濕法煙氣脫硫系統(tǒng)石膏脫水研究

王永輝

(貴州興義電力發(fā)展有限公司， 貴州興義 562400)

石灰石-石膏濕法煙氣脫硫是目前應(yīng)用很廣泛的一種脫硫技術(shù)，其脫硫原理是采用石灰石顆粒制作成漿液作為脫硫吸收劑，與進(jìn)入吸收塔的煙氣逆流接觸，煙氣中的SO2與漿液中的碳酸鈣及鼓入的氧化空氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，最終產(chǎn)生石膏，漿液中的石膏由真空皮帶脫水系統(tǒng)脫水后外運(yùn)綜合利用或到灰場(chǎng)貯存[1-4]。

石膏脫水環(huán)節(jié)會(huì)出現(xiàn)脫水困難、石膏含水率過(guò)高等問(wèn)題，這對(duì)脫硫系統(tǒng)安全運(yùn)行和污染物達(dá)標(biāo)排放造成了很大影響。筆者通過(guò)分析影響石膏脫水的各個(gè)環(huán)節(jié)，分析了一些主要影響石膏脫水的因素，并對(duì)相關(guān)問(wèn)題提出了處理措施。

1 化學(xué)反應(yīng)原理

石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中涉及SO2的吸收、氧化、中和，以及石灰石的溶解和石膏結(jié)晶等過(guò)程，而在所有環(huán)節(jié)中SO32-濃度是影響石膏脫水非常重要的指標(biāo)，在整個(gè)脫硫過(guò)程中主要化學(xué)反應(yīng)方程式為[5]：

(1) 石灰石的溶解。

(1)

(2) SO2的吸收。

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(3) 反應(yīng)產(chǎn)物的氧化。

(7)

(8)

(4) 結(jié)晶生成石膏。

(9)

在石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)中，石膏脫水系統(tǒng)主要包括兩級(jí)處理環(huán)節(jié)：一級(jí)處理是指利用水力石膏旋流器進(jìn)行初級(jí)脫水；二級(jí)處理是指利用真空皮帶脫水機(jī)進(jìn)行二級(jí)脫水。石膏脫水系統(tǒng)的主要設(shè)備包括石膏排出泵、水力石膏旋流器、真空皮帶脫水機(jī)、真空泵等。從脫硫特性來(lái)說(shuō)，影響石膏脫水的指標(biāo)主要包括煙氣量、液氣比、原煙氣SO2濃度、吸收塔漿液pH、石灰石活性、氧化風(fēng)量等。

2 主要影響因素

隨著脫硫系統(tǒng)的不斷運(yùn)行，石膏脫水環(huán)節(jié)會(huì)出現(xiàn)一系列問(wèn)題，例如漿液脫不出石膏、石膏含水率較高、石膏表層黏稠有雜質(zhì)等，分析其原因主要有8個(gè)方面。

2.1 吸收塔入口煙塵質(zhì)量濃度

以某600 MW機(jī)組脫硫系統(tǒng)入口煙氣參數(shù)為例(見(jiàn)表1，以設(shè)計(jì)煤種計(jì)算，α為空氣過(guò)量系數(shù))，要求進(jìn)入脫硫系統(tǒng)的煙塵質(zhì)量濃度小于200 mg/m3。在機(jī)組實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，脫硫系統(tǒng)入口煙塵質(zhì)量濃度在70～80 mg/m3，且按照除塵效率為50%[6]推算，每月大約有58 t煙塵溶入吸收塔漿液系統(tǒng)，隨著時(shí)間的推移煙塵溶解到脫硫系統(tǒng)漿液的量將越來(lái)越大，由于粉塵中的氟化物和鋁化物較多，容易在高pH下形成氟鋁絡(luò)合物，該氟鋁絡(luò)合物的表面積比碳酸鈣表面積更小，極易附著在碳酸鈣表面，對(duì)其形成包裹，阻止碳酸鈣的溶解，不但降低了脫硫效率，而且使?jié){液中的石膏含量降低，不利于排出石膏的脫水。

表1 脫硫系統(tǒng)入口煙氣參數(shù)

對(duì)于一些脫硫入口煙塵含量低的電廠，如已完成機(jī)組超低排放改造等項(xiàng)目，脫硫系統(tǒng)入口煙塵質(zhì)量濃度往往低于30 mg/m3，進(jìn)入脫硫漿液系統(tǒng)的煙塵量在漿液體系中的占比明顯偏低，不能對(duì)石灰石漿液進(jìn)行有效包裹，在這樣的介質(zhì)環(huán)境中，煙塵可作為石膏結(jié)晶的晶核，對(duì)石膏的產(chǎn)生有一定的促進(jìn)作用，可不進(jìn)行處理。

2.2 鍋爐投油

目前，脫硫系統(tǒng)取消煙氣旁路后，脫硫系統(tǒng)都要在鍋爐點(diǎn)火前啟動(dòng)運(yùn)行，鍋爐在開(kāi)停機(jī)和投油穩(wěn)燃時(shí)都將造成大量未完全燃燒的柴油在脫硫系統(tǒng)被吸收沉積，柴油和漿液混合后起到表面活性劑的作用，容易在吸收塔內(nèi)產(chǎn)生泡沫，妨礙石膏結(jié)晶和晶體長(zhǎng)大。吸收塔起泡嚴(yán)重時(shí)，石膏排出泵入口漿液泡沫增加，泵出口壓力降低或壓力不穩(wěn)，無(wú)法正?？刂剖嗔髁?，漿液流量不穩(wěn)定，最終導(dǎo)致漿液密度逐漸上升，吸收塔液位難以控制。

2.3 石膏漿液品質(zhì)

2.3.1 漿液pH

漿液pH對(duì)石膏結(jié)晶的影響是間接的，但也是決定性因素之一。根據(jù)吸收塔內(nèi)的反應(yīng)原理，可以得出高pH的控制有助于SO2的溶解，低pH的控制有助于石灰石的溶解，但抑制SO2吸收，所以pH過(guò)高過(guò)低都不利于石膏的形成，過(guò)高的pH使大量的石灰石混入石膏，過(guò)低的pH則可能導(dǎo)致亞硫酸鹽混入石膏，由于兩者的粒徑均比硫酸鈣晶體小，不僅降低石膏純度，而且造成石膏脫水困難。

2.3.2 漿液密度

漿液密度過(guò)高，表明漿液中石膏過(guò)量，反映了吸收塔中漿液的飽和；漿液密度過(guò)低，表明漿液抑制了SO2的吸收，pH增加不利于CaCO3的溶解。漿液密度過(guò)高或者過(guò)低都將導(dǎo)致石膏中的CaCO3含量增加，降低石膏品質(zhì)，且因CaCO3顆粒粒徑小，造成石膏脫水困難。

2.3.3 漿液中Cl-質(zhì)量濃度

石灰石-石膏漿液在吸收煙氣中的SO2的同時(shí)，煙氣中的HCl和HF及煙塵中的氯化物都被吸收到漿液中，長(zhǎng)期運(yùn)行后，漿液中的Cl-質(zhì)量濃度將逐步增加，Cl-和Ca2+結(jié)合成易溶解的CaCl2，使得漿液中的生成CaSO4的化學(xué)反應(yīng)平衡向逆反應(yīng)方向進(jìn)行，抑制了石膏的生成，最終導(dǎo)致石膏含水率偏高。

2.4 石灰石帶入脫硫系統(tǒng)的物質(zhì)

石灰石中CaO和MgO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高(見(jiàn)表2)，Mg2+易溶解，不易被石膏脫水裝置去除，會(huì)長(zhǎng)期殘留在吸收塔漿液中，不斷積累，而MgSO4在漿液中以離子形式存在，同樣會(huì)對(duì)生成CaSO4的化學(xué)反應(yīng)平衡起到抑制作用，使其向逆反應(yīng)方向進(jìn)行，使得漿液中CaSO3的成分增加，不利于石膏脫水。

表2 石灰石主要成分 %

2.5 工藝水水質(zhì)

根據(jù)火電廠典型設(shè)計(jì)情況，石灰石-石膏濕法脫硫系統(tǒng)工藝水一般來(lái)源于電廠循環(huán)水排水，而循環(huán)水中為了防止凝汽器結(jié)垢，往往是連續(xù)添加阻垢劑，抑制CaCO3的生成。根據(jù)循環(huán)水阻垢劑阻垢原理，阻垢劑能起到表面活性劑的作用，會(huì)對(duì)CaCO3進(jìn)行包裹，防止晶格長(zhǎng)大，并且阻垢劑中的特殊金屬有機(jī)物會(huì)進(jìn)入CaCO3晶格，使晶格發(fā)生畸變，阻止CaCO3晶體長(zhǎng)大，而這些阻垢劑進(jìn)入脫硫漿液系統(tǒng)后同樣會(huì)抑制CaSO4晶格長(zhǎng)大，影響石膏脫水。

2.6 氧化空氣量

半水硫酸鈣晶體粒徑小、黏性較強(qiáng)，呈開(kāi)放多孔晶簇狀，受壓后易破損，釋放晶簇內(nèi)的水，導(dǎo)致濾餅看似干燥，而經(jīng)抖動(dòng)或擠壓后釋放出水，使石膏含水率偏高。

石灰石-石膏濕法脫硫工藝中，氧化風(fēng)機(jī)向吸收塔石膏漿液鼓入空氣后，將HSO3-強(qiáng)制氧化為SO42-，充足的空氣能保證HSO3-得到充分氧化，與Ca2+反應(yīng)生成CaSO4·2H2O。因此，保證足夠的氧化空氣量是確保吸收塔內(nèi)漿液結(jié)晶和維持脫水效率的重要因素。

2.7 脫硝系統(tǒng)氨逃逸率

火電機(jī)組在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)煙溫低、脫硝催化劑活性差，為保證全工況NOx排放達(dá)標(biāo)，在實(shí)際運(yùn)行操作中會(huì)造成脫硝系統(tǒng)噴氨量過(guò)大、氨逃逸率過(guò)高，加上部分機(jī)組脫硝催化劑已達(dá)到接近3 a的使用壽命，各種因素的疊加引起系統(tǒng)噴氨量增加，對(duì)石膏脫水造成一定的影響。

氨氣溶于水后呈弱堿性，對(duì)SO2的吸收有一定促進(jìn)作用，但隨著NH4+濃度的不斷提高，(NH4)2SO4濃度的不斷增加，在石膏生成的化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中和Mg2+的存在一樣，抑制了CaSO4化學(xué)平衡反應(yīng)向正方向進(jìn)行，對(duì)石膏脫水不利。

2.8 運(yùn)行設(shè)備

2.8.1 水力石膏旋流器

水力石膏旋流器主要是靠離心力的作用實(shí)現(xiàn)漿液的濃縮和分級(jí)，完成一級(jí)脫水。吸收塔漿液切向進(jìn)入水力石膏旋流器，在離心力的作用下，對(duì)漿液進(jìn)行濃縮及顆粒分級(jí)，稀漿液溢流返回吸收塔，濃縮后的漿液被送往真空脫水皮帶機(jī)進(jìn)行二級(jí)真空皮帶機(jī)脫水。影響分離效果的因素主要有投運(yùn)的旋流子個(gè)數(shù)和旋流器入口的壓力：旋流子投運(yùn)個(gè)數(shù)多，吸收塔出石膏快；旋流器入口壓力高，分離效果明顯[7]。

2.8.2 真空皮帶脫水機(jī)

真空皮帶脫水機(jī)的工作原理是通過(guò)真空抽吸漿液達(dá)到脫水的目的。漿液被送入真空皮帶脫水機(jī)的濾布上，濾布是通過(guò)一條重型橡膠皮帶傳送的，此橡膠皮帶上橫向開(kāi)有凹槽且中間開(kāi)有通孔以使液體能夠吸入真空箱。濾液和空氣同時(shí)被抽送到真空總管，真空總管中的濾液和空氣進(jìn)入氣液分離器進(jìn)行分離，氣液分離器頂部出口與真空泵相連，氣體被真空泵抽走。分離后的濾液由氣液分離器底部出口進(jìn)入濾液接收水槽。漿液經(jīng)真空抽吸經(jīng)過(guò)過(guò)濾部、清洗部和脫水部形成合格的濾餅，在卸料區(qū)經(jīng)卸料斗落入石膏倉(cāng)。而在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，濾布臟污堵塞等引起壓差增加、真空泵出力不足引起的脫水系統(tǒng)真空度不夠、濾布轉(zhuǎn)速不合理引起的濾餅厚度太厚等都會(huì)造成石膏脫水困難或含水率過(guò)高。

3 處理方法

(1) 確保脫硫劑石灰石品質(zhì)，保證石灰石中CaO、MgO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)及石灰石粒徑符合設(shè)計(jì)要求。

(2) 加強(qiáng)除塵系統(tǒng)運(yùn)行管理，確保脫硫系統(tǒng)入口煙塵含量控制在盡可能低的范圍內(nèi)，減少煙塵進(jìn)入吸收塔的質(zhì)量，降低其對(duì)漿液的污染。

(3) 在正常運(yùn)行時(shí)，確保廢水系統(tǒng)正常投運(yùn)，及時(shí)控制Cl-、Mg2+和重金屬離子的含量，保證漿液品質(zhì)。如果吸收塔出現(xiàn)溢流或者冒泡現(xiàn)象，在吸收塔區(qū)地坑內(nèi)加入適當(dāng)?shù)南輨?/p>

(4) 加強(qiáng)脫硫系統(tǒng)運(yùn)行管理，確保吸收塔及石膏脫水系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)控制在最佳范圍，如將吸收塔液位、pH、脫水機(jī)運(yùn)行負(fù)壓、石膏濾餅厚度、水力石膏旋流器運(yùn)行壓力、漿液密度等重要參數(shù)控制在設(shè)計(jì)最佳范圍內(nèi)。

(5) 重視吸收塔內(nèi)漿液氧化環(huán)節(jié)。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，保證氧化風(fēng)量滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求；系統(tǒng)停運(yùn)時(shí)，如吸收塔漿液液位高于氧化空氣管安裝高度時(shí)，不得全停氧化風(fēng)機(jī)；脫硫系統(tǒng)停運(yùn)檢修時(shí)，應(yīng)檢查氧化風(fēng)管堵塞情況，及時(shí)疏通，管道有漏氣現(xiàn)象或者風(fēng)機(jī)內(nèi)部間隙太大，應(yīng)及時(shí)查找原因進(jìn)行處理。

(6) 真空皮帶脫水機(jī)、水力石膏旋流器等設(shè)備出現(xiàn)故障或運(yùn)行參數(shù)偏離設(shè)計(jì)值時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行處理，使其恢復(fù)正常，定期檢查水力石膏旋流器襯砂嘴，及時(shí)更換堵塞或磨損嚴(yán)重的濾布，避免相關(guān)設(shè)備帶故障運(yùn)行。

(7) 加強(qiáng)脫硫系統(tǒng)儀表運(yùn)行維護(hù)，確保相關(guān)參數(shù)準(zhǔn)確、可靠。

(8) 脫硝系統(tǒng)在未更換低溫催化劑前，為降低氨逃逸對(duì)石膏脫水的影響，可加強(qiáng)脫硫系統(tǒng)排污或換水。

(9) 加強(qiáng)鍋爐運(yùn)行管理，控制點(diǎn)火、穩(wěn)燃投油量，降低鍋爐投油對(duì)吸收塔漿液的影響。

4 結(jié)語(yǔ)

石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝中，石膏脫水困難和石膏含水率高是普遍存在的問(wèn)題，影響石膏脫水的因素有很多。在有關(guān)故障原因查找過(guò)程中往往用到排除法去分析某次石膏脫水困難的原因，因此在脫硫系統(tǒng)日常運(yùn)行維護(hù)管理中，應(yīng)依次做好相關(guān)檢查，并及時(shí)調(diào)整相應(yīng)環(huán)節(jié)，基本能保證脫硫系統(tǒng)石膏脫水品質(zhì)達(dá)標(biāo)。