烟气脱硫物料平衡PPT资料.ppt
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FGD工艺过程物料平衡工艺过程物料平衡根据质量守恒定律,任何一个生产过程,其原料消耗量应为产品量与物料损失量之和。
通过了解FGD工艺过程的物料平衡,可以知道输入系统的原料转变为脱硫产物以及流失的情况,以便寻求改善这一转变过程的途径。
在FGD系统设计中需进行物料平衡计算,确定原料、产出物和损失物的数量关系,以及系统热平衡关系,物料平衡计算是FGD系统设计的重要数据也是运行管理的重要参数。
下图是湿法石灰/石灰石FGD工艺总物料平衡示意图。
系统的主要输入流体是烟气和吸收剂。
烟气进入FGD系统之前,先经除尘装置(ESP或布袋除尘器)除去烟气中99.5%以上的飞灰。
虽然一些石灰/石灰石湿法FGD工艺能除去烟气中的飞灰(一般除尘效率不超过80%),或采用碱性飞灰作吸收剂,但飞灰对工艺过程会产生一些有害的影响飞灰对工艺过程会产生一些有害的影响。
物料平衡概述物料平衡概述湿法石灰/石灰石FGD系统总物料平衡这种有害影响主要是:
降低石膏质量;
加重了浆液对设备的磨损性;
增加了脱硫石膏脱水难度;
“封闭”吸收剂,使其失去活性。
后一种情况在运行中的表现是,浆液pH值、脱硫效率下降,虽向吸收塔内大流量地注入吸收剂浆液,反应罐pH值仍不上升,吸收效率也没有明显回升。
其原因多半是进入吸收塔的烟尘含量较高,运行pH值控制又较低,由飞灰带入的Al3+与浆液中的F-形成的络合物达到一定浓度,吸附在吸收剂固体颗粒表面,“封闭”了吸收剂的活性,显著减慢了吸收剂的溶解速度。
另外,随飞灰引入系统的其他化学物质,如镁、锰能起到氧化催化剂的作用,这对强制氧化工艺是有利的,但对抑制氧化工艺则有害。
随飞灰带入的一些重金属除了会影响工艺的化学反应外,还会影响排放废水的质量。
因此,一般不希望有过量的飞灰带入吸收系统。
入口烟气的主要气体成分是N2、CO2、O2、水蒸气、SO2、NOx、HCl、HF和硫酸蒸气,痕量化合物有MH3、CH4、CH3Cl等。
烟气或飞灰中还存在一些有害痕量元素,例如目前较为重视的汞及汞的化合物。
在FGD系统中,烟气中的大部分SO2和部分O2被吸收进入浆体的液相。
在石灰石基工艺中每吸收1molSO2,理论上要消耗1molCaCO3,产生1molCO2进入烟气中。
由烟气带入FGD系统的氯化物会影响脱硫效率、石灰石的溶解和耐腐蚀材料的选择。
入口烟气中的NO通常不被吸收而透过FGD系统,NO2仅少部分被吸收。
入口烟气中通常含有少量气态硫酸,气态硫酸浓度大约是SO2浓度的0.5%1%,当烟气被冷却时,气态H2SO4迅速凝结成亚微米大小的气溶胶酸雾。
一般吸收塔仅能除去约50%的这种酸雾,剩余的酸雾进入吸收塔下游侧的设备中将造成酸腐蚀,最后从烟囱排出的酸雾以及其他颗粒物由于对光的散射使烟气形成一种看得见的白色烟流。
目前控制这种酸雾的方法主要是,向炉内或烟道中喷入吸收剂减少酸雾的形成;
另一种方法是通过与吸收塔一体化的湿式ESP来除去。
烟气在吸收塔内被洗涤时,很快达到水汽饱和,这是水平衡中水耗的主要部分。
吸收塔内水蒸发量取决于煤的组成、入口烟气温度和烟气含水量,洗涤1MW机组所产生的烟气通常蒸发的水量大约是0.1m3/h左右(有GGH),0.130.2m3/h(无GGH)。
造成系统水损失的其他原因有:
为控制浆液中某些有害成分的浓度而设置的废水排放。
这种废水排放量从每小时几吨到几十吨,这取决于煤中Cl-、F-含量、浆液有害成分的控制浓度、脱硫副产物的处理方式以及对耗水量控制的严格程度。
如果固体副产物采取水力输送湿排的方式废弃,仅此项造成的水耗就可能高达100m3/h以上;
随脱硫固体副产物带离系统的附着水和化学结晶水,由此损失的水相对较少。
也有些系统不单独设置排污口,随固体副产物带离系统的液体成为带走FGD系统中可溶性物质(例如Cl-)的唯一渠道,这样,带离系统的水量就控制了工艺过程浆体液相中可溶性物质的浓度。
在FGD工艺过程中,必须向系统不断补加水以弥补水分蒸发和其他原因所损失的水量,以保持系统水平衡。
但在有些情况下,尤其当锅炉低负荷运行时,补加水量可能超过系统损失的水量。
因此,必须将工艺过程中过量的液体临时贮存或排放。
采用工业水作补加水、密封水或ME冲洗水时,一般不考虑工业水中的可溶性盐的影响,除非工业水中Cl-浓度较高。
脱硫产生的固体副产物与脱除的SO2有一定的比例关系,对于强制氧化工艺,石膏副产物摩尔质量是172g/mol,每脱除1kgSO2,干石膏固体物的理论产出率是2.69kg。
通常将亚硫酸盐固体副产物废弃于专用坑或池中,或填埋。
如果填埋这种固体物,一般需要经过处理,即将脱水后的固体副产物与飞灰混合(稳定作用)或与飞灰和石灰混合(起固定作用)以改善其物化特性。
硫酸钙(石膏)可以筑池填埋或堆放在地面而无需经过稳定化或固定化处理,石膏还可以作为商品出售。
工艺过程的水平衡下表列出了湿法FGD工艺中水平衡的典型补、耗水项目和数量。
表中“其他补加水”一项是指系统其他冲洗水、冷却水和为保持系统中某些罐池液位所需加入的水。
在运行工况稳定的情况下,进入工艺过程的水量应等于离开系统的水量。
FGD工艺处理来自500MW燃煤锅炉的烟气,燃用煤为烟煤,含硫量为2%,FGD系统装有GGH。
表石灰/石灰石FGD工艺水平衡中的典型补、耗水项目和数量工艺类型系统补水项目流量(m3/h)系统耗水项目流量(m3/h)石灰石强制氧化(石膏回收)石灰石浆液ME冲洗泵、过滤机、搅拌器等密封其他补加水总计采用回放水50.320.14.875.2蒸发固体副产物自由水固体副产物结晶水排放水60.4(80%)2.94.77.2(10%)75.2在石灰石强制氧化工艺的例子中,固体副产物是具有商业质量的石膏,因此随副产物带走的自由水相当少,而蒸发消耗的水量(60.4m3/h)要高些,这是因为鼓入浆液中未饱和的氧化空气增加了水分的蒸发。
另外,由于对石膏质量的要求,石膏滤饼中氯离子的最高浓度限值为200mg/kg(干基),因此,需冲洗石膏滤饼,但冲洗滤饼的水是来自水环真空泵的密封水,后者用水量915m3/h。
加上对工艺性能和防腐材料的考虑,需要向系统外排放一定量的废水,以限制工艺浆液中的Cl浓度。
上述两个原因使得石灰石强制氧化工艺的耗水量比较高。
对氯化物浓度的不同控制、吸收塔性能对氯化物浓度的敏感程度以及是否对耗水量(或废水排放量)提出了严格的设计要求等因素,可能造成废水排放量相差很大。
例如北京第一热电厂3号、4号机组的FGD系统(2炉1塔、喷淋塔),设计煤含硫1.04%、含氯0.035%,处理烟量950000m3/h(W),控制浆液Cl-浓度2000010-6(20g/L),设计排往废水处理系统的废水仅1.9m3/h。
而某电厂3号、4号机组的FGD系统(1炉1塔),设计煤含硫4.02%、含氯0.035%,单塔处理烟量915000m3/h,由于Cl-浓度控制得较低,100010-6(1g/L),对废水排放量未提出要求,因此设计废水排放量高达71.6m3/h(该FGD系统未设计废水处理装置)。
从表1-5-1所列系统耗水项目和耗水量可看出,蒸发(80%)和排放废水(10%)是造成石灰石强制氧化工艺总耗水量高的主要原因。
在强制氧化工艺中,回收的工艺液被石膏饱和,主要用来制备吸收剂浆液和调整反应罐液位。
早期采用的强制氧FGD系统曾采用回收水与一定量的淡水混合,作为ME的冲洗水。
目前一般仅用工业水冲洗ME,冲洗后的水流回吸收塔。
系统另一个补加水源是真空皮带脱水机水环式真空泵和其他泵、搅拌器等转动设备的密封水和冷却水。
在上面的例子中并没有列出所有加入工艺过程中的各种水源,例如吸收塔入口干/湿界面、氧化配气管的冲洗水和一些转动机械的冷却水,在进行实际水平衡计算时需要作全面核算。
上述例子是基于锅炉连续满负荷运行,当锅炉在低于额定工况下运行时,使烟气饱和随固体副产物带离系统而造成的水耗量将按比率减少,但转动机械密封水,冷却水以及ME冲洗水往往不会按比例下降,在这种情况下,补加水量有时会多于损失的水量,这种情况称作“正水平衡”。
通常设置一个平衡水箱来接纳短时间正平衡时排出的过量补加水。
当出现负水平衡时,用作补充水。
如果长时间出现正平衡,则要么增加排放水量,要么采取措施减少加入工艺中的补加水量。
溶解固体物(氯化物)浓度FGD工艺物料平衡中与水平衡密切有关的另一个问题是工艺过程液中可溶性固体物的浓度。
在湿法石灰/石灰石FGD)工艺中最重要的可溶性物质是Mg2+、Na+和Cl-。
Mg2+主要随着石灰/石灰石吸收剂带入工艺过程中,有时则可能是人为加入石灰基工艺中。
Na+主要随补加水进入系统中,通常补加水中的Na+含量较少,除非补加水天然含盐分。
Na+还有可能来自其他设备的循环水,例如冷却塔的排放水经常用作FGD系统的补加水,而冷却塔排放水含有较高浓度的Na+。
氯化物则主要由烟气带入FGD系统。
这三种可溶性物质中Cl-最为重要,因为氯化物对工艺性能有负面影响(降低脱硫效率),而且还影响耐蚀合金材料的选择。
在湿法石灰石FGD系统中,在其他条件相同情况下,高浓度氯化物会降低SO2脱除效率。
这是因为当Cl-浓度增加时,氯化物主要以CaCl2的形式溶解于浆液中。
Ca2+浓度的增大,由于同离子效应,将抑制CaCO3的溶解,降低液相的碱度。
氯离子浓度增加,脱硫率下降的另一个原因可能是,由于离子强度和溶液黏度的增大,液膜中离子扩散变慢,致使液膜中有较高浓度的SO32-,这样就使得平衡蒸汽压增大,降低了气相至液膜的SO2传质推动力。
试验显示,当Cl-浓度从0增至60g/L时,在石灰石利用率不变的情况下,传质单元数(NTU)下降10%40%。
也就是说,一个NTU=3、脱硫效率为95%的洗涤装置,在这种情况下,脱硫率将下降到83.5%93.3%,具体下降的程度还取决于运行工况。
通常单位体积浆液吸收SO2较多的系统对较高浓度Cl-更为敏感。
另外,还发现抑制氧化工艺NTU的下降比强制氧化要大些。
当Cl-浓度约低于1015g/L时,可溶性氯化物对SO2脱除效率的影响就不太明显了。
对不锈钢耐腐蚀性的影响除了Cl-浓度外还受许多其他因素的影响,这些因素中主要是温度和pH值。
一般来说,当工艺浆液中Cl-浓度超过3g/L,吸收塔的结构不能采用316L不锈钢。
当Cl-浓度高到大约10g/L时,904L是一种适合的不锈钢材料。
当Cl-浓度超过大约20g/L时,就需要采用像合金C-276这类高镍合金或采用衬覆有机防腐材料的碳钢。
美国除了那些设计生产商业质量石膏的FGD系统外,大多数湿法石灰/石灰石FGD系统设计成在“闭路”状况下运行,即无废水排放,脱硫副产物脱水至一定程度后作抛弃处理。
通常石灰基工艺副产物的固体物含量最大约是50%,石灰石抑制氧化工艺的副产物可以脱水至含固量约70%(含水30%),强制氧化工艺副产物可以脱水至90%(含水10%)。
这样从系统排出的水就只是随固体副产物带离的水,由于这部分水与蒸发的水量相比要少得多,因此进入FGD系统的可溶性化合物将在工艺过程液中逐渐累积起来。
工艺液
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