的主要氣體成分是N2、CO2、O2、水蒸氣、SO2、NOx、HCl、HF和硫酸蒸氣，痕量化合物有MH3、CH4、CH3Cl等。煙氣或飛灰中還存在一些有害痕量元素，例如目前較為重視的汞及汞的化合物。,在FGD系統(tǒng)中，煙氣中的大部分SO2和部分O2被吸收進入漿體的液相。在石灰石基工藝中每吸收1mol S

7、O2，理論上要消耗1mol CaCO3，產(chǎn)生1molCO2進入煙氣中。由煙氣帶入FGD系統(tǒng)的氯化物會影響脫硫效率、石灰石的溶解和耐腐蝕材料的選擇。入口煙氣中的NO通常不被吸收而透過FGD系統(tǒng)，NO2僅少部分被吸收。 入口煙氣中通常含有少量氣態(tài)硫酸，氣態(tài)硫酸濃度大約是SO2濃度的0.5%~1%，當煙氣被冷卻時，氣態(tài)H2SO4迅速凝結成亞微米大小的氣溶膠酸霧。一般吸收塔僅能除去約50%的這種酸霧，剩余的酸霧進入吸收塔下游側的設備中將

8、造成酸腐蝕，最后從煙囪排出的酸霧以及其他顆粒物由于對光的散射使煙氣形成一種看得見的白色煙流。目前控制這種酸霧的方法主要是，向爐內(nèi)或煙道中噴入吸收劑減少酸霧的形成；另一種方法是通過與吸收塔一體化的濕式ESP來除去。 煙氣在吸收塔內(nèi)被洗滌時，很快達到水汽飽和，這是水平衡中水耗的主要部分。吸收塔內(nèi)水蒸發(fā)量取決于煤的組成、入口煙氣溫度和煙氣含水量，洗滌1MW機組所產(chǎn)生的煙氣通常蒸發(fā)的水量大約是0.1m3/h左右(有GGH)，0.13~0

9、.2m3/h (無GGH)。,造成系統(tǒng)水損失的其他原因有： ①為控制漿液中某些有害成分的濃度而設置的廢水排放。這種廢水排放量從每小時幾噸到幾十噸，這取決于煤中Cl-、F-含量、漿液有害成分的控制濃度、脫硫副產(chǎn)物的處理方式以及對耗水量控制的嚴格程度。如果固體副產(chǎn)物采取水力輸送濕排的方式廢棄，僅此項造成的水耗就可能高達100m3/h以上； ②隨脫硫固體副產(chǎn)物帶離系統(tǒng)的附著水和化學結晶水，由此損失的水相對較少。也有些系統(tǒng)不單

10、獨設置排污口，隨固體副產(chǎn)物帶離系統(tǒng)的液體成為帶走FGD系統(tǒng)中可溶性物質(zhì)(例如Cl-)的唯一渠道，這樣，帶離系統(tǒng)的水量就控制了工藝過程漿體液相中可溶性物質(zhì)的濃度。,在FGD工藝過程中，必須向系統(tǒng)不斷補加水以彌補水分蒸發(fā)和其他原因所損失的水量，以保持系統(tǒng)水平衡。但在有些情況下，尤其當鍋爐低負荷運行時，補加水量可能超過系統(tǒng)損失的水量。因此，必須將工藝過程中過量的液體臨時貯存或排放。 采用工業(yè)水作補加水、密封水或ME沖洗水時，一般

11、不考慮工業(yè)水中的可溶性鹽的影響，除非工業(yè)水中Cl-濃度較高。,脫硫產(chǎn)生的固體副產(chǎn)物與脫除的SO2有一定的比例關系， 對于強制氧化工藝，石膏副產(chǎn)物摩爾質(zhì)量是172g/mol，每脫除1kg SO2，干石膏固體物的理論產(chǎn)出率是2.69kg。 通常將亞硫酸鹽固體副產(chǎn)物廢棄于專用坑或池中，或填埋。如果填埋這種固體物，一般需要經(jīng)過處理，即將脫水后的固體副產(chǎn)物與飛灰混合(穩(wěn)定作用)或與飛灰和石灰混合(起固定作用)以改善其物化特性。

12、 硫酸鈣(石膏)可以筑池填埋或堆放在地面而無需經(jīng)過穩(wěn)定化或固定化處理，石膏還可以作為商品出售 。,工藝過程的水平衡 下表列出了濕法FGD工藝中水平衡的典型補、耗水項目和數(shù)量。表中“其他補加水”一項是指系統(tǒng)其他沖洗水、冷卻水和為保持系統(tǒng)中某些罐池液位所需加入的水。在運行工況穩(wěn)定的情況下，進入工藝過程的水量應等于離開系統(tǒng)的水量。FGD工藝處理來自500MW燃煤鍋爐的煙氣，燃用煤為煙煤，含硫量為2%，F(xiàn)GD系統(tǒng)裝有GGH。

13、,表 石灰/石灰石FGD工藝水平衡中的典型補、耗水項目和數(shù)量,在石灰石強制氧化工藝的例子中，固體副產(chǎn)物是具有商業(yè)質(zhì)量的石膏，因此隨副產(chǎn)物帶走的自由水相當少，而蒸發(fā)消耗的水量(60.4 m3/h)要高些，這是因為鼓入漿液中未飽和的氧化空氣增加了水分的蒸發(fā)。 另外，由于對石膏質(zhì)量的要求，石膏濾餅中氯離子的最高濃度限值為200mg/kg(干基)，因此，需沖洗石膏濾餅，但沖洗濾餅的水是來自水環(huán)真空泵的密封水，后者用水量9~15m3

14、/h。加上對工藝性能和防腐材料的考慮，需要向系統(tǒng)外排放一定量的廢水，以限制工藝漿液中的Cl－濃度。上述兩個原因使得石灰石強制氧化工藝的耗水量比較高。,對氯化物濃度的不同控制、吸收塔性能對氯化物濃度的敏感程度以及是否對耗水量(或廢水排放量)提出了嚴格的設計要求等因素，可能造成廢水排放量相差很大。 例如北京第一熱電廠3號、4號機組的FGD系統(tǒng)(2爐1塔、噴淋塔)，設計煤含硫1.04%、含氯0.035%，處理煙量950000m3/

15、h (W)，控制漿液Cl-濃度<20000×10-6(20g/L)，設計排往廢水處理系統(tǒng)的廢水僅1.9m3/h。而某電廠3號、4號機組的FGD系統(tǒng)(1爐1塔)，設計煤含硫4.02%、含氯0.035%，單塔處理煙量915000 m3/h，由于Cl-濃度控制得較低，<1000×10-6(1g/L)，對廢水排放量未提出要求，因此設計廢水排放量高達71.6m3/h (該FGD系統(tǒng)未設計廢水處理裝置)。

16、從表1-5-1所列系統(tǒng)耗水項目和耗水量可看出，蒸發(fā)（80%）和排放廢水（10%）是造成石灰石強制氧化工藝總耗水量高的主要原因。,在強制氧化工藝中，回收的工藝液被石膏飽和，主要用來制備吸收劑漿液和調(diào)整反應罐液位。早期采用的強制氧FGD系統(tǒng)曾采用回收水與一定量的淡水混合，作為ME的沖洗水。 目前一般僅用工業(yè)水沖洗ME，沖洗后的水流回吸收塔。系統(tǒng)另一個補加水源是真空皮帶脫水機水環(huán)式真空泵和其他泵、攪拌器等轉(zhuǎn)動設備的密封水和冷卻水。,

17、在上面的例子中并沒有列出所有加入工藝過程中的各種水源，例如吸收塔入口干/濕界面、氧化配氣管的沖洗水和一些轉(zhuǎn)動機械的冷卻水，在進行實際水平衡計算時需要作全面核算。上述例子是基于鍋爐連續(xù)滿負荷運行，當鍋爐在低于額定工況下運行時，使煙氣飽和隨固體副產(chǎn)物帶離系統(tǒng)而造成的水耗量將按比率減少，但轉(zhuǎn)動機械密封水，冷卻水以及ME沖洗水往往不會按比例下降，在這種情況下，補加水量有時會多于損失的水量，這種情況稱作“正水平衡”。通常設置一個平衡水箱來接納短時

18、間正平衡時排出的過量補加水。當出現(xiàn)負水平衡時，用作補充水。如果長時間出現(xiàn)正平衡，則要么增加排放水量，要么采取措施減少加入工藝中的補加水量。,溶解固體物(氯化物)濃度 FGD工藝物料平衡中與水平衡密切有關的另一個問題是工藝過程液中可溶性固體物的濃度。在濕法石灰/石灰石FGD)工藝中最重要的可溶性物質(zhì)是Mg2+、Na+和Cl-。Mg2+主要隨著石灰/石灰石吸收劑帶入工藝過程中，有時則可能是人為加入石灰基工藝中。Na+主要隨補加水進入

19、系統(tǒng)中，通常補加水中的Na+含量較少，除非補加水天然含鹽分。Na+還有可能來自其他設備的循環(huán)水，例如冷卻塔的排放水經(jīng)常用作FGD系統(tǒng)的補加水，而冷卻塔排放水含有較高濃度的Na+。氯化物則主要由煙氣帶入FGD系統(tǒng)。這三種可溶性物質(zhì)中Cl-最為重要，因為氯化物對工藝性能有負面影響（降低脫硫效率），而且還影響耐蝕合金材料的選擇。,在濕法石灰石FGD系統(tǒng)中，在其他條件相同情況下，高濃度氯化物會降低SO2脫除效率。這是因為當Cl-濃度增加時，氯化

20、物主要以CaCl2的形式溶解于漿液中。 Ca2+濃度的增大，由于同離子效應，將抑制CaCO3的溶解，降低液相的堿度。 氯離子濃度增加，脫硫率下降的另一個原因可能是，由于離子強度和溶液黏度的增大，液膜中離子擴散變慢，致使液膜中有較高濃度的SO32-，這樣就使得平衡蒸汽壓增大，降低了氣相至液膜的SO2傳質(zhì)推動力。,試驗顯示，當Cl-濃度從0增至60g/L時，在石灰石利用率不變的情況下，傳質(zhì)單元數(shù)（NTU）下降10%~40%。也就

21、是說，一個NTU=3、脫硫效率為95%的洗滌裝置，在這種情況下，脫硫率將下降到83.5%~93.3%，具體下降的程度還取決于運行工況。通常單位體積漿液吸收SO2較多的系統(tǒng)對較高濃度Cl-更為敏感。 另外，還發(fā)現(xiàn)抑制氧化工藝NTU的下降比強制氧化要大些。當Cl-濃度約低于10~15g/L時，可溶性氯化物對SO2脫除效率的影響就不太明顯了。,對不銹鋼耐腐蝕性的影響除了Cl-濃度外還受許多其他因素的影響，這些因素中主要是溫度和pH值

22、。一般來說，當工藝漿液中Cl-濃度超過3g/L，吸收塔的結構不能采用316L不銹鋼。當Cl-濃度高到大約10g/L時，904L是一種適合的不銹鋼材料。當Cl-濃度超過大約20g/L時，就需要采用像合金C-276這類高鎳合金或采用襯覆有機防腐材料的碳鋼。,美國除了那些設計生產(chǎn)商業(yè)質(zhì)量石膏的FGD系統(tǒng)外，大多數(shù)濕法石灰/石灰石FGD系統(tǒng)設計成在“閉路”狀況下運行，即無廢水排放，脫硫副產(chǎn)物脫水至一定程度后作拋棄處理。 通常石灰基工藝副

23、產(chǎn)物的固體物含量最大約是50%，石灰石抑制氧化工藝的副產(chǎn)物可以脫水至含固量約70%(含水30%)，強制氧化工藝副產(chǎn)物可以脫水至90%(含水10%)。這樣從系統(tǒng)排出的水就只是隨固體副產(chǎn)物帶離的水，由于這部分水與蒸發(fā)的水量相比要少得多，因此進入FGD系統(tǒng)的可溶性化合物將在工藝過程液中逐漸累積起來。,工藝液中Cl-濃度主要受固體副產(chǎn)物脫水程度和煤中氯硫比(Cl/S)的影響，高Cl/S，高脫水率使得工藝液中Cl-濃度較高。而高硫煤由于產(chǎn)出的固體

24、物增多，隨固體副產(chǎn)物帶走的水量也增多，煤中氯含量低則減少了隨煙氣帶入系統(tǒng)的Cl-量，因此高硫低氯煤(即Cl/S比低)使得工藝液中Cl-濃度相對較低。對同一種FGD工藝、同一種煤，補加水質(zhì)量不同也會影響工藝液中Cl-濃度，但影響程度要小些。 表1-5-2列出了兩種FGD工藝“閉路”運行時工藝液中Cl-濃度與燃煤含硫、氯量以及補加水Cl-濃度的關系。,,注 1. 高Cl/S比煤含S： 2.0%；含Cl：0.10%；Cl/S=0.

25、05. 2. 低Cl/S比煤含S： 2.0%；含Cl：0.10%；Cl/S=0.05. 3. 高Cl-補加水含Cl-：200mg/L. 4. 低Cl-補加水含Cl-：10mg/L.,表 兩種FGD工藝“閉路”運行時工藝液中Cl-濃度與燃煤和補加水的關系,如果要求生產(chǎn)具有商業(yè)質(zhì)量的石膏，就必須從工藝過程中排放適當?shù)膹U水，以維持循環(huán)漿液中適當?shù)碾s質(zhì)含量，圖中顯出了為維持排放廢水中一定的Cl-濃度(亦即

26、循環(huán)漿體液相中的Cl-濃度)，廢水排放量與鍋爐容量和煤中含氯量的關系。從該圖可看出，當鍋爐容量在300~600MW范圍內(nèi)，燃煤含氯為0.05%時，維持漿液中Cl-濃度不超過20g/L，需排放廢水量在3.3~6.0m3/h范圍內(nèi)。廢水排放量隨鍋爐容量和煤中含氯量增大而增加。,廢水排放量與鍋爐容量和煤中含氯量的關系,,,吸收塔的水平衡與除霧器,系統(tǒng)水平衡的調(diào)節(jié)是系統(tǒng)穩(wěn)定運行的一個重要方面，吸收塔處于水平衡調(diào)節(jié)的核心，流入和流出吸收塔的水量

27、需要保持平衡，主要是調(diào)節(jié)水、物料和化學反應等的平衡，實際運行中是通過吸收塔液位控制、石灰石供漿流量控制、石膏排出量控制等調(diào)節(jié)系統(tǒng)來實現(xiàn)的。要維持吸收塔液位穩(wěn)定，需要通過調(diào)節(jié)除霧器沖洗水來實現(xiàn)。除霧器是濕法脫硫工藝的重要設備，它的作用是除去凈煙氣中多余的水滴，保護整個系統(tǒng)的運行安全。,除霧器沖洗水主要用來沖洗除霧器，因此必須保證有足夠的沖洗水量，如系統(tǒng)水平衡被破壞（ 一般指流入吸收塔的水量增加），出現(xiàn)吸收塔的液位緩慢升高，就會影響到除霧器

28、的水沖洗，長期以往將會造成除霧器積灰甚至引起坍塌。這就要求盡量減少流入吸收塔的水量或增加流出吸收塔的水量（ 必要時進行事故棄漿），流出吸收塔的水量在設計條件一定情況下基本上是不能改變的；流入吸收塔的水量在運行中可控制的成分相對多一些，如控制各類泵的軸封水水量，最大限度地利用石膏過濾水進行石灰石漿液制備，防止系統(tǒng)外水如雨水、清潔用水的流入等。 經(jīng)運行實踐檢驗人字型布置方式的除霧器除霧效率高于水平布置方式的除霧器，沖洗后自凈效果好于水平方