石灰石濕法脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化

王劍鋒

(大唐國(guó)際陡河發(fā)電廠，河北 唐山 063028)

0 引言

石灰石濕法煙氣脫硫FGD(Flue Gas Desulphuration)裝置的脫硫效率取決于多種因素，其化學(xué)反應(yīng)眾多且復(fù)雜。對(duì)于一個(gè)已投運(yùn)的FGD系統(tǒng)而言，實(shí)際運(yùn)行工況經(jīng)常偏離設(shè)計(jì)工況(鍋爐燃煤、負(fù)荷、煙氣溫度、煙塵濃度、吸收劑的品質(zhì)等參數(shù)是經(jīng)常變化的)，因此，應(yīng)根據(jù)各個(gè)系統(tǒng)的具體情況進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化，使FGD處于最佳運(yùn)行狀態(tài)。

1 影響石灰石濕法脫硫系統(tǒng)性能的因素分析

1.1 SO2質(zhì)量濃度對(duì)脫硫效率的影響

當(dāng)煙氣中的SO2質(zhì)量濃度較低時(shí)，由于吸收塔出口SO2濃度不會(huì)低于其平衡濃度，因此不會(huì)獲得很高的脫硫效率。實(shí)際上，對(duì)于固定的脫硫設(shè)施來(lái)說(shuō)，隨著SO2質(zhì)量濃度的增加，脫硫效率會(huì)獲得一個(gè)峰值，亦即在某一SO2質(zhì)量濃度值下脫硫效率達(dá)到最高。超過(guò)此值時(shí)，脫硫效率隨著SO2質(zhì)量濃度的增加而降低。煙氣中SO2質(zhì)量濃度與脫硫效率的關(guān)系如圖1所示。

圖1 煙氣中SO2質(zhì)量濃度與脫硫效率的關(guān)系

1.2 脫硫劑(石灰石)品質(zhì)的影響

1.2.1 石灰石的純度

石灰石純度太低由于雜質(zhì)較多會(huì)給脫硫塔的運(yùn)行帶來(lái)一些問(wèn)題，造成吸收劑的耗量及生產(chǎn)費(fèi)用增加，影響石膏的純度和脫硫效率的提高。

1.2.2 石灰石的反應(yīng)活性

吸收劑的反應(yīng)活性表示吸收劑在一種酸性環(huán)境下的轉(zhuǎn)化特性，如果其他因素相同，活性高的石灰石在保持相同石灰石利用率的情況下，可以獲得較高的SO2脫除率。石灰石活性的另一重要影響是對(duì)石膏純度的影響。

1.2.3 石灰石粒徑(細(xì)度)

石灰石的細(xì)度決定了石灰石的比表面積。而FGD系統(tǒng)中溶解固體石灰石的總表面積直接影響漿液pH值和吸收塔內(nèi)溶解的石灰石總量，這些變化決定了脫硫效率。

1.3 運(yùn)行因素的影響

運(yùn)行因素主要包括漿液pH值、漿液飽和度、液氣比、漿液量及停留時(shí)間等，本文著重介紹漿液pH值。

漿液pH值是石灰石濕法脫硫系統(tǒng)的重要運(yùn)行參數(shù)，從反應(yīng)方程來(lái)看，較高的pH值意味著漿液中石灰石的濃度很高，有利于SO2的吸收。為了保證較高的SO2吸收速率，必須保證較高的pH值，吸收塔中的pH值通過(guò)不斷加石灰石進(jìn)行補(bǔ)充控制，但也不是pH值越高越好。pH值高的漿液有利于SO2的吸收，而pH值的低漿液則有助于Ca2+的溶出，二者相互對(duì)立。因此，漿液pH值既不能太高也不能太低，一般情況下，應(yīng)控制吸收塔漿液的pH值在5.0 ～6.0。

1.4 其他因素

1.4.1 煙氣分析儀

煙氣分析儀的準(zhǔn)確性不僅影響參數(shù)的準(zhǔn)確性，同時(shí)影響運(yùn)行人員對(duì)于工況的分析判斷，從而嚴(yán)重干擾脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行調(diào)整，因此，必須對(duì)煙氣分析儀定期校驗(yàn)。

1.4.2 煙氣含塵影響

電除塵裝置效率降低，大量飛灰進(jìn)入脫硫系統(tǒng)，對(duì)脫硫系統(tǒng)產(chǎn)生有害影響，主要包括降低石膏品質(zhì)、加劇設(shè)備磨損、增加脫水難度、“封閉”吸收劑使其失去活性及增加廢水排放量等。

1.4.3 Cl－影響

Cl－是脫硫系統(tǒng)中難以脫除的成分，因此，脫硫塔在運(yùn)行一段時(shí)間后會(huì)產(chǎn)生Cl－的大量積聚。其負(fù)面影響主要表現(xiàn)在造成設(shè)備腐蝕、脫水困難及增加廢水排放等方面。

2 脫硫系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化策略

脫硫系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化的目的是在滿足環(huán)保要求的前提下實(shí)現(xiàn)安全、經(jīng)濟(jì)和穩(wěn)定運(yùn)行。針對(duì)以上分析提出了相應(yīng)的運(yùn)行優(yōu)化策略。

2.1 循環(huán)泵優(yōu)化運(yùn)行

液、氣比決定吸收酸性氣體所需的吸收面積。在其他參數(shù)一定的情況下，提高液、氣比相當(dāng)于增大了吸收塔內(nèi)的噴淋密度，使氣液間的接觸面積增大，吸收過(guò)程的推動(dòng)力增大，脫硫效率也增大。但液、氣比超過(guò)一定程度，吸收率將不會(huì)顯著提高，而吸收劑及動(dòng)力的消耗急劇增大。液、氣比對(duì)脫硫效率的影響如圖2所示。

圖2 液、氣比對(duì)脫硫效率的影響

吸收塔的液、氣比隨鍋爐負(fù)荷的改變而改變。根據(jù)鍋爐負(fù)荷和煙氣量及煙氣中SO2含量等參數(shù)變化，決定漿液循環(huán)泵的開、啟數(shù)量和組合方式(主要有#1/#2/#3，#1/#2，#1/#3，#2/#3 4種組合方式)，在不降低脫硫效率的情況下，降低耗電量。同時(shí)，循環(huán)泵投入減少，脫硫系統(tǒng)阻力降低，相應(yīng)增壓風(fēng)機(jī)功耗降低。

對(duì)于設(shè)計(jì)余量相對(duì)較低的脫硫機(jī)組，循環(huán)泵的優(yōu)化組合比較困難，特別對(duì)于燃煤硫分及機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)較大的工況，運(yùn)行人員的選擇余地會(huì)大大減小。對(duì)此，根據(jù)運(yùn)行試驗(yàn)給出如下優(yōu)化建議:

(1)低負(fù)荷及低硫分工況，選擇下面2層循環(huán)泵運(yùn)行，穩(wěn)定pH值在5.6以下;

(2)高負(fù)荷及高硫分工況，選擇3臺(tái)循環(huán)泵同時(shí)運(yùn)行，控制較高的pH值(6.2以下)，必要時(shí)選擇添加增效劑;

(3)低負(fù)荷及高硫分工況，選擇上、中2層循環(huán)泵運(yùn)行，控制適當(dāng)?shù)膒H值;

(4)高負(fù)荷及低硫分工況，選擇上、下2層循環(huán)泵運(yùn)行，控制適當(dāng)?shù)膒H值。

2.2 pH 值控制

2.2.1 吸收塔漿液pH值控制的難點(diǎn)

(1)過(guò)程本身具有嚴(yán)重的非線性。

(2)少量的雜質(zhì)會(huì)使過(guò)程特性發(fā)生嚴(yán)重畸變，難以建立準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型。

(3)pH傳感器的動(dòng)態(tài)特性易受外界環(huán)境(如溫度、壓力、電極的清潔度等)變化的影響。

(4)其實(shí)際反應(yīng)大多發(fā)生在容器和循環(huán)管路中，且反應(yīng)過(guò)程中還存在著混合和測(cè)量等滯后因素，因而系統(tǒng)存在較大時(shí)滯，增加了pH值控制的難度。

2.2.2 解決辦法

(1)解決pH值控制的關(guān)鍵在于解決復(fù)雜的非線性控制問(wèn)題。

(2)合理控制石灰石的濃度。(3)添加緩沖劑。

2.2.3 運(yùn)行控制優(yōu)化策略

吸收塔供漿液流量的控制目標(biāo)是既達(dá)到預(yù)期的脫硫效率又獲得吸收劑的最佳利用率，同時(shí)還要考慮pH值的穩(wěn)定性，防止對(duì)副產(chǎn)品石膏品質(zhì)產(chǎn)生影響及對(duì)設(shè)備造成腐蝕。

(1)供漿控制，采取小流量連續(xù)供漿方式，在SO2質(zhì)量濃度設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，保持pH值穩(wěn)定可控，避免大幅波動(dòng)(pH值控制在5.0～6.0較適宜)。

(2)在SO2質(zhì)量濃度偏高時(shí)(超越設(shè)計(jì)值/實(shí)際控制能力)，增加供漿量，適當(dāng)提高pH值(≤6.2)，高pH值不宜保持時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，否則會(huì)造成亞硫酸鹽質(zhì)量濃度升高、漿液質(zhì)量下降、脫硫塔內(nèi)反應(yīng)惡化、脫硫效率下降，同時(shí)導(dǎo)致設(shè)備結(jié)垢。

(3)供漿自動(dòng)調(diào)節(jié)。漿液流量控制回路中，以吸收塔漿液pH值作為反饋控制信號(hào)，采用吸收塔入口SO2負(fù)荷信號(hào)(入口煙氣體積流量與入口SO2質(zhì)量濃度的乘積)作為前饋信號(hào)。目前，大多采用煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)CEMS(Continuous Emission Monitoring System)來(lái)獲得入口SO2體積流量和質(zhì)量濃度這一前饋信號(hào)，從而改善調(diào)節(jié)回路的響應(yīng)時(shí)間。pH值調(diào)節(jié)器和石灰石流量調(diào)節(jié)器構(gòu)成串級(jí)回路，在這種調(diào)節(jié)方式中，吸收塔供漿流量的設(shè)定值與吸收塔入口SO2負(fù)荷成正比。根據(jù)吸收塔漿液pH值來(lái)微調(diào)漿液供給量。

這種調(diào)節(jié)方式可以迅速跟蹤鍋爐負(fù)荷和燃煤含硫量的變化，獲得較好的響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)可以使循環(huán)漿液的pH值保持在合適的變化范圍內(nèi)。由于選用了吸收塔漿液流量為副調(diào)節(jié)參數(shù)，減少了漿液流量波動(dòng)對(duì)pH值的影響。如果考慮入口煙氣參數(shù)對(duì)煙氣流量的影響，可以根據(jù)入口煙氣的溫度、壓力和濕度來(lái)修正入口煙氣流量。

根據(jù)煙氣中SO2的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，按SO2吸收率計(jì)算石灰石(CaCO3)用量(漿液石灰石質(zhì)量分?jǐn)?shù)按25%計(jì))來(lái)調(diào)節(jié)石灰石漿流量

式中:qVCaCO3為石灰石漿液體積流量，m3/h;qVG為煙氣體積流量，m3/h;φ(SO2)為SO2體積分?jǐn)?shù)，%;X為SO2吸收率，%;100/64為SO2和 CaCO3的相當(dāng)量;25%為質(zhì)量分?jǐn)?shù);ρ為漿液質(zhì)量濃度，kg/m3;η1為石灰石純度，0.80～0.92;η2為石灰石利用率0.90 ～0.98。

(1)pH值修正(設(shè)煙氣流量修正系數(shù)為α)。5.0 ＜pH 值 ＜5.6，正常，無(wú)需修正;pH 值 ＞5.6，偏高，α 取0.9;pH 值 ＜5.0，偏低，α 取 1.1。

(2)煙氣流量修正(設(shè)煙氣流量修正系數(shù)為 β)。

［273/(273+t)］× qV1β =273/(273+t)，式中:t為增壓風(fēng)機(jī)入口煙溫，110～160℃;qV1為煙氣流量。

經(jīng)過(guò)修正，吸收塔供漿調(diào)節(jié)閥流量設(shè)定值

2.3 漿液濃度控制

合理的石膏漿液密度，可大大提高石灰石的利用率，從而提高SO2的吸收率，同時(shí)有利于石膏品質(zhì)的提高?？刂仆緩接?種:一種是控制漿液停留時(shí)間，另一種是控制吸收漿液的過(guò)飽和度。

漿液停留時(shí)間長(zhǎng)有利于石灰石與SO2完全反應(yīng)并使亞硫酸鹽充分氧化，形成高品質(zhì)石膏。漿液停留時(shí)間取決于吸收塔的體積，石灰石濕法脫硫工藝停留時(shí)間一般控制在12～24 h。

吸收塔漿液過(guò)飽和度主要通過(guò)以下途徑控制:增加氧化風(fēng)，強(qiáng)制氧化，促進(jìn)氧化進(jìn)程;啟動(dòng)初期及運(yùn)行中向循環(huán)漿液中添加CaSO4·2H2O晶種，降低CaSO4的過(guò)飽和度;增加添加劑。

2.4 添加劑的應(yīng)用

在脫硫系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，SO2質(zhì)量濃度及機(jī)組負(fù)荷大幅波動(dòng)及電除塵故障等因素，常會(huì)使脫硫系統(tǒng)出現(xiàn)異常(如石灰石盲區(qū)、漿液中毒、漿液大量起泡等)，在運(yùn)行中適當(dāng)投入添加劑可有效緩解。

(1)短時(shí)無(wú)法正常供漿及吸收塔漿液有“中毒”現(xiàn)象，pH值無(wú)法保持時(shí)，適量添加氫氧化鈣(若漿液中毒嚴(yán)重，必須同時(shí)采取換漿措施)。

(2)供漿正常、pH值維持正常，循環(huán)泵全部投入或不能正常投入，脫硫效率難以控制，適量添加增效劑。

(3)消泡劑每天添加1.25 L/(臺(tái)·次)，當(dāng)機(jī)組連續(xù)或頻繁投油時(shí)，應(yīng)及時(shí)增加消泡劑。

3 化驗(yàn)分析在脫硫運(yùn)行優(yōu)化中的應(yīng)用

3.1 化驗(yàn)項(xiàng)目及周期

化驗(yàn)項(xiàng)目及周期見(jiàn)表1。

3.2 化驗(yàn)分析的重要作用及運(yùn)行優(yōu)化

(1)通過(guò)對(duì)石灰石純度、細(xì)度、活性的檢測(cè)，可以從源頭上控制石灰石的品質(zhì)，從而配制高品質(zhì)的吸收漿液，同時(shí)對(duì)于因石灰石品質(zhì)及活性降低影響脫硫效率的工況能夠及時(shí)做出調(diào)整。

(2)由于pH計(jì)、密度計(jì)受介質(zhì)及環(huán)境等因素的影響，在線監(jiān)測(cè)會(huì)產(chǎn)生偏差，因此，定期化驗(yàn)指標(biāo)，可以校正在線參數(shù)，從而提高在線監(jiān)測(cè)儀表的準(zhǔn)確性，對(duì)于工況分析及運(yùn)行調(diào)整都是必要的。

表1 化驗(yàn)項(xiàng)目及周期

續(xù)表

(3)通過(guò)漿液化驗(yàn)指標(biāo)分析，可以直接發(fā)現(xiàn)脫硫塔內(nèi)反應(yīng)的好壞及異常情況，從而指導(dǎo)運(yùn)行調(diào)整。若發(fā)現(xiàn)漿液中酸不溶物超標(biāo)或氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)超標(biāo)嚴(yán)重，必須增加廢水排放，必要時(shí)置換漿液。

(4)通過(guò)石膏成分分析，發(fā)現(xiàn)石膏品質(zhì)好壞并能據(jù)此做出有效調(diào)整。

脫硫過(guò)程包含一系列復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程，從反應(yīng)介質(zhì)、反應(yīng)過(guò)程到終產(chǎn)物化學(xué)參數(shù)的監(jiān)測(cè)對(duì)于脫硫系統(tǒng)的高效穩(wěn)定運(yùn)行起到十分重要的作用，同時(shí)，也是運(yùn)行優(yōu)化的依據(jù)。因此，在日常工作中，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)脫硫過(guò)程化學(xué)參數(shù)的定期檢測(cè)，以此來(lái)調(diào)整FGD裝置的運(yùn)行工況。

4 結(jié)束語(yǔ)

脫硫運(yùn)行優(yōu)化基于每套脫硫系統(tǒng)，分析決定性的化學(xué)成分，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行運(yùn)行優(yōu)化。實(shí)踐證明，通過(guò)運(yùn)行優(yōu)化可以達(dá)到控制環(huán)保指標(biāo)、降低腐蝕及結(jié)垢、提高經(jīng)濟(jì)性的目的。

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