CFB-FGD应用于高含水褐煤机组的节水性能研究

张 军

（1.福建龙净环保股份有限公司，福建 龙岩 364200；2.福建龙净脱硫脱硝工程有限公司，福建 厦门 361009）

CFB-FGD应用于高含水褐煤机组的节水性能研究

张 军1、2

（1.福建龙净环保股份有限公司，福建 龙岩 364200；2.福建龙净脱硫脱硝工程有限公司，福建 厦门 361009）

为协助解决我国富煤缺水地区电力建设的水资源综合利用问题，在配套环保设备方面开展了循环流化床干法烟气脱硫（CFB-FGD）工艺的节水性能研究。根据吸收剂颗粒上液膜对脱硫的作用原理，分析了入口烟气相对湿度对吸收剂颗粒上液膜存在时间的影响。以高含水褐煤机组烟气湿度为目标，通过在CFB-FGD装置上进行模拟实验，初步研究了CFB-FGD干法脱硫工艺在处理高湿度烟气下的节水性能。结果表明：CFB-FGD干法脱硫工艺在针对高湿度烟气处理的节水性能上表现优异，与常规湿度烟气相比，可以节约25%左右的用水量。

循环流化床干法烟气脱硫工艺；褐煤；节水

前言

水资源是基础性的自然资源和战略性的经济资源，是生态与环境的控制性要素。水资源问题为世界普遍所关注, 其不仅影响、制约社会的可持续发展, 而且将成为21 世纪全球资源环境的首要问题, 直接威胁人类的生存和发展[1]。我国的人均水资源量只有2231立方米，仅为世界平均水平的31%，排第121位，是全球人均水资源最贫乏的国家之一，水资源形势极为严峻[2]。

我国的煤炭资源和水资源成反比，煤炭资源丰富的西部地区，往往水资源缺乏。对于原本水资源就极为贫乏的中国，要建设西部大型煤电一体化基地，水资源成了唯一的短板。因此，开发高度节水的大型发电成套技术有利于我国富煤缺水地区的电力建设，有利于保障我国的能源安全，具有重要的战略意义[3]。

烟气循环流化床干法脱硫工艺具有节水、节能、脱硫除尘一体化等优点，应用在我国富煤缺水地区大型火电机组烟气脱硫上，呈现出良好的技术经济性[4，5，6]。本文根据CFB-FGD脱硫工艺阐述了吸收剂颗粒上液膜对脱硫的作用；分析了入口烟气相对湿度对吸收剂颗粒上液膜存在时间的影响；针对西部富煤缺水地区燃用高含水褐煤的大型发电机组，在CFB-FGD装置上进行了烟气模拟实验，验证了CFB-FGD干法脱硫工艺在处理高湿度烟气下的优异节水性能。

1 CFB-FGD工艺基本原理

CFB-FGD工艺的脱硫塔内，一方面进行气相向液相的传质过程，烟气中的气态污染物不断地进入溶液中，同时与脱硫吸收剂离解后产生的钙离子发生反应；另外一方面进行蒸发干燥的传热过程，颗粒上的液相水分受烟气加热影响不断在塔内蒸发干燥；最后再生成固体干态的脱硫灰渣。CFB-FGD脱硫是包括脱硫传质化学反应过程和蒸发干燥两种过程的一次性连续处理工艺[5]。

干燥过程进行的是液相中的离子反应，而吸收剂干燥后进行的是分子反应（气固反应）。根据化学反应规律，离子反应速率远大于分子反应速率。巴塞罗那大学的研究人员在进行低温状态下SO2和Ca(OH)2的反应动力学研究发现，当相对湿度小于20%时，SO2和Ca(OH)2几乎不发生反应。当相对湿度从20%增加到60%时，SO2和Ca(OH)2反应速度增加了10倍，而相对湿度和物料颗粒表面的水分密切相关[7，8]。因此，吸收剂颗粒上水膜的存在是SO2和Ca(OH)2实现快速离子化中和反应的关键因素。

在CFB-FGD脱硫工艺中，是通过向吸收塔内喷水来实现上述离子型反应的目的。因为喷入的水在高温烟气的作用下会蒸发，所以延长了吸收剂颗粒上液膜的存在时间，就相当于延长了SO2和Ca(OH)2离子化反应时间，可以提高脱硫效率和脱硫剂的利用效率[9，10]。

延长液膜的存在时间有两种方法：一是通过增加喷水量；二是减慢液膜水分蒸发速率。显然前者与节水原则是相违背的。因此，如何有效地减慢水分蒸发速率、延长液膜存在时间就成为CFB-FGD脱硫工艺提高脱硫效率，节约喷水量的关键。

2 节水关键—提高进口烟气的相对湿度

2.1 理论分析

相对湿度（relative humidity）：是指烟气中实际所含的水蒸汽和最大含水蒸汽（相同温度的烟气，最大含水蒸汽一样）的百分比。国内外的研究人员已经肯定了相对湿度在SO2和Ca(OH)2的反应过程具有决定性作用。提高烟气相对湿度，可以提高脱硫反应速率和脱硫效率。其本质是增大热空气的水汽分压，从而实现物料表面水分蒸发速率的减慢和液膜存在时间的延长，最终达到在喷水量减少的情况下能提高脱硫反应速率和脱硫效率的目的[7，8，11]。

在CFB-FGD脱硫工艺塔内烟气相对湿度由两部分组成：一是原烟气（进口烟气）中的水汽；二是向吸收塔喷水蒸发产生的水汽。因此，完全可以充分利用原烟气中的水汽而减少向吸收塔内的喷水量。

在CFB-FGD的实际运行中，是通过控制趋绝热饱和温度（AAST）来调节喷水量的[12-14]。趋绝热饱和温度是脱硫塔出口烟气温度与烟气绝热饱和温度之差，这个参数用于衡量烟气接近绝热饱和温度的程度（即烟气接近饱和的状态）。CFB-FGD的趋绝热饱和温度一般维持在15℃。因为当烟气的相对湿度提高后，烟气的露点温度也随着提高，所以为了维持AAST在15℃，反应塔内的操作温度也要相应提高，这样在进口烟气温度不变的情况下，就可以相应减少降温喷水量。

2.2 实验验证

为了验证上述理论分析结果，利用在三明钢铁厂建成投运的一期和二期两套CFB-FGD装置进行对比实验。

调节一期和二期两装置烟气的温度和压力等工况条件相当，一期装置入口烟气未作任何处理（原烟气），其达到脱硫效率为96.68%的操作温度是70.3℃（如图1所示）。

图1 三钢一期CFB-FGD运行的DCS图

二期则通过打开清洁烟气循环风挡，引入清洁烟气，由于净烟气的含湿量比原烟气高，跟原烟气混合以后就提高了烟气的相对湿度。

根据上述理论分析，混合的烟气的露点温度会提高，而为了维持AAST在15℃，反应塔内的操作温度也相应提高。二期达到脱硫效率为93.25%的实际操作温度为84.5℃（如图2所示）。相比同等条件下70℃的操作温度，节约喷水高达25%，效果明显。

图2 三钢二期CFB-FGD运行的DCS图

2.3 燃烧褐煤和烟煤的烟气采用CFB-FGD脱硫喷水量比较

原烟气的相对湿度φ与含湿量H （湿空气中水汽的质量与干空气的质量之比，kg/kg）之间存在换算关系。原烟气的含湿量跟燃烧的煤种有关，不同种类的燃煤产生的烟气含湿量不同，例如褐煤中含水份比烟煤大，燃烧后产生的烟气含湿量也比较大[15]。因此根据上述理论，在发电机组工况大致相同时，燃烧褐煤的烟气采用

CFB-FGD脱硫喷水量要比燃烧烟煤的少。

以600MW机组燃用褐煤和烟煤的烟气采用CFB-FGD脱硫所需要喷水量数据进行比较。从表中可以看出，燃烧褐煤的机组的进口烟气相对湿度为2.91%，燃烧烟煤的则为1.6%，最终所需要的喷水量转化成每1万m3烟气量需要的喷水量，燃烧褐煤的为0.343t/104Nm3，燃烧烟煤的为0.438t/104Nm3。经过计算后可知，烟气相对湿度每提高1%，可以节约喷水量0.073t/104Nm3。

燃烧褐煤和烟煤的烟气采用CFB-FGD脱硫喷水量比较表（同一个塔数据）

3 总结

“建立节水型社会，是解决中国水资源短缺问题最根本、最有效的战略举措，其意义和深远影响不亚于举世瞩目的三峡工程和南水北调工程。”的确，只有通过科学节水，提高水资源的利用效率和效益才能从根本上解决我国的水问题，进而保障我国的能源安全。CFBFGD干法脱硫工艺可以充分利用高湿烟气中所蕴含的水分，在保证脱硫效率的同时减少了工艺用水量。这无疑对我国富煤缺水地区，特别是高含水褐煤丰富的内蒙古和西部地区大型煤电一体化基地建设具有重大意义。

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Water-saving Capability Study of CFB-FGD Applied in Generating Set with High Water-content Lignite

ZHANG Jun
(1. Fujian Longking Environmental Protection Co., Ltd., Fujian Longyan 364200, China; 2. Fujian Lonjing Desulfurization & Denitration Engineering, Co., Ltd., Fujian, Xiamen 361009, China)

In order to solve the comprehensive utilization of water resources of power construction in the areas of rich in coal but short of water in China, the water-saving capability study of CFB-FGD technology is carried out. The flue gas desulfurization effect of water membrane on the surface of absorbent is discussed through the analysis of basic principle of CFB-FGD process. The influence of inlet flue gas relative humidity on the water membrane retention time is covered. Flue gas simulation experiments are carried out on CFB-FGD systems. The result shows that the dry desulfurization technology of CFB-FGD shows excellence, about 25% water consumption can be saved based on the water-saving capability of high flue gas humidity treatment in comparison with the conventional flue gas humidity.

CFB-FGD; lignite; water-saving

X701

A

1006-5377（2015）12-0040-03

国家“863”计划（2013AA065403），福建省科技重大专项（2011HZ0005-1），福建省自然科学基金项目（2014J06020）。