單塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)阻力增大分析及處理

劉恩天, 徐 江, 趙志發(fā), 薛小宇

(國(guó)電泰州發(fā)電有限公司， 江蘇泰州 225300)

在濕法煙氣脫硫中，設(shè)備常常發(fā)生結(jié)垢和堵塞。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加和運(yùn)行環(huán)境變化，這些部件結(jié)垢后煙氣通流面積減小，煙氣通過(guò)時(shí)阻力就會(huì)增加，當(dāng)超過(guò)一定范圍時(shí)，鍋爐引風(fēng)機(jī)出來(lái)的煙氣不能及時(shí)排出，將會(huì)引起鍋爐爐膛壓力上升，影響鍋爐帶負(fù)荷能力。為此，首先要弄清楚結(jié)垢的機(jī)理，以及影響結(jié)垢和造成堵塞的因素，然后有針對(duì)性地從工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備結(jié)構(gòu)、操作控制等方面著手解決。

筆者詳細(xì)剖析了某1 000 MW超超臨界二次再熱機(jī)組塔式爐中，單塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)吸收塔除霧器壓差上升導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)全壓上升，機(jī)組帶負(fù)荷能力下降的過(guò)程，為日益增多的大機(jī)組脫硫環(huán)保安全運(yùn)行提供經(jīng)驗(yàn)。

1 系統(tǒng)介紹

1.1 煙氣流程及系統(tǒng)阻力分布

該機(jī)組3號(hào)鍋爐配2臺(tái)50%容量的動(dòng)葉可調(diào)軸流式引風(fēng)機(jī)。引風(fēng)機(jī)風(fēng)量裕量為10%，另加溫度裕量15 K，壓頭裕量為20%。爐膛出口煙氣經(jīng)過(guò)各級(jí)受熱面后，流經(jīng)脫硝系統(tǒng)、空氣預(yù)熱器、干式電除塵器到達(dá)引風(fēng)機(jī)，引風(fēng)機(jī)出口煙氣再依次經(jīng)過(guò)低溫省煤器、脫硫吸收塔、吸收塔外漿池液吸收池(AFT)塔、濕式電除塵器，最后進(jìn)入煙囪排放。脫硫系統(tǒng)無(wú)煙氣換熱器、增壓風(fēng)機(jī)和煙道旁路。

圖1為整個(gè)煙氣系統(tǒng)的流程，表1為鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)工況煙氣系統(tǒng)阻力設(shè)計(jì)值。

圖1 煙氣系統(tǒng)流程

表1 BMCR工況煙氣阻力設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 脫硫系統(tǒng)

3號(hào)鍋爐采用石灰石-石膏濕式單塔雙循環(huán)煙氣脫硫工藝。脫硫系統(tǒng)運(yùn)行范圍為鍋爐啟動(dòng)到100%BMCR工況。脫硫效率≥98.6%，設(shè)計(jì)煤種SO2排放質(zhì)量濃度不高于17.9 mg/m3。原煙氣經(jīng)煙道進(jìn)入雙循環(huán)吸收塔后經(jīng)過(guò)2層一級(jí)噴淋，先脫除煙氣中SO2的60%～80%，再經(jīng)過(guò)4層二級(jí)噴淋，脫除煙氣中剩余SO2的95%左右,兩次疊加從而達(dá)到總的脫硫效率≥98.6%的要求。一級(jí)噴淋的漿池就布置在雙循環(huán)吸收塔底部；二級(jí)噴淋通過(guò)布置在雙循環(huán)吸收塔中部的收集碗進(jìn)入AFT塔。煙氣在雙循環(huán)吸收塔內(nèi)經(jīng)過(guò)2級(jí)共6層噴淋后，其中的SO2被高效地吸收、氧化，最后在吸收塔最高一層噴淋層上方設(shè)置2級(jí)屋脊式除霧器，采用工藝水噴洗以防止沾污和結(jié)垢，煙氣經(jīng)過(guò)兩級(jí)循環(huán)洗滌后從塔頂排出。吸收塔排出的煙氣經(jīng)過(guò)濕式靜電除塵器進(jìn)一步降低煙塵的排放濃度后由煙囪排出。圖2為單塔雙循環(huán)脫硫工藝流程。

圖2 單塔雙循環(huán)脫硫工藝流程

吸收塔在運(yùn)行過(guò)程中，易產(chǎn)生粒徑為10～60 μm的霧，其不僅含有水分，還溶有SO3等有害物，因此，工藝上對(duì)吸收設(shè)備提出除霧的要求，被凈化的氣體在離開(kāi)吸收塔之前要進(jìn)行除霧，以避免石膏雨現(xiàn)象的發(fā)生[1-3]。

除霧器系統(tǒng)包括一臺(tái)安裝在下部的粗除霧器和一臺(tái)安裝在上部的細(xì)除霧器，煙氣流經(jīng)除霧器時(shí)，液滴由于慣性作用，留在擋板上。由于被滯留的液滴也含有固態(tài)物，主要是石膏，因此就有可能在波形板上結(jié)垢。所以，脫硫系統(tǒng)在正常運(yùn)行時(shí)，除霧器應(yīng)按照規(guī)定程序循環(huán)地進(jìn)行水沖洗。沖洗間隔不能太長(zhǎng)，否則易產(chǎn)生結(jié)垢現(xiàn)象；同時(shí)除霧器沖洗不宜過(guò)于頻繁，否則會(huì)導(dǎo)致煙氣帶水量加重以及吸收塔液位過(guò)高，水平衡破壞。

2 除霧器堵塞發(fā)生經(jīng)過(guò)

2018年2月下旬，運(yùn)行人員發(fā)現(xiàn)3號(hào)鍋爐吸收塔除霧器壓差比2017年5月C級(jí)檢修啟動(dòng)后同等工況下均偏高約0.3 kPa，可能是除霧器發(fā)生堵塞。2018年2月25日開(kāi)始，采取縮短除霧器沖洗周期、降低吸收塔和AFT塔漿液pH、置換部分漿液等措施后，除霧器壓差仍保持較快的上升趨勢(shì)；至3月10日，機(jī)組帶880 MW負(fù)荷時(shí)，除霧器壓差已經(jīng)由0.2 kPa上升至1.32 kPa，引風(fēng)機(jī)全壓已逼近滿負(fù)荷設(shè)計(jì)值。煙氣阻力變化數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 煙氣阻力上升過(guò)程

2018年3月11日—12日對(duì)除霧器進(jìn)行在線加鹽酸清洗，但是清洗后，除霧器壓差、引風(fēng)機(jī)出口壓力等參數(shù)未見(jiàn)好轉(zhuǎn)。除霧器在線清洗前后對(duì)比數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 除霧器在線清洗前后對(duì)比

2018年3月13日，利用3號(hào)機(jī)組調(diào)停機(jī)會(huì)對(duì)除霧器內(nèi)部檢查，發(fā)現(xiàn)除霧器結(jié)垢非常嚴(yán)重，將除霧器堵塞物取樣化驗(yàn)，碳酸鈣質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%～25%，石膏質(zhì)量分?jǐn)?shù)在70%左右。2018年3月15日—20日，利用酸洗和高壓水沖洗將結(jié)垢清除干凈。

3 除霧器阻力增大的原因

經(jīng)過(guò)分析， 3號(hào)鍋爐吸收塔除霧器堵塞主要有以下幾方面原因：

(1) 除霧器沖洗不及時(shí)。為控制吸收塔水平衡，除霧器沖洗間隔時(shí)間設(shè)定為20 000 s，沖洗次數(shù)明顯偏少，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)沖洗間隔大于7 200 s時(shí)，對(duì)于除霧器漿液的黏連和結(jié)晶去除效果將明顯減弱[4-6]。沉積在除霧器元件上的石膏漿液未能被及時(shí)沖洗而結(jié)垢，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，結(jié)垢程度越來(lái)越嚴(yán)重，甚至將整個(gè)煙氣通道堵塞。

(2) 漿液pH控制過(guò)高。調(diào)試期間，吸收塔漿液pH控制在5.2左右，AFT塔漿液pH控制在6.1左右，試驗(yàn)入爐煤硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.3%～1.5%，而目前入爐煤硫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅在0.5%左右，未考慮低硫工況高pH的副作用。pH高意味著漿液中CaCO3含量高，CaCO3含量高的漿液更容易結(jié)垢；另外，漿液的pH高時(shí)，會(huì)抑制CaSO3氧化成為CaSO4(石膏)，從而使?jié){液中CaSO3含量過(guò)大，進(jìn)一步抑制CaSO3的氧化和CaCO3的溶解，使?jié){液中的CaSO3和CaCO3的含量增加，被煙氣帶走加速結(jié)垢。

(3) 沖洗水流量和壓力不足。除霧器的沖洗水源為工藝水，工藝水泵出口壓力一直維持在0.7 MPa以上，除霧器沖洗壓力及流量基本正常，但是由于工藝水用戶較多，存在用水量大時(shí)導(dǎo)致壓力下降現(xiàn)象。另外，除霧器沖洗時(shí)1個(gè)閥門(mén)控制1根沖洗管道，由于每個(gè)噴嘴在管道上的位置不同，沖洗水壓力低時(shí)后面的噴嘴有可能因壓力不足而達(dá)不到理想的沖洗效果。

(4) 部分除霧器噴嘴堵塞。部分噴嘴可能會(huì)由于水質(zhì)影響而堵塞，更多的是被石膏漿液堵塞。除霧器沖洗是間隔進(jìn)行的，而夾帶漿液滴的煙氣是連續(xù)流動(dòng)的，如果煙氣中液滴進(jìn)入噴嘴而未及時(shí)被沖走，就會(huì)造成噴嘴堵塞，該噴嘴所覆蓋的區(qū)域就會(huì)沉積漿液結(jié)垢，造成該區(qū)域除霧器堵塞。未堵塞區(qū)域的煙氣流量及流速就會(huì)增加，黏附的漿液也會(huì)增加，從而增加了沖洗難度，加速堵塞，形成惡性循環(huán)[7-8]。

(5) 入爐煤硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低。由于大量摻燒進(jìn)口煤，3號(hào)鍋爐入爐硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅在0.5%，較以往1.0%大幅度下降。原煙氣SO2質(zhì)量濃度經(jīng)常低于1 000 mg/m3，凈煙氣SO2質(zhì)量濃度甚至最低至1 mg/m3以下，進(jìn)入AFT塔噴淋層的SO2質(zhì)量濃度大幅度減少，導(dǎo)致大量CaCO3得不到迅速反應(yīng)而被煙氣帶走。

(6) 吸收塔、AFT塔漿液氯離子質(zhì)量濃度高。氯離子質(zhì)量濃度經(jīng)常大于30 000 mg/L，而設(shè)計(jì)值要求氯離子質(zhì)量濃度小于8 000 mg/L。氯離子質(zhì)量濃度高一方面是由于冬季北方來(lái)煤添加融雪劑，導(dǎo)致其偏離設(shè)計(jì)值太多，廢水系統(tǒng)無(wú)法應(yīng)對(duì)；另一方面是廢水系統(tǒng)排放能力小，廢水系統(tǒng)與出石膏系統(tǒng)關(guān)聯(lián)，非出石膏時(shí)段，無(wú)法出廢水。而在低硫工況下，由于出石膏時(shí)間短，廢水出力更加不足。過(guò)高的氯離子質(zhì)量濃度會(huì)抑制漿液的反應(yīng)，使?jié){液內(nèi)的CaSO3和CaCO3含量過(guò)高，被煙氣帶走堵塞除霧器。

(7) 吸收塔及AFT塔漿液起泡。鍋爐在運(yùn)行過(guò)程中燃燒不充分，粉塵等惰性物質(zhì)進(jìn)入吸收塔，導(dǎo)致漿液起泡。添加催化劑時(shí)也易引起漿液起泡，漿液起泡后增大了煙氣的攜帶量。

4 防止除霧器堵塞的措施和效果

4.1 措施

(1) 加強(qiáng)運(yùn)行監(jiān)視，對(duì)除霧器及時(shí)沖洗。吸收塔除霧器沖洗間隔時(shí)間降至10 000 s，跟蹤除霧器在不同負(fù)荷下的壓差，對(duì)照運(yùn)行參數(shù)每班進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，如果發(fā)現(xiàn)除霧器壓差有上升趨勢(shì)，說(shuō)明可能有堵塞，立即加強(qiáng)對(duì)除霧器的沖洗。

(2) 控制吸收塔漿液pH為4.6～5.0，密度為1 080～1 120 kg/m3；AFT塔漿液pH為5.5～5.8，密度為1 060～1 100 kg/m3。漿液pH達(dá)上限而凈煙氣SO2質(zhì)量濃度仍然無(wú)法有效控制時(shí)，及時(shí)啟動(dòng)備用漿液循環(huán)泵，優(yōu)先投運(yùn)下層漿液循環(huán)泵運(yùn)行。禁止采用提高供漿量長(zhǎng)期維持高pH，而不啟動(dòng)漿液循環(huán)泵的運(yùn)行方式來(lái)提高脫硫效率。

(3) 確保除霧器沖洗水的流量和壓力。如果沖洗水壓力大而流量降低，有可能是有噴嘴堵塞；如果沖洗水流量大而壓力低，則有可能有閥門(mén)內(nèi)漏或噴嘴脫落。除霧器沖洗時(shí)應(yīng)控制工藝水母管壓力>0.7 MPa，其他用戶大量用水盡量避開(kāi)除霧器沖洗時(shí)間，確保沖洗水壓力>0.15 MPa。

(4) 加強(qiáng)除霧器的維護(hù)檢查。打開(kāi)除霧器人孔進(jìn)行檢查，清理結(jié)垢；檢查除霧器噴嘴是否有堵塞、脫落和損壞現(xiàn)象；檢查沖洗母管有無(wú)損壞、漏水情況；通過(guò)試噴來(lái)檢查沖洗效果。

(5) 當(dāng)入爐硫質(zhì)量分?jǐn)?shù)低，原煙氣SO2質(zhì)量濃度低，漿液循環(huán)泵已減至最少而凈煙氣SO2質(zhì)量濃度仍然極低時(shí)，要及時(shí)減少供漿量，避免凈煙氣SO2質(zhì)量濃度長(zhǎng)期低于5 mg/m3。

(6) 冬季加倉(cāng)采用南方煤和北方港口煤摻配的方式控制入爐氯含量，關(guān)注漿液氯離子質(zhì)量濃度變化，及時(shí)分析調(diào)整。保持最大出力排出石膏廢水，確保廢水系統(tǒng)正常運(yùn)行，降低漿液氯離子質(zhì)量濃度并加強(qiáng)化驗(yàn)跟蹤，保證漿液品質(zhì)。

(7) 關(guān)注吸收塔和AFT塔漿液起泡情況，盡量不使用催化劑。調(diào)整鍋爐燃燒，確保燃燒充分，發(fā)現(xiàn)有起泡現(xiàn)象時(shí)及時(shí)添加消泡劑。不可僅通過(guò)增大風(fēng)量來(lái)確保燃燒充分，如果煙氣含氧量過(guò)高，煙氣流量的增加，使煙氣流速增加，煙氣中夾帶的石膏漿液滴也會(huì)相應(yīng)增加。

(8) 加強(qiáng)吸收塔和AFT塔液位的監(jiān)視和調(diào)整，控制吸收塔液位≤5.3 m，AFT塔液位≤22.5 m，避免發(fā)生吸收塔溢流現(xiàn)象。除霧器沖洗前，將液位控制在低位，避免由于液位高中斷或屏蔽除霧器沖洗；同時(shí)也避免因吸收塔液位過(guò)高而導(dǎo)致煙氣攜帶漿液的濃度增加。如果吸收塔液位過(guò)高，經(jīng)采取措施調(diào)整無(wú)效，就及時(shí)倒?jié){至事故漿液箱。

4.2 效果

自從3號(hào)鍋爐啟動(dòng)兩個(gè)多月后，除霧器壓差一直在0.2 kPa以下，比較穩(wěn)定，沒(méi)有上升跡象，說(shuō)明所采取的措施是比較有效的。圖3、圖4是兩個(gè)月除霧器壓差的變化情況。

圖3 除霧器差壓變化情況1

圖4 除霧器壓差變化情況2

5 結(jié)語(yǔ)

雖然脫硫系統(tǒng)阻力上升的原因還可能存在在其他部位，但是最主要和最常見(jiàn)的就是除霧器壓差的上升。除霧器結(jié)垢堵塞導(dǎo)致壓差的上升往往也不是單個(gè)因素造成的，防止除霧器堵塞的措施雖然針對(duì)性較強(qiáng)，但是所采取的方法和原理同樣適用于其他鍋爐的脫硫系統(tǒng)。