CFB填补了干法和湿法脱硫之间的缺口-完成稿

CFB洗涤塔填补了干法和湿法洗涤塔之间的缺口StevenMoss摘要循环流化床（CFB）干法洗涤技术比常规的喷雾干燥吸收洗涤塔在脱除烟气中的SO2时具有许多独特的优点。CFB对于在燃用高硫煤的大型锅炉上使用最多的湿法石灰石烟气脱硫工艺也具有很好的竞争力。作为在干法脱硫工艺中具有高脱硫效率的CFB工艺，要比其它两种工艺更好，因为它是一个高脱硫率的节水的洗涤塔。从燃煤电厂的烟气中脱除二氧化硫（SO2）的典型的工艺包括湿法烟气脱硫（wFGD）和后来的喷雾干燥吸收(SDA)技术。这两种工艺都被用来完成脱硫的任务，尽管它们有很明显的优点和缺点，例如会产生数量很大的需要处置的新的废弃物，或消耗大量的水。CFB工艺同样可以达到很高的脱硫效率，但只消耗极少量的水，并且它填补了SDA和wFGD之间的容量上的空档。为了说明为何最熟悉的选择可能不是最佳的选择，我们来分析一下每种技术的优点。SDA的优点和局限性SDA系统一般使用在燃烧中低硫煤（2%）的电厂。根据入口SO2的负荷的不同，可达到的脱硫效率在90%-95%，而SDA达到的可控的SO2排放率可低到0.065lb/MBTU（约为27mg/Nm3）。当脱硫效率超过90%时，要求使用布袋除尘器以提供石灰吸收剂和SO2的更长的接触时间。在布袋除尘器滤袋上的滤饼起了一个固体固定床的作用，并能提供额外的1秒钟的接触时间用于加强SO2的传质过程。对于SDA系统来说，SO3的脱除效率一般能达PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建。当前应用于燃煤电厂项目的SDA技术的细节可以在网站上用关键词“SDA”搜索查询。在典型的SDA系统中，吸收剂的浆液被泵送到SDA吸收塔顶，并进入到一个或多个安装在吸收塔顶的旋转雾化装置中的高速（11,000rpm）转轮中（图1）。雾化装置位于烟气分散器的中心。由于烟气受到加速并均匀地分散在转轮的周边，污染成分就会与含有吸收剂的雾化液滴的喷雾云密切接触。吸收剂就与SO2和SO3反应生成亚硫酸钙和硫酸钙，同时会冷却烟气。然后烟气就会被排出吸收塔，进入到颗粒收集装置，它们可以是布袋除尘器或是静电除尘器。图1典型的SDA干法脱硫系统简图SDA吸收塔是一个向下流动的反应器，在吸收塔的顶部安装有雾化器和烟气分散器。吸收塔的设计受到两个基本参数，即旋转雾化装置和烟气分散装置的容量的限制。当SDA吸收塔用在大烟气流量时，在烟气通过分散装置时对气体进行压缩和加速的能量非常大，而且有雾化云的不平衡的问题。在SDA吸收塔设计中，会把烟气流分为两股，一股从吸收塔PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建顶部的分散器进入，另一股从安装在吸收塔中部的分散其进入吸收塔，这样可以从上部和下部来平衡雾化云。另外一个设计的方案是在塔顶安装3个烟气分散装置，以免需要对雾化云进行平衡。最后，SDA技术的应用还受制于电机、变速箱已经旋转雾化器的转轮的容量。SDA系统已经在许多电厂中得到应用，机组的容量从10MW到600MW。但是，对于300MW以上的机组过去一般都要采用多吸收塔的方案。实际上，采用单个大型的1000hp（735.5kW）的雾化器或是采用3个250hp（184kw）的雾化器最大只能用于约350MW的机组。对于机组容量超过350MW时，只能采用两个吸收塔的方案，从而增加了系统的复杂性和额外的投资费用。FGD的运行人力和维修费用取决于系统的复杂程度以及在系统中所包括的转动设备的多少。所有带有雾化器的系统都必须进行周期性的离线检查、清洁和更换零件。高速旋转的雾化器的转轮会有结垢，从而引起变速箱和电机输出轴的震动。易磨损的部件包括转轮上的插件、变速箱的轴承、电机轴承，每月都必须进行检查和清洁，以及周期性的更换（通常是每年）。每当单个设置的大型旋转雾化器需要拆除并用备品更换时，电厂总会经历一段脱硫效率降低的时间。对于安装多个雾化器的SDA系统，在维修期间的SO2脱除效率的降低会少一些，但是由于机械设备多了，需要停机维修的次数也就更多了。另外与石灰浆液制备有关的设备，例如消化器、筛网、混合罐、搅拌器、泵、管道和阀门等也会增加维修的项目。所有干法FGD都会有一个石灰吸收剂和气相SO2、SO3之间发生液相反应的过程。在采用SDA技术的FGD系统中，石灰吸收剂通常是块状的CaO，因此必须通过在石灰消化过程中加入水，制备成为浆液状态。完整的石灰处置和制备系统是由卡车或火车的卸料、固PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建体处置设备、储仓、球磨消化器、以及浆液储罐组成。在最后成品的石灰浆液中也包括了从系统的收尘装置上收集的粉尘，以增加混合物中的固体物的含量。最终的浆液中的固体物（包括消石灰和颗粒物）与水的比例总是小于1:1。湿法石灰石洗涤的优点和缺点湿法石灰石FGD系统是世界上用于大型发电机组最多的FGD技术。该工艺采用磨细的石灰石（CaCO3）浆液，而不是SDA工艺用的消石灰，也不是CFB系统中采用的干消化石灰。在将块状石灰石从卡车或者火车上卸下之后，就开始进行浆液的制备，浆液制备系统包括卧式球磨机系统。卧式球磨机系统包括了料仓、给料机、水力旋流器和球磨机。当前应用于燃煤电厂项目的FGD技术的细节，可以在网站上用关键词“FGD”搜索查询。石灰石浆液通过喷淋喷嘴管道被泵入到吸收塔中（见图2）。烟气从吸收塔下部，喷淋管道的底下进入到吸收塔中。喷淋喷嘴产生的浆液液滴与进入吸收塔的烟气逆向流动，从而含钙的吸收剂就与SO2发生密切、均匀的接触。图2典型的湿法FGD系统简图PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建在吸收塔内的反应会产生亚硫酸钙和硫酸钙的混合物。喷入烟气下方（译注：似有误，应为反应槽底部）的空气有助于亚硫酸盐的氧化过程。最终的副产物CaSO4（石膏）会沉淀下来。氧化的浆液被再循环到喷淋母管，但是部分的浆液被取出，在一个专门的脱水系统中把石膏分离出来，脱水系统包括水力旋流器、鼓式或皮带脱水机。分离出来的石膏可以有商业应用，例如作为水泥的添加剂或墙板。由于湿法FGD工艺需要有复杂的石灰石制备和石膏脱水系统，因此与SDA和CFB相比，投资大、动力消耗和维修费用也高。石灰石的价格要比干法使用的石灰或消石灰价格要低，但是湿法FGD工艺的耗水量要高30-40%，这在水资源有限的干旱地区是一个挑战。另外，湿法工艺的吸收塔要求采用合金或玻璃钢作为结构材料，而干法工艺只要采用不加内衬的碳钢就可以了。这些相对昂贵的材料增加了湿法FGD系统的价格，尤其是对于单一吸收塔的系统。湿法FGD一般用于燃烧中高硫煤（≥3%）的大型电厂，SO2的脱除效率可以达到99%（取决于入口的SO2负荷），实际可达到的排放率为0.04lb/MBtu（约17mg/Nm3）。如果入口烟气的SOx的质量流量中SO3的浓度超过5%，要在湿法FGD中使SO3的脱除率达到60%以上有可能需要增加额外的设备（会产生成本和压降的增加）。湿法FGD单塔的处理能力已经超过了1000MW。（许多电厂应用湿法FGD的详细情况可以通过在网页上用关键词“wetFGD”查询）。干法CFBFGD技术的诸多优点尽管对于美国的电力工业来说，CFB技术是相对新的技术，但是CFB技术在欧洲和中国已经得到了广泛的应用。图3所示为一个典型的300MW的CFB装置。如今，大约已经PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建吸收塔在欧洲运行，其中有34个是在燃煤电厂。300MW或以上燃煤机组共有17个。另外，从2000年以来，在中国约有14个项目，总容量为6000MW。图3CFB干法洗涤系统简图在北美，最大的CFB洗涤塔在怀俄明州Gillette的BasinPowerCooperative的DryFork电厂中施工。容量为420MW的机组预计在2011年投入商业运行。关于CFB洗涤塔的一个视频片段可以在中观看。CFBFGD工艺与应用SDA吸收塔的工艺有很大的不同（图4）。CFB吸收塔是一个向上流动的反应器，里面所有的反应物（SO2、SO3、石灰和水）都是在吸收塔的底部进入吸收塔，进入吸收塔的还有下游固体颗粒收集装置收集到的大部分固体颗粒。CFBFGD不需要有外部的石灰制备系统，因而也就不需要有消化器、石子筛网、泵以及有关的浆液管道系统。消石灰是独立地加入到CFB吸收塔里的，与水和再循环颗粒的加入是分开的。PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建干法洗涤系统，约有17个CFB干法洗涤装置在欧洲的燃煤电厂运行。烟气通过多管文丘里进入到由吸收剂和颗粒物组成的床的底下，并且被分布在CFB吸收塔的整个横截面上。水喷嘴为单相喷嘴，布置在吸收塔的的周边，循环物料和吸收剂加入点的上方，喷入的水滴在由进入烟气产生流化的固体床中形成雾化云。CFB技术可以增强传热效率，这是因为在喷淋了水的床层中具有很大的固体比表面积。固体和喷淋水的比例在20:1的范围，与SDA吸收塔相比，比表面积增加了约20倍。并非是依靠下游的布袋除尘器中的滤饼所增加的停留时间，而是进入CFB吸收塔的烟气大约要花5秒的时间穿过一个厚度为75英尺（约25m）的流化床，在吸收塔容器的内部受到强烈PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建的搅拌。由一个高而细的CFB吸收塔带来的停留时间的增加，使得在一个很小的FGD系统中的SO2的脱除效率得到了改善。与SDA吸收塔的设计不同，CFB的设计不受旋转雾化器的容量的限制。对于CFB吸收塔的唯一的限制因素是在吸收塔整个横截面上分散烟气的能力，以便能维持固体床的正常悬浮。这个问题已经得到解决，即在容量大于100MW-150MW时，采用多管文丘里方式。运行人力和维修的费用取决于系统的复杂性和转动部件的多少，这对于所有的FGD来说是一样的。由于CFB系统中没有高速旋转的雾化器，也没有浆液制备设备，SDA系统每年的部件更换费用至少要比CFB干法洗涤系统高4倍。另外，在要求脱硫效率大于90%时，CFB系统也不强制要求安装布袋除尘器，因为CFB的设计允许使用电除尘器，从而避免了更换布袋和袋笼的费用。CFB系统已经成功地运用在燃烧高硫煤的机组上（高达3.5%），但是对于CFB技术来说，对燃料的含硫量并没有技术上的限制。CFB已经显示的脱硫效率可以超过95%，最高可以达到99%（取决于入口的SO2负荷），可控的SO2排放率可以低到0.04lb/MBtu（约17mg/Nm3）。和SDA吸收塔一样，CFB设计的SO3脱除率可以达到99%，这是由于SO3对于石灰吸收剂有很高的亲和力。在CFB吸收塔中使用的水喷嘴必须定期地撤出，以便更换易损件，这和在SDA中使用的旋转雾化器是一样的。但是CFB吸收塔的水喷嘴是安装在塔体整个周边上，所以一般会多设计一些备用喷嘴，以便对运行中的喷嘴进行检查和维修。尽管最终选择SDA、CFB还是湿法FGD是由所在项目的具体参数和优先考虑的因素来决定的，但是CFB工艺的应用在不断地扩大，涵盖了整个SDA工艺的范围和湿法FGD工PDF文件使用pdfFactoryPro试用版本创建艺的大部分范围（参见图5）。图5SDA=旋转喷雾干燥塔，CFB=循环流化床干法洗涤工艺，湿法FGD=湿法烟气脱硫工艺除了机组容量、脱硫效率之外，另外需要考虑的主要因素包括：占地大小、系统的可用率、颗粒物的收集效率，建设的难易程度、可维护性以及辅助系统的