濕法脫硫系統(tǒng)結(jié)垢分析及防治措施

王樹東，劉 娟，徐 鴻，胡三高

(華北電力大學(xué) 電站設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與控制教育部重點實驗室，北京 102206)

0 引言

濕法脫硫技術(shù)是目前火電廠采用最廣的脫硫技術(shù)，具有脫硫劑原料廉價，效率非常高等優(yōu)點，但濕法脫硫工藝缺點就是結(jié)垢問題，脫硫塔結(jié)垢的問題已經(jīng)嚴重影響了系統(tǒng)的安全運行。

通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)，無論從設(shè)備上還是應(yīng)用上，脫硫水平與國家環(huán)保要求仍有差距，結(jié)垢、堵塞等問題依然沒有得到解決，實際運行效率達不到要求，脫硫系統(tǒng)還需要更進一步的完善、改進。

1 垢的形貌分析

圖1 脫硫管道結(jié)垢圖Fig.1 Scale in desulphurization pipelines

圖1，2，3是脫硫系統(tǒng)中部分結(jié)垢的現(xiàn)場圖片，脫硫系統(tǒng)中的吸收塔、管道、換熱器、除霧器等都存在非常嚴重的結(jié)垢問題，結(jié)垢會引起壓損增大、設(shè)備堵塞等問題，目前脫硫設(shè)備的停用很多是因結(jié)垢引起的。

本文對定州、岱海發(fā)電廠2×600 MW機組的GGH垢進行采樣分析，定州電廠結(jié)垢物呈白色，略微發(fā)黃，結(jié)垢物分布差異明顯，質(zhì)地相對疏松，如圖4所示。岱海電廠結(jié)垢物呈灰白色，質(zhì)地堅硬致密，成塊狀物，如圖5所示。

圖6 岱海電廠結(jié)垢物的SEM圖Fig.6 SEM results of scale in Daihai Power Plant

圖7 定州電廠結(jié)垢物SEM圖Fig.7 SEM results of scale in Dingzhou

兩個電廠換熱單元上的結(jié)垢物，如圖8所示。其中的主要成分是石膏和硬石膏，同時還有一定量的硅酸鋁成分。但是物相組成具有明顯的差異:岱海電廠結(jié)垢物樣品中的礦物相主要是莫來石(Al6Si2O13)和二水石膏 (CaSO4·2H2O);定州電廠垢中缺少莫來石，硫酸鈣是以無水石膏(CaSO4)和燒石膏 (CaSO4·1/2H2O)兩種物相存在[2]。

圖8 定州電廠(DZ)和岱海電廠(DH)GGH垢的XRD譜圖Fig.8 XRD results in Dingzhou and Daihai Power Plant

2 結(jié)垢原因

2.1 煤質(zhì)的影響

煤質(zhì)環(huán)境多種多樣，但是普遍灰分較高，一般在15%～25%之間。當(dāng)機組配套除塵器的效率較低時，會導(dǎo)致FGD系統(tǒng)中飛灰濃度升高，進而影響GGH換熱器等表面積灰嚴重。進入脫硫系統(tǒng)的煙氣飛灰濃度較大時，就會引發(fā)脫硫設(shè)備的堵塞結(jié)垢問題。

2.2 工藝參數(shù)控制、控制條件的影響

采用自然氧化工藝時，較高pH值下，容易生成CaSO3·1/2H2O軟垢，進而生成CaSO4·2H2O硬垢;在石灰系統(tǒng)中，較高pH值下，進入脫硫系統(tǒng)煙氣中的CO2易再碳酸化，生成CaCO3沉積，而石灰石系統(tǒng)則沒有CO2再碳酸化的問題存在。系統(tǒng)采用強制氧化工藝時，在吸收區(qū)內(nèi)，漿液的Ca2+，濃度變化與單位體積內(nèi)吸收SO2的濃度成正比，所以當(dāng)氣液比太小、密度太低時，石膏飽和度就會超過臨界值，導(dǎo)致結(jié)垢發(fā)生。

在正常運行中，要注意控制溫度和露點這些運行參數(shù)，因為在脫硫系統(tǒng)中，反應(yīng)溫度越接近露點，脫硫效率就越高;但是，為了保證出口煙氣的干燥，避免結(jié)垢，要盡可能使整個脫硫系統(tǒng)的溫度高于露點。

鍋爐負荷也會影響脫硫系統(tǒng)結(jié)垢情況，當(dāng)鍋爐工況發(fā)生變化時，也會引起脫硫塔內(nèi)煙速的變化。當(dāng)鍋爐負荷下降，脫硫塔內(nèi)煙速也會下降，這樣就會使煙氣在脫硫塔內(nèi)與脫硫漿液接觸時間延長，有利于脫硫充分反應(yīng)。但煙速的降低，也會使煙氣中攜帶的灰塵、固體顆粒物的懸浮條件惡化，易引發(fā)結(jié)垢現(xiàn)象。

2.3 除霧器除霧效果的影響

定州、岱海兩電廠的數(shù)據(jù)表明，除霧器出口水霧小于設(shè)計值時，運行情況是正常的，但現(xiàn)場運行中，實際情況往往偏離設(shè)計值，過高的煙溫與石灰石漿液接觸，產(chǎn)生大量蒸汽，導(dǎo)致煙氣流速加大，對除霧效果有較大影響。煙氣攜帶大量漿液滴會粘附在脫硫元件的表面，使表面的垢越積越厚，易堵塞元件的通道。

2.4 流場、溫度場的影響

脫硫系統(tǒng)結(jié)垢與吸收塔內(nèi)的流場、溫度場有關(guān)，通過對吸收塔內(nèi)的垢分析，可以發(fā)現(xiàn)這些垢形狀都很有規(guī)律，有層次感，鋸齒狀，這就說明吸收塔內(nèi)的垢的形成與吸收塔內(nèi)的流場、溫度場有關(guān)。

我國交通事業(yè)的良好發(fā)展離不開施工管理工作中的目標(biāo)管理，目標(biāo)管理作為施工管理的重要內(nèi)容，必須要全面做好方案預(yù)設(shè)，讓施工技術(shù)人員按照目標(biāo)內(nèi)容進行施工，而目標(biāo)管理需要管理人員結(jié)合工程建設(shè)的實際情況進行安排，做好目標(biāo)分解和合理的崗位分工，使工程有條不紊的按目標(biāo)設(shè)定進行。工程完工后，在企業(yè)實現(xiàn)其既定經(jīng)濟利益的同時，管理人員和施工技術(shù)人員也得到了相應(yīng)的回報。

日本NFK公司[1]對于半干半濕FGD系統(tǒng)做過實驗，煙氣在進入脫硫系統(tǒng)吸收塔后，上升過程中在一側(cè)形成渦流“滯流區(qū)”，由于熱損失特別是霧化水滴粒子的蒸發(fā)吸熱，使得沿氣流上升的方向，塔內(nèi)的平均溫度、濕度分布，分別呈遞減、遞增趨勢，因此滯流區(qū)內(nèi)的含水量越來越高，而溫度則越來越低，直到在塔上方甚至整個滯流區(qū)內(nèi)接近或達到飽和，于是由于蒸發(fā)驅(qū)動力降低，越來越多來不及蒸干的微小水滴粒子，在渦流的攜帶下，碰撞于塔壁而濕壁。吸收塔徑向溫度是中心偏高、壁面?zhèn)绕偷姆植挤绞?，這樣，煙氣中攜帶的固體顆粒物質(zhì)容易碰撞黏附于吸收塔的壁面，發(fā)生結(jié)垢現(xiàn)象。

對于大型脫硫裝置，吸收塔直徑增大，溫度場的不均勻性也會增加，當(dāng)溫度低于露點時，在吸收塔壁面低溫處都極易結(jié)垢。

2.5 除塵、吹掃的影響

在電廠實際運行中，雖然除塵效果明顯，可達到99%，但還是有部分顆粒從除塵器中逃逸，給脫硫系統(tǒng)帶來結(jié)垢堵塞問題。GGH在運行過程中，沒有進行定期吹掃，或者是吹掃不到位;吹掃周期長，吹掃時間短;積累的初期垢沒有及時處理，導(dǎo)致結(jié)垢反復(fù)加熱，形成硬垢，不易處理。

3 濕法脫硫系統(tǒng)結(jié)垢的危害

濕法脫硫系統(tǒng)中，結(jié)垢已經(jīng)嚴重影響了脫硫系統(tǒng)的安全運行，脫硫系統(tǒng)的結(jié)垢現(xiàn)象像滾雪球一樣，一旦產(chǎn)生了垢，就會迅速發(fā)展擴大，導(dǎo)致脫硫元件通道堵塞，嚴重時常常導(dǎo)致系統(tǒng)停運。

濕法脫硫系統(tǒng)中，GGH結(jié)垢后會使煙氣達不到設(shè)計的排煙溫度，會對下游的設(shè)備造成低溫腐蝕。GGH表面結(jié)垢后，隨著垢層厚度增加，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)降低，傳熱效率下降，使得GGH換熱惡化，嚴重影響煙氣換熱，導(dǎo)致煙氣出口溫度達不到設(shè)計值，不利于系統(tǒng)的安全運行。

GGH結(jié)垢會增加系統(tǒng)的能耗，當(dāng)GGH結(jié)垢現(xiàn)象嚴重時，使系統(tǒng)阻力增加，會造成風(fēng)機喘振，影響主機的安全運行。

在脫硫系統(tǒng)中，當(dāng)結(jié)垢現(xiàn)象嚴重時，會導(dǎo)致系統(tǒng)GGH換熱效率降低，使得原煙氣在進入脫硫塔時未得到有效降溫，必然會在脫硫塔內(nèi)蒸發(fā)攜帶水量，最終導(dǎo)致吸收塔耗水量增加，結(jié)垢情況更嚴重。對于600 MW的機組，進入吸收塔的煙溫每升高10℃，水耗約增加10 t/h[3]。

除霧器葉片的結(jié)垢情況嚴重時，會導(dǎo)致塔內(nèi)氣流流場不均勻，進而導(dǎo)致除霧器性能惡化使凈煙氣攜帶水滴，結(jié)垢現(xiàn)象更加嚴重，除霧器的結(jié)垢常常會使脫硫塔停運。

當(dāng)結(jié)垢情況嚴重時，結(jié)垢惡化，垢層不斷變厚，可能會發(fā)生脫落現(xiàn)象。在垢層脫落時，會對元件表面撕裂，造成腐蝕，大塊的垢層也可能會砸傷塔內(nèi)的元件，如陶瓷噴嘴、除霧器底部沖洗水管和支撐梁。

4 防治措施

4.1 設(shè)計條件的防治對策

對于燃用高硫煤的脫硫系統(tǒng)，要注意氧化裝置、氧化風(fēng)機的選型，要選取裕度較小的甚至偏低的設(shè)計參數(shù)，防止留下隱患。

對于系統(tǒng)中易磨損、損耗或出現(xiàn)故障并導(dǎo)致系統(tǒng)運行的設(shè)備，如吸收塔、噴嘴、泵等，最好設(shè)計為易于更換和檢修的類型。脫硫主要部件一般選擇進口設(shè)備，保證系統(tǒng)穩(wěn)定高效運行，延長使用壽命。

正確進行系統(tǒng)設(shè)計，使流經(jīng)除霧器的煙氣盡可能均勻分布，避免煙氣流速不均，除霧器盡可能在塔內(nèi)的水平布置，減少除霧器的結(jié)垢幾率。

4.2 設(shè)備選擇的防治對策

因為流場的特殊性，是氣液兩相流流場，所以應(yīng)根據(jù)環(huán)境條件，選擇合適的防腐材料。實際中，常選擇耐高溫的FRP材料。合理選擇除霧器，保證除霧器高效運行，選擇合理材料防治結(jié)垢堵塞。定期對設(shè)備進行檢查，保證及時處理故障。盡量選擇封閉型傳熱元件，開放型元件隨傳熱效率高，但不封閉會造成壓力過早衰退，吹掃效果差，無法將元件表面的灰塵結(jié)垢顆粒徹底吹掃干凈。

4.3 運行中的防治對策

在脫硫系統(tǒng)運行中，應(yīng)加強煙氣排放在線監(jiān)測系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。加強吸收塔液位監(jiān)測，實際運行中可適當(dāng)降低液位，防止吸收塔內(nèi)的泡沫倒流入GGH，并記錄重要部件的運行數(shù)據(jù)，總結(jié)結(jié)垢規(guī)律，合理計算分析系統(tǒng)吹掃和沖洗的周期、時間。在漿液里加入適當(dāng)?shù)南輨乐翁摷僖何弧４笮迺r要對系統(tǒng)中的垢進行徹底清理，避免存有隱患。

將脫硫漿液pH值和濃度控制在合理范圍內(nèi)，應(yīng)綜合考慮脫硫效率與結(jié)垢情況等，盡可能提高效率，還要防止結(jié)垢的發(fā)生。

提高亞硫酸鈣的氧化程度，長期在亞硫酸鹽的環(huán)境下，pH值不穩(wěn)定，容易發(fā)生結(jié)垢。合理控制除霧器沖洗的水量和頻率。在實際運行中，運行人員往往對第一級除霧器的沖洗量不夠，應(yīng)對兩級除霧器采用不同的沖洗水量，避免對第一級除霧器沖洗水量過大或過小，對于第二級除霧器應(yīng)將沖洗水量和次數(shù)越低越好，并要防止沖洗噴嘴結(jié)垢堵塞影響沖洗效果。

在脫硫漿液中可以添加Mg2+，Na+離子等陽離子，他們的存在可以減少SO32-，SO42-，Ca2+結(jié)合生成的鹽結(jié)垢的機會。

[1]Zhang Wei，Zhang Fan et al.An analysis of wall wetting phenomenon of DSI FGD reactor[J].Research of environmental sciences，2000，13(2)

[2]安康.電站濕法脫硫系統(tǒng)GGH結(jié)垢問題的研究[D].北京:華北電力大學(xué)，2011.

[3]楊杰.濕法脫硫系統(tǒng)GGH結(jié)垢原因分析及對策[J].電力環(huán)境保護，2009，25(1):13-15.

[4]劉娟.濕法脫硫噴淋塔流場模擬與結(jié)垢研究[D].北京:華北電力大學(xué)，2011.