煙氣濕法脫硫石膏脫水系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)及應(yīng)用

劉凱輝，劉黎偉，聶海濤

(大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司三門峽項(xiàng)目部，河南 三門峽 472000)

煙氣濕法脫硫石膏脫水系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)及應(yīng)用

劉凱輝，劉黎偉，聶海濤

(大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司三門峽項(xiàng)目部，河南 三門峽 472000)

石膏脫水系統(tǒng)在保證濕法脫硫系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行中發(fā)揮著重要作用，尤其在維持吸收塔漿液品質(zhì)、物料平衡以及副產(chǎn)品的綜合利用方面。文章介紹了石膏脫水系統(tǒng)基本流程及常見(jiàn)故障分析，著重闡述了三門峽華陽(yáng)火電廠1 000 MW機(jī)組在濕法脫硫石膏脫水系統(tǒng)領(lǐng)域做的優(yōu)化布置及改進(jìn)應(yīng)用，本次優(yōu)化改進(jìn)技術(shù)對(duì)現(xiàn)有其他石膏脫水系統(tǒng)的升級(jí)改造具有一定借鑒意義。

濕法脫硫；石膏脫水系統(tǒng)；物料平衡；優(yōu)化布置

0 引言

煤炭是我國(guó)的主要能源資源，截至2016年底全國(guó)火電裝機(jī)容量已達(dá)到10.5億kW，占電力裝機(jī)總量的64%，且在未來(lái)相當(dāng)長(zhǎng)一段時(shí)間里，我國(guó)以燃煤發(fā)電為主的電力供應(yīng)格局不會(huì)發(fā)生根本變化[1]。而燃煤電廠是我國(guó)大氣中各種污染物的重要排放源，據(jù)統(tǒng)計(jì)大約90%的SO2、67%的NOX和70%的粉塵來(lái)源于燃煤發(fā)電[2]。石灰石-石膏濕法煙氣脫硫(WFGD)技術(shù)作為目前最有效的燃煤機(jī)組SO2排放控制技術(shù)，具有脫硫效率高、運(yùn)行相對(duì)可靠、對(duì)煤種適應(yīng)性好、副產(chǎn)品石膏綜合利用方便等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于燃煤電廠煙氣脫硫[3]。

石膏脫水系統(tǒng)是整個(gè)濕法脫硫系統(tǒng)的重要組成，利用石膏排出泵將吸收塔中合格的石膏漿液輸送至石膏脫水系統(tǒng)，通過(guò)旋流器一級(jí)脫水和真空皮帶脫水機(jī)二級(jí)脫水，實(shí)現(xiàn)將石膏漿液(含固量10%～20%)制成含水率不高于10%的石膏，同時(shí)在整個(gè)脫水過(guò)程中保證脫硫系統(tǒng)物料平衡[4]。然而現(xiàn)有的石膏脫水系統(tǒng)仍存在諸多問(wèn)題，不利于脫硫系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行[5]，為提高脫硫系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)可靠性，通過(guò)選用合理的石膏脫水系統(tǒng)設(shè)備配置、調(diào)整脫水設(shè)備運(yùn)行方式等措施來(lái)優(yōu)化改進(jìn)石膏脫水系統(tǒng)是非常有必要的。

1 石膏脫水常見(jiàn)故障及原因

1.1 石膏旋流器故障

石膏旋流器故障一般會(huì)出現(xiàn)旋流器的“溢流跑粗”和“底流夾細(xì)”現(xiàn)象[6]。

石膏旋流器“溢流跑粗”現(xiàn)象，即石膏漿液經(jīng)石膏旋流器一級(jí)脫水后，溢流中含固量超標(biāo)且固體顆粒較粗重。這主要是由兩方面原因引起的，一方面，來(lái)自吸收塔的石膏漿液密度過(guò)大，含固量超出旋流器脫水工作閾值。另一方面，旋流器因選型或長(zhǎng)時(shí)間高強(qiáng)度運(yùn)行，使得旋流器底流出口堵塞。

石膏旋流器“底流夾細(xì)”現(xiàn)象，即經(jīng)旋流器一級(jí)脫水后，底流中含固量較低且包含較多細(xì)微顆粒物。這可能是由于石膏旋流器進(jìn)料泵出力不足或旋流器入口管道阻塞，導(dǎo)致進(jìn)入旋流器流量壓力低，使得石膏漿液分級(jí)效果較差，同時(shí)也可能是旋流器底流出口磨損嚴(yán)重所致。

1.2 真空皮帶脫水機(jī)故障

真空皮帶脫水機(jī)濾布跑偏是真空皮帶脫水機(jī)故障的常見(jiàn)現(xiàn)象[7]。引發(fā)濾布跑偏的原因較多，主要包括進(jìn)入真空皮帶機(jī)的漿液量過(guò)大，而皮帶機(jī)轉(zhuǎn)速過(guò)低。皮帶機(jī)尾部張緊輪已到限位，使得濾布過(guò)松。驅(qū)動(dòng)或從動(dòng)滾筒松動(dòng)，或中心線不平行。濾布自動(dòng)糾偏裝置發(fā)生故障。

1.3 石膏含水率不達(dá)標(biāo)

真空泵形成的真空度較低。導(dǎo)致真空度低于正常值的原因主要有2個(gè)：第1，真空密封管路有漏氣點(diǎn)或管路堵塞；第2，真空皮帶機(jī)密封水流量不足或密封皮帶磨損嚴(yán)重。

真空皮帶脫水機(jī)濾布堵塞。一方面可能是由于濾布沖洗水對(duì)濾布沖洗不徹底，另一方面可能石膏漿液本身的性質(zhì)發(fā)生變化，小顆粒石膏晶體或其他雜質(zhì)含量增多堵塞濾布過(guò)濾通道。

石膏濾餅厚度較高。有研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)濾餅厚度增加至10～30 mm時(shí)，隨著真空度的增加，可以保證石膏含水率達(dá)標(biāo)。而當(dāng)濾餅厚度增加至30 mm以上時(shí)，隨著真空度的增加，石膏漿液仍脫水困難，石膏含水率超標(biāo)[8-9]。

2 主要設(shè)備及優(yōu)化設(shè)計(jì)

大唐三門峽發(fā)電有限責(zé)任公司三期1 050 MW機(jī)組脫硫石膏脫水系統(tǒng)主要包括2套石膏旋流系統(tǒng)、2臺(tái)真空皮帶脫水機(jī)、2臺(tái)水環(huán)式真空泵、2臺(tái)濾液分離系統(tǒng)及1套濾布/濾餅沖洗水箱和沖洗水泵系統(tǒng)等。該石膏脫水系統(tǒng)工藝流程大致為：煙氣中SO2在吸收塔中經(jīng)循環(huán)漿液洗滌與石灰石漿液反應(yīng)生成亞硫酸鈣，再就地被強(qiáng)制氧化為硫酸鈣，密度合格的石膏漿液由石膏排出泵輸送至石膏旋流器進(jìn)行一級(jí)脫水，細(xì)小顆粒從旋流器的中心向上流動(dòng)形成溢流，粗重顆粒則沿旋流器壁向下流動(dòng)形成底流。底流中石膏漿液含固量約50%直接進(jìn)入真空皮帶脫水機(jī)進(jìn)行二級(jí)脫水，最后制成含水率不高于10%的石膏。溢流漿液一部分直接進(jìn)入石膏漿液回流箱，經(jīng)漿液回流泵可輸送至吸收塔或制漿系統(tǒng)；另一部分進(jìn)入廢水旋流器給料箱，經(jīng)廢水旋流器后，底流進(jìn)入石膏漿液回流箱，溢流進(jìn)入廢水系統(tǒng)。

2.1 石膏一級(jí)脫水系統(tǒng)

一級(jí)脫水系統(tǒng)是對(duì)石膏漿液進(jìn)行濃縮和石膏晶體分級(jí)，同時(shí)具有維持吸收塔循環(huán)漿液品質(zhì)的作用。該系統(tǒng)中設(shè)備主要由石膏漿液緩沖箱、石膏漿液回流箱、石膏排出泵、石膏進(jìn)料泵和石膏旋流器組成。

該一級(jí)脫水選用的石膏旋流器本身為無(wú)動(dòng)力裝置，其利用重力和離心力實(shí)現(xiàn)漿液濃縮分級(jí)[10]。帶有一定壓力的漿液從旋流器入口切向進(jìn)入旋流腔后形成高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，由于受到筒體和頂蓋的限制，漿液在旋流器筒體內(nèi)形成兩股旋流，旋流過(guò)程中，粗重固體顆粒受離心力作用大部分被甩向筒壁，與筒壁撞擊失去能量后在重力作用下沿壁滑下，形成一股自上而下的外旋流，最后從底流口排出，形成濃相漿液；而細(xì)微顆粒因密度小，則在筒體軸線中心處形成一股自下而上的內(nèi)旋流，最后經(jīng)溢流口排出，形成稀相漿液。

當(dāng)吸收塔中石膏漿液密度合格時(shí)，投運(yùn)石膏脫水系統(tǒng)。利用石膏排出泵將石膏漿液輸送至石膏緩沖箱，石膏進(jìn)料泵再將緩沖箱漿液抽至石膏旋流器進(jìn)行一級(jí)脫水。研究表明，在一定范圍內(nèi)，隨著旋流器入口壓力的逐步增大，其分級(jí)及分離效率逐漸提高[11]。不同于現(xiàn)有常規(guī)一級(jí)脫水系統(tǒng)，該系統(tǒng)中石膏排出泵與石膏進(jìn)料泵均可變頻運(yùn)行。根據(jù)石膏旋流器的技術(shù)指標(biāo)，將旋流子入口壓力控制在155±25 kPa，可以達(dá)到良好的石膏一級(jí)脫水效果。利用石膏進(jìn)料泵變頻功能，對(duì)旋流子入口壓力調(diào)節(jié)控制，維持石膏緩沖箱漿液流出量一定，再變頻調(diào)節(jié)石膏排出泵，實(shí)現(xiàn)緩沖箱漿液流出量和流入量均衡，使得石膏緩沖箱液位保持穩(wěn)定。石膏旋流器的底流進(jìn)入石膏二級(jí)脫水系統(tǒng)，溢流可選擇進(jìn)入廢水旋流器緩沖箱或石膏漿液回流箱。該系統(tǒng)配置具有以下優(yōu)點(diǎn)。

(1)設(shè)置石膏緩沖箱，避免了石膏漿液輸送管道過(guò)長(zhǎng)容易堵塞斷流的問(wèn)題，為脫水系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行提供了保障。

(2)石膏進(jìn)料泵的變頻功效，使得旋流子入口壓力可控，漿液濃縮結(jié)晶效果良好，且可有效管控旋流器堵塞問(wèn)題。

(3)依據(jù)吸收塔循環(huán)漿液中氯離子含量，可切換石膏旋流器溢流方向，當(dāng)氯離子含量較低時(shí)，溢流輸送至石膏漿液回流箱再抽送至吸收塔或制漿系統(tǒng)。

(4)當(dāng)氯離子含量較高時(shí)，溢流輸送至廢水旋流器緩沖箱，投運(yùn)廢水處理系統(tǒng)，保證漿液利用最大化，提升脫硫系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。

2.2 石膏二級(jí)脫水系統(tǒng)

二級(jí)脫水系統(tǒng)是對(duì)濃縮結(jié)晶石膏漿液進(jìn)行真空脫水，制成石膏成品。該系統(tǒng)主要設(shè)備有濾液水池、真空皮帶脫水機(jī)、水環(huán)式真空泵和濾布沖洗水泵。

經(jīng)石膏旋流器一級(jí)脫水后，底流直接流至真空皮帶脫水機(jī)。此真空脫水機(jī)采用了固定真空盒設(shè)計(jì)，橡膠帶在真空盒上移動(dòng)，真空盒與橡膠帶間構(gòu)成運(yùn)動(dòng)密封的結(jié)構(gòu)形式，真空盒和膠帶間設(shè)計(jì)環(huán)形摩擦帶并以水密封，密封水既可作為密封裝置的潤(rùn)滑劑又可作為冷卻劑，形成一個(gè)相當(dāng)有效的真空密封，同時(shí)膠帶采用托輥式支承，有效減少膠帶運(yùn)行的摩擦阻力。其配置的自動(dòng)糾偏裝置可有效防止濾布跑偏，降低真空皮帶脫水機(jī)故障率。當(dāng)濾布處于正常位置時(shí)，濾布不與檢測(cè)桿接觸，感應(yīng)開(kāi)關(guān)無(wú)感應(yīng)信號(hào)；當(dāng)濾布接近跑偏時(shí)，濾布觸動(dòng)檢測(cè)桿，當(dāng)達(dá)到感應(yīng)距離時(shí)，感應(yīng)開(kāi)關(guān)輸出信號(hào)，自動(dòng)糾偏裝置氣囊充氣，帶動(dòng)糾偏輥偏移，使濾布、膠帶改變偏移方向，回到正常運(yùn)轉(zhuǎn)位置。

3臺(tái)濾布沖洗水泵，2運(yùn)1備，對(duì)真空脫水機(jī)濾布進(jìn)行沖洗。濾布沖洗水布置現(xiàn)場(chǎng)如圖1所示，其中噴嘴屬于可拆卸型，可對(duì)膠帶正、反面進(jìn)行沖洗，該布置方式可有效沖洗濾布，防止固體顆粒堆積，從而有效緩解濾布堵塞問(wèn)題。同時(shí)，沖洗濾布后水落入真空脫水機(jī)下方托盤，匯入濾液水池，濾液水池中的漿液經(jīng)地坑泵輸送至石膏回流箱，可供吸收塔和制漿系統(tǒng)使用，實(shí)現(xiàn)漿液利用價(jià)值最大化。

由于水環(huán)式真空泵吸氣均勻、工作平穩(wěn)可靠、操作簡(jiǎn)單和維修方便等特點(diǎn)[12]，該二級(jí)脫水系統(tǒng)選擇該型真空泵連接氣液分離裝置，對(duì)石膏漿液進(jìn)行真空脫水。水環(huán)式真空泵是利用工作水流量來(lái)調(diào)節(jié)控制真空度的，其運(yùn)行過(guò)程中需要消耗一定量的工藝水。參照現(xiàn)有技術(shù)工藝[13]，本系統(tǒng)通過(guò)在真空泵排氣管下方加設(shè)一支管連接濾布沖洗水箱，此情況下，經(jīng)氣液分離裝置帶出的水汽液化后又回流至濾布沖洗水箱，供沖洗濾布使用，實(shí)現(xiàn)了水的循環(huán)利用。

圖1 濾布沖洗水布置現(xiàn)場(chǎng)

氯離子是影響石膏品質(zhì)的關(guān)鍵因子，研究表明，氯離子會(huì)對(duì)石膏耐水性能產(chǎn)生不利影響，氯離子含量越高，石膏越易受潮，同時(shí)石膏的黏結(jié)性也隨氯離子含量的增加而明顯下降[14]。為降低石膏中氯離子含量，保證石膏品質(zhì)合格，依據(jù)現(xiàn)行技術(shù)條件，該系統(tǒng)采用洗滌法去除石膏濾餅中氯離子，如圖2所示。有研究表明，濾餅沖洗水布置的合理位置應(yīng)是石膏濾餅中絕大部分水剛好被脫除之處，如若在石膏濾餅含水率較大處噴入沖洗水，只會(huì)稀釋濾餅表面漿液中的氯離子，無(wú)法實(shí)現(xiàn)有效降低石膏濾餅中氯離子含量[15]。經(jīng)試驗(yàn)分析，該系統(tǒng)在真空皮帶脫水機(jī)下料口后方1 m和3 m處布置2道濾餅沖洗水，加強(qiáng)對(duì)濾餅中氯離子的去除。通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，分析開(kāi)濾餅沖洗水和未開(kāi)濾餅沖洗水2種情況下石膏成分的差異性，分析的樣品包括開(kāi)沖洗水樣品(編號(hào)1)和未開(kāi)沖洗水樣品(編號(hào)2)。由表1可看出除石膏濕度偏大(仍合格)外，開(kāi)沖洗水后石膏品質(zhì)更佳，尤其是氯離子含量是未開(kāi)沖洗水的1/3，這表明該優(yōu)化布置有效提高了是石膏的品質(zhì)。

圖2 濾餅沖洗水布置現(xiàn)場(chǎng)

表1 開(kāi)沖洗水和未開(kāi)沖洗水脫水石膏主要成分含量 %

3 結(jié)束語(yǔ)

以國(guó)家環(huán)保政策為導(dǎo)向，石灰石-石膏濕法脫硫系統(tǒng)越來(lái)越廣泛地被應(yīng)用于燃煤電廠煙氣脫硫，如何有效確保脫硫系統(tǒng)的穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)、高效運(yùn)行顯得尤為重要。而石膏脫水系統(tǒng)作為濕法煙氣脫硫(FGD)系統(tǒng)的重要輔助系統(tǒng)，其在保證FGD系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。華陽(yáng)電廠1 000 MW機(jī)組脫硫系統(tǒng)根據(jù)自身特點(diǎn)完成了對(duì)石膏脫水系統(tǒng)的優(yōu)化改進(jìn)應(yīng)用，降低了石膏脫水系統(tǒng)的故障率，提高了副產(chǎn)品石膏的品質(zhì)，可為現(xiàn)有濕法脫硫石膏脫水系統(tǒng)的升級(jí)改造提供一定參考價(jià)值。

[1]徐鐵華,王龍.大型燃煤發(fā)電廠鍋爐煙氣脫硫技術(shù)[J].通訊世界,2016(6):157.

[2]陳文韜,鄧康,周海英.燃煤發(fā)電機(jī)組“超潔凈排放”值不值[J].環(huán)境,2016(7):59-61.

[3]李悅銘,盧嶼,趙小霞.火力發(fā)電廠“石灰石-石膏”濕法脫硫(WFGD)后煙囪防腐問(wèn)題的分析及對(duì)策[J].電工文摘,2016(2):60-61.

[4]曹曉滿,石榮桂.濕法脫硫石膏脫水系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化研究[J].環(huán)境工程,2013(S1):417-418.

[5]馮佳勇.陡河發(fā)電廠濕法脫硫石膏脫水系統(tǒng)設(shè)備優(yōu)化及改造的技術(shù)探討[C]// 發(fā)電企業(yè)節(jié)能減排技術(shù)論壇，2013.

[6]張宇,董連平,楊宏麗,等.雙渦自回流水力旋流器分級(jí)性能研究[J].現(xiàn)代礦業(yè),2009,25(6):50-53.

[7]祁慶寧,郁永紅.脫硫系統(tǒng)真空皮帶脫水機(jī)頻發(fā)缺陷分析及處理[J].寧夏電力,2013(2):55-58.

[8]莫建松,楊有余,盛海強(qiáng),等.脫硫石膏粒徑分布與脫水性能實(shí)驗(yàn)研究[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào),2013,7(11):4440-4444.

[9]鄭偉.石膏脫水系統(tǒng)常見(jiàn)故障分析與處理[J].中國(guó)高新技術(shù)企業(yè),2016(12): 87-88.

[10]楊強(qiáng)，汪華林，白志山，等.石膏漿液旋流器的分離性能實(shí)驗(yàn)研究[J].環(huán)境工程學(xué)報(bào)，2010，4(2):465-470.

[11]沈國(guó)清，李志強(qiáng)，安連鎖，等.入口壓力與漿液濃度對(duì)石膏旋流器分離特性影響的研究[J].熱能動(dòng)力工程，2015，30(6):892-896.

[12]孫鳳茹，溫旭，劉峰.水環(huán)式真空泵汽蝕的原因分析及消除措施[J].華北電力技術(shù)，2007(4):40-41.

[13]彭德安.水環(huán)式真空泵工作水循環(huán)利用[J].設(shè)備管理與維修，2013(S2):46-47.

[14]王飛，劉姚君，汪瀾，等.氯離子對(duì)脫硫石膏及其制品性能影響的研究[J].新型建筑材料，2014,41(7):28-31.

[15]尹連慶，徐錚.氯離子對(duì)脫硫石膏脫水影響研究及機(jī)理探討[J].粉煤灰，2008,20(3):12-13.

(本文責(zé)編：齊琳)

2017-05-04；

2017-06-09

X 701.3

B

1674-1951(2017)07-0064-03

劉凱輝(1991—)，男，湖南邵陽(yáng)人，助理工程師，從事大氣污染處理與防治方面的工作(E-mail:1209369059@qq.com)。

劉黎偉(1974—)，男，河南洛陽(yáng)人，工程師，從事大氣污染防治與管理方面的工作。

聶海濤(1979—)，男，河南三門峽人，助理工程師，從事大氣污染處理與防治方面的工作。