烟气脱硫裸塔技术发展

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  摘要:通过对通常石灰石湿法喷淋吸收塔浆液池造成的供浆瓶颈延迟响应以及搅拌延迟响应的分析,对其提出数学模型,指出这种工艺装置难以克服的缺陷,提出裸塔工艺解决方案以及该工艺极其简单的无前馈单回路PID控制方案,该工艺方案吸收氧化、中和瞬间同时在喷淋区完成,浆液池只进行石膏结晶,无增压风机、氧化风机、除雾器,无旁路,无须防腐,解决了目前占国内外烟气脱硫市场近95%石灰石湿法脱硫装置建设、运行、维修维护成本高的难题,将彻底解决电厂偷停脱硫装置、国家监控财力人力大、难度大的问题,为可持续经济发展政策提供了有力支撑,环保自身实现了可持续发展。同时提出紧脱硫缓脱硝等政策建议供相关学者研究其可行性,以供决策者制定国家环保政策、标准参考。
  关键词:浆液池供浆瓶颈;吸收氧化喷淋区;瞬间同时完全反应;0压损;取利天工
  作者简介:孙厚杰(1969-),男,吉林长春人,深圳市天艺帝国环保工程有限公司总经理,工程师。(广东 深圳 518000)
  基金项目:本文系863计划重点项目(2007.8-2010.12)“大型燃煤电站锅炉湿法烟气脱硫脱硝一体化技术与示范”、国家火炬计划优先发展技术领域(2010年)、国家重点新产品计划优先发展技术领域(2010年)的研究成果。
  中图分类号:X701.3     文献标识码:A     文章编号:1007-0079(2011)03- 0151-03
  
  一、裸塔工艺简介
  裸塔,天方地圆,造型流畅优美,无除雾器等“障碍物”,无凸凹边界,因而完全杜绝了塔内烟气湍流、偏流、回流等现象,流畅均匀稳定,石灰石利用率、脱硫率达到最大化(见图1)。而一般的吸收塔在计算机模拟流畅下清晰显示出紊流、偏流等现象,造成Ca/S增加,吸收、酸度不均等诸多弊病。
  裸塔工艺独特,众妙毕集。裸塔直接将氧化空气与石灰石吸收浆液送入喷淋区而不是通常的浆液池,因此取消了造价高昂的罗茨风机,利用塔内负压吸入不用任何成本的自然风作为氧化风,由于吸收浆液直接进入喷淋区,排烟碱性,净烟气无酸雾、无亚硫酸盐,石膏、烟尘等含量极少,因此取消除雾器,为使排烟水雾携带量最少,降低工艺水耗,可在安装现场制作简易的金属除雾器,其取材于廉价不锈钢薄板或薄铝皮,压损控制在30Pa以内,耐高温、无施工火患,也不会成为烟气旁路通道运行潜在火患,容易洗涤更换,吸收塔出口至烟囱无需防腐,通过塔内涂覆高温防腐材料,裸塔具备了旁路烟道之功能,因此取消了与吸收塔配套的旁路烟道及其挡板门、FGD进出口档板门,裸塔,是名副其实的空塔。
  裸塔工艺、结构独具匠心,瞬间完成脱硫,反应原理与鼓泡塔有些相似,但远远优于后者,氧化吸收、中和等有利反应转移到喷淋区,而浆液池只有石膏结晶生长的过程,大幅度降低了浆液池体积及其搅拌功率。吸收效率及脱硫效率大幅度提高,各项性能逼近或超过鼓泡塔。
  通过将吸收塔内部分割为对称的两部分——顺流动力氧化区与逆流动力氧化区,两区喷淋液与氧化空气配比大致为2/1,由此克服了塔内烟气压损,因此取消了造价高昂的增压风机。
  二、裸塔工艺系统响应分析、控制方案
  通常湿法石灰石吸收塔由于巨大浆液池的存在而使得石灰石供浆量当量与喷淋当量存在响应瓶颈ξ,以及搅拌延迟响应τ,使得工艺系统无法随动脱硫的巨大变化而变化,实际运行脱硫负荷也无法保持长期稳定,由于煤质变化及供电调度需求往往在几秒至十几秒钟内大幅度变化,尤其目前电煤紧张,煤源复杂,煤质良莠不齐,电业调度负荷频繁大幅度变化,导致烟气量及含硫量大幅变化,此时脱硫负荷稳定周期T值远小于ξ值及τ值,石灰石喷淋当量流量只是一条平缓曲线。虽然辅以PH值(决定于δ)控制,但PH值同样具有系统、测量延迟,并受脱硫负荷、循环量变化影响,常规吸收塔控制系统无法随动脱硫负荷快速波动,致使大量SO2偷袭式排入大气,同时难免导致吸收池内CaCO3沉积结晶或酸度过大。这沉积的钙像沉疴一样带来诸多弊病,往往使脱硫率居下不上,PH值居上不下。种种弊端阻挠了脱硫率的攀升,妨碍了“温室效应”的建设,遏制了脱硫业的发展。
  综上分析,用实时计算浆液池浆液所需补充的石灰石吸收浆液量作微分D前馈控制、用浓度δ作反馈(或实时对应的PH值,但由于工况变化亚硫酸盐的氧化程度等因素带来一定误差,PH值宜作为监视),辅以脱硫率η调节,能得到比较稳定理想的控制效果,随动性、波动性大为改善。对于频繁波动负荷,微分系数应小一些,以适应负荷上下波动。脱硫率η由于循环、喷淋吸收、分析仪表等迟滞因素较浓度δ迟滞性大,而δ决定η并单值对应,因而用δ作反馈控制效果好一些。
  裸塔最佳的系统响应特性是抛掉浆液池概念,解决系统瓶颈,将吸收浆液(或绝大部分)直接接加入循环管道,利用循环泵同时搅拌,实现系统响应时间ξ、τ“0”的突破(只是循环流程及吸收反应的迟滞),同时将氧化空气直接加入喷淋区,加快系统吸收等响应速度,由此控制已是水到渠成,马到成功,只需采用脱硫率η作反馈、调节输出供浆量的PID单回路即可,简单明了,无需前馈。
  三、中国制造裸塔之重大意义
  世界各国都非常重视环保洁净煤燃烧技术,尤其欧美、日本等发达国家相继成立重点实验室,投入大量资金,有些技术比较成功,脱硫、脱氮、脱汞达到很高的指标,但造价非常高,不利于普及,其综合社会效益、性价比无法提升,工业总排放量无法得以保证。
  裸塔实乃脱硫烟道,占地之少,惟一烟道尔!建设投资、设备成本,可降至10%左右,运行维护费用大大降低,锅炉容量、燃烧煤质(0.*%~8%高硫煤以及更高含量的劣质煤)适应广泛。60万千瓦锅炉裸塔仅高约25米。塔内烟气流速5~6m/s,喷淋接触时间1秒,高效吸收(1s)、高效脱硫(0.99)、瞬间响应、极易控制,无需前馈,仅用一单回路PID即游刃有余,玩脱硫工艺流程于掌股之间而得心应手。它还可以与烟囱珠联璧合,完美整合为脱硫烟塔GDS(flue gas desulfurization stack),隐形脱硫,简单至极。
  目前,石灰石湿法喷淋吸收塔市场占有率达到95%,但建设、运行、维修维护相当高,占电厂建设成本的10%~20%,这是许多电厂及国外厂矿不愿建设脱硫装置、偷停脱硫装置的根本原因,也是国家环保监管的难点和负担所在,也是造成企业亏损的原因之一。本技术的问世,完全解决了上述问题,对可持续发展经济具有重要积极意义。
  四、社会效益分析
  2008年全国6000千瓦及以上电厂的发电厂用电率为5.90%,比上年增加0.07个百分点。其中,水电厂用电率为0.36%,比上年下降0.06个百分点;火电厂用电率为6.79%,比上年增加0.17个百分点。
  分析表明,导致2008年火电厂用电率增加的一个主要原因就是2008年有一大批机组新增脱硫设施,这些设备安装了容量很大的机电设备,导致厂用电率上升。而60万千瓦发电机组裸塔脱硫装置后可使厂用电率下降约1.25%。
  应用裸塔技术,一台装置一年仅用电即可节约近3千万kWh(按600MW机组BUF 5500kW,氧化风机2000kW,0.7负荷率,年运行5000h计)、节煤1万多吨,全国火电装机容量已达7.5亿千瓦,全上裸塔装置1年将节电近375亿度,节煤1300万吨,这已经相当于一个中等发达国家的全年用电量,如中欧奥地利2006年用电为670亿度。两台600MW机组假设投资8千万改造,2~3年即可收回成本,脱硫装置也可创造利润!一夜之间扒掉所有脱硫装置不是不可能的!或者说,势在必行!我们极其低廉的建设、运行、维护成本为这种可能提供了有力的保障,绿水蓝天工程是利国利民、人人欢迎拥护的公益事业。国家发改委、环保总局在一份《规划》中指出:到2015年和2020年我国装机容量分别达到10 亿千瓦和12 亿千瓦,以保障国民经济的稳步发展、GDP的持续快速增长,实际现在已经突破9亿千瓦,2010年底国家装机就接近十二五末预计装机容量10亿千瓦,整整提前一个“五”的进度,中电联预计2020年装机将达到16亿千瓦,届时裸塔的技术优势、经济效益更加明显、可观,等效开采近二千多万吨煤,而2009年我国煤炭消费约为28亿吨,电煤消费约占50%,这已不是一个小比例,日本、韩国、朝鲜能源、煤炭都很匮乏,每年要花大量外汇进口一次能源,日本是世界第二大能源进口国,2009年进口的动力煤也只有1亿吨。朝鲜煤炭存量也只有6亿吨,加上技术手段落后难以开采,夜间的朝鲜在卫星地图上已被“抠掉”。世界上还有很多国家没有煤炭资源或非常少。
  裸塔每年可减少排放3千万吨CO2温室气体,这是绝对的减少,不需要后续再排放,缓解了温室气体的矛盾,响应了世界环保呼声,声援并实践了世界温室气体减排行动。因为,目前的国民,不仅是电厂人谈硫色变、痛心疾首,更有甚者,煤、油有限,不可再生!
  本技术的应用将影响甚至改变国家电力规划、环保规划、新标准的制定,电力结构、投资政策、倾向等,大力促进“十二五”环保规划的实施,电厂SO2年排放总量将大大减少,可望降低到几百万吨甚至几十万吨,大大小小的燃煤锅炉都可轻松一脱!
  五、建议
  1.紧脱硫缓脱硝
  由于裸塔建设运行维护成本极低,约为常规塔的10%左右,高效低耗,故可广普脱硫,实现全国乃至全球范围的SO2的“0”排放,同时因湿法石灰石脱硫工艺可脱出近50%的氮氧化物,所以不必脱硝(酸雨硫氮比为10:1),酸雨依然会得到很好的治理,让大气处理并循环利用于植物尤其农业,因为氮元素是农作物及植物不可或缺的营养元素。
  氮肥主要包括尿素、硝铵、氯化铵、碳酸氢铵,2009年一季度,我国农用氮、磷、钾化学肥料(折纯)产量实现快速增长,达到1500万吨,同比增长了11%。其中氮肥产量最高,达到1140万吨,同比增长9.44%。由此可见氮元素在农业中的重要地位。
  美国密歇根理工大学森林资源和环境科学学院的科学家经过对密歇根州北部阔叶林20多年的研究发现:大气污染造成的气温和氮含量的适度增加实际上有利于森林生产力的提高,树木在较高温度下生长更快,且如果湿度条件适合,树木在较高氮浓度下能储存更多的碳,他们还要调查林中的木质残体在氮水平提高的情况下是否会分解得更缓慢,从而提高生态系统的碳储存能力。
  氮氧化物可以制造臭氧,一定程度上可以弥补南极臭氧洞。
  因此,鉴于目前国内外环保、大气污染状况,我们可以采取紧脱硫缓脱销的政策。尤其是我国东北地区,有大片的碱性土壤,严重妨碍植物农作物生长,有的甚至寸草不生,我们应该有针对性研究这种人工酸雨是否能改善土壤环境以利于农业,不应该盲目跟风、追逐时髦。迎合环保,不仅仅是脱硫脱硝问题,而综合宏观科学治理环境、改善人居环境、改良生态环境问题,应引起有关专家注意、研究。
  脱硫不脱硝,由此产生的建设、运行、维护成本的降低及一次能源的节约将是不可估量的。
  2.不可持续的可持续经济发展战略
  目前因脱硫造成电厂厂用电率升高,企业亏损,福利下降,再上脱硝,电厂雪上加霜,发电成本增高,工业企业用电成本增高,又将引起其他行业一系列经济、价格波动,将影响经济发展,甚至导致恶性循环,经济危机,使可持续经济发展战略不可持续。而脱硫脱硝白白浪费的一次能源将影响国家长远经济建设、目标的实现。由于裸塔建设、运行维护成本极低,又取消脱硝政令,污染厂矿将有充足的资金及积极的热情响应国家脱硫政策,从而使脱硫环保事业进入良性循环,使环保自身得以可持续发展,使国家经济建设可持续发展战略得到有力支撑,进入良性循环。
  3.暂缓“恃强凌弱”
  为了环保和经济可持续发展,我国采取了上大压小的电力建设政策,从宏观长期利益分析,这一举措有利于节约一次能源,节能减排,利国利民,但从短期利益,尤其个别企业利益考虑,可能不是一些地方电厂、自备电厂、私有电厂所能负担得起的,他们必须筹措资金、寻求融资渠道,或购买电力,或被投资集团购买,即便如此,也需要一个过程,有个盈利支撑点,这期间也不能排放超标硫,企业便处于进退维谷的尴尬境地,建设运行修护成本极其低廉的裸塔为中小电厂提供了最佳企业解决方案,在进行技术经济分析论证后,可以暂缓上大压小,一部分小电厂小锅炉可以上裸塔维持生产,待时机成熟时再上大项目。
  4.响应号召,扩大内需,增加就业
  本技术非常适合对已有湿法脱硫装置的改造,只需改造脱硫岛,搬掉这些大机电设备等就可以了,而脱水系统和制备系统几乎不用动,但所有已有装置都改造,再加上新建机组,将形成巨大的市场空间,造就巨大的GDP和劳动就业,扩大了内需,拉动了相关行业、经济的发展,控制了SO2的排放量,大大降低了国家监管难度,为可持续经济发展战略提供强有力支撑。
  
  参考文献:
  [1]孙厚杰.电厂湿法烟气脱硫吸收塔(申请号201010179965.3)[M].北京:中国国家知识产局,CN101816888A,2010-09-01.
  [2]孙厚杰.裸塔革命——烟气脱硫新技术对环保的影响[M].北京:中国国家知识产权出版社.
  [3]中华人民共和国科学技术部.2008中国科学技术发展报告[R].
  [4]环境保护部,国家发展和改革委员会,国土资源部,住房和城乡建设部水利部,农业部,卫生部,国家统计局,国家林业局,中国气象局,中国地震局,国家海洋局.2009中国环境状况公报[Z].
  [5]国家电力监管委员会,等.2008年电力企业节能减排情况通报[Z].2009.
  [6]环保部.2008年环境统计年报[Z].
  [7]中投顾问.2010-2015年中国化肥市场投资分析及前景预测报告[R].
  (责任编辑:刘辉)
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