石灰石-石膏濕法脫硫裝置的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性研究

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(河南龍宇煤化工有限公司，河南 永城 476600)

隨著國(guó)家對(duì)環(huán)保工作的重視和人民對(duì)生活質(zhì)量要求的提高，二氧化硫的治理越來越引起社會(huì)的關(guān)注，石灰石-石膏法脫硫技術(shù)作為一種成熟的煙氣脫硫手段，其國(guó)內(nèi)市場(chǎng)占有率達(dá)到90%，運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性也已成為發(fā)電廠、化工廠等關(guān)注的焦點(diǎn)。

石灰石-石膏法脫硫采用的吸收劑是石灰石漿液，在吸收塔內(nèi)石灰石漿液自上而下噴淋，與自下而上通過的煙氣充分接觸、混合，與煙氣中的二氧化硫發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，固化脫除煙氣中的二氧化硫。石灰石漿液反應(yīng)后生成的亞硫酸鈣與氧化風(fēng)機(jī)鼓入的空氣發(fā)生氧化反應(yīng)生成石膏(水合硫酸鈣)，反應(yīng)后的煙氣通過煙囪向外排放。

影響FGD運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性主要包括以下方面：一是提高裝置運(yùn)行穩(wěn)定性，保證處理后煙氣中的二氧化硫持續(xù)達(dá)標(biāo)排放，避免因超標(biāo)引起巨額環(huán)保處罰；二是降低裝置運(yùn)行費(fèi)用，主要包括提高運(yùn)行效率和副產(chǎn)品石膏質(zhì)量，降低石灰石用量和用電量，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

1 裝置概況

河南龍宇煤化工有限公司(以下簡(jiǎn)稱龍宇煤化工)一期裝置主要包括50萬t/a甲醇項(xiàng)目和20萬t/a二甲醚項(xiàng)目，以永城本地產(chǎn)生的煤炭為原料，通過粉碎、氣化、凈化、合成、精餾等工藝，生產(chǎn)甲醇和二甲醚產(chǎn)品，消耗煤炭量超過110萬t/a。龍宇煤化工一期配套建設(shè)3臺(tái)130 t/h循環(huán)流化床鍋爐，每臺(tái)鍋爐配套1臺(tái)石灰石石膏濕法脫硫裝置(FGD)，單臺(tái)FGD裝置設(shè)計(jì)煙氣處理能力為20萬m3/h，處理后的煙氣經(jīng)過與河南省環(huán)保廳聯(lián)網(wǎng)的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)分析后對(duì)外排放，排放標(biāo)準(zhǔn)為35 mg/Nm3。

2 FGD運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析

2.1 pH值對(duì)運(yùn)行效率影響分析

由于石灰石漿液呈堿性，在煙氣量不變的情況下，pH 值越高說明漿液中石灰石的濃度越高，對(duì)SO2的吸收越有利，為保證SO2的吸收效率，應(yīng)通過不斷補(bǔ)充石灰石漿液維持較高的pH 值。雖然提高漿液的pH 值有利于吸收SO2，但較高的pH 值不僅會(huì)抑制石灰石的溶解，而且也不利于Ca2+的析出，所以吸收塔中的pH 值并非越高越好，高低各有利弊。

在較高的pH 值(pH>8.0)下，SO2與石灰石漿液反應(yīng)生成亞硫酸鈣后會(huì)結(jié)垢，煙氣中的CO2也會(huì)與Ca2+發(fā)生再碳酸化反應(yīng)，生成CaCO3沉積物。如果漿液的pH高達(dá)9以上，CO2與Ca2+的再碳酸化反應(yīng)顯著增加。因此，無論是從抑制軟垢的生成或是抑制CO2的再碳酸化方面來看，pH值一般不宜超過7。

參考相關(guān)文獻(xiàn)，并結(jié)合實(shí)際運(yùn)行效果，脫硫塔內(nèi)的pH值控制在5.2～5.8，對(duì)反應(yīng)最有利，pH值控制在合理范圍內(nèi)有利于提高石灰的利用率，避免因結(jié)垢等情況導(dǎo)致石灰原料的浪費(fèi)，節(jié)約運(yùn)行成本，提高運(yùn)行穩(wěn)定性。

2.2 石膏質(zhì)量影響分析

脫硫裝置副產(chǎn)品主要是石膏，脫硫石膏可用作水泥生產(chǎn)、石膏裝飾板等，石膏品質(zhì)的好壞直接影響銷售價(jià)格。

未反應(yīng)完的石灰是脫硫石膏的主要雜質(zhì)，大約在 5% 左右。因此，要控制石灰漿液的補(bǔ)入量，即控制塔內(nèi)的pH值在5.2～5.8，如果石灰石漿液在非連續(xù)補(bǔ)入的工況下，盡量避免在補(bǔ)入漿液的同時(shí)壓濾石膏，應(yīng)在補(bǔ)入漿液半小時(shí)后壓濾石膏。

未氧化的亞硫酸鈣會(huì)附著在石膏晶體上結(jié)晶，細(xì)小亞硫酸鈣附著在石膏表面，一方面使石膏粒徑變大，顆粒度參差不齊，降低了石膏的品質(zhì)；另一方面，包裹在石膏晶體表面的亞硫酸鈣小顆?？棵?xì)作用會(huì)吸附漿液，導(dǎo)致石膏含水率超標(biāo)。所以脫硫塔不能超負(fù)荷運(yùn)行(煙氣入口SO2濃度超出設(shè)計(jì)值20%以上)，同時(shí)要定期檢測(cè)氧化風(fēng)機(jī)出力，保證氧化風(fēng)量、風(fēng)壓。

煙氣中粉塵的附著也會(huì)導(dǎo)致石膏白度降低，影響石膏品質(zhì)。為避免鍋爐啟動(dòng)初期的油煙、碳核、瀝青質(zhì)及多環(huán)芳烴等粉塵成分影響，鍋爐啟動(dòng)初期應(yīng)加大塔內(nèi)漿液的置換量，將含油漿液排入事故池，或者通過故意提高液位，溢出塔內(nèi)漿液表面的油污等雜質(zhì)，并在收集后送至廠區(qū)污水處理廠處理。

高品質(zhì)的石膏能提高副產(chǎn)品銷售價(jià)格，而白度或雜質(zhì)含量超標(biāo)的石膏不但不能作為產(chǎn)品銷售，還要當(dāng)作固廢處理，額外增加廢物處理費(fèi)用。因此，控制好石膏品質(zhì)能提高脫硫系統(tǒng)的副產(chǎn)品收益，提升脫硫系統(tǒng)運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。

2.3 降低石灰消耗措施分析

吸收塔內(nèi)的漿液與逆流的煙氣不斷發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，在脫除SO2的同時(shí)，煙氣中的粉塵等雜質(zhì)在漿液中不斷循環(huán)富集，漿液中的可溶性離子也在塔內(nèi)隨漿液的蒸發(fā)而富集，會(huì)產(chǎn)生大量的泡沫。當(dāng)塔內(nèi)起泡嚴(yán)重時(shí)，吸收塔漿液會(huì)發(fā)生大量溢流現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在啟停漿液循環(huán)泵時(shí)尤為明顯。虛假液位不僅會(huì)造成石灰石漿液的浪費(fèi)，還會(huì)導(dǎo)致二氧化硫波動(dòng)，甚至造成小時(shí)均值超標(biāo)處罰。

龍宇煤化工一期3臺(tái)鍋爐配套脫硫裝置自2015年投用后，3套脫硫裝置均多次出現(xiàn)過吸收塔液位計(jì)顯示液位正常、但吸收塔溢流的現(xiàn)象，且檢查后均可排除溢流管虹吸和液位計(jì)不準(zhǔn)的可能性。以其中一次溢流的現(xiàn)象為例，對(duì)溢流形成的原因進(jìn)行分析。

1#吸收塔正常運(yùn)行液位為5 m左右，溢流口高度為5.8 m，反應(yīng)方式為底部攪拌與矛槍式曝氣組合。2017年2月12日，1#吸收塔在遠(yuǎn)傳液位為4.9 m、備用漿液泵啟動(dòng)6 min后，吸收塔溢流口出現(xiàn)溢流現(xiàn)象，而此時(shí)吸收塔液位計(jì)顯示依然為4.9 m左右，處于正常運(yùn)行指標(biāo)范圍，在現(xiàn)場(chǎng)操作人員緊急采取停運(yùn)備用漿液泵的措施后，溢流現(xiàn)象消失。

計(jì)算公式中，H為吸收塔遠(yuǎn)傳顯示的液位,m；ρ為吸收塔內(nèi)漿液的密度,采用漿液密度計(jì)數(shù)值， kg/m3；h1為液位計(jì)安裝高度，取0.6 m；P為液位計(jì)監(jiān)測(cè)的靜壓值，kPa。

經(jīng)技術(shù)人員對(duì)照現(xiàn)場(chǎng)分析，出現(xiàn)溢流現(xiàn)象的原因如下：備用漿液泵投運(yùn)后，石灰石漿液的抽吸量變大，同時(shí)石灰石漿液與煙氣的接觸量增大，導(dǎo)致石灰石漿液表面泡沫增多，且產(chǎn)生的泡沫被循環(huán)吸入吸收塔的中下部，導(dǎo)致吸收塔內(nèi)石灰石漿液整體密度降低、體積增大，引起溢流。在溢流發(fā)生時(shí)，由于密度計(jì)測(cè)量點(diǎn)距離漿液泵吸入口較遠(yuǎn)，且位于吸收塔底部，導(dǎo)致測(cè)量區(qū)域密度變化不大，與吸收塔內(nèi)的漿液真實(shí)密度出入較大，同時(shí)，由于液位計(jì)也安裝在吸收塔底部，標(biāo)高0.6 m處，循環(huán)吸入的泡沫高于液位計(jì)位置，導(dǎo)致液位計(jì)測(cè)量的靜壓值不受泡沫影響，故導(dǎo)致遠(yuǎn)傳液位計(jì)測(cè)量的液位值依然顯示為正常狀態(tài)，沒有出現(xiàn)明顯變化，即產(chǎn)生了“虛假液位”。

塔內(nèi)漿液起泡溢流會(huì)導(dǎo)致漿液利用率低，石灰石補(bǔ)入量提高，嚴(yán)重影響運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，可采取以下措施應(yīng)對(duì)。

(1)以漿液中不參與反應(yīng)的Cl-濃度作為吸收塔內(nèi)廢水濃縮情況參考，通過及時(shí)排放置換吸收塔漿液，控制Cl-濃度在8 000 mg/L以下。

(2)鍋爐點(diǎn)火期間保證布袋除塵器的投用，避免大量煙塵進(jìn)入吸收塔漿液內(nèi)。

(3)根據(jù)溢流情況可不定期加入消泡劑，如果已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重溢流，可短時(shí)間停運(yùn)1臺(tái)漿液循環(huán)泵。

2.4 降低電費(fèi)措施分析

在煤質(zhì)基本不變、入爐煤硫分在0.8%左右的條件下，吸收塔入口SO2濃度隨鍋爐負(fù)荷的增加而升高，基本維持在800～1 300 mg/Nm3，鍋爐負(fù)荷與脫硫塔入口SO2關(guān)系見圖1。

圖1 鍋爐負(fù)荷與脫硫塔入口SO2關(guān)系

依據(jù)脫硫塔設(shè)計(jì)效率，結(jié)合脫硫塔入口SO2的變化，停運(yùn)3臺(tái)漿液循環(huán)泵中的1臺(tái)，能保證出口SO2達(dá)標(biāo)排放。因此，當(dāng)鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，存在停運(yùn)1臺(tái)漿液循環(huán)泵的可能性。不同工況下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。

表1 停運(yùn)1臺(tái)吸收塔漿液循環(huán)泵對(duì)脫硫效率的影響實(shí)驗(yàn)

以上結(jié)果表明，在負(fù)荷較低、脫硫塔入口SO2濃度不高的情況下，停運(yùn)1臺(tái)漿液循環(huán)泵可以滿足吸收塔環(huán)保指標(biāo)達(dá)標(biāo)排放的要求。因此，在日常運(yùn)行中可通過調(diào)整漿液循環(huán)泵運(yùn)行數(shù)量來節(jié)約脫硫系統(tǒng)電耗。

2.5 石灰石漿液密度影響

在脫硫塔運(yùn)行過程中，運(yùn)行人員重點(diǎn)監(jiān)控的參數(shù)是脫硫塔的pH值及密度。一般運(yùn)行過程要求漿液的密度維持在1 050～1 200 kg/m3。結(jié)合脫硫塔漿液組分分析數(shù)據(jù)，根據(jù)工況調(diào)整石灰石漿液的補(bǔ)入量，以及壓濾石膏的時(shí)間，在滿足脫硫效率的情況下，控制pH值靠下限運(yùn)行，降低塔內(nèi)石灰石漿液殘留量。此舉有利于漿液形成石膏結(jié)晶，更在一定程度上節(jié)省了石灰石漿的用量。而漿液密度不但直接影響石膏脫水的效果，也影響漿液循環(huán)泵的電耗。吸收塔密度與漿液循環(huán)泵電流的關(guān)系見圖2。

圖2 塔內(nèi)漿液密度與漿液循環(huán)泵電流的關(guān)系

以上結(jié)果表明，在pH值等其他條件基本不變的情況下，隨吸收塔內(nèi)漿液密度的增大，循環(huán)泵運(yùn)行電流也隨之增大。因此，將吸收塔內(nèi)漿液密度控制在相對(duì)低的水平上，能降低漿液循環(huán)泵的電耗。但密度控制太低會(huì)增加石膏脫水系統(tǒng)啟停次數(shù)，也會(huì)增加電耗，經(jīng)過試驗(yàn)，將脫硫塔密度控制在1 040～1 120 kg/m3時(shí)，整體運(yùn)行電耗最經(jīng)濟(jì)。

3 結(jié)論

(1)保持pH值在5.2～5.8，有利于石灰利用效率，避免結(jié)垢，降低脫硫劑的消耗成本。

(2)控制pH值、保證漿液氧化、減少煙氣雜質(zhì)的帶入能提高石膏品質(zhì)，增加副產(chǎn)品收益。

(3)關(guān)注漿液密度，盡量減少和避免塔內(nèi)漿液起泡，可以減少脫硫塔漿液的消耗。

(4)在低負(fù)荷、入口SO2濃度較低的運(yùn)行條件下，可調(diào)整吸收塔漿液循環(huán)泵數(shù)量，減少設(shè)備電耗。

(5)脫硫塔運(yùn)行時(shí)控制相對(duì)低的pH值和密度值可以降低吸收劑耗量及設(shè)備電耗。

在脫硫塔實(shí)際投運(yùn)過程中，運(yùn)行單位應(yīng)不斷優(yōu)化工況、摸索經(jīng)驗(yàn)、采取措施，降低脫硫裝置的原料消耗、能量消耗，提高脫硫裝置運(yùn)行的安全性、穩(wěn)定性，進(jìn)而提高脫硫裝置運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益的和諧統(tǒng)一。

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