600 MW機(jī)組煙氣脫硫系統(tǒng)的結(jié)垢問(wèn)題分析

陳 彪， 李 輝， 陳再明， 陸建偉， 史 斌

（1．浙江省電力試驗(yàn)研究院，杭州 310014；2．國(guó)華浙能寧海發(fā)電有限公司，浙江 寧海 315612）

內(nèi)部結(jié)垢是影響石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)（FGD）安全穩(wěn)定運(yùn)行的主要因素之一。在不設(shè)置煙氣換熱器（GGH）的脫硫系統(tǒng)中，結(jié)垢主要發(fā)生在脫硫塔內(nèi)部塔內(nèi)件及除霧器表面。這些垢物影響脫硫系統(tǒng)的物理化學(xué)過(guò)程，導(dǎo)致系統(tǒng)阻力增加、塔內(nèi)煙氣流速不均，結(jié)垢嚴(yán)重時(shí)脫硫效率下降、石膏品質(zhì)變差，垢物還可能脫落砸傷塔內(nèi)件及防腐內(nèi)襯，甚至造成噴嘴嚴(yán)重堵塞而停運(yùn)。

脫硫系統(tǒng)結(jié)垢的原因多種多樣，不同的工況條件將導(dǎo)致不同的垢體產(chǎn)生。在介紹國(guó)華寧海A廠石灰石-石膏脫硫裝置工藝系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合系統(tǒng)內(nèi)部垢物形成情況進(jìn)行理論分析，并有針對(duì)性地提出了系統(tǒng)結(jié)垢防治方法。

1 脫硫系統(tǒng)工藝概況

國(guó)華寧海A廠4×600 MW機(jī)組全部采用了目前技術(shù)最為成熟的石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝。吸收塔采用了日本川崎公司先進(jìn)的逆流噴霧塔形式，如圖1所示。煙氣由一側(cè)進(jìn)氣口進(jìn)入吸收塔的上升區(qū)，在吸收塔內(nèi)部設(shè)有煙氣隔板，煙氣在上升區(qū)與霧狀漿液逆流接觸，處理后的煙氣在吸收塔頂部翻轉(zhuǎn)向下，從位于吸收塔煙氣入口同一水平位置的煙氣出口排至除霧器。除霧器安裝在吸收塔的出口煙道上，由聚丙烯材料制作，型式為Z型，設(shè)兩級(jí)，均采用工藝水沖洗。沖洗過(guò)程通過(guò)程序控制自動(dòng)完成。正常運(yùn)行中，吸收塔的漿液被連續(xù)不斷地通過(guò)石膏排出泵排入脫水系統(tǒng)，通過(guò)控制排漿閥開度來(lái)控制吸收塔內(nèi)漿液濃度在合理范圍之內(nèi)。

2 吸收塔內(nèi)垢體形成機(jī)理分析

2.1 吸收塔內(nèi)部結(jié)垢現(xiàn)狀

圖1 折流塔脫硫系統(tǒng)

對(duì)1，3，4號(hào)機(jī)組脫硫系統(tǒng)停運(yùn)期間吸收塔內(nèi)結(jié)垢情況進(jìn)行檢查發(fā)現(xiàn)：吸收塔系統(tǒng)結(jié)垢主要發(fā)生在漿液循環(huán)泵進(jìn)口濾網(wǎng)、漿液循環(huán)泵噴嘴、吸收塔底部、吸收塔進(jìn)出口煙道及支撐梁處。尤其在煙氣進(jìn)口處結(jié)垢達(dá)30～60 cm之厚，部分表面垢物堆積呈樹狀，清晰地表現(xiàn)了大顆粒石膏晶粒生長(zhǎng)的全過(guò)程。漿液循環(huán)泵噴嘴的結(jié)垢主要發(fā)生在頂部噴淋層上，中部及下部?jī)H有輕微垢體。

2.2 吸收塔結(jié)垢機(jī)理分析

脫硫系統(tǒng)運(yùn)行中結(jié)垢是一個(gè)普遍存在的問(wèn)題。從煙氣脫硫系統(tǒng)結(jié)垢機(jī)理看，結(jié)垢主要有3種形式[1]：

（1）灰垢，又名濕/干垢。在吸收塔煙氣入口，最高層漿液噴嘴與煙氣出口之間的塔內(nèi)壁面及煙氣出口的斜坡段、氧化風(fēng)管內(nèi)及除霧器內(nèi)壁，最易形成此類垢體。通過(guò)3號(hào)機(jī)脫硫塔內(nèi)部取樣成分分析發(fā)現(xiàn)，垢體主要成分是灰分和石膏，見表1。

表1 吸收塔入口灰垢主要成分分析表 %

運(yùn)行中吸收塔入口煙氣溫度通常在110～130℃之間，飛灰中的硅、鐵、鋁等物質(zhì)在高溫?zé)煔庾饔孟屡c吸收塔漿液逆流接觸后，當(dāng)漿液碰撞到塔壁時(shí)，部分漿液將黏附于塔內(nèi)壁面而沉積下來(lái)。同時(shí)流動(dòng)的高溫?zé)煔饧铀倭顺练e物水分的蒸發(fā)，使沉積層逐漸形成結(jié)構(gòu)致密的硬垢。

（2）石膏垢，又稱硬垢。石膏垢的形成主要與溶液中CaSO4的過(guò)飽和度有關(guān)。正常情況下，石膏結(jié)晶速度依賴于石膏的過(guò)飽和度，當(dāng)超過(guò)某一相對(duì)飽和度值后，石膏晶體就會(huì)在漿液中形成并生長(zhǎng)。當(dāng)相對(duì)飽和度值進(jìn)一步增大時(shí)，就會(huì)形成晶核，同時(shí)石膏晶體也會(huì)在石灰石及其他物質(zhì)表面上生長(zhǎng)，不但使吸收塔漿池表面結(jié)垢，還覆蓋未反應(yīng)的石灰石表面，造成吸收劑使用效率下降。

研究發(fā)現(xiàn)[2-3]：當(dāng)吸收塔漿液中CaSO4過(guò)飽和度大于等于1.4時(shí)，溶液中的CaSO4就會(huì)在吸收塔內(nèi)各組件表面析出結(jié)晶形成石膏垢。石膏過(guò)飽和度α定義為：

式中： [Ca2+]，[SO42-]分別為漿液中 Ca2+，SO42-離子的濃度；Ksp為CaSO4·2H2O的濃度積。

過(guò)飽和度α越大，結(jié)垢形成的速度就越快，僅當(dāng)α＜1.4時(shí)才能滿足無(wú)垢運(yùn)行條件。為此，運(yùn)行中需要適當(dāng)控制吸收塔內(nèi)石膏漿液濃度、液氣比，提高氧化率，以避免大量結(jié)垢。

實(shí)際檢查發(fā)現(xiàn)在吸收塔內(nèi)壁面、漿液循環(huán)泵、石膏排出泵入口濾網(wǎng)處、石膏旋流站管壁等處均存在此類垢體，在循泵濾網(wǎng)處比較多，大約30%的入口網(wǎng)孔被垢物堵塞。由于其吸收塔漿液百分比濃度常年控制在20%～25%之間運(yùn)行，有時(shí)甚至達(dá)到30%，石膏在外排過(guò)程中，系統(tǒng)pH值受負(fù)荷、硫分變動(dòng)的影響較大，運(yùn)行中也較易形成過(guò)飽和而結(jié)垢。

（3）軟垢，又名CCS垢。如表2所示，隨著吸收塔漿液pH值的升高，CaSO3·1/2H2O在水中的溶解度逐步降低。在脫硫吸收區(qū)洗滌下來(lái)的SO2在漿液中主要以SO32-的形式存在，極易使亞硫酸鈣的飽和度達(dá)到或超過(guò)其形成均相成核作用所需的臨界飽和度，從而與硫酸鈣同時(shí)結(jié)晶析出，形成兩種物質(zhì)的混合結(jié)晶[Ca（SO3）1-x（SO4）x·1/2H2O]，這種垢物在吸收塔內(nèi)各組件表面逐漸生長(zhǎng)，呈片狀，柔軟，形狀易變。在強(qiáng)制氧化系統(tǒng)中，當(dāng)氧化充分時(shí)，這種垢較少發(fā)生。常見的軟垢主要分布于吸收塔底部各攪拌器攪動(dòng)范圍的“死區(qū)”內(nèi)。

表 2 50℃時(shí) pH 值對(duì) CaSO4·2H2O 和 CaSO3·1/2H2O溶解度的影響

3號(hào)機(jī)停機(jī)期間，檢查發(fā)現(xiàn)吸收塔底部攪拌器下方軟垢達(dá)40 cm之厚，只能人工清理。

3 除霧器內(nèi)垢體形成機(jī)理分析

3.1 水平式除霧器特點(diǎn)

脫硫系統(tǒng)除霧器為外置水平布置，采用了Z型曲線板片，如圖2所示。外置布置既節(jié)省了吸收塔空間，又方便檢修。運(yùn)行中其優(yōu)點(diǎn)是分離下來(lái)的液滴沿板片凹槽、垂直煙氣流的方向向下流動(dòng)，從而降低了氣流剝離板片上液膜形成二次帶水的可能性，在高煙氣流速下，這種布置方式可以獲得較好的除霧效果。但是由于吸收塔采用了折流塔型，塔內(nèi)隔板左右流場(chǎng)變化較為明顯，在煙氣折返向下時(shí)流速達(dá)到10 m/s以上，導(dǎo)致吸收塔出口與除霧器之間這段煙道以及第一級(jí)除霧器板片上結(jié)垢較為嚴(yán)重。

圖2 Z型除霧器板片簡(jiǎn)圖

3.2 除霧器結(jié)垢現(xiàn)狀

除霧器結(jié)垢與堵塞情況主要通過(guò)除霧器差壓來(lái)反映，當(dāng)除霧器板片上嚴(yán)重結(jié)垢時(shí)除霧系統(tǒng)前后的差壓會(huì)明顯提高，通過(guò)監(jiān)測(cè)除霧器差壓的變化可以把握系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

圖3反映了除霧器差壓升高時(shí)增壓風(fēng)機(jī)電流跟隨上升的情況。除霧器單側(cè)最高差壓達(dá)460 Pa，大大超過(guò)設(shè)計(jì)值150 Pa。除霧器內(nèi)部檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)除霧器板片被大面積堵塞，且局部地方呈灰黑色餅狀。

3.3 除霧器結(jié)垢原因分析

圖3 除霧器差壓與增壓風(fēng)機(jī)電流的變化情況

為查清除霧器結(jié)垢堵塞的原因，結(jié)合除霧器的特殊結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行情況，著重從以下幾個(gè)方面來(lái)分析：

（1）工藝水品質(zhì)的影響。如果除霧器沖洗水中不溶性固含物較高，或沖洗水中Ca2+接近飽和值，則易在除霧器葉片上發(fā)生CaSO3/CaSO4的反應(yīng)，導(dǎo)致板片結(jié)垢堵塞。除霧器沖洗水水質(zhì)分析數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 工藝水主要水質(zhì)指標(biāo)分析

從工藝水水質(zhì)分析結(jié)果看，除霧器沖洗用水中總固體及Ca2+含量均較低，水質(zhì)對(duì)除霧器的影響可以不計(jì)。

（2）煙氣夾帶的影響。由于吸收塔內(nèi)部漿液呈霧狀噴出，運(yùn)行過(guò)程中始終有合適粒徑的液滴被煙氣帶出。如果此時(shí)吸收塔內(nèi)漿液pH值控制過(guò)高，則漿液中過(guò)剩的CaCO3將被捕集到除霧器板片上，若不及時(shí)沖洗，會(huì)繼續(xù)吸收煙氣中未除盡的SO2，生成CaSO3/CaSO4，從而在除霧器板片上析出沉淀而結(jié)垢。

表4為1號(hào)機(jī)除霧器差壓升高期間吸收塔中漿液CaCO3成分分析，可見CaCO3含量均高于設(shè)計(jì)值，由此也說(shuō)明了漿液中過(guò)剩的CaCO3含量對(duì)除霧器結(jié)垢的影響。

表4 吸收塔漿液中CaCO3成分分析

（3）煙塵含量的影響。煙塵對(duì)除霧器結(jié)垢堵塞有較大影響。在濕煙氣環(huán)境中，除了塵粒自身被除霧器板片攔截而黏附于板片之外，煙塵中的氟、二氧化硅、氧化鋁等物質(zhì)對(duì)CaCO3的溶解具有較大的抑制作用[4]，從而導(dǎo)致漿液中CaCO3含量升高，夾帶出的液滴再與SO2在板片上發(fā)生反應(yīng)形成垢層。

從運(yùn)行歷史曲線可以看出：1號(hào)機(jī)吸收塔進(jìn)口原煙氣含塵量換算至標(biāo)況均在30 mg/m3以下，經(jīng)過(guò)吸收塔后煙塵濃度在10 mg/m3左右，不會(huì)對(duì)除霧器結(jié)垢產(chǎn)生明顯影響。

（4）沖洗系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響。沖洗系統(tǒng)設(shè)計(jì)不合理時(shí)，將使除霧器板面上出現(xiàn)干區(qū)，從而產(chǎn)生漿液沉積，長(zhǎng)期運(yùn)行后將形成致密的垢層。

4臺(tái)機(jī)組脫硫系統(tǒng)全部采用兩級(jí)除霧器，噴嘴雙面沖洗的布置方式。噴嘴間距為60 cm，噴嘴到除霧器的距離為50 cm，正常運(yùn)行時(shí)沖洗水壓為0.30 MPa。以第1級(jí)為例，沖洗順序采用1A→1B→1C→1D的單循環(huán)沖洗方式，如圖4所示。

圖4 除霧器單循環(huán)沖洗方式

式中：A為某沖洗面有效流通面積；n為該沖洗面的噴嘴數(shù)；α為噴射角度；h為噴嘴距除霧器表面的垂直距離。

除霧器噴嘴按矩形陣布置，每個(gè)通道由4塊250cm×60 cm的組合板片構(gòu)成。設(shè)12個(gè)噴嘴，噴射水霧斷面呈實(shí)心錐形，噴射角為110°。計(jì)算

從圖4中看出，這種沖洗方式在合理選擇沖洗時(shí)間與沖洗周期的情況下，只要有足夠的沖洗覆蓋率，則不會(huì)對(duì)沖洗效果產(chǎn)生影響。

（5）沖洗覆蓋率的影響。沖洗覆蓋率是沖洗水對(duì)除霧器斷面的覆蓋程度，即：得沖洗覆蓋率為300%。由此可見，除霧器沖洗覆蓋率已處于較高水平，運(yùn)行中需要適當(dāng)提高沖洗水壓和防止噴嘴堵塞與破損。檢查中發(fā)現(xiàn)凡是有噴嘴破損的地方，對(duì)應(yīng)的除霧器板片均呈餅狀堵塞，這說(shuō)明盡管有較高的沖洗覆蓋率，但除霧器迎風(fēng)面正前方噴嘴的沖洗效果是最佳的。

4 脫硫系統(tǒng)防止結(jié)垢的措施

在脫硫系統(tǒng)中，防止系統(tǒng)發(fā)生結(jié)垢堵塞現(xiàn)象的技術(shù)措施主要有以下幾個(gè)方面。

（1）合理控制系統(tǒng)的pH值。運(yùn)行中過(guò)低的pH值容易形成CaSO4硬垢，而過(guò)高的pH值不僅導(dǎo)致CaSO3軟垢的生成，還會(huì)使石膏品質(zhì)變差，漿液中CaCO3濃度升高。當(dāng)脫硫效率要求較高時(shí)，一般石灰石系統(tǒng)pH值控制在5.5～5.8之間，鈣硫比控制在1.02～1.05之間比較理想。

（2）控制吸收塔石膏漿液的密度。當(dāng)漿液密度較低時(shí)，由于缺少石膏晶種，溶液過(guò)飽和而易在器壁上結(jié)晶形成垢體，一般采取加入石膏晶種的辦法。當(dāng)漿液密度過(guò)高時(shí)，不但使系統(tǒng)磨損加劇，循泵電耗增加，石膏的沉積趨勢(shì)也會(huì)比較明顯，易在石灰石及塔內(nèi)各表面沉積析出，影響石灰石的溶解。此時(shí)可以采取加大石膏外排量的措施，控制石膏密度在正常的區(qū)間內(nèi)。

（3）提供足夠的氧化風(fēng)量。充足的氧化風(fēng)量不但驅(qū)趕了亞硫酸鹽氧化過(guò)程中生成的SO2[5]，避免局部pH值降低析出硫酸鈣而產(chǎn)生覆蓋效應(yīng)，還使亞硫酸鹽有較高的氧化率，保證漿液有足夠的晶種供晶體生長(zhǎng)，從而避免在設(shè)備表面結(jié)垢。

（4）加強(qiáng)除霧器系統(tǒng)沖洗，保證沖洗水量和水壓，檢修維護(hù)中尤其注意對(duì)破損噴嘴的更換。

（5）使用脫硫添加劑。由于CaSO4的結(jié)晶沉積與覆蓋作用，吸收塔內(nèi)部的垢物大都由CaSO4，CaSO3及CaCO3三種物質(zhì)組成。添加劑使用后可以緩沖pH值，加速了液相傳質(zhì)，促進(jìn)了石灰石的溶解，從而使?jié){液循環(huán)槽內(nèi)的垢體松散脫落，該方法在短時(shí)間內(nèi)極易導(dǎo)致石膏旋流系統(tǒng)堵塞，需要在運(yùn)行中加以注意。

（6）加強(qiáng)電除塵器的運(yùn)行維護(hù)，控制煙氣中飛灰的含量，維持煙氣脫硫裝置入口煙塵濃度在設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)。

5 結(jié)語(yǔ)

從寧海發(fā)電廠脫硫系統(tǒng)的結(jié)垢情況可以看出，脫硫裝置在運(yùn)行過(guò)程中，漿液容器、管道中均存在不同程度的結(jié)垢沉積現(xiàn)象，這是引起管道堵塞、磨損、增大運(yùn)行阻力的主要原因。不同的脫硫裝置由于燃燒煤種與工藝設(shè)計(jì)差別，系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)與運(yùn)行方式略有偏差。但合理的pH值與足夠的氧化風(fēng)量是脫硫系統(tǒng)在運(yùn)行中防止結(jié)垢都必須采取的首要措施。

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