金 铭,曲 云

(中电投远达环保工程有限公司,重庆 401122)

1 引言

作为典型的干法脱硫技术,循环流化床(简称CFB)脱硫工艺因其工艺简单、性能可靠、投资节省等优势,目前已被广泛地应用于火力发电厂、垃圾焚烧厂、钢铁厂烧结机等烟气的净化处理。

2 CFB工艺原理

CFB系统主要由吸收塔、脱硫除尘器、吸收剂制备、脱硫灰再循环、工艺水系统、流化风系统及压缩空气系统等组成。来自锅炉的烟气通过FGD入口烟道进入吸收塔,然后通过吸收塔底部的文丘里管加速后进入吸收塔的扩口段,在此,吸收剂、循环脱硫灰受到气流的冲击作用而悬浮起来,形成循环流化床,进行充分的脱硫反应。循环流化床具有很好的热和物质传送特性,在该区域内流体处于激烈的湍流状态。颗粒反应界面不断摩擦,碰撞更新,极大地强化了脱硫反应的传质与传热。

在吸收塔的文丘里的出口扩管段设一套高压喷水装置,喷入的工艺水经过雾化后一方面增湿颗粒表面,另一方面使烟温降至高于露点温度15～20℃(吸收塔出口温度一般人为地控制在75℃左右),创造良好的脱硫反应温度,吸收剂与SO2充分的反应,主要生成亚硫酸钙CaSO3◦1/2H2 O、硫酸钙CaSO4◦1/2H2 O和碳酸钙CaCO3,他们和飞灰一起由清洁烟气携带到吸收塔顶部,然后在后面的脱硫除尘器中分离出来。分离出来的产物由斜槽循环回吸收塔,以延长吸收剂颗粒的停留时间,降低工艺过程中Ca/S摩尔比。这套系统在Ca/S摩尔比稍有增加的情况下,就可以使脱硫率达到95%以上。

CFB的化学反应原理是烟气中的SO2和几乎全部的 SO3、HCl、HF 等 ,在 Ca(OH)2粒子的液相表面发生化学反应,主要化学反应方程式如下：

从上述的化学方程式可以看出,其主要的污染物脱出反应都是“酸碱中和反应”,由于反应势能高,所以反应彻底,只要营造的反应环境足够好,理论上化学反应的效率可以无限接近100%。

3 CFB工艺中吸收塔内的化学反应过程分析

分析CFB工艺中吸收塔内的化学反应过程,可以归纳为如下的几个进程,碰撞、捕捉、溶解、离子反应。在吸收塔内床层压降一定时,循环流化床内的物料颗粒浓度是一定的,塔内的物料颗粒浓度越高,气固碰撞概率就越高,这是化学反应的必要条件,但这也是一个比较容易控制的因素,因此在本文中不予过多讨论。本文要详细分析的是后面的3个进程：捕捉——溶解——离子反应。

(1)从化学反应的形态和速度的关系来看,除了“爆炸”式的气气反应以外,速度最快的就是离子反应(反应时间为纳秒级),其次是气固反应(很慢),最慢是固固反应。所以要想在有限大小的吸收塔内充分的进行脱硫反应,就需要将化学反应引导至在“离子反应”的模式进行。

(2)自由水的存在是产生离子反应的关键。在微观层面,喷入吸收塔的工艺水会在物料的表面形成局部微小的自由水“湖泊”,无数的带有这种自由水“湖泊”的物料颗粒在吸收塔的循环流化床的浓相区内就形成了一个湍流中的空间点阵,当然,带水颗粒越多则该点阵越密集。这就相当于一个筛网,网孔越密集,则过滤效率就越高。作为化学反应第一步的“碰撞”可分为“有效碰撞”和“无效碰撞”,但凡和干燥物料颗粒发生的碰撞皆为无效。而在与含湿颗粒发生碰撞时,烟气中所含的酸性物质才可能被自由水表面捕捉并进行后续的反应进程。

(3)营造良好的“空间自由水点阵”的构建是提高CFB脱硫效率至关重要的环节。显然,“空间自由水点阵”的密度正比于工艺水的加入量,但工艺水的加入量却是受限的。在CFB工艺中对工艺水的加入量有两个限制性的要求,在吸收塔出口,粉尘粒子的含水量必须为零,否则其下游的除尘器内就有板结的危险;吸收塔内物料粒子应避免过湿,否则塔内便会板结。以上2个指标是通过吸收塔出口温度的控制来达到的。一般当脱硫效率高于60%后,烟气的酸露点温度就降到了50℃以下,考虑20～25℃的安全距离后,吸收塔出口温度被控制在 75℃左右。当然,吸收塔出口烟气温度越接近其露点温度,则自由水蒸干时间就越长,自由水空间点阵在吸收塔内的高度纵深就越长,但过低的吸收塔出口温度会带来运行的安全隐患。

4 结语

根据热平衡原理,加入的工艺水量正比于吸收塔进出口的烟温差,当吸收塔的出口温度被确定后,吸收塔入口烟气温度的高低,直接决定着工艺水量的加入量。当吸收塔入口烟温过低时,由于总加入的工艺水量有限,那么自由水空间点阵的密度就会降低,虽然可以通过稳定锅炉负荷等措施来缩短吸收塔出口温度的安全距离以降低吸收塔出口温度,从而延长自由水空间点阵在吸收塔内的高度纵深,但是过于稀疏的点阵的过滤效率还是可想而知的。

根据上述分析可见,原烟气温度越高则CFB的脱硫效率越高,这可以作为初步工艺选型时的一个首选判断条件。因此,在业主的烟气脱硫可研阶段,对原烟气温度一定要引起足够的重视,当烟气温度低于125℃时应谨慎使用CFB工艺。除非要求的系统脱硫效率比较低。