用双托盘技术改造吸收塔能最大化提高脱硫效率

美国B&W公司技术论文, 2006用双托盘技术改造吸收塔能最大化提高脱硫效率Maximizing SO2 Removal by Retrofit with Dual Tray Technology摘要美国某电厂自1983年起运营一台带有石灰石－石膏湿法烟气脱硫系统的55MW机组。

该脱硫系统采用巴威（B&W）公司提供的单托盘吸收塔，设计的脱硫效率达90%。

后来锅炉燃烧高含硫量的东部烟煤，其烟气二氧化硫浓度达7.5磅/ MBtu（9680mg/NM3）。

为了提高脱硫效率，该电厂和B＆W在2002年采用双托盘技术，即在塔内加第二个托盘。

在未投入有机酸情况下脱硫效率从90％提高到98％。

在过去的两年中，已对改造后的系统作了性能测试，测试参数包括了三氧化硫、氟化氢、氯化氢和尘粒。

本文讨论了有关吸收塔设计、运行参数、测试和化学分析的结果。

关键词：烟气脱硫，吸收塔改造，多孔托盘1 引言在美国，“各州际间清洁空气法（CAIR）”即将推出，这将促使烟气脱硫效率的提高，主要靠高效率的吸收塔来满足。

本文基于石灰石强制氧化的吸收塔系统，因为它是在目前和可预见的未来中最常用的系统。

通过强化浆液的化学反应或增加吸收塔内气体和浆液接触可以提高效率。

典型的化学反应强化方法是加入己二酸或复合二元酸例如DBA。

增加塔内气体和浆液的接触可以通过加大液气比（L/G）来实现，这也就增加了每次循环浆液的碱性利用率。

从实际情况和改造费用上来说，增加L/G难度较大，因为需要增加喷淋管及喷嘴和吸收塔循环泵，塔内通常也没有足够的可用空间。

为了加强塔内气体和浆液的接触，可以增加吸收塔托盘或减少现有托盘的开孔率。

此情况下L / G保持不变，但是每单位体积浆液吸收二氧化硫的能力增加。

到2006年，B&W已建造了6个双托盘吸收塔，还有19个双托盘塔在设计、建造和启动阶段。

本文主要介绍将常规的90％效率脱硫塔改造升级为高效的（> 95％脱硫）脱硫塔。

B&W建议，通过加另一个托盘来达到最大限度的脱硫。

该电厂是一个理想的示范点，因为他们的湿法烟气脱硫（WFGD）系统采用石灰石－石膏法强制氧化，塔内已有一托盘。

而且两家公司之间关系良好。

他们的吸收塔原设计中也有加另一托盘的空间。

在1998年测量的基准条件时性能值如下（见表1）：在对系统做完改造后，对其进行了现场性能测试。

最后一次测试是在2005年11月份进行的。

除了测试二氧化硫外，其它污染物(如固体颗粒物、硫酸雾、氯化氢和氟化氢等)也纳入测试范围，以收集工厂的基本数据。

2.背景和改造经历该电厂的1号机组，是巴威公司在1981年提供的, 该锅炉设计条件是：当燃烧烟煤时出力为480,000磅/小时蒸汽流量和发电55兆瓦。

排烟污染控制系统（AQCS）包括一个静电除尘器（ESP）和湿法脱硫系统。

FGD系统是强制氧化设计，由一个吸收塔，一套吸收剂制备系统，一级和二级石膏脱水系统组成。

在增加新的第二托盘之前，吸收塔性能较差。

主要原因是在煤含硫量高和负荷高时（6.5 Ib/ MBtu，60兆瓦），石灰石浆液供给密度在13%左右，使得塔内石灰石浆液出现盲区和石灰石浆液供应不足。

pH值在4.6至4.8之间。

单托盘的脱硫平均效率为～83%。

吸收塔是一个直径为22'6“（6.86m）的单托盘塔。

2003年10月，增加了第二个托盘。

入口上方的材料是317L。

吸收塔入口有C276雨篷和侧面防护，以防止吸收塔入口处浆液中固体堆积。

在托盘上有2层喷淋管，无备用喷淋管。

安装了三个吸收塔循环泵，2用1备。

吸收塔喷雾区塔壁上贴了瓷砖以避免其受到喷雾冲击。

吸收塔上部装了两级除雾器，并在第一级的上方和下方以及第二级的下方装有自动喷雾的冲洗管和喷嘴。

在第二级除雾器上部安装了冲洗管和喷嘴，由手动操作冲洗阀门。

吸收塔浆池内安装了网格式氧化空气喷管系统。

此外，在吸收塔底部又安装了4个空气矛枪管以提供额外的空气量，以满足更高的脱硫效率和当入口SO2含量高时增加脱硫能力。

使用的洗涤剂是石灰石，由单台100%出力的立式研磨机磨碎。

石膏脱水包括初级和中级系统。

吸收塔排出泵排浆液到单台100％出力的增稠机进行初级脱水。

增稠机的底流送到增稠机底流箱，然后批量进入转鼓真空过滤机。

设置了两个真空过滤机，一运一备。

从真空过滤机出来的石膏饼副产品目前用于填地。

在2003年，在吸收塔内增加了第二个托盘, 见图2(Fig.2)。

由于ID引风机出力的限制，该新托盘压力降比旧托盘的小。

虽然可看出除二氧化硫的效率有所改善，但是还没达到完整的效果。

脱硫率从83％提高到89％左右。

其原因还是亚硝酸盐盲区造成。

当含硫量和脱硫效率增加时，氧化空气供应量也应增加，但事实并非如此。

此外，由于锅炉运行不正常使得压降提高，加上引风机出力的限制造成了吸收塔入口固体沉积物堵塞，每年至少要清理吸收塔入口两次。

2005年，为了提高系统可靠性并使第二托盘更有效，对系统做了更多的改进。

在工厂停运期间，清理了C276入口雨篷间隙中多年积累的硬垢。

清洗后发现雨篷被严重腐蚀，需要更换。

新的雨篷解决了入口的堵塞问题。

接下来，用一些橡胶塞堵在第二吸收托盘开孔中，使得托盘压降增加，与第一个托盘压降相当。

还在吸收塔壁底部位置加了氧化空气矛状管，以改善浆池的氧化和亚硫酸盐致盲。

这些综合改进，使烟气脱硫系统能充分发挥其性能。

现在脱硫效率可以高达98％。

3 二氧化硫吸收理论3.1吸收塔的设计和SO2吸收湿式洗涤塔的设计必须满足两个基本要求。

首先是气体和浆液接触。

二是提供碱性反应剂中和吸收二氧化硫后浆液的酸性。

例如在空喷淋塔中，气体和浆液接触可以通过吸收塔浆液喷雾（L/G）来完成。

关键是要有良好的气体分布和浆液喷雾分布。

在空喷淋塔中，喷雾液滴的表面积和烟气与液滴的接触是去脱除二氧化硫的主要手段。

这要靠调节泵的流量作为主要参数来达到所要求的性能。

还可以通过提供更多的液滴表面积（较高的喷嘴压力降），来增加接触面，但这是以泵功率为代价的，增加液滴表面积能迅速奏效。

采用一些强化接触设备可大大提高气体和浆液的接触以及脱硫效率。

B＆W采用了多孔托盘。

托盘提供气体和浆液间最紧密的接触。

由托盘提供的接触面，比喷射的浆液液滴能更有效地脱硫。

3.2烟气整流首先，托盘产生的阻力造成气体流量均匀地分布在塔截面。

在气体和浆液刚接触时形成了这种阻力使浆液均布，并惠及到吸收区。

因此，浆液和烟气的接触在整个吸收区域都被优化。

在无托盘的喷淋空塔，烟气靠每次穿过喷雾层整流。

但是，当烟气被连续的喷淋浆液阻力重新分布的时候，烟气已经过大多吸收区。

这就没有充分利用所提供的L/G。

不均衡的气体分布导致在吸收塔截面上高或低的L/G。

在L/G比设计值高的区域，脱除二氧化硫的效率也高于设计。

反之亦然。

当设计要达到98％的脱硫效率时，较低的L / G区域不能太大，否则将严重限制了整体的脱除二氧化硫效率。

3.3气液接触效应托盘比喷淋层提供了更有效的烟气和浆液接触方式。

众所周知，在气液吸收系统中接触设备是优化设计中最关键的设备。

事实上，大多数电厂首台吸收塔采用填料或托盘。

托盘在吸收塔内的作用通常是25至30L/G。

也就是说，一个带有托盘的吸收塔比无托盘的空塔可以少25至30 L/G。

图3中在现场机组测试的数据已证实这点。

数据曲线说明，在没有托盘的60L/G时可达到80％的脱硫效率，而有托盘的35L/G时也能达到。

该数据还说明，在有单托盘的60L/G时，脱硫效率可以达到95%。

4.双托盘技术使用一个单托盘或使用双托盘的效果可以通过现场和试验装置测试的数据来证明。

表2给出了增加托盘效果的测试数据。

还介绍了最近在试验装置进行的增加第二托盘提高效率的测试。

在表2的结果验证了使用托盘在相对较低的L / G比值时达到较高的脱硫效率。

除脱硫外，表2还展示了吸收塔的传质单元数（NTU）。

传质单元数也体现在图4的脱硫效率中。

表2中列出NTU比较表明，增加一层托盘，使NTU增加约50％，或者说脱硫能力增加了1.5倍。

公式（1）- NTU和二氧化硫小数效率之间计算式：NTU=−ln (1− fractional efficiency)4.1 化学、碱度和SO2吸收除气体和浆液接触外，需要足够的碱性物质来中和吸收SO2后浆液的酸性，这种碱物质是石灰石中的碳酸钙。

在线测量吸收塔浆液的pH值反映了碳酸钙的溶解。

pH值增加，表示溶解的碱度增加，脱SO2的能力也在增加（若它参数相同的话）。

虽然，pH值只是一种对反应浆池溶液或喷射到烟气的循环浆液碱性测量的手段。

这种溶解的碱度不足以中和吸收区吸收的SO2。

在吸收区也应该有石灰石的溶解。

所以，如果增加石灰石溶解，将提高脱硫效率。

石灰石在吸收区溶解的量取决于浆液在吸收区停留的时间。

当采用托盘时，烟气和浆液接触时间将增加。

该时间也取决于托盘的压降。

因此，托盘能增加烟气脱硫效率主要是因为比L / G更有效地接触浆液，而且在吸收区提供了更多的碱性溶解机会。

对中高硫煤机组，要求脱硫效率98％，采用双托盘，浆液在双托盘上保留（residence time）3.5秒。

托盘上浆液的pH值低于反应箱的值。

如果反应箱的pH值是5.5，在托盘上可能是4.0。

石灰石溶解率和浆液中氢离子浓度[H +]成正比。

在pH为4.0时，[H +]浓度比PH为5.5时的高出31倍，因此，石灰石溶解速度比反应箱的快31倍。

在托盘保留（retention time）的3.5秒相当于在反应箱保留时间（retention time）1.9分钟。

浆液在反应箱的保留时间一般是5分钟。

因此，石灰石溶解过程中有30％是在双托盘上完成的。

从2003年9月到2005年11月，对SO2，烟气流量，吸收塔静态压力降和其它重要的性能参数进行了多次现场测试。

测试期间，还对吸收塔浆液和石灰石浆液采样并进行化学分析。

采用美国EPA 6C 方法收集烟气中SO2数据，同时也和现场的CEMS数据对比。

2005年11月期间，针对排放烟气中的SO3、氯化氢、氟化氢、F和固体颗粒进行了测试。

从这些数据中可以分析出吸收塔对以上多污染物的脱除效果。

5.1 SO2脱除比较1998年的基本数据，2003年单托盘的数据，2003年和2005年双托盘改造后的数据，可以看出每次对吸收塔脱硫改进的效果。

吸收塔入口和出口的二氧化硫浓度测量按美国EPA 6C方法，吸收塔压降靠测量进，出口静态压力值。

烟气流速由吸收塔烟气流量和吸收塔直径计算而得。

烟气流量采用美国EPA 2G方法，使用2D探头。

L / G由估算的循环泵流量和实测烟气流量计算得出。

pH值采用便携式校准仪表测量吸收塔取样浆液得出。

测试数据列于表3。

1998年至2003年单托盘数据的差异是由于供给吸收塔的石灰石浆液量低。