石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)的優(yōu)化試驗(yàn)研究

陳 彪， 胡松如， 周曉耘， 曹志勇

（1．浙江省電力公司電力科學(xué)研究院， 杭州 310014； 2．浙江省能源集團(tuán)有限公司， 杭州 310012）

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石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)的優(yōu)化試驗(yàn)研究

陳 彪1， 胡松如2， 周曉耘1， 曹志勇1

（1．浙江省電力公司電力科學(xué)研究院， 杭州 310014； 2．浙江省能源集團(tuán)有限公司， 杭州 310012）

敘述了目前石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀和存在的問題， 提出了基于實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)分析為基礎(chǔ)的參數(shù)尋優(yōu)方法，并應(yīng)用該方法進(jìn)行了脫硫系統(tǒng)的 pH 值和密度尋優(yōu)試驗(yàn)， 試驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化調(diào)整后提高了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和穩(wěn)定性。

煙氣脫硫；優(yōu)化分析；調(diào)整；運(yùn)行

石灰石-石膏濕法煙氣脫硫（FGD）技術(shù)已基本成熟， 其市場占有率在 80%以上。 由于燃用的煤質(zhì)、設(shè)備性能、運(yùn)行管理方式等方面的差異，運(yùn)行的脫硫系統(tǒng)均存在較大的優(yōu)化空間。在提倡無旁路脫硫系統(tǒng)的今天，脫硫系統(tǒng)的重要性已和主機(jī)同等重要，對脫硫系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，從而提高系統(tǒng)運(yùn)行效率與穩(wěn)定性顯得格外重要。

FGD 系統(tǒng)的優(yōu)化是一個(gè)綜合過程， 應(yīng)該包括3 個(gè)方面內(nèi)容[1-2]： 一是工 藝的優(yōu)化選擇 ； 二 是選定系統(tǒng)工藝的設(shè)計(jì)、 運(yùn)行優(yōu)化； 三是 FGD 系統(tǒng)的國產(chǎn)化。在此針對發(fā)電廠運(yùn)行中出現(xiàn)的問題，主要從運(yùn)行參數(shù)優(yōu)化的角度來進(jìn)行試驗(yàn)分析。

1 濕法煙氣脫硫系統(tǒng)常見問題分析

1.1 增壓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)

增壓風(fēng)機(jī)是克服脫硫裝置系統(tǒng)內(nèi)阻力，并穩(wěn)定鍋爐引風(fēng)機(jī)出口壓力的主要設(shè)備。增壓風(fēng)機(jī)一般采用干態(tài)布置， 位于原煙道與氣氣換熱器（GGH）之間，盡管這種方式功耗較大，但風(fēng)機(jī)工作在熱煙氣環(huán)境中，降低了葉片的粘污與腐蝕傾向。

隨著環(huán)保要求的提高，脫硫系統(tǒng)被要求逐步取消旁路煙道。在無旁路脫硫系統(tǒng)中，增壓風(fēng)機(jī)系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行中經(jīng)常出現(xiàn)的問題是風(fēng)機(jī)前負(fù)壓或風(fēng)機(jī)后正壓值控制不穩(wěn)，影響爐膛負(fù)壓穩(wěn)定。另外， 對設(shè)置了 GGH裝置的脫硫系統(tǒng)，增壓風(fēng)機(jī)的這種熱態(tài)布置方式具有增大 GGH 漏風(fēng)率的趨勢， 對 GGH 密封風(fēng)壓要求較高， 因而目前設(shè)置了 GGH 的發(fā)電廠在取消旁路之前均要求將增壓風(fēng)機(jī)與引風(fēng)機(jī)合二為一，從而解決增壓風(fēng)機(jī)風(fēng)壓不穩(wěn)或設(shè)備故障帶來的影響。

1.2 煙氣換熱系統(tǒng)

安裝 GGH 的脫硫系統(tǒng)一般采用回轉(zhuǎn)式再熱器，利用原煙氣對凈煙氣進(jìn)行加熱，使排煙溫度達(dá)到露點(diǎn)之上，減輕對凈煙道和煙囪的腐蝕。同時(shí)也降低了進(jìn)入吸收塔的煙氣溫度，從而降低吸收塔內(nèi)對防腐的工藝技術(shù)要求。

在運(yùn)行中，煙氣換熱器常出現(xiàn)的問題是換熱面的結(jié)垢，這不僅使傳熱面減少，熱風(fēng)溫度降低，而且使腐蝕加劇，同時(shí)換熱器兩側(cè)差壓和風(fēng)機(jī)電耗也增大，GGH 結(jié)垢有其自身工藝設(shè)計(jì)的原因，從垢物的致密程度和成分分布看，也和吸收塔內(nèi)漿液的pH值與密度控制關(guān)系密切。

1.3 吸收塔系統(tǒng)

吸收塔是 FGD 系統(tǒng)的核心， 在其中完成原煙氣中 SO2， SO3， HF， HCl和灰塵的吸收。

吸收塔在運(yùn)行中出現(xiàn)的問題主要是吸收塔液位及 pH 值控制不合理、自動調(diào)節(jié)能力差、漿液密度控制不當(dāng)，導(dǎo)致系統(tǒng)能耗和磨損率顯著升高。不合理的參數(shù)控制還易使脫硫系統(tǒng)進(jìn)入盲區(qū)，漿液被除霧器二次夾帶后繼續(xù)與煙氣中的 SO2反應(yīng)，產(chǎn)生致密的硬垢層，堵塞除霧器與GGH 換熱面[3]。 嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致機(jī)組必須停機(jī)處理， 因此， 對脫硫系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化是實(shí)施取消脫硫旁路之前的首要工作。

2 吸收塔pH值優(yōu)化及結(jié)果分析

2.1 系統(tǒng) pH 值優(yōu)化的理論依據(jù)

在噴淋脫硫技術(shù)中， 不同的pH值對系統(tǒng)的影響有所不同。高 pH 值運(yùn)行時(shí)，由于漿液中有較多的 CaCO3存在， 不利于石灰石的溶解。 由傳質(zhì)方程看，pH 值較高時(shí)，液相傳質(zhì)系數(shù)增大，SO2吸收速率也較大； 另外， 高 pH 值條件下，由于 CaSO3·1/2H2O 的 溶 解 度 很 低 ， 極 易 達(dá) 到 過 飽和而結(jié)晶在塔壁及塔內(nèi)件上，形成很厚的垢層，造成系統(tǒng)結(jié)垢[4]。

當(dāng) pH 值降低時(shí)， 雖然有利于石灰石的溶解，但是 SO2的吸收速率減小， 影響脫 硫效 率。 因此，pH 值優(yōu)化試驗(yàn)的目的是在某工況下找出一個(gè)最佳的pH值，既能滿足脫硫效率，又使石膏中CaCO3的含量較低， 體現(xiàn)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

2.2 優(yōu)化試驗(yàn)方法

優(yōu)化試驗(yàn)選在國華寧海發(fā)電廠1號機(jī)組上進(jìn)行， 該脫硫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)燃煤硫分為 0.70%， 但在實(shí)際運(yùn)行中， 硫分均在 0.5%左右， 對應(yīng)的原煙氣中 SO2濃度變化范圍（以下數(shù)據(jù)均折算到標(biāo)況）基本 上 在 1 250～1 400 mg/m3之 間 ， 且 硫 分 比 較 穩(wěn)定。為了使試驗(yàn)結(jié)果對實(shí)際運(yùn)行具有指導(dǎo)性，選擇了機(jī)組在燃燒常用煤種的情況下，即原煙氣中SO2濃度為 1 300～1 400 mg/m3的變化區(qū)間進(jìn)行pH 值尋優(yōu)試驗(yàn)。 試驗(yàn)期間盡量保證各個(gè)負(fù)荷區(qū)間內(nèi)硫分的平均值為 1 350mg/m3左右， 即接近實(shí)際運(yùn)行工況時(shí)的硫分濃度。

由于不同的 SO2流量下達(dá)到相同的脫硫效率需要調(diào)節(jié)系統(tǒng)在不同的 pH 值下運(yùn)行。 為此，將機(jī)組負(fù)荷劃分為高、中、低3個(gè)區(qū)間，尋優(yōu)試驗(yàn)分別在3個(gè)不同的負(fù)荷區(qū)間內(nèi)進(jìn)行，在各區(qū)間內(nèi)均保持3臺漿液循環(huán)泵和1臺氧化風(fēng)機(jī)運(yùn)行。這3 個(gè) 區(qū) 間 分 別 是 550～600 MW， 450～550 MW，300～450MW。 在各區(qū)間內(nèi)， 分別將吸收塔 pH 值設(shè)定在 5.4， 5.5， 5.6， 5.7， 5.8， 5.9， 6.0， 6.1。 試驗(yàn)期間吸收塔 pH 值采用手動控制方式，以減小運(yùn)行中 pH 值的波動， 對各個(gè) pH 值控制點(diǎn)運(yùn)行穩(wěn)定后進(jìn)行吸收塔取樣化驗(yàn)分析，取樣時(shí)吸收塔漿液的密度均控制在 1 140 kg/m3左右。

對各個(gè)工況點(diǎn)下所取得的石膏樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室分析，分析結(jié)果的主要評價(jià)依據(jù)是脫硫效率和石膏成分， 并且以石膏中的 CaCO3含量為主要控制指標(biāo)。

2.3 優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果及最優(yōu)點(diǎn)確定

2.3.1 高負(fù)荷區(qū)間試驗(yàn)結(jié)果

通過在不同pH 值下取樣分析石膏品質(zhì)和記錄脫硫效率， 可得在機(jī)組負(fù)荷為 550～600 MW時(shí)， 不同 pH 值下脫硫效率、石膏中的 CaCO3含量關(guān)系如圖1所示，圖中圓點(diǎn)面積大小代表石膏中的 CaCO3含量的高低。

圖1 高負(fù)荷區(qū)間不同 pH 值下效率和 CaCO3含量關(guān)系

可以看出，在石灰石品質(zhì)不作調(diào)整時(shí)，較低的 pH 值條件下， 盡管石膏中 CaCO3含量較低，石膏品質(zhì)較好， 但是脫硫效率未達(dá)到 95%的要求。 隨著 pH 值的升高，脫硫效率也逐漸增大，當(dāng)pH 值達(dá)到 5.8 時(shí)，脫硫效率達(dá)到 95%的目標(biāo)值，pH 值再繼續(xù)升高時(shí)，脫硫效率升高并不多，反而石膏中 CaCO3含量明顯上升， 當(dāng) pH 值達(dá)到6.1 時(shí)， 石膏中 CaCO3含量已達(dá)到 4.78%， 粉耗增高，運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性明顯降低。

由此可知， 系統(tǒng)欲達(dá)到 95%的脫硫效率， 在滿足石膏中 CaCO3含量最小的情況下， 只能選擇5.8 這個(gè)控制點(diǎn)。 計(jì)算 pH 值為 5.8 時(shí)的 Ca/S 比為1.031（設(shè)計(jì)值附近）， 比較理想， 故該負(fù)荷區(qū)間內(nèi)最佳 pH 值控制點(diǎn)為 5.8。

2.3.2 中負(fù)荷區(qū)間試驗(yàn)結(jié)果

在 450～550MW 的負(fù)荷區(qū)間內(nèi)， 變動系統(tǒng)的pH 值， 通過取樣分析， 優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

圖2 中負(fù)荷區(qū)間不同 pH 值下效率和 CaCO3含量關(guān)系

由圖2 看出，中負(fù)荷區(qū)間內(nèi)欲達(dá)到 95%的脫硫效率， 在石膏中的 CaCO3含量最低的約束條件下，只能取 pH 值為 5.75 這個(gè)點(diǎn)。計(jì)算得該點(diǎn)的Ca/S 比為 1.037。實(shí)際上， 當(dāng) pH 值為 5.60 時(shí)，計(jì)算得其 Ca/S 比為 1.027， 從漿液的耗量來講， pH值為 5.60 更具有經(jīng)濟(jì)性， 但是 pH 值為 5.60 時(shí)，其脫硫效率無法達(dá)到 95%這個(gè)限定目標(biāo)， 綜合比較得 pH 值為 5.75 是該試驗(yàn)區(qū)間的最佳控制點(diǎn)。

2.3.3 低負(fù)荷區(qū)間試驗(yàn)結(jié)果

在 300～450MW 的負(fù)荷區(qū)間的試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 低負(fù)荷區(qū)間不同 pH 值下效率和 CaCO3含量關(guān)系

由圖3可知，在低負(fù)荷區(qū)間內(nèi)，脫硫效率達(dá)到 95%，滿足 CaCO3含量最小的運(yùn)行工況為 pH值 5.60， 在 該點(diǎn)下 計(jì)算 得 其 Ca/S 比 為 1.036， 在設(shè)計(jì)值附近，故系統(tǒng)在該負(fù)荷區(qū)間內(nèi)最佳 pH 值控制點(diǎn)確定為 5.60。

3 吸收塔漿液密度優(yōu)化及結(jié)果分析

3.1 密度優(yōu)化的理論依據(jù)

吸收塔中反應(yīng)漿池的不同密度將對系統(tǒng)產(chǎn)生不同的影響。漿液密度較低時(shí)，石灰石的利用率也較低，且經(jīng)過石膏旋流站濃縮后石膏漿液水分偏高，不易脫水。在保證漿液循環(huán)泵流量不變的情況下，提高吸收塔漿液的密度時(shí)，相當(dāng)于增大了液滴內(nèi)的離子濃度， 從而加快了 SO2分子穿透氣膜進(jìn)入液膜后的反應(yīng)速度。此外，密度越高，相當(dāng)于石膏漿液在系統(tǒng)內(nèi)停留時(shí)間延長，同時(shí)石膏結(jié)晶生長期也延長，易導(dǎo)致石膏脫水困難、廢水不易排出而造成塔內(nèi)雜質(zhì)離子富集，最終影響脫硫反應(yīng)平衡的正向進(jìn)行。另外，過高的密度也易導(dǎo)致系統(tǒng)的磨損加劇。

因此，吸收塔漿液的運(yùn)行密度一定有1個(gè)最佳值，最佳密度的確定依據(jù)主要有3點(diǎn)：易于脫水；對設(shè)備磨損較??；體現(xiàn)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

3.2 密度優(yōu)化試驗(yàn)方法及結(jié)果

為避免運(yùn)行因素的影響，密度優(yōu)化試驗(yàn)中盡量保持供漿流量和吸收塔液位的穩(wěn)定。循環(huán)泵和氧化風(fēng)機(jī)按正常狀態(tài)投運(yùn)，系統(tǒng) pH 值按優(yōu)化試驗(yàn)結(jié)果來控制。在機(jī)組負(fù)荷及硫分基本穩(wěn)定的前提下，對不同密度下的漿液取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。

從試驗(yàn)結(jié)果可以看出， 當(dāng)保持吸收塔 pH 值固定時(shí)， 漿液的密度值越低，石膏中 CaCO3含量越高。隨著漿液密度的逐漸上升，當(dāng)密度達(dá)到1 140 kg/m3時(shí)， 脫硫效率達(dá)到 95%以上， 之后CaCO3含量會隨著密度的升高逐漸降低。 但是密度也不能控制得過高，因?yàn)檫^高的密度易導(dǎo)致CaSO4的過飽和度偏高， 從而出現(xiàn)石膏晶核， 晶核會在異物的表面上積聚、生長，容易在缺少攪拌的吸收塔壁區(qū)域結(jié)垢；另外密度過高，雖然石灰石利用率較高，但是必然導(dǎo)致循泵的電耗增大，增加設(shè)備磨損，縮短使用壽命。因而最優(yōu)密度的確定需要多方面考慮，綜合權(quán)衡利弊。

表1 不同密度下石膏成分化驗(yàn)結(jié)果

雖然密度和脫硫效率之間并沒有直接的關(guān)系，但是為了直觀地得出一個(gè)最佳的密度值或密度區(qū)間，將不同密度下石膏中碳酸鈣含量的大小同脫硫效率的關(guān)系體現(xiàn)于圖4中。

圖4 不同密度下石膏中 CaCO3含量變化關(guān)系

考慮到外排石膏涉及到公用系統(tǒng)相互調(diào)配，加之實(shí)際運(yùn)行中負(fù)荷與硫分的波動，將最佳密度控制在某一個(gè)定值并不具備實(shí)際的指導(dǎo)意義。由此將最優(yōu)密度值限定在一個(gè)區(qū)間內(nèi)，在該區(qū)間內(nèi)， 既要保證石膏中 CaCO3的含量較低， 又要使石膏晶粒大小適中，脫水時(shí)不會堵塞濾布。由圖4 可知， 脫硫效率為 95%以上的點(diǎn)較多， 但從系統(tǒng)可靠性和經(jīng)濟(jì)性出發(fā)，本著不影響脫水效果，吸收塔漿液密度越小越好的原則，得到了密度為1 140～1 160 kg/m3這個(gè)最優(yōu)密度區(qū)間。

4 優(yōu)化調(diào)整后效果檢驗(yàn)

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，確定了寧海1號機(jī)脫硫系統(tǒng)最佳 pH 值和最佳密度值，以此為依據(jù)，運(yùn)行人員對1號機(jī)進(jìn)行了1個(gè)月的運(yùn)行檢驗(yàn)，脫硫效率均滿足要求，對運(yùn)行調(diào)整后的石膏樣每4天進(jìn)行1次化驗(yàn)分析，結(jié)果如表2所示。

石膏分析結(jié)果顯示了系統(tǒng)按優(yōu)化后的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整試運(yùn)的效果，從石膏分析數(shù)據(jù)來看，優(yōu)化調(diào)整的結(jié)果降低了石膏中 CaCO3的含量， 提高了石膏的品質(zhì)，同時(shí)提升了系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性與穩(wěn)定性。

表2 優(yōu)化調(diào)整后石膏漿液成分化驗(yàn)結(jié)果%

5 結(jié)語

脫硫系統(tǒng)取消旁路后，系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性顯得異常重要。運(yùn)行中系統(tǒng)結(jié)垢和堵塞問題與運(yùn)行的工藝參數(shù)有密切聯(lián)系，合理的參數(shù)控制有利于緩解系統(tǒng)結(jié)垢情況，提升系統(tǒng)運(yùn)行的安全性。

漿液 pH 值與密度值是影響脫硫系統(tǒng)效率和經(jīng)濟(jì)指標(biāo)的重要參數(shù)，應(yīng)用負(fù)荷分段優(yōu)化的方法，可以獲得運(yùn)行中具有實(shí)際指導(dǎo)意義的優(yōu)化參數(shù)。該參數(shù)用于運(yùn)行實(shí)踐，不僅可以在滿足脫硫效率的同時(shí)，使石灰石粉耗進(jìn)一步降低，而且可以規(guī)范運(yùn)行操作，提升系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性。

[1]周祖飛.燃煤電廠煙氣脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)化[J].浙江電力，2008，40（5）∶39-40.

[2]曾庭華，楊華.濕法煙氣脫硫系統(tǒng)的安全性及優(yōu)化[M].北京∶中國電力出版社，2004.

[3]劉紹銀.濕法脫硫系統(tǒng)結(jié)垢的化學(xué)機(jī)理及運(yùn)行控制分析[J].熱力發(fā)電，2011，40（1）∶70-72.

[4]WARYCH J，SZYMANOWSKI M.Optimum values of process parameters of the “Wet Limestone Flue Gas Desulfurization System”[J].Chem Eng Technol，2001，25（4）∶427-432.

（本文編輯：陸 瑩）

Experimental Study on Optim ization of Limestone-gypsum WFGD System

CHEN Biao1，HU Song-ru2，ZHOU Xiao-yun1，CAO Zhi-yong1
（1.Z（P）EPC Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China；2.Zhejiang Provincial Energy Group Co.， Ltd， Hangzhou 310006， China）

This paper introduces application status and existing problem in limestone-gypsum WFGD system and proposes an optimizationmethod based on laboratory data analysis.Themethod is used for pH and density optimization testof desulphurization system， the result ofwhich shows that economic efficiency and stability of the system operation are improved after the optimization.

FGD； analysis and optimization；adjustment；operation

X701.3

： B

： 1007-1881（2012）11-0053-04

2012-08-31

陳 彪（1976-）， 男， 四川射洪人， 工程師， 從事發(fā)電廠環(huán)境污染與治理研究工作。