CFB脫硫工藝滿足超低排放的設(shè)計和運行優(yōu)化研究

楊森林，吳 斌，黃 鵬，魏文柱，付名利

(1. 廣東佳德環(huán)保科技有限公司，廣東 廣州 510663；2. 華南理工大學(xué) 環(huán)境與能源學(xué)院，廣東 廣州 510006)

0 引 言

半干法脫硫一般是指用濕的或干的脫硫劑在反應(yīng)過程中加濕的方式，脫硫后的產(chǎn)物為干或者半干狀態(tài)的脫硫工藝。半干法脫硫技術(shù)起源于德國，由德國Lurgi公司于20世紀(jì)80年代最早研究開發(fā)，借鑒了循環(huán)流化床鍋爐的流化原理，當(dāng)時的技術(shù)主要是解決氣固兩相反應(yīng)的問題，在此基礎(chǔ)上，商業(yè)化則由德國Wulff、丹麥FLS公司、ABB等公司發(fā)展為多個實用型的工藝，解決了吸收劑的加入、產(chǎn)物的排出、循環(huán)利用等輔助系統(tǒng)的運行方面的問題。國內(nèi)外半干法脫硫工藝主要有以下幾種[1]，循環(huán)流化床煙氣脫硫工藝(CFB-FGD，Circulating Fluidized Bed FGD)、噴霧干燥吸收脫硫工藝(SDA，Spray Drying Absorption)、煙氣懸浮吸收脫硫工藝(GSA，Gas Suspension Absorption FGD)、爐內(nèi)噴鈣脫硫尾部增濕活化工藝(LIFAC，Limestone Injection into Furnace and Activation of Calcium)以及基于以上工藝的改進型。

通常情況下，半干法脫硫效率稍低于濕法脫硫，在中低硫的煙氣條件下，一般能達到90%的去除效率，運行較好可以達到95%的脫硫效率，該工藝一般可讓低硫煙氣達到超低排放標(biāo)準(zhǔn)。

1 設(shè)計數(shù)據(jù)情況

河北吉誠新材料有限公司鋰鹽廠年產(chǎn)1萬t電池級碳酸鋰聯(lián)產(chǎn)1萬t電池級氫氧化鋰項目冶金工段建設(shè)工程子項，該項目鋰礦中的硫化物在加熱中釋放并轉(zhuǎn)化成SO2，帶入到煙氣中，需要進行廢氣處理。

在國家碳達峰和碳中和的總目標(biāo)規(guī)劃要求下，各個區(qū)域也相應(yīng)地制定了減排計劃，為了控制區(qū)域的總排放量，本項目所在地的環(huán)保要求做到的超低排放，具體設(shè)計煙氣數(shù)據(jù)及超低排放要求見表1。

表1 煙氣參數(shù)及超低排放要求

2 系統(tǒng)的選型

2.1 設(shè)計的工藝選擇

采用干法脫硫，達到超低排放只能選擇SDS工藝，SDS運行成本高，而且生產(chǎn)不確定是否能夠滿足煙溫要求；采用濕法脫硫，占地較大，主要有廢水排放和腐蝕問題，園區(qū)規(guī)劃的廢水處理系統(tǒng)已經(jīng)無余量；綜合比較后選擇半干法脫硫工藝。

2.2 煙氣系統(tǒng)流程

本項目的CFB循環(huán)流化床半干法脫硫裝置主要由煙氣系統(tǒng)、脫硫塔系統(tǒng)、預(yù)除塵+布袋除塵器系統(tǒng)、消石灰系統(tǒng)、返料灰再循環(huán)系統(tǒng)、工藝水系統(tǒng)、灰渣外排系統(tǒng)組成[2]。

煙氣通過導(dǎo)流板調(diào)整后均勻地進入脫硫塔下部地文丘里系統(tǒng)，本項目的文丘里為七孔型，煙氣在文丘里管的喉部進行加速，再高速進入塔內(nèi)，形成七股沖擊氣柱，托起流化床床層，在塔內(nèi)形成穩(wěn)定的對流循環(huán)層[3-4]。

煙氣向上流動的過程中，一部分顆粒隨煙氣被帶出脫硫塔進入到后段除塵系統(tǒng)內(nèi)，一部分則順著塔壁等低速區(qū)域重新返回流化床中，增加了流化床的床層顆粒濃度和反應(yīng)時間[5]。煙氣脫硫工藝如圖1所示。

圖1 煙氣循環(huán)流化床半干法脫硫工藝簡圖[6]Fig.1 The semi-dry desulfurization process diagram of flue gas circulating fluidized bed[6]

煙氣從脫硫塔頂部側(cè)口向下排出，進入除塵系統(tǒng)。本項目設(shè)置重力除塵器，沉降大部分脫硫灰，煙氣經(jīng)過預(yù)除塵器處理后再到布袋除塵器系統(tǒng)，布袋除塵器有10%～20%的脫硫效率[7]。脫硫、除塵處理后的煙氣、SO2及煙塵濃度達到超低排放標(biāo)準(zhǔn)，然后經(jīng)風(fēng)機從煙囪排放[8]。

3 運行情況

3.1 初期運行情況

3.1.1 運行初期情況

項目建成初期，運行出現(xiàn)床壓不穩(wěn)定，由于前端窯爐也在調(diào)試生產(chǎn)中，窯爐生產(chǎn)下料量在15～35 t/h，煙氣量45 000～80 000 m3/h(工況設(shè)計值89 999 m3/h)，煙氣量波動范圍較大，空塔壓降只有200 Pa左右(要求壓降大于300 Pa)，相對較低。通過增加煙氣回流穩(wěn)定煙氣流量的措施后，空塔壓降可以提高到250 Pa左右，床層的壓降依然波動較大，特別是投加消石灰對床層出現(xiàn)明顯的沖擊，提高總壓降運行時，頻繁出現(xiàn)落料塌床現(xiàn)象[9]。

此外，本項目生產(chǎn)采用了2種形式的鋰礦料，一種為顆粒礦料，另一種為粉礦料。顆粒礦料含硫量低，含水量低，粉礦料含硫量高，含水量高。在顆粒礦料下，窯爐出口溫度高于設(shè)計值，入口SO2濃度低，出口做到超低排放時消石灰消耗量少，外排灰中Ca(OH)2含量低，鈣硫比低；粉料礦的入口溫度較低，脫硫塔入口SO2濃度在2 500～3 000 mg/Nm3范圍，出口做到超低排放時，消石灰消耗量大，外排灰中Ca(OH)2含量65%，鈣硫比最大高達18，系統(tǒng)石灰消耗量較大。

3.1.2 存在的問題

系統(tǒng)主要的問題有以下兩點：

(1)脫硫塔入口煙氣流量不穩(wěn)定，導(dǎo)致塔內(nèi)的壓差波動幅度較大，且波動頻繁，造成頻繁塌床落料。

(2)煙囪出口二氧化硫排放濃度不穩(wěn)定，波動較大，容易超標(biāo)。

3.2 產(chǎn)生問題的原因分析

(1)石灰品質(zhì)

CFB脫硫工藝對消石灰品質(zhì)要求較高，采用平均粒徑(50%的篩余量)(7±3)μm，表面積(用BET方式測量)≥(16±2) m2/g，自由活性Ca(OH)2在(80±15)%的消石灰(見表2)。與煙氣接觸表面積越大，越容易反應(yīng)，且石灰活性較高，脫硫有效鈣越大[10]。

表2 進料石灰品質(zhì)與消耗情況對照表

由此可見，石灰品質(zhì)越高，石灰消耗量越小。

(2)增濕水及出口溫度

為了增加消石灰的活性，增加的水量采用霧化形式補入脫硫塔內(nèi)，霧化方式有兩種，一種采用高壓單流體噴槍，另一種采用雙流體噴槍。本項目采用雙流體噴槍。雙流體噴槍液相壓力0.4～0.6 MPa，流量33.3 L/min；氣相壓力0.4～0.6 MPa，流量5.8 m3/min，氣水比175。

脫硫塔出口溫度的控制在80 ℃，滿足高于絕熱飽和溫度15 ℃以上的要求，既保證了脫硫效率，又避免了后端布袋出現(xiàn)阻塞、結(jié)露的現(xiàn)象，減輕了煙氣系統(tǒng)內(nèi)的腐蝕情況。加水量對脫硫塔處理效果影響分析見表3。由表3可以看出入口溫度越低，排放超低情況下石灰消耗量越大。

表3 加水量對脫硫塔處理效果的影響

由此可見，加入的水量越多，石灰消耗量越小，石灰的利用效率也越高。

(3)有效床層

有效床層指扣除空塔壓差后的脫硫塔進口至出口的阻力降，設(shè)計煙氣下床層壓力降為800 Pa，在含硫量高的時候需要提高床層壓降來提升鈣硫比濃度，提高床層又會出現(xiàn)塌床的風(fēng)險，需要在運行中測試出該煙氣量下出現(xiàn)塌床的床壓，聯(lián)鎖運行時設(shè)置床壓低于塌床壓降，這樣既能提高反應(yīng)效率，也能保證運行的安全穩(wěn)定性。

本項目影響有效床層的有以下幾方面：

a.導(dǎo)流板影響氣流分布，文丘里喉管長度影響脫硫塔抗沖擊的能力；

b.返料及新灰的進料口角度設(shè)置不合理，會導(dǎo)致投料過程中對床層壓降產(chǎn)生的沖擊；

c.前端窯爐的煙氣量波動，會影響塔壓降。

(4)返料灰循環(huán)量

對CFB循環(huán)流化床半干法脫硫工藝，吸收劑再循環(huán)倍率直接影響脫硫效率和吸收劑的利用率。倍率越高，石灰利用率越高，鈣硫比越低。對于含硫在1 000 mg/Nm3以下的低含硫量，循環(huán)灰循環(huán)倍率一般在20～30，當(dāng)入口含硫量越高，且出口要求排放越低時，循環(huán)灰的循環(huán)量則會減少，循環(huán)倍率會到10甚至更低，且石灰利用率也隨之下降。

(5)出入口二氧化硫

半干法脫硫效率一般95%以上，在超低排放的要求下一般適合1 000 mg/Nm3以下低含硫煙氣；在高硫煙氣條件下，要滿足超低排放指標(biāo)，脫硫效率需要提高到98%以上，則需要較高的鈣硫比，會導(dǎo)致運行成本增加較大。

(6)本項目特殊性的部分

a.前端窯爐生產(chǎn)會選用兩種不同的礦石原料，對應(yīng)不同的原料，燃燒產(chǎn)生的煙氣溫度、濕度、組分等完全不同。顆粒礦產(chǎn)生的煙氣組分相對簡單，煙氣中含硫量1 000 mg/Nm3以下，在超低排放時候鈣硫比2左右，相對常規(guī)半干法依舊較高；粉料礦料的煙氣組分復(fù)雜，煙氣中含硫量基本大于2 000 mg/Nm3，鈣硫比達到5以上。

b.粉料礦煙氣組分復(fù)雜，通過廢渣化驗得知煙氣中物質(zhì)有氟化物及油酸等，這些未知物質(zhì)會對煙氣中的吸收劑Ca(OH)2產(chǎn)生絡(luò)合包覆，阻滯Ca(OH)2和煙氣中SO2反應(yīng)。

c.本項目采用外購的消石灰粉，消石灰消化后的儲運時間不可控，有效鈣波動較大，不能保證消石灰的活性。

d.入口煙溫波動較大，低溫時候僅為90 ℃，高溫的時候超過200 ℃，導(dǎo)致系統(tǒng)低溫時加濕水補入較少，高溫時候補水量不足。

e.入口含硫量500～3 600 mg/Nm3，出口要求超低排放≤35 mg/Nm3，在含硫量高的時候要求脫硫效率在98.5%以上，達到半干法脫硫極限，鈣硫比則非常高。

3.3 采取的改進措施

根據(jù)半干法脫硫的影響因素及結(jié)合本項目煙氣的特性，首先從運行管控進行調(diào)整，通過加強運行化驗頻率和規(guī)范性，保證石灰的品質(zhì)；其次通過部分設(shè)備優(yōu)化來穩(wěn)定脫硫塔內(nèi)的床壓，解決落料問題，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，減少運行石灰的消耗。本項目CFB反應(yīng)器直徑2 520 mm，總高31 400 mm，其中入口段高度2 600 mm，文丘里段1 900 mm，筒體部分26 900 mm。主要改造有以下5個方面。

3.3.1 文丘里改造

文丘里改進如圖2所示。循環(huán)流化床氣固兩相主要是由稀相和濃相(團聚物)組成，兩者分別為連續(xù)相和分散相，這種特殊的相結(jié)構(gòu)是循環(huán)流態(tài)化氣固流動的自然屬性。顆粒團聚物一般有兩種形態(tài)，即絲束型團聚物和U型團聚物。稀相一般在床層顆粒密度較低時存在(如在一定操作條件下，文丘里的喉口中心向上區(qū)域)，且向上運動。濃相一般多存在于床層顆粒密度較高時，如床層邊壁區(qū)和床層下部，且運動方向向下。上升流和下降流在邊界處摩擦，在文丘里上部形成環(huán)形對流區(qū)域[10]。

圖2 文丘里管喉部調(diào)整Fig.2 The adjustment of Venturi throat

為了塔內(nèi)能形成穩(wěn)定環(huán)形對流區(qū)域，對文丘里進行改造，系統(tǒng)實際入口工況煙氣量和設(shè)計的煙氣量相近，關(guān)閉旁路后喉口流速在50～60 m/s，符合文丘里的喉口流速設(shè)計要求。從初期設(shè)計的圖紙分析，床層不穩(wěn)定跟喉口的長度有關(guān)，開始設(shè)計的喉口直徑為230 mm，高度為150 mm，喉部加速區(qū)高度為直徑的0.65倍，實際運行中煙氣波動時較難形成穩(wěn)定的床層，也容易出現(xiàn)落料塌床現(xiàn)象。經(jīng)過模擬分析討論，初步判斷原因是文丘里的喉部短、阻力小、各孔的流速均勻性差，煙氣在經(jīng)文丘里后不能形成均勻的射流層來托起流化床層，后決定將文丘里喉部加長，喉口直徑維持230 mm 不變，喉部由原來的150 mm增加到400 mm，喉部加速區(qū)高度調(diào)整為喉部直徑的1.74倍，進出口口徑不變，總高由原來的1 700 mm縮短至1 275 mm，進口收縮角度維持原有的58°不變，出口擴散角由原來的11°調(diào)整到22°[11]。

3.3.2 導(dǎo)流板的改造

圖3 文丘里入口導(dǎo)流板改造Fig.3 The modification of Venturi inlet deflector

為了穩(wěn)定氣流，對文丘里入口導(dǎo)流板進行優(yōu)化(如圖3所示)，將原有導(dǎo)流板垂直方向的高度均由200 mm調(diào)整到400 mm，且在進氣側(cè)增加一個長度70 mm 側(cè)向?qū)Я靼澹瑐?cè)向?qū)Я靼迮c垂直導(dǎo)流板成45°。此調(diào)整方案既可以起到導(dǎo)向氣流流向的作用，又可以降低塔內(nèi)的塊料下落堵住導(dǎo)流板的風(fēng)險。

3.3.3 返料口角度調(diào)整

為了減少返料灰加入對床層的沖擊，導(dǎo)致床層波動，對返料口的角度進行調(diào)整(如圖4所示)，將返料口的進口調(diào)整到文丘里三孔一線的軸線上，使得加進去的粉料很快被氣柱托起，減少落料在文丘里縫隙處堆積風(fēng)險。

圖4 返料口角度調(diào)整Fig.4 The adjustment of the return port angle

3.3.4 噴槍的調(diào)整

Chawla也通過試驗研究了雙流體噴嘴霧距方向液滴團聚的影響因素。煙氣溫度由140 ℃降到70 ℃，在沒有液滴團聚時完全蒸發(fā)需要的塔高度為5.6 m；有液滴團聚時的高度為11 m，塔內(nèi)噴霧點后直段有22 m，有充足的空間滿足液滴蒸發(fā)完全。相同的補水量下，小液滴產(chǎn)生的總比表面積大，有利于增加氣液接觸面積，提高氣液傳質(zhì)效率，加快蒸發(fā)速度；另一方面霧化氣量增加，液滴的初始動能增大，脫硫塔內(nèi)流場的擾動增強，分布會更均勻，有利于提高脫硫效率[12]。

對增濕的噴槍調(diào)整(如圖5、圖6所示)，本項目采用的是雙流體噴槍，原設(shè)計的噴槍噴頭在脫硫塔中心，開孔法蘭中心高于文丘里出口平面5 500 mm，新增一個開孔，中心距離文丘里出口面2 500 mm。更換噴槍，采用噴頭噴射擴散角50°，霧化粒徑20 μm以上占比大于80%。從塔外效果看，霧化效果明顯優(yōu)于之前的噴槍。

圖5 噴槍位置調(diào)整圖Fig.5 The adjustment of the spray gun position

圖6 噴槍更換霧化噴嘴前后對比Fig.6 The comparison of spray gun before and after changing atomizing nozzle

3.3.5 改造前后塔入口處的流場模擬對比

本項目采用ANSYS FLUENT進行建模，采用數(shù)值模擬法對滿負荷條件下煙氣在脫硫塔內(nèi)流速分布情況進行模擬(如圖7所示)，煙氣量59 491 Nm3/h，溫度140 ℃，折合工況脫硫塔入口煙氣量89 999 m3/h。通過對脫硫塔進口煙氣量進行檢測核對，實際工況煙氣量流量較設(shè)計值減少10 000 m3/h，取消文丘里旁路，關(guān)閉煙氣回流管道，增加導(dǎo)流部分。

改造前后建模變化主要為煙氣量減少、導(dǎo)流改變及旁路關(guān)閉，其他條件不變，改造后塔內(nèi)文丘里入口處流速分布明顯改善，速度分布情況如圖7所示[13]。煙氣量的變化及導(dǎo)流葉片的調(diào)整讓入口進氣的流道變得更均勻，這樣進入文丘里的煙氣相對比較平穩(wěn)，也不容易塌床落料。

圖7 脫硫塔入口斷面流速分布改造前后對比Fig.7 The comparison of velocity distribution at inlet section of the desulfurization tower before and after reconstruction

3.4 改造后運行情況

通過文丘里改造后(見表4、表5)，煙氣量在70 000～90 000 m3/h，空塔壓降700～1 000 Pa，床層壓降可控制在1 500～1 800 Pa，有效塔壓降控制在600～800 Pa。

表4 改造前后不同煙氣量運行壓降情況對照

對噴槍位置的調(diào)整。噴槍從原來文丘里出口上端5 500 mm高度調(diào)整到2 500 mm高度。運行一段時間，出現(xiàn)濕料結(jié)塊落料頻繁，偶爾發(fā)生落料堵塞文丘里管現(xiàn)象。抽出噴槍檢查，噴槍上堆積灰較嚴(yán)重，噴槍恢復(fù)到5 500 mm高度運行。

噴槍由常規(guī)噴頭(霧化后粒徑>100 μm)更換為霧化粒徑20 μm(霧化后粒徑<20 μm占比80%以上)的噴頭后，運行反饋濕料堵塞情況也明顯減少，補入水量基本蒸發(fā)，可見噴頭更換后運行改善的效果明顯。

表5 改造前后不同礦料30 t/h生產(chǎn)量情況對照

顆粒礦運行情況下，入口溫度高于設(shè)計值，噴槍流量調(diào)整到最大流量，補入的水量不足以將出口溫度降低到100 ℃以下。粉料礦運行情況下，當(dāng)除塵器壓差大時，通過調(diào)整加入水量，適當(dāng)提高出口煙氣溫度，降低除塵器壓差。

本項目的入口SO2濃度值高于傳統(tǒng)半干法(半干法用于超低排放一般適用于SO2濃度≤1 000 mg/Nm3以下的煙氣)，SO2的入口濃度峰值在達到3 000 mg/Nm3以上的情況下依然能夠做到超低排放(見表6)，持續(xù)運行1年時間，在國內(nèi)外窯爐行業(yè)中高含硫情況下做到超低排放還未有報道。

表6 改造后運行檢測數(shù)據(jù)

從表6運行檢測數(shù)值中，入口SO2數(shù)值是抽檢數(shù)值，出口是對應(yīng)入口檢測時段出口在線監(jiān)測的數(shù)值，石灰消耗是按天統(tǒng)計后折算的平均小時消耗量，半干法脫硫總體的脫硫效率均在98.6%以上。

對于溫度控制，從化學(xué)反應(yīng)動力學(xué)的角度分析，SO2的溶解度是隨溫度升高而降低，濕球溫度的升高不利于推動脫硫反應(yīng)的進行。因此，降低入口煙溫，反應(yīng)的傳質(zhì)阻力也會隨之降低，反應(yīng)速率加快，對脫硫有利。但是，在保證近絕熱飽和溫度不變的前提下，入口煙溫的降低會使得入塔的總水量減小，對脫硫過程產(chǎn)生不利影響。煙氣煙溫越低，塔內(nèi)煙氣的相對濕度越高，一方面會導(dǎo)致水蒸氣分壓也越大，液滴干燥時間延長，SO2分子與液滴的接觸時間也會隨之增加，會有更多的SO2分子溶于水，與脫硫劑之間進行離子反應(yīng)；另一方面，相對濕度增加有利于固體顆粒物表面維持臨界水分，相當(dāng)于氣液之間的可發(fā)生離子反應(yīng)的時間延長，有利于提高脫硫效率[14]。從表3可以看出，通過增加水量，出口溫度會降低，石灰消耗量也會同步減少。

對于現(xiàn)有運行情況，通過運行控制，降低吸收劑的消耗，可以達到節(jié)能降耗的目的，間接降低碳排放量。具體調(diào)整方式有以下幾點：

a.適當(dāng)提高床層壓降，有利于提高系統(tǒng)石灰利用效率。

b.調(diào)整前端窯爐排煙控制提高脫硫入口煙氣溫度，可以增加系統(tǒng)補入的水量，從而提高石灰的活性，減少石灰的消耗量。

c.在入口溫度恒定的情況下，適當(dāng)加大補水量，在保證布袋除塵器不粘袋的前提下盡量降低脫硫塔出口溫度，可以提高石灰的利用效率，從而降低石灰的消耗量。

d.通過加料頻率調(diào)整，優(yōu)化消石灰的加入方式，減少消石灰加入對床層的沖擊。

4 結(jié) 論

從設(shè)計及運行控制角度：

(1)通過調(diào)整入口導(dǎo)流板及增加文丘里喉部的長度，可以增強床層的穩(wěn)定性，減少塌床頻率。

(2)通過調(diào)整加濕水量可以控制出口溫度，提高脫硫效率。

(3)選擇合適的塔壓運行可以確保在不塌床的情況下提高系統(tǒng)脫硫效率，降低石灰的消耗量。

從工藝選型角度：

(1)對于低含硫量(入口煙氣中SO2濃度≤1 000 mg/Nm3)煙氣，半干法脫硫可滿足超低排放要求SO2≤20 mg/Nm3，鈣硫比也較低。

(2)對于中含硫(入口煙氣中SO2濃度在1 000～2 000 mg/Nm3)，半干法脫硫滿足超低排放要求SO2≤20 mg/Nm3也能做到，鈣硫比較大，吸收劑成本增加。

(3)對于高含硫(入口煙氣中SO2濃度≥2 000 mg/Nm3)煙氣情況，排放指標(biāo)可以達到SO2濃度≤20 mg/Nm3，但是鈣硫比會達到5以上，吸收劑成本增加較大，采用半干法工藝系統(tǒng)運行經(jīng)濟性較低。