石灰石–石膏濕法脫硫吸收塔結(jié)垢分析及預(yù)防措施

李文鼎，高惠華，蔡文豐

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石灰石–石膏濕法脫硫吸收塔結(jié)垢分析及預(yù)防措施

李文鼎1，高惠華1，蔡文豐2

（1．華電電力科學(xué)研究院有限公司，湖北省 武漢市 430062；2．華電渠東發(fā)電有限公司，河南省 新鄉(xiāng)市 453700）

結(jié)垢是影響石灰石-石膏濕法脫硫(wet flue gas desulfurization，WFGD)系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的主要問題之一。某發(fā)電公司330MW機(jī)組煙氣脫硫一級塔及除霧器結(jié)垢情況嚴(yán)重，已影響脫硫系統(tǒng)的正常運(yùn)行。針對該問題，對吸收塔及脫硫系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)分析，發(fā)現(xiàn)脈沖懸浮系統(tǒng)故障、除霧器噴嘴堵塞、漿液參數(shù)波動是造成吸收塔結(jié)垢的主要原因。通過加強(qiáng)對除霧器的沖洗、密切監(jiān)視對比除霧器和漿液脈沖泵啟動初期及正常運(yùn)行中的參數(shù)、合理控制脫硫一級塔漿液密度、pH值、氧化風(fēng)量及氟離子濃度等，吸收塔結(jié)垢問題已得到有效緩解。

脫硫；吸收塔；結(jié)垢；預(yù)防措施

0 引言

石灰石–石膏濕法脫硫(wet flue gas desulfurization，WFGD)技術(shù)是世界范圍內(nèi)煙氣脫硫的主流技術(shù)，它具有技術(shù)成熟、適應(yīng)煤種范圍廣、脫硫效率高、吸收劑來源廣且利用率高、系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。但是，其在實(shí)際工程應(yīng)用中仍存在一些問題，由于工藝過程中均采用漿狀物料，脫硫系統(tǒng)特別是吸收塔易結(jié)垢進(jìn)而影響系統(tǒng)的運(yùn)行。吸收塔內(nèi)部結(jié)垢不僅會導(dǎo)致系統(tǒng)阻力增加、塔內(nèi)煙氣流速不均、脫硫效率下降，甚至還會影響脫硫產(chǎn)物的質(zhì)量及系統(tǒng)的氧化效果，垢層達(dá)到一定厚度后可能脫落，砸傷噴嘴和防腐內(nèi)襯，而結(jié)垢嚴(yán)重時甚至造成除霧器塌陷、設(shè)備堵塞、機(jī)組停機(jī)[1]。

目前研究認(rèn)為，吸收塔結(jié)垢有3種形成機(jī) 理[2-3]：1）濕干結(jié)垢。由于較高溫度煙氣的蒸發(fā)作用使黏附于塔壁的部分漿液沉積，主要發(fā)生在吸收塔煙氣入口處至第一層噴嘴之間、最后一層噴嘴至煙氣出口處之間、強(qiáng)制氧化系統(tǒng)氧化風(fēng)管出口處的“濕-干”交界區(qū)；2）結(jié)晶成垢。當(dāng)生成的石膏在漿液的飽和濃度大于引起均相成核作用的臨界飽和度時就會在漿液中形成微小晶核，并在塔內(nèi)表面逐步成長為堅硬的垢；當(dāng)CaSO3×1/2H2O的飽和度超過其均相成核作用的臨界飽和度時就會在塔壁表面形成柔軟、形狀易變的軟垢；3）沉積結(jié)垢。由于系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理、攪拌不充分等造成漿液流速過低，不足以夾帶漿液中的顆粒時，就會造成固體顆粒在容器或管道底部沉積下來。

某發(fā)電公司330MW機(jī)組吸收塔結(jié)垢嚴(yán)重，本文根據(jù)吸收塔結(jié)垢的形成機(jī)理從結(jié)垢垢樣、內(nèi)部檢查情況及運(yùn)行參數(shù)等方面分析其吸收塔結(jié)垢的原因，并提出預(yù)防措施。

1 設(shè)備概況

該公司330MW機(jī)組脫硫采用石灰石-石膏濕法雙塔雙循環(huán)工藝路線，吸收塔漿液攪拌采用脈沖懸浮方式，配置增壓風(fēng)機(jī)并增設(shè)增壓風(fēng)機(jī)旁路；一級吸收塔設(shè)置4層噴淋層及2級屋脊式除霧器，二級吸收塔設(shè)置2層噴淋層及3級屋脊式除霧器；每臺機(jī)組設(shè)置3臺羅茨式氧化風(fēng)機(jī)(兩運(yùn)一備)，氧化空氣通過氧化風(fēng)機(jī)送入氧化區(qū)。

2016年9月該機(jī)組完成超低排放改造后投入運(yùn)行，至2017年9月停機(jī)檢修中發(fā)現(xiàn)一級吸收塔漿液區(qū)有大量的石膏沉積物堆積，堆積高度平均約4m，最高達(dá)6m，且沉積分布嚴(yán)重不均。沉積物將A—C漿液循環(huán)泵、脈沖懸浮泵入口濾網(wǎng)埋住，7個脈沖懸浮噴嘴中有6個被沉積物掩埋。吸收塔干濕交接面及以下塔壁、支架、噴淋管等全部結(jié)垢。一級除霧器葉片及框架被硬質(zhì)結(jié)晶覆蓋，二級除霧器同樣堵塞，但堵塞程度輕于一級除霧器，堵塞物為較為松軟的石膏。除霧器沖洗水噴嘴雜物較多。

2 垢樣分析

根據(jù)結(jié)垢情況，對吸收塔壁、一級除霧器及噴嘴內(nèi)沉積物進(jìn)行了取樣分析，主要元素含量分別見表1—3。

從分析結(jié)果可以看出，吸收塔壁沉積物成分較為復(fù)雜，除含有石膏晶體外還含有Si、Mg及大量的F元素；除霧器沉積物主要是硫酸鈣鹽；除霧器噴嘴的堵塞物主要是Fe的氧化物。

表1 吸收塔塔壁沉積物主要成分

表2 一級除霧器沉積物主要元素含量

表3 噴嘴沉積物主要元素含量

3 結(jié)垢原因分析

3.1 氧化效果差

檢查發(fā)現(xiàn)脈沖懸浮母管斷裂，支管斷裂1根，漿液懸浮管噴嘴脫落，如圖1、2所示。

由于脈沖懸浮管的母管、支管斷裂及噴頭的脫落，導(dǎo)致脈沖懸浮系統(tǒng)不能有效對吸收塔漿池溶液進(jìn)行攪拌，使得池內(nèi)漿液濃度嚴(yán)重不均，降低了氧化效果，從而出現(xiàn)吸收塔漿液區(qū)有大量的石膏沉積物堆積，吸收塔壁及內(nèi)部構(gòu)件上沉積了大量石膏軟垢，嚴(yán)重處厚度可達(dá)60~80mm，由于氟化鈣、氟化鎂等硬化劑的作用，使得塔內(nèi)結(jié)垢物質(zhì)最終呈堅硬狀、灰黑色且有熒光。煙氣中攜帶的未被充分氧化的漿液滴在除霧器上出現(xiàn)了再次氧化的情況，導(dǎo)致吸收塔塔壁和除霧器出現(xiàn)了大面積結(jié)垢現(xiàn)象[4]，如圖3所示。

圖1 脈沖懸浮管母管斷口及脫落的支吊架

圖2 脈沖懸浮管母管斷口

圖3 一級除霧器下部結(jié)晶堵塞

3.2 除霧器噴嘴堵塞

檢查發(fā)現(xiàn)一級除霧器兩端堵塞明顯要高于中間部位，檢查對應(yīng)沖洗水噴嘴發(fā)現(xiàn)堵塞嚴(yán)重部位噴嘴均已堵塞，旋開沖洗水噴嘴可見大量沉積物堆積。

3.3 漿液參數(shù)的影響

石膏漿液pH值較高、濃度過大、氧化效果差等都容易引發(fā)吸收塔內(nèi)部及除霧器結(jié)垢，若控制不當(dāng)，會快速發(fā)展成為大面積堵塞。運(yùn)行中，通過控制石灰石漿液的補(bǔ)充量來控制漿液pH值。pH值較高時，循環(huán)漿液中存在的S主要以SO32-的形式存在，隨著pH值升高，CaSO3的溶解度急劇下降，極易使CaSO3的飽和度達(dá)到并超過其均相成核作用所需的臨界飽和度，從而在塔壁和部件表面上結(jié)晶[5-6]。

雙塔脫硫系統(tǒng)，為了充分發(fā)揮其優(yōu)點(diǎn)，通常一級塔pH值宜控制在5.0±0.2范圍內(nèi)，漿液密度應(yīng)控制在(1100±20)kg/m3范圍內(nèi)。

查閱一級吸收塔漿液密度曲線和pH值曲線，發(fā)現(xiàn)在機(jī)組停機(jī)前一個月(2017-08-19—2017- 09-18)一級塔漿液密度和pH值波動較大且控制偏高，具體見圖4、5。

圖4 一級塔漿液密度曲線

圖5 一級塔漿液pH值曲線

3.4 漿液中F-含量過高

從吸收塔塔壁結(jié)垢物成分分析可以看出，塔壁沉積物成分較為復(fù)雜，除含有石膏晶體外還含有Si、Mg及大量的F元素。

在濕法脫硫相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中未查到有關(guān)吸收塔漿液F-濃度的控制范圍，僅在參考文獻(xiàn)中發(fā)現(xiàn)有脫硫廠家對漿液品質(zhì)的控制標(biāo)準(zhǔn)中要求F-的質(zhì)量濃度小于等于50mg/L[7]。氟化鈣是硬化劑，對碳酸鈣等成份有較強(qiáng)的固化作用，故較高氟化物存在，可以使結(jié)晶體更加堅硬，結(jié)晶體生長到一定厚度時易脫落堵塞排漿泵入口。

表4是氟化鈣、氟化鎂、硫酸鈣的溶度積[8-9]，從表4可以看出，氟化鈣、氟化鎂與硫酸鈣相比溶度積更小，更易沉淀。針對該廠塔壁中垢樣成分F元素含量較高，又對一級塔漿液中F-、Mg2+、Cl-等進(jìn)行了分析，其中F-、Mg2+、Cl-的含量分別為224.1、2422.3、5110mg/L。

表4 氟化鈣等物質(zhì)溶度積

因：[Mg2+]·[F-]2=1.4′10-5>sp(5.16′10-11)，在不考慮漿液中同離子效應(yīng)的情況下，存在著氟化鎂沉積的可能性，氟化鈣同理。

4 暴露的主要問題

4.1 脫硫系統(tǒng)長周期帶病運(yùn)行

圖6為一級塔脈沖懸浮泵壓力運(yùn)行曲線(2016-09-20—2017-09-18)，從圖6中可以看出，該吸收塔在2016年9月超低改造投運(yùn)后即出現(xiàn)了脈沖懸浮泵壓力下降的情況。從初始值0.3MPa逐漸下降至0.15MPa。由此可見該系統(tǒng)在超低改造后投運(yùn)初期就發(fā)生了設(shè)備故障。

圖6 一級塔脈沖懸浮泵壓力

對2016年9月至2017年9月期間一級塔差壓值進(jìn)行統(tǒng)計、分析看出，一級塔差壓上升趨勢明顯，具體見表5。

表5 一級塔差壓值統(tǒng)計

查閱增壓風(fēng)機(jī)電流曲線發(fā)現(xiàn)到2017年5月底6月初，增壓風(fēng)機(jī)電流變化明顯增大。盡管在投運(yùn)初期就發(fā)生了脈沖懸浮泵壓力下降的情況，但由于沒有及時消除該缺陷，在近一年的帶病運(yùn)行過程中，造成了吸收塔內(nèi)塔壁結(jié)垢、除霧器堵塞及塔內(nèi)石膏堆積嚴(yán)重的現(xiàn)象。

4.2 漿液品質(zhì)檢測項目的缺失

未見對濾液水、漿液品質(zhì)中F-抽樣分析，因此對漿液中F-偏高沒有予以重視。

4.3 除霧器噴嘴清理周期過長

從2016年9月機(jī)組投運(yùn)到2017年9月機(jī)組檢修，期間有過短期停運(yùn)，但沒有對除霧器噴嘴進(jìn)行檢查，導(dǎo)致除霧器多個噴嘴堵塞。

5 處理及防范措施

1）查明脈沖懸浮泵母管斷裂的原因并做好相應(yīng)的防范措施，確保該系統(tǒng)的安全運(yùn)行，確保吸收塔內(nèi)氧化效果良好[10]。

2）每隔6個月(最好是3個月)必須進(jìn)行除霧器檢查，視具體情況人工手動沖洗干凈。特別是在脫硫系統(tǒng)參數(shù)明顯異常的情況下，需及時進(jìn)行檢查。

3）運(yùn)行維護(hù)人員應(yīng)熟記并記錄好脫硫系統(tǒng)初次啟動時或正常運(yùn)行時的參數(shù)和數(shù)據(jù)，密切監(jiān)視除霧器的沖洗壓力、流量、差壓、漿液脈沖泵的壓力、電流、增壓風(fēng)機(jī)的電流等參數(shù)，及時發(fā)現(xiàn)和通知檢修人員處理沖洗閥門內(nèi)漏、閥門故障、沖洗水壓力不足等問題，確保除霧器正常沖洗[11]。

4）合理控制運(yùn)行參數(shù)，一級塔pH值宜控制在5.0±0.2范圍內(nèi)，避免pH 值的大幅波動，吸收塔漿液密度控制在(1100±20)kg/m3范圍內(nèi)，亦可考慮添加己二酸等緩蝕劑，以降低吸收塔塔壁及塔內(nèi)構(gòu)件結(jié)垢的誘因[12-13]。

5）增加對漿液F-濃度的分析，從燃煤、石灰石、脫硫工藝水水質(zhì)進(jìn)一步查找F-高的原因，同時也要避免因漿液中氟、鋁元素較高滿足一定比例生成氟鋁絡(luò)合物AlF(一般為2~4)，導(dǎo)致出現(xiàn)“漿液中毒”現(xiàn)象[14-15]。

6 結(jié)論

濕法脫硫裝置在運(yùn)行過程中往往會遇到結(jié)晶、結(jié)垢問題，為解決此類問題，應(yīng)深入了解結(jié)晶原理和運(yùn)行特性，關(guān)注系統(tǒng)的主要運(yùn)行參數(shù)，控制好漿液質(zhì)量濃度、pH、氧化風(fēng)量、石膏漿液停留時間、漿液中F-濃度，以減緩結(jié)晶及垢層脫落問題，保障系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

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Scaling Analysis and Preventive Measures of Limestone-Gypsum Wet Flue Gas Desulfurization

LI Wending1, GAO Huihua1, CAI Wenfeng2

(1. Huadian Electric Power Research Institute Co., LTD., Wuhan 430062, Hubei Province, China; 2. Huadian Qudong Power Generation Co., LTD., Xinxiang 453700, Henan Province, China)

Scaling is one of the main problems affecting the safe and stable operation of limestone gypsum wet flue gas desulfurization (WFGD) system. In a power plant, the scaling of the primary tower and the mist eliminator of 330MW unit was serious, which had affected the normal operation of the flue gas desulfurization system. For this problem, the paper systematically analyzed the absorber and the operation parameters of the desulfurization system. It was found that the fault of the pulse suspension system, the blockage of the mist eliminator nozzle and the fluctuation of the slurry parameters were the main causes of the scaling in the absorber. By strengthening the flushing of the mist eliminator, monitoring and comparing the parameters of the mist eliminator and the slurry pulse pump at the beginning and normal operation, reasonably controlling the slurry density, pH value, oxidation air volume and fluoride ion concentration, the scaling of the primary tower had been effectively alleviated.

desulfurization; absorber; scaling; preventive measure

10.12096/j.2096-4528.pgt.18069

2018-10-09。

李文鼎(1990)，男，碩士，主要從事發(fā)電廠環(huán)保技術(shù)監(jiān)督、調(diào)試、服務(wù)和管理工作，wending-li@chder.com。

李文鼎

(責(zé)任編輯 楊陽)