王思粉,馮麗娟,張佩,王景剛,李宇慧

(中國海洋大學(xué)海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點實驗室,山東青島 266100)

海水煙氣脫硫技術(shù)改進(jìn)探討

Research on improvement of seawater flue gas desulfurization technology

王思粉,馮麗娟,張佩,王景剛,李宇慧

(中國海洋大學(xué)海洋化學(xué)理論與工程技術(shù)教育部重點實驗室,山東青島 266100)

近年來,海水煙氣脫硫技術(shù)已在我國沿海地區(qū)火電廠脫硫項目中廣泛應(yīng)用。結(jié)合海水煙氣脫硫技術(shù)的研究現(xiàn)狀和電廠的應(yīng)用實踐,對如何提高脫硫效率、減小曝氣池占地面積等給出了具體改進(jìn)建議,為我國海水煙氣脫硫技術(shù)的改進(jìn)與完善提供參考。

海水脫硫;SO2;脫硫率;曝氣池

0 引言

海水煙氣脫硫工藝是以天然海水為吸收劑來脫除煙氣中SO2的濕法脫硫技術(shù)[1]。海水脫硫工藝具有以下優(yōu)點[2]:以海水為吸收劑,可節(jié)約淡水資源;脫硫效率高,一般可達(dá)90%以上;不產(chǎn)生副產(chǎn)品和廢棄物,無二次污染;不存在設(shè)備及管道結(jié)垢、堵塞等問題,系統(tǒng)利用率高;技術(shù)成熟,工藝簡單,維護(hù)方便,投資、運(yùn)行費(fèi)用低。目前,全世界擁有海水煙氣脫硫技術(shù)的公司[3]主要有:挪威ABB-Alstom公司、德國能捷斯-比曉夫公司、日本富士化水公司、美國杜康公司、荷蘭霍高文公司、中國東方鍋爐股份有限公司等。

我國在自行研發(fā)海水煙氣脫硫技術(shù)的同時,于20世紀(jì)90年代后期開始引進(jìn)國外先進(jìn)技術(shù)。作為我國第一個引進(jìn)項目的海水煙氣脫硫示范工程[4],深圳西部電廠4號機(jī)組300MW海水煙氣脫硫裝置于1999年投運(yùn)。截至2009年底,我國已投運(yùn)海水煙氣脫硫裝置的最大單機(jī)容量為1036MW。海水煙氣脫硫已成為我國有著較好工業(yè)應(yīng)用業(yè)績和廣闊應(yīng)用前景的煙氣脫硫技術(shù),但其工程技術(shù)基本上被國外公司壟斷。目前,在火電廠大型機(jī)組海水煙氣脫硫機(jī)組建設(shè)中,國內(nèi)企業(yè)主要通過引進(jìn)技術(shù)、聯(lián)合設(shè)計等方式,逐步掌握海水煙氣脫硫的主要經(jīng)濟(jì)、技術(shù)指標(biāo)、主設(shè)備選型及工藝系統(tǒng)設(shè)計等關(guān)鍵技術(shù)。另外,從技術(shù)水平上看,國內(nèi)現(xiàn)已投運(yùn)的海水煙氣脫硫裝置的技術(shù)指標(biāo)和國產(chǎn)化率普遍偏低,脫硫效率一般在90%左右[5],排水pH值普遍較低。我國海水煙氣脫硫技術(shù)有待進(jìn)一步的改進(jìn)與完善。

本文主要結(jié)合國內(nèi)外海水煙氣脫硫技術(shù)的研究現(xiàn)狀和電廠的實踐經(jīng)驗,對我國海水煙氣脫硫技術(shù)中如何提高海水對SO2吸收容量、提高脫硫效率、減小曝氣池占地面積、排水pH值、提高設(shè)備抗腐蝕性能及國產(chǎn)化等方面提出改進(jìn)建議,為我國海水煙氣脫硫技術(shù)的改進(jìn)與完善提供參考。

1 提高海水對SO2的吸收容量

天然海水對SO2的吸收容量較小,導(dǎo)致目前海水煙氣脫硫還不能處理高硫煤燃燒產(chǎn)生的煙氣,僅適用于處理中、低硫煤燃燒產(chǎn)生的煙氣。

海水煙氣脫硫工藝中存在的這一問題是由海水性質(zhì)決定的。海水正常pH范圍一般為7.8～8.3,呈弱堿性,鹽度為35,具有一定的離子強(qiáng)度,這使得海水雖能吸收SO2,但其吸收容量并不太大。

研究表明[6],海水對SO2的吸收容量主要與海水的溫度、堿度及鹽度有關(guān),降低海水溫度、提高堿度和鹽度有利于增大海水對SO2的吸收容量。其中,值得關(guān)注的是提高海水堿度和鹽度的途徑。

王慶璋等[7-10]自主研發(fā)了利用堿廠廢棄白泥(主要成分CaCO3和Mg(OH)2)以及電廠半干法脫硫廢灰(主要成分Ca(OH)2和CaSO3·1/2H2O)作為海水脫硫添加劑,增加海水的堿度,脫除煙氣中的SO2。該工藝以廢治廢,適用于不同硫分的煤,SO2吸收速度快,海水用量少,無二次污染。

朱培怡等[11]利用鼓泡吸收裝置研究了經(jīng)氧化添加劑強(qiáng)化后濃海水對低濃度SO2的吸收效果。結(jié)果表明,氧化鎂可極大地提高海水的溶硫性能。在室溫條件下,氧化鎂投加量為0.5 g/L時,強(qiáng)化海水對SO2的吸收效果最好,吸收容量1901.38mg/L,是普通海水的3～6倍。

2 提高脫硫效率

目前,國內(nèi)已投運(yùn)的海水煙氣脫硫裝置的脫硫效率普遍偏低,一般在90%左右。

理論和實踐證明[12-13],海水煙氣脫硫系統(tǒng)脫硫效率的高、低主要取決于工藝條件(液氣比、吸收溫度等)、吸收塔結(jié)構(gòu)及海水堿度等因素,提高脫硫效率的措施主要有以下幾點:

(1)在海水煙氣脫硫工藝中,海水對SO2的吸收主要是在吸收塔內(nèi)完成。應(yīng)保證吸收塔內(nèi)有足夠大的液氣比,使大量的海水與煙氣接觸,這樣才能獲得較高的脫硫效率。一般情況下要求進(jìn)入吸收塔的海水量應(yīng)占到循環(huán)水總量的1/6左右。

(2)脫硫系統(tǒng)應(yīng)設(shè)置GGH,以降低吸收溫度,提高脫硫效率。當(dāng)吸收塔的工藝條件確定后,入塔煙氣溫度越低,脫硫效率越高。所以,煙氣進(jìn)入吸收塔前必須進(jìn)行降溫,一般降至80℃左右。煙氣在吸收塔中經(jīng)海水凈化后,溫度會進(jìn)一步降低(40℃左右),低于酸性煙氣的露點溫度,易出現(xiàn)酸性物質(zhì)結(jié)露,造成煙道及煙囪腐蝕。另外,低溫不利于煙氣擴(kuò)散,造成煙囪大量冒白煙。所以,在煙氣排出吸收塔后一般需要加熱升溫至70℃以上[14]。GGH將原煙氣的熱量傳遞給凈煙氣,可在降低原煙氣溫度的同時提高凈煙氣溫度[15]。

深圳西部電廠和廈門嵩嶼電廠脫硫系統(tǒng)均設(shè)置了GGH,脫硫效率較高,并可以減輕凈煙道及煙囪的腐蝕,避免煙囪冒白煙。漳州后石電廠脫硫系統(tǒng)沒有配置GGH,而是在吸收塔入口煙道設(shè)置預(yù)冷卻器,優(yōu)點是可以減少系統(tǒng)阻力和一次性投資及運(yùn)行成本,缺點是脫硫后煙氣溫度較低(30℃左右),對凈煙氣煙道和煙囪的內(nèi)部防腐要求更高,且造成煙囪冒白煙[16]。

(3)合理設(shè)計吸收塔結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵。吸收塔是脫硫裝置的核心設(shè)備,其結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)、劣直接關(guān)系到脫硫效率的高、低[17]。海水脫硫常用吸收塔類型有填料塔和噴淋塔兩種。其中,填料塔內(nèi)設(shè)多層填料,傳質(zhì)過程主要發(fā)生在填料表面的液膜內(nèi),眾多的空心薄片填料保證了液、氣兩相流體具有盡可能大的有效傳質(zhì)面,并通過填料不斷改變水流方向,延長海水滯留時間,促進(jìn)煙氣與海水的充分結(jié)合。優(yōu)點是海水與煙氣的混合均勻充分,脫硫效率有保證;缺點是煙氣阻力大,運(yùn)行電耗高。噴淋空塔內(nèi)部沒有填充構(gòu)件,通過增壓泵將海水引至吸收塔上部的若干層噴嘴,噴嘴將增壓泵提供的海水在吸收塔中霧化成顆粒細(xì)小、均勻分布的液滴,霧狀下行的液滴與煙氣逆流混合,達(dá)到脫除煙氣中SO2的目的,其海水與煙氣的混合效果不如填料塔,但煙氣阻力較小,維護(hù)簡便。深圳西部電廠海水煙氣脫硫吸收塔采用一爐一塔的立式方形混凝土結(jié)構(gòu)填料塔,漳州后石電廠采用一爐二塔的立式圓柱形鋼結(jié)構(gòu)噴淋式空塔,嵩嶼電廠采用的是一爐一塔的立式圓柱形鋼結(jié)構(gòu)噴淋式空塔。

另外,在優(yōu)化吸收塔設(shè)計時,應(yīng)選擇合適的液氣比和空塔流速,以保持液、氣兩相流體的合適湍動程度。深圳西部電廠海水煙氣脫硫系統(tǒng)的液氣比較小,吸收塔的空塔流速也較小,屬于比較保守的設(shè)計,適當(dāng)提高這些指標(biāo)可得到較高的脫硫效率[12]。嵩嶼電廠海水煙氣脫硫系統(tǒng)吸收塔雖為空塔,但設(shè)計時優(yōu)化了吸收塔煙氣的流動方向與擴(kuò)散能力,同時選用耐腐蝕性強(qiáng)、分布均勻的5層噴嘴,有利于海水與煙氣的充分混合和有效傳質(zhì)[13],脫硫效率可以達(dá)到95%以上。

(4)充分發(fā)揮脫硫添加劑的作用。近年來,隨著對脫硫添加劑研究的日益深入,以Bechtel工藝[5]為代表的海水脫硫工藝得到了較好的應(yīng)用。常用的脫硫添加劑有石灰、氫氧化鈉等堿性物質(zhì)。

黃島發(fā)電廠3、5、6號機(jī)組海水脫硫系統(tǒng)改造工程,利用青島堿業(yè)股份有限公司副產(chǎn)廢棄物白泥作海水脫硫的添加劑,脫硫效率超過90%,懸浮物和pH均能達(dá)標(biāo)排放。其中,3號機(jī)組采用直接法海水白泥乳脫硫工藝,可節(jié)約生石灰1.24×104t/a;5、6號機(jī)組采用間接法海水白泥乳脫硫工藝,可節(jié)約海水1.845×108m3/a,節(jié)電1.54×107kW·h/a;脫硫系統(tǒng)改造后,黃島發(fā)電廠萬元生產(chǎn)總值綜合能耗降低22%,利用白泥5.48×104t/a,不僅節(jié)約了成本,而且使得固體廢物資源化,解決了白泥的治理和綜合利用難題,達(dá)到了以廢制廢,凈化環(huán)境的目的,實現(xiàn)了企業(yè)間的循環(huán)經(jīng)濟(jì)[18]。

3 減小曝氣池占地面積

在海水煙氣脫硫裝置中,曝氣池是海水恢復(fù)系統(tǒng)的主要構(gòu)筑物,由于其占地面積較大,使得海水煙氣脫硫裝置規(guī)模過于龐大,成本增加。

針對這一問題,深圳西部電廠擴(kuò)建的5、6號機(jī)組海水脫硫裝置,在4號機(jī)組的基礎(chǔ)上,通過增大空氣噴嘴的覆蓋面積來縮小曝氣池面積,取得了顯著效果。5、6號機(jī)組海水脫硫系統(tǒng)設(shè)計時,曝氣池為橫向布滿空氣噴嘴,使空氣噴嘴的覆蓋面積比4號機(jī)組大,曝氣池面積比4號機(jī)組小。但從曝氣池的空氣噴嘴布置來看,縱向噴嘴并未布滿,噴嘴組之間仍有2.2m的空檔,其間隙可適當(dāng)縮小,能使整個曝氣池面積減小約20%左右[12]。

通常情況下,吸收塔只作為海水與煙氣液—?dú)鈧髻|(zhì)的場所。而嵩嶼電廠海水脫硫吸收塔則結(jié)合了濕法石灰石脫硫吸收塔的作法,在吸收塔底部增設(shè)了預(yù)曝氣池,增加了吸收塔的曝氣功能,起到了部分氧化SO2的作用。另外,嵩嶼電廠在海水恢復(fù)系統(tǒng)的設(shè)計中采用2.6m的深度曝氣、40000m3/h的大氣量曝氣及5.1min的長水力停留時間優(yōu)化了曝氣條件,使得海水水質(zhì)的恢復(fù)較為徹底[13]。通過這兩方面的改進(jìn),嵩嶼電廠海水脫硫吸收塔不僅最大限度地發(fā)揮了吸收塔的功能,減少了后續(xù)曝氣處理負(fù)擔(dān),又顯著提高了曝氣池的曝氣性能,最大限度地減小了占地面積和成本。

在曝氣池恢復(fù)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,秦皇島電廠在吸收塔后增設(shè)了電解海水恢復(fù)輔助(ECO)系統(tǒng),利用電解過程的陽極氧化作用來消除和降低COD值。中試結(jié)果顯示,ECO系統(tǒng)性能良好,運(yùn)行穩(wěn)定,使海水水質(zhì)恢復(fù)得到保證,并很大程度的減少了后續(xù)曝氣處理負(fù)擔(dān),減小了占地面積和成本。

4 提高排水pH值

由于我國新環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)對排水pH的要求由6.5提高到6.8,導(dǎo)致早期投運(yùn)的海水脫硫裝置必須進(jìn)行改進(jìn),同時,也對在建機(jī)組提出了更高的要求。

脫硫海水的pH主要通過混合新鮮海水進(jìn)行曝氣恢復(fù)。為了盡量減少脫硫排水的pH對排放海域水質(zhì)的影響,除了控制燃煤硫分、保證一定的脫硫效率外,海水恢復(fù)系統(tǒng)的曝氣氧化設(shè)計至關(guān)重要。在不增大曝氣池體積的前提下,深圳西部電廠5、6號機(jī)組通過采取提高曝氣風(fēng)機(jī)壓頭、增大空氣噴嘴的覆蓋面積等措施,提高曝氣池中海水的混合程度及湍流程度,使H+充分反應(yīng)并快速吹脫產(chǎn)生的CO2,從而提高排水的pH值[12]。

5 提高脫硫設(shè)備的抗腐蝕性能

海水介質(zhì)的強(qiáng)腐蝕性對脫硫設(shè)備材料性能要求較高[19],脫硫后的海水呈酸性,其腐蝕性更強(qiáng),給海水脫硫系統(tǒng)使用的材料提出了更高要求。

目前,我國海水煙氣脫硫裝置中所需涂料、固化劑、稀釋劑、清洗劑、玻璃鋼管內(nèi)襯及加強(qiáng)用相關(guān)材料均依賴國外進(jìn)口,這不僅增加了建設(shè)投入與運(yùn)行成本,還在一定程度上限制了海水脫硫技術(shù)的推廣與應(yīng)用。因此,脫硫設(shè)備的防腐技術(shù)已成為我國當(dāng)前海水煙氣脫硫研究的重點。

脫硫設(shè)備的防腐要針對不同部位的不同防腐要求,優(yōu)選不同的材料和施工技術(shù)。防腐方案的選擇必須滿足海水煙氣脫硫系統(tǒng)對防腐的要求,即高的機(jī)械性能、良好的化學(xué)穩(wěn)定性及熱穩(wěn)定性、優(yōu)良的抗?jié)B性能等,同時,還必須考慮成本高低、施工難易、安全運(yùn)行時間等因素[20]。

目前,海水煙氣脫硫的防腐方法主要從兩方面考慮,一是使用耐腐的合金鋼復(fù)合材料,合金鋼的抗腐蝕性能好、耐磨,主要用作煙氣擋板、煙道、GGH、吸收塔和曝氣池等的耐腐材料;二是使用防腐涂料,常用的是環(huán)氧煤瀝青涂料(涂在混凝土基體表面)和玻璃鱗片樹脂涂料(涂在金屬基體表面),主要用于吸收塔和凈煙氣煙道的防腐[19]。

6 國產(chǎn)化

目前,我國已經(jīng)投運(yùn)和在建的海水煙氣脫硫裝置所采用的技術(shù)主要來源于挪威ABB-Alstom公司、日本富士化水公司和中國東方鍋爐股份有限公司[21]。其中,只有嵩嶼電廠采用我國東方鍋爐自主研發(fā)的純海水脫硫技術(shù),其余電廠均以國內(nèi)脫硫公司總承包、國外公司提供技術(shù)支持為主要模式,或電廠直接與國外技術(shù)支持方簽訂合同,由國外公司提供產(chǎn)品和相關(guān)服務(wù)。

雖然我國海水脫硫的初期投資和運(yùn)行費(fèi)用都低于濕式石灰石—石膏脫硫法,但海水脫硫系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備(如煙氣換熱器的蓄熱元件、吸收塔內(nèi)的填料、除霧器、塔內(nèi)海水分配元件、曝氣裝置等)絕大多數(shù)是引進(jìn)國外的。如果海水脫硫系統(tǒng)的設(shè)計和設(shè)備能夠?qū)崿F(xiàn)國產(chǎn)化,將會大大降低初期投資和運(yùn)行費(fèi)用,節(jié)省更多資金,使海水脫硫技術(shù)更快地在我國沿海地區(qū)推廣應(yīng)用[22]。

國內(nèi)脫硫公司和設(shè)備制造廠應(yīng)加速推進(jìn)海水煙氣脫硫技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備的國產(chǎn)化,加大海水脫硫技術(shù)的研發(fā)投入,加快中試進(jìn)度,使海水脫硫系統(tǒng)的設(shè)計和關(guān)鍵設(shè)備的制造自主化、產(chǎn)權(quán)化,并盡快將自主設(shè)計的脫硫裝置投入運(yùn)行,形成多家海水脫硫公司、多種技術(shù)有序競爭的格局[23]。

7 結(jié)語

海水煙氣脫硫具有投資和運(yùn)行費(fèi)用低、工藝簡單、脫硫效率高等眾多優(yōu)點,適合我國的技術(shù)現(xiàn)狀[24-27],加之深圳西部電廠的帶頭示范作用,海水煙氣脫硫已成為我國沿海地區(qū)新建、擴(kuò)建電廠及老廠改造環(huán)保項目優(yōu)先考慮的煙氣脫硫技術(shù)。目前,在充分吸取國內(nèi)外設(shè)計及運(yùn)行經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,可進(jìn)一步對該海水煙氣脫硫進(jìn)行改進(jìn)和完善,從而降低運(yùn)行成本、提高電廠經(jīng)濟(jì)效益,為電廠的環(huán)境保護(hù)工作做出更大貢獻(xiàn)。

[1]白鳳春,孫志寬.渤海灣燃煤電廠脫硫工藝選擇[J].電力環(huán)境保護(hù),2007,23(5):24-26.

[2]陳代賓.海水煙氣脫硫工藝在火電廠的應(yīng)用[J].電力環(huán)境保護(hù), 2002,18(1):8-12.

[3]張軍.海水煙氣脫硫技術(shù)及其在火電廠的工程應(yīng)用[D].西安:西安交通大學(xué),2007.

[4]董學(xué)德.深圳西部電廠2號(200MW)海水煙氣脫硫示范工程綜述[J].電力環(huán)境保護(hù),1996,12(3):38-41.

[5]Katsuo Oikawa,Chaturong Yongsiri.Seawater flue gas desulfurization:Its technical implications and performance results[J].Environmental Progress,2003,22(1):61-73.

[6]趙偉,彭喬.二氧化硫在海水中的溶解性研究[J].熱力發(fā)電. 2009,4(38):35-43.

[7]王慶璋,方雪,李靜,等.純堿廠白泥與煙氣中有害氣體的雙向治理方法[P].中國:97121098.5,1999-07-07.

[8]王慶璋.利用純堿廠廢渣脫除煙氣中硫氧化物的方法[P].中國: 99112131.7,2000-10-04.

[9]王慶璋.一種海水脫硫用的綜合處理裝置[P].中國:02269774. 8,2003-09-03.

[10]王慶璋.用半干法煙氣脫硫后的廢灰乳再行脫硫的方法[P].中國:02135437.5,2004-03-03.

[11]朱培怡,王海增,郭魯鋼.氧化鎂強(qiáng)化濃海水吸收低濃度二氧化硫的實驗研究[J].環(huán)境工程學(xué)報,2009,3(2):306-310.

[12]張靜偉,卞俊杰,李春虎,等.海水脫硫效率的影響因素考察[J].化工進(jìn)展,2009,28(增刊):13-15.

[13]陳進(jìn)生.嵩嶼電廠煙氣海水脫硫工藝及特點分析[J].電力環(huán)境保護(hù),2007,23(2):33-34.

[14]董勇,宋德升,馬春元,等.濕法煙氣脫硫工藝中煙氣再熱方式的選擇[J].環(huán)境工程學(xué)報,2005,3(6):75-78.

[15]周成虎,劉川燕.海水脫硫熱控設(shè)計特點[J].華中電力,2008,6 (21):44-50.

[16]黃宗漢.煙氣海水脫硫工藝的實踐經(jīng)驗及其改進(jìn)的探討[J].環(huán)境保護(hù),2005,(3):30-35.

[17]于潔,溫高.濕法FGD系統(tǒng)中幾種常用的SO2吸收塔[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì),2007,6(136):103-104.

[18]楚憲峰,丁甫軍,田建茹,等.黃島發(fā)電廠白泥海水脫硫的應(yīng)用研究[J].環(huán)境科學(xué)研究,2008,21(6):76-79.

[19]陳進(jìn)生,袁東星.煙氣海水脫硫工程中的防腐蝕技術(shù)[J].腐蝕與防護(hù),2006,27(10):518-521.

[20]李中焱.海水脫硫工程的特種防腐施工技術(shù)[J].電力環(huán)境保護(hù),2005,21(1):17-20.

[21]楊志忠,張 軍,沈堅勇.東方鍋爐純海水煙氣脫硫工藝特點[J].東方電器評論,2008,22(85):64-69.

[22]王娟,張慧明.中國電力工業(yè)煙氣脫硫的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].環(huán)境工程學(xué)報,2004,6(5):12-16.

[23]孫德海.大化集團(tuán)大孤山自備熱電廠煙氣脫硫[J].大化科技, 2008,1(1):1-4.

[24]姚彤.深圳西部電廠海水煙氣脫硫工程及示范作用[J].電力環(huán)境保護(hù),2000,16(1):1-6.

[25]吳來貴.深圳西部電廠4號機(jī)組海水脫硫的調(diào)試與分析[J].熱能動力工程,2000,15(4):393-395.

[26]吳來貴.深圳西部電廠4號機(jī)組海水脫硫系統(tǒng)監(jiān)測分析[J].熱能動力工程,2003,18(2):200-202.

[27]吳真.海水脫硫技術(shù)在日照電廠一期工程中的應(yīng)用[J].電力環(huán)境保護(hù),2009,25(6):18-21.

X701.3

B

1674-8069(2010)03-001-04

2010-03-22;

2010-04-12

王思粉(1987-),女,山東省濟(jì)寧人,碩士研究生,主要研究方向為海水煙氣脫硫技術(shù)。E-mail:feennnn@126.com

國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(863計劃)(2007AA061800)

Abstract:In recent years,seawater flue gas desulfurizat ion(SFGD)technology has been w idely used in FGD projects of coastal thermalpower p lants in China.This research propose several suggestions based upon analysis of the research status of SFGD technology and its practical experience in thermal power plants in order to provide a reference for the improvement of SFGD techno logy in our country.

Key words:seawater desulfurization;SO2;desulfurization efficient;aeration basin