循环流化床半干法脱硫工艺流化床的建立及稳床措施

浙江洁达环保工程有限公司  吴国勋、余绍华、傅伟根、杨锋

【摘要】

循环流化床半干法脱硫工艺技术要求高，建立和稳定流化床是两个关键点，只有做好恰当的流化床设计和配置合理的输送设备，才可保证脱硫系统的稳定高效运行。

【关键词】

    循环流化床半干法 脱硫 床体

1、简介

循环流化床脱硫工艺技术是较为先进的运用广泛的烟气脱硫技术。该法以循环流化床原理为基础，主要采用干态的消石灰粉作为吸收剂，通过吸收剂的多次再循环，延长吸收剂与烟气的接触时间，以达到高效脱硫的目的，其脱硫效率可根据业主要求从60%到95%。该法主要应用于电站锅炉烟气脱硫，已运行的单塔处理烟气量可适用于6MW～300MW机组锅炉，是目前干法、半干法等类脱硫技术中单塔处理能力最大、在相对较低的Ca/S摩尔比下达到脱硫效率最高、脱硫综合效益最优越的一种方法。

该工艺已经在世界上10多个国家的20多个工程成功运用；最大业绩项目烟气量达到了1000000Nm³/h，最高脱硫率98%以上，烟尘排放浓度30mg/Nm³以下，并有两炉一塔、三炉一塔等多台锅炉合用一套脱硫设备的业绩经验，有30余套布袋除尘器的业绩经验，特别是在奥地利Thesis热电厂300MW机组的应用，是迄今为止世界上干法处理烟气量最大的典范之作；在中国先后被用于210MW，300MW，50MW燃煤机组的烟气脱硫。

但是很多循环流化床半干法脱硫项目由于未能建立稳定的床体，导致项目的失败，不能按原有计划完成节能减排的要求。因此很有必要在此讨论一下关于“循环流化床半干法工艺流化床的建立及稳定措施”的相关问题。

2、循环流化床脱硫物理学理论

循环流化床脱硫塔内建立的流化床使脱硫灰颗粒之间发生激烈碰撞，使颗粒表面生成物的固形物外壳被破坏，里面未反应的新鲜颗粒暴露出来继续参加反应，从而客观上起到了加快反应速度、干燥速度以及大幅度提高吸收剂利用率的作用。另外由于高浓度密相循环的形成，塔内传热、传质过程被强化，反应效率、反应速度都被大幅度提高，而且脱硫灰中含有大量未反应吸收剂，所以塔内实际钙硫比远远大于表观钙硫比。

而建立稳定的流化床，就需要有分布均匀的流场和一定高度的床料。可见该技术的重点是：1、建立稳定的流化床；2、建立连续循环的脱硫灰输送系统。而这两个基本项的控制技术就成为了整个脱硫项目成功与否的关键。

首先我们先来了解下循环流化床的动力学特性。

脱硫循环流化床充分利用了固体颗粒的流化特性，采用的气固流化状态为快速流态化(Fast Fluidization)。快速流态化现象即细颗粒在高气速下发生聚集并因而具有较高滑落速度的气固流动现象，相应的流化床称为循环流化床。

当向上运动的流体对固体颗粒产生的曳力等于颗粒重力时，床层开始流化。

如不考虑流体和颗粒与床壁之间的摩擦力，根据静力分析，可得出下式，并通过式(2-1a、1b)可以预测颗粒的最小流化速度。

      (2-1a)

                                  (2-1b)

 

式中：

c₁=33.7，c₂=0.0408

——对应于的颗粒雷诺数；

  ——颗粒密度，kg/m³；

   ——流体密度，kg/m³；

  ——颗粒平均粒径，m；

 ——最小流化速度，m/s；

g  ——重力加速度，m/s²；

 ——阿基米得常数。

快速流态化的特征之一就流体的操作速度远大于单颗粒的带出速度u_t(终端

沉降速度，Terminal Velocity)，而球形单颗粒能够悬浮的条件为颗粒的重力减去其在流体中浮力等于其在流体中所受到的曳力，对于球形颗粒，可分为三个区：(1)滞流区Re_t<0.4；(2)过渡流区Re_t=0.4~500；(3)湍流区Re_t=500~200000。

通过计算，可知我们所需要的球形颗粒在湍流区，其终端沉降速度如下式（2-2）：

            （2-2）

式中：

  ——颗粒密度，kg/m³；

   ——流体密度，kg/m³；

  ——颗粒平均粒径，m；

g   ——重力加速度，m/s²；

  ——终端沉降速度，m/s。

对于特定的气固系统，要实现快速流态化，操作速度还应大于输送速度u_tr(Transport Velocity)或显著夹带速度u_se (Entrainment Velocity)，此时颗粒不会发生噎塞或稀相与密相流化之间的突变。可用下式对输送速度u_tr (m/s)进行预测(2-3a、3b)：

      (2-3a)

              (2-3b)

式中：

       D    ——流化床直径，m；

         ——对应于u_t雷诺数；

  ——对应于u_tr雷诺数。

根据脱硫灰的颗粒特性，以及《火电厂烟气脱硫工程技术规范烟气循环流化床法》（HJ/T 178-2005）要求——循环建立后脱硫塔内粉尘浓度按标准状态下800～1000g/m³设计，我们进行计算从而确定了操作速度为4.5m/s。

3、确保循环流化床稳定的措施

3.1 建立稳定的流场

要循环流化床床体稳定显然就首先要确保操作速度稳定。

因为循环流化床脱硫系统一般设计为：锅炉→脱硫塔→布袋除尘器→引风机顺流布置（见图3-1），因此烟气经常单侧引入脱硫塔。故而，烟气不进行整流则无法在塔内均匀分布，更谈不上确保稳定的操作速度、建立稳定的循环流化床床体。

 

图3-1 循环流化床脱硫系统工艺流程图

我们采用文丘里技术（文丘里内烟气速度设计为45～60m/s），将烟气引入七管式文丘里（见图3-2）进行整流。

图3-2 七管式文丘里

稳定的流场，关键在于拥有稳定的静压分布和均匀的速度分布场。对流场我们分静压场和速度场分别进行FLUENT建模研究。根据电脑模拟研究，整流后的烟气在脱硫塔反应直段表现良好（见图3-3a、3b）。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

   

图3-3a 塔内静压分布

首先我们来看一下静压场研究情况。我们研究的是烟气设定研究输入参数时：第一，我们将脱硫塔内壁设定为研究边界；第二，因为负压系统，静压值脱硫塔出口小于进口，环境变量输入值脱硫塔塔出口设定为0Pa。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图3-3b 塔内速度分布

综上所述，采用文丘里技术措施可以很好的解决建立稳定流场的问题。

3.2 建立连续循环的脱硫灰输送系统

有了稳定的流场，就需要有连续供应的床料。脱硫灰循环系统则是实现连续供应的关键。

我们需要的流化床参数是依据一定颗粒计算而得到的，因此床料颗粒必须为均匀单颗粒状态的；特别注意的是必须避免有循环灰聚团的情况出现，且入塔前为稳定流化状态，以便于入塔后与流化床床体很好的进行混合。

由上可见，脱硫灰循环系统最恰当是利用气力输送方式，即使用空气斜槽作为输送设备，且必须避免使用机械输送方式（例如螺旋输送机、链式输送机等）。    

空气斜槽根据功能的不同分为两段：

1、  布袋除尘器下流化槽，主要是为循环灰进行缓冲储料，料层较高（1-3m）；

2、  连接流化槽和脱硫塔的输送槽，主要是输送循环灰，料层较低（100-200mm）。

料层不同，则压阻不同，输送气压就不同。

很多项目在设计上没有考虑到两段的区别，使用同一台罗茨风机供气，在输送槽进气段也未加减压装置，由于输送槽段压阻小，致使压缩空气大量从输送槽段通过，而流化槽段物料没有很好的进行流化；从而，循环灰在流化槽段更容易压实团聚，导致大量大颗粒脱硫灰入塔，这些颗粒与循环流化床设计流化速度有别，因此这些床料就会塌落至塔底成为废料外排。这样的工况运行，循环流化床就无法建立应有的料层，由于喷入的雾化水量一定，则塔内水灰比将大大提高超出设计值，将导致塔内严重积灰，循环流化床系统床料失稳最终崩溃。

为了避免这样的情况出现，在输送系统设计上必须将两段空气斜槽区别对待，分别配备不同压力的气源满足各自流化要求，以实现满足脱硫的床料连续供应。根据具体项目的调试，按上述配置设计的输送系统完全能够满足循环流化床硫系统的要求，整个系统运行稳定，脱硫效率达91%以上。

4、结语

循环流化床脱硫系统的技术要求较高，在做施工设计前，必须先对脱硫塔流场进行详尽的研究，然后在设计输送系统设备时，也必须考虑到流化床的特点。当然，在建立流化床的时候还应考虑节能方面的要求，应根据脱硫效率的不同设计最经济节能的相适应的流化床床料浓度，这将是我们下一步继续研究的重点。

参考文献：

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[2]米浩林，马果骏：回流式烟气循环流化床脱硫技术，热力发电，N0.2, 57 -59,19 9

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[4]金勇，祝金旭：流态化工程原理，清华大学出版社，200

[5]樊保国：循环流化床烟气脱硫机理研究，环境科学，No.3, 14 -17,19 98

[6]黎在时，刘卫平：德国WULFF公司的干法脱硫技术，中国环保产业，No.2,74-76,200