濕法煙氣脫硫漿液氯離子質(zhì)量濃度模擬計(jì)算與優(yōu)化運(yùn)行

陳向陽(yáng)，曹建宗，樊帥軍，陳文通，要亞坤，劉道寬，馬雙忱

（1.華北電力大學(xué)（保定）環(huán)境科學(xué)與工程系，河北 保定 071003；2.深能保定發(fā)電有限公司，河北 保定 072150）

典型石灰石-石膏濕法脫硫工藝是一個(gè)氣液化學(xué)吸收工藝，其原理是利用石灰石作吸收劑與煙氣中的SO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)生成的亞硫酸鈣被氧化空氣氧化并結(jié)晶后生成CaSO4·2H2O，經(jīng)脫水后得到脫硫副產(chǎn)品石膏，從而達(dá)到脫除煙氣中SO2的目的。脫硫系統(tǒng)工況復(fù)雜，系統(tǒng)內(nèi)冷熱交替，酸堿交融，氣液固三相傳質(zhì)劇烈，若要維持脫硫系統(tǒng)穩(wěn)健運(yùn)行，需要脫硫系統(tǒng)內(nèi)各物種各司其職，有機(jī)配合[1]。

運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，脫硫漿液中氯離子很容易富集，不僅會(huì)增加產(chǎn)生石膏的含氯量，影響脫硫石膏品質(zhì)，還會(huì)干擾脫硫塔內(nèi)的主要反應(yīng)，造成反應(yīng)紊亂，脫硫率下降，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)造成設(shè)備腐蝕、漿液起泡等問(wèn)題，使脫硫運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性大幅降低[2-4]。目前，國(guó)內(nèi)學(xué)者針對(duì)漿液氯離子的研究主要停留在氯離子對(duì)脫硫系統(tǒng)的影響分析上。如周廣瑞[5]針對(duì)高濃度氯離子對(duì)脫硫系統(tǒng)的影響進(jìn)行了詳細(xì)分析，朱思潔[6]通過(guò)實(shí)驗(yàn)室研究，明確了含鹽水對(duì)脫硫系統(tǒng)的影響。脫硫系統(tǒng)漿液排出泵的啟停與漿液氯離子濃度有關(guān)[7]，但由于脫硫漿液的水質(zhì)復(fù)雜，目前尚無(wú)氯離子濃度的在線測(cè)量?jī)x表，無(wú)法實(shí)現(xiàn)漿液氯離子濃度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[8]。此外，氯離子質(zhì)量濃度相關(guān)計(jì)算數(shù)據(jù)測(cè)量也有諸多不便，針對(duì)氯離子的計(jì)算大多停留在物料平衡角度。如吳怡衛(wèi)[9]對(duì)燃煤電廠吸收塔氯的物料平衡進(jìn)行了分析計(jì)算；馬雙忱等[10]對(duì)傳統(tǒng)脫硫系統(tǒng)及增設(shè)旁路蒸發(fā)系統(tǒng)后脫硫系統(tǒng)中的水平衡和氯平衡進(jìn)行了對(duì)比研究；寧翔等[8]在物料守恒的基礎(chǔ)上，建立了漿液氯離子濃度富集模型并計(jì)算了某600 MW 機(jī)組脫硫系統(tǒng)氯離子富集速率和時(shí)間。

國(guó)內(nèi)還沒(méi)有針對(duì)漿液氯離子質(zhì)量濃度模擬計(jì)算的相關(guān)研究。本文根據(jù)漿液排出泵啟停情況及電廠DCS 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以物料守恒為基礎(chǔ)，結(jié)合迭代算法建立了吸收塔漿液氯離子質(zhì)量濃度計(jì)算模型。該模型可以實(shí)現(xiàn)漿液氯離子質(zhì)量濃度的實(shí)時(shí)模擬，對(duì)火電廠實(shí)現(xiàn)精細(xì)化管理，適時(shí)補(bǔ)水排污，減少脫硫廢水外排量，優(yōu)化脫硫系統(tǒng)運(yùn)行有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 漿液氯離子質(zhì)量濃度計(jì)算模型

脫硫系統(tǒng)內(nèi)氯離子的遷移與系統(tǒng)內(nèi)的水循環(huán)密切相關(guān)。模型以某電廠350 MW 機(jī)組的運(yùn)行工況為基礎(chǔ)，首先對(duì)脫硫系統(tǒng)的水氯循環(huán)進(jìn)行分析；然后根據(jù)電廠漿液排出泵的運(yùn)行周期，建立漿液氯離子質(zhì)量濃度計(jì)算模型；根據(jù)電廠實(shí)際數(shù)據(jù)，對(duì)漿液內(nèi)氯離子質(zhì)量濃度進(jìn)行計(jì)算。

1.1 水氯循環(huán)分析

水作為氯離子的一個(gè)重要載體，脫硫系統(tǒng)內(nèi)的氯循環(huán)往往伴隨著水循環(huán)進(jìn)行[11]，不同電廠脫硫系統(tǒng)水循環(huán)大致相同。某電廠脫硫系統(tǒng)水循環(huán)示意如圖1 所示。根據(jù)脫硫系統(tǒng)實(shí)際情況，當(dāng)漿液密度增長(zhǎng)到一定量時(shí)，漿液排出泵開(kāi)始運(yùn)行，把一定量漿液輸送到石膏旋流器中，經(jīng)過(guò)石膏旋流器分離，含固量較低的漿液成為頂流，頂流進(jìn)入回用水箱；旋流器底流進(jìn)入真空皮帶機(jī)分離出一定含水量的脫硫石膏，一部分含固量大的濾液返回塔內(nèi)，其余濾液均進(jìn)入回用水箱儲(chǔ)存，按需與石灰石粉配置為石灰石漿液，回用水箱部分水進(jìn)入廢水旋流器，經(jīng)分離后底流返回吸收塔，頂流即為脫硫廢水。此外，吸收塔方面，除霧器沖洗水與原煙氣攜帶水不斷輸入塔內(nèi)，大量蒸發(fā)水隨煙氣帶出。當(dāng)漿液密度減少到一定量時(shí)，漿液排出泵停止運(yùn)行，脫硫系統(tǒng)停止產(chǎn)生脫硫廢水和石膏，此時(shí)，除霧器沖洗水與原煙氣攜帶水不斷輸入吸收塔，大量蒸發(fā)水輸出吸收塔。由于回用水箱的儲(chǔ)存量有限，當(dāng)回用水箱儲(chǔ)水量不足時(shí)，需要用工藝水配置石灰石漿液。

圖1 某電廠脫硫系統(tǒng)水循環(huán)示意Fig.1 Schematic diagram of the water cycle of desulfurization system in a power plant

漿液排出泵運(yùn)行階段，雖然吸收塔中的漿液在石膏旋流器、廢水旋流器、真空皮帶機(jī)等設(shè)備中經(jīng)過(guò)復(fù)雜的循環(huán)，但吸收塔以外輸出脫硫系統(tǒng)的氯離子只有脫硫石膏和廢水兩條路徑，其余氯離子均返回吸收塔。而漿液排出泵停運(yùn)階段，氯離子則在吸收塔中富集。因此，在進(jìn)行氯離子質(zhì)量濃度計(jì)算時(shí)，僅考慮脫硫系統(tǒng)整體輸入輸出部分即可。

根據(jù)物料守恒原理，任意時(shí)刻脫硫系統(tǒng)漿液氯離子質(zhì)量流量變化量ΔqCl（kg/h）為：

1）工藝水帶入氯離子質(zhì)量流量

2）石灰石帶入氯離子質(zhì)量流量

3）入口煙氣帶入氯離子質(zhì)量流量

式中：Vin為入口煙氣體積流量，m3/h；CCl,in為入口煙氣氯離子質(zhì)量濃度，mg/m3；

4）出口煙氣帶出氯離子質(zhì)量流量

式中：Vout為出口煙氣體積流量為出口煙氣氯離子質(zhì)量濃度，mg/m3；

5）脫硫廢水帶出氯離子質(zhì)量流量

式中：mf為工藝水質(zhì)量流量，t/h；CCl,f為脫硫廢水氯離子質(zhì)量濃度，mg/L；ρf為脫硫廢水密度，kg/m3。

6）脫硫石膏帶出氯離子質(zhì)量流量

1.2 建立漿液氯離子質(zhì)量濃度計(jì)算模型

1.2.1 模型假設(shè)

目前，國(guó)內(nèi)大型火力發(fā)電廠均實(shí)現(xiàn)了廠級(jí)DCS數(shù)據(jù)監(jiān)控，為模型計(jì)算提供了充足的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[12-13]。在指定的任意時(shí)刻，若吸收塔漿液體積和漿液的氯離子質(zhì)量濃度確定，則之后的任意時(shí)刻，從吸收塔內(nèi)流入和流出吸收塔的氯離子質(zhì)量流量可以通過(guò)電廠DCS 提供的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代計(jì)算，此時(shí)若確定吸收塔漿液體積，即可以求出該時(shí)刻的漿液氯離子質(zhì)量濃度。

基于對(duì)脫硫系統(tǒng)水氯循環(huán)的分析及電廠實(shí)際情況，做出如下合理假設(shè)：

1）為保證一定的計(jì)算精度，模型選取1 min 為計(jì)算步長(zhǎng)。

2）一般情況下，根據(jù)實(shí)際需要排放脫硫廢水與脫硫石膏，不同時(shí)間的廢水與石膏排放的質(zhì)量流量并不相同。而所研究電廠缺少脫硫廢水與脫硫石膏流量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，為方便計(jì)算，采用脫硫廢水與脫硫石膏的平均質(zhì)量流量進(jìn)行模型計(jì)算。

3）石膏旋流器、廢水旋流器、真空皮帶機(jī)、回用水箱及相關(guān)輸送設(shè)備中的漿液量相比于吸收塔中的漿液量較少。為方便計(jì)算，忽略這些設(shè)備中總氯離子質(zhì)量的變化。

4）由于真空皮帶機(jī)沖洗水來(lái)源于工藝補(bǔ)充水，含氯較低，造成回用水箱中濾液的氯離子質(zhì)量濃度實(shí)際上比漿液中氯離子質(zhì)量濃度低。因此，脫硫廢水的氯離子質(zhì)量濃度實(shí)際上略低于漿液中氯離子濃度。假設(shè)脫硫廢水氯離子質(zhì)量濃度與脫硫漿液氯離子質(zhì)量濃度之間有線性關(guān)系。

5）認(rèn)為吸收塔內(nèi)漿液氯離子質(zhì)量濃度與密度均勻一致，不考慮脫硫系統(tǒng)出現(xiàn)故障情形。

1.2.2 模型建立

從任意時(shí)刻開(kāi)始，若已知吸收塔初始漿液體積及漿液中氯離子質(zhì)量濃度，可計(jì)算漿液中初始氯離子質(zhì)量：

式中：(MCl)0為漿液初始氯離子質(zhì)量，kg；V0為初始漿液體積，m3；(CCl,j)0為漿液初始氯離子質(zhì)量濃度，mg/L。

根據(jù)水氯循環(huán)分析可知，漿液排出泵運(yùn)行階段與停運(yùn)階段脫硫系統(tǒng)工作狀態(tài)存在差異。在漿液排出泵運(yùn)行階段，吸收塔向外排放廢水及石膏，以維持整個(gè)周期的氯平衡、水平衡和固平衡，此階段吸收塔氯的來(lái)源有原煙氣帶入、除霧器沖洗水帶入、真空皮帶機(jī)沖洗水帶入和石灰石漿液帶入，而氯的輸出有煙氣帶出、廢水帶出、石膏帶出[14]。在漿液排出泵停運(yùn)階段，吸收塔氯離子積累，吸收塔不向外排放脫硫廢水和石膏，此階段吸收塔氯離子的來(lái)源有原煙氣帶入、除霧器沖洗水帶入和石灰石漿液帶入，而氯的輸出只有煙氣帶出。為區(qū)分漿液泵的工作狀態(tài)，引入變量a（ii表示從初始時(shí)刻開(kāi)始的第i分鐘），ai為0 表示漿液排出泵停運(yùn)，ai為1 表示漿液排出泵運(yùn)行。

第i分鐘漿液中氯離子質(zhì)量(MCl)i（kg）為：

漿液總體積根據(jù)液位計(jì)算，第i分鐘漿液體積Vi(m3)為：

式中：R為吸收塔直徑，m；hi為第i分鐘吸收塔液位，m。

則第i分鐘漿液氯離子質(zhì)量濃度(CCl,j)i(mg/L)為：

1.2.3 模型未知量求解

由式(2)—式(11)可知，計(jì)算漿液氯離子質(zhì)量濃度，必需對(duì)未知量進(jìn)行求解，其中為電廠DCS 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

1）石灰石質(zhì)量流量計(jì)算

石灰石粉與工藝水或?yàn)V液按3:7 的質(zhì)量比配置為石灰石漿液，則石灰石粉占石灰石漿液的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為30%，石灰石進(jìn)入吸收塔的質(zhì)量流量（t/h）為：

2）脫硫石膏質(zhì)量流量計(jì)算

實(shí)際生產(chǎn)中，石膏里會(huì)混雜煙氣中的飛灰、未反應(yīng)的石灰石、石灰石中的雜質(zhì)以及水分[15]，則脫硫石膏的實(shí)際產(chǎn)量為：

吸收塔單位時(shí)間內(nèi)脫除的SO2物質(zhì)的量（mol/h）為：

式中：Cash,in為入口煙氣攜帶的飛灰質(zhì)量濃度，mg/m3；Cash,out為出口煙氣攜帶的飛灰質(zhì)量濃度，mg/m3。Cash,in和Cash,out均為DCS 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。

未反應(yīng)的石灰石質(zhì)量和石灰石中的雜質(zhì)總質(zhì)量流量(mremain)i（t/h）為：

聯(lián)立式(13)—(18)即可求得吸收塔1 min 產(chǎn)生的脫硫石膏質(zhì)量流量。脫硫石膏的質(zhì)量流量使用平均流量計(jì)算，因此當(dāng)漿液排出泵運(yùn)行時(shí)脫硫石膏平均質(zhì)量流量為：

式中：t為計(jì)算時(shí)長(zhǎng)，min。

3）脫硫廢水質(zhì)量流量及氯離子質(zhì)量濃度計(jì)算

對(duì)于考察對(duì)象的目標(biāo)電廠，脫硫廢水排放量缺少實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，根據(jù)假設(shè)采用脫硫廢水平均質(zhì)量流量計(jì)算，脫硫廢水平均質(zhì)量流量mf（t/h）為：

式中：mf,z為計(jì)算時(shí)間范圍內(nèi)脫硫廢水總排放量，t。

脫硫廢水氯離子質(zhì)量濃度隨漿液氯離子質(zhì)量濃度的變化而變化，故必須考慮脫硫廢水氯離子質(zhì)量濃度的變化。根據(jù)模型假設(shè)，廢水氯離子質(zhì)量濃度CCl,f（mg/L）為：

式中：ωf為比例系數(shù)，%。

4）工藝水質(zhì)量流量計(jì)算

通常工藝水通過(guò)除霧器沖洗水、真空皮帶機(jī)沖洗水和部分石灰石漿液攜帶等進(jìn)入脫硫系統(tǒng)。該電廠未對(duì)所有進(jìn)入脫硫系統(tǒng)的工藝水相關(guān)設(shè)備配備流量計(jì)，無(wú)法準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)進(jìn)入脫硫系統(tǒng)的工藝水質(zhì)量流量。本模型通過(guò)物料衡算間接求得進(jìn)入脫硫系統(tǒng)的工藝水量。

忽略吸收塔漿液因吸收二氧化硫與粉塵和釋放二氧化碳而引起的質(zhì)量變化，根據(jù)質(zhì)量守恒原理，工藝水的質(zhì)量流量等于漿液質(zhì)量變化量+吸收塔因蒸發(fā)損失水的量－吸收塔中石灰石進(jìn)入量+吸收塔排出脫硫廢水量+吸收塔排出脫硫石膏的量。工藝水質(zhì)量流量為：

式中：ρ為漿液密度，是DCS 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，kg/m3；mz為蒸發(fā)水質(zhì)量流量，t/h。

水的蒸發(fā)量可根據(jù)熱平衡計(jì)算。吸收塔內(nèi)一部分組分吸收熱量?jī)H有溫度變化而沒(méi)有相變，表現(xiàn)為顯熱；而一部分水吸收熱量不僅發(fā)生溫度變化，而且發(fā)生相變化，表現(xiàn)為顯熱和潛熱。液態(tài)水的焓值變化hl和水蒸氣的焓值變化hg分別為[16]：

式中：tl為水的溫度，K；tg為水蒸氣溫度，K。

通過(guò)熱量衡算可得，蒸發(fā)水焓值變化量等于煙氣和氧化空氣焓值變化量，則蒸發(fā)水質(zhì)量流量(mz)i（t/h）為：

式中：T1為入口煙氣溫度，K；T2為出口煙氣溫度，是DCS 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，K；T3為氧化空氣溫度，是DCS監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，K；cp1為煙氣平均比定壓熱容，kJ/(m3·K)；cp2為氧化空氣平均比定壓熱容，kJ/(m3·K)。

2 某電廠實(shí)際運(yùn)行工況的模型求解

2.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

對(duì)某電廠350 MW 機(jī)組4 月份漿液氯離子質(zhì)量濃度進(jìn)行模擬。期間鍋爐及相關(guān)配套設(shè)施運(yùn)行穩(wěn)定，煤質(zhì)與吸收劑相關(guān)參數(shù)變化小，運(yùn)行期間發(fā)電機(jī)有效功率在190～340 MW 間浮動(dòng)，有效功率基本維持在250 MW 附近，日均廢水排放量69.6 t，日均使用工藝水量820.9 t，數(shù)據(jù)有一定代表性。根據(jù)4 月1 日漿液氯離子質(zhì)量濃度的實(shí)驗(yàn)測(cè)定，1 號(hào)塔漿液氯離子質(zhì)量濃度為27 446.2 mg/L。以此為初始值，模型計(jì)算所需的12 個(gè)DCS 監(jiān)測(cè)參數(shù)和波動(dòng)范圍見(jiàn)表1。

表1 DCS 監(jiān)測(cè)參數(shù)波動(dòng)范圍Tab.1 Fluctuation range of the DCS monitoring parameters

電廠監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)量值易受溫度、濕度等因素影響而發(fā)生漂移，模型計(jì)算前首先使用指數(shù)滑動(dòng)平均技術(shù)（EMA）對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行降噪，EMA 可以使得數(shù)據(jù)輸入更重視變化趨勢(shì)而不是瞬時(shí)振蕩，使模型計(jì)算更加精確[17]。以漿液液位為例，對(duì)其數(shù)據(jù)EMA降噪處理結(jié)果如圖2 所示。

圖2 漿液液位EMA 降噪處理結(jié)果Fig.2 The EMA noise reduction treatment result of slurry level

另外，對(duì)于不方便測(cè)量的部分參數(shù)，模型計(jì)算時(shí)可根據(jù)電廠的歷史測(cè)量確定，并認(rèn)為隨時(shí)間變化保持恒定，相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 脫硫系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)Tab.2 Relavent parameters of the desulfurizations system

2.2 模型求解

基于電廠實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)的漿液氯離子質(zhì)量濃度計(jì)算結(jié)果如圖3 所示。由圖3 可見(jiàn)，與該電廠4 月不定期實(shí)驗(yàn)測(cè)定漿液氯離子質(zhì)量濃度對(duì)比發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)測(cè)量值與模型計(jì)算結(jié)果基本吻合，整體上均呈現(xiàn)先下降后平穩(wěn)的趨勢(shì)，平均誤差為4.44%，一定程度上說(shuō)明了模型的有效性。

圖3 漿液氯離子質(zhì)量濃度隨時(shí)間變化曲線Fig.3 Variation curve of mass concentration of chloride ion in slurry with time

由于吸收塔中的漿液量巨大，短時(shí)間內(nèi)氯離子量的變化通常微不足道，當(dāng)脫硫系統(tǒng)氯離子輸出與輸入基本相同時(shí)，吸收塔內(nèi)總氯量基本恒定。漿液氯離子質(zhì)量濃度的主要影響因素為吸收塔內(nèi)漿液體積，漿液體積越大，漿液氯離子質(zhì)量濃度越低。漿液氯離子質(zhì)量濃度與漿液體積隨時(shí)間變化曲線如圖4 所示。

圖4 漿液氯離子質(zhì)量濃度與漿液體積隨時(shí)間變化曲線Fig.4 Variation curve of slurry volume and mass concentration of chloride ion in slurry with time

由圖4 可見(jiàn)，15 000 min 之后漿液總氯離子質(zhì)量基本保持恒定，漿液氯離子質(zhì)量濃度變化曲線大體上與漿液體積變化曲線呈對(duì)稱關(guān)系，即當(dāng)漿液量急劇減少時(shí)，漿液氯離子質(zhì)量濃度急劇增多。當(dāng)漿液總氯量在一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生急劇減少或增加時(shí)，漿液體積與輸入氯源和輸出氯源之間的差值共同對(duì)漿液氯離子質(zhì)量濃度起主導(dǎo)作用。圖4 中15 000 min 之前漿液氯離子質(zhì)量濃度整體呈下降趨勢(shì)，其主要原因?yàn)閺U水排放量的增多。

3 模型分析

3.1 結(jié)果分析

如前所述，吸收塔內(nèi)氯離子的主要來(lái)源有原煙氣帶入、工藝水帶入和石灰石漿液帶入，而氯離子的去向主要有煙氣帶出、脫硫廢水帶出和脫硫石膏帶出。對(duì)4 月份吸收塔的凈輸入總氯和凈輸出總氯做定量分析，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同組分在凈輸入總氯或凈輸出總氯中的占比Fig.5 Proportion of different components in net input total chlorine or net output total chlorine

由圖5a)可知，工藝水是吸收塔中氯離子的最主要來(lái)源，其次是原煙氣帶入，石灰石帶入氯十分微少。為了節(jié)省水資源成本，該電廠使用經(jīng)循環(huán)冷卻水濃縮后的排污水作為水源，水質(zhì)較差，脫硫用水中氯離子質(zhì)量濃度在1 500 mg/L 左右，而吸收塔每天需要補(bǔ)充大量工藝水以維持水平衡，使工藝水成為了吸收塔氯離子的最主要來(lái)源。原煙氣中氯離子主要以Cl2和HCl 形式存在，它們?cè)跓煔庵械暮咳Q于它們?cè)谌剂现械暮縖18]，由于使用的煤品質(zhì)較好，煤中氯質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.009%，所以煙氣帶入氯在凈輸入總氯中的占比相對(duì)較低。石灰石含氯量較低且用量較少，實(shí)際帶入吸收塔的氯并不多。

由圖5b)可知，脫硫廢水是吸收塔中氯離子的最主要去向，其次是脫硫石膏帶出，凈煙氣帶出氯占比較少。目前，最有效的控制漿液氯離子質(zhì)量濃度的方法即是排放廢水，由于漿液平均氯離子質(zhì)量濃度偏高，脫硫廢水氯離子質(zhì)量濃度也維持在較高水平，因此脫硫廢水的氯離子實(shí)際排放量并不高。脫硫石膏帶出氯離子也在吸收塔凈輸出氯離子中占有較大比重，主要原因是該電廠石膏品質(zhì)較差，其氯離子質(zhì)量濃度高達(dá)4 500 mg/L，遠(yuǎn)高于現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)?？赏ㄟ^(guò)降低漿液氯離子質(zhì)量濃度及增加沖洗水量來(lái)降低石膏中氯離子質(zhì)量濃度，但勢(shì)必增大廢水排放量，實(shí)際應(yīng)用時(shí)還需綜合考慮。

3.2 情景分析

影響脫硫系統(tǒng)氯富集的因素是多方面的，本文結(jié)合電廠的運(yùn)行特點(diǎn)，分別從系統(tǒng)中氯離子的主要來(lái)源與去向展開(kāi)研究，并給出對(duì)應(yīng)優(yōu)化運(yùn)行建議。

3.2.1 入口煙溫及工藝水氯含量對(duì)廢水排放量的影響

由3.1 節(jié)可知，工藝水對(duì)系統(tǒng)總氯量的貢獻(xiàn)達(dá)75%左右，其比重遠(yuǎn)高于原煙氣帶入氯和石灰石帶入氯。若從源頭控制氯的輸入，減少工藝水帶入氯，一方面可控制工藝水的氯離子質(zhì)量濃度[19]，另一方面可通過(guò)利用煙氣的余熱來(lái)降低入口煙溫，以減少吸收塔的蒸發(fā)水量，進(jìn)而減少進(jìn)入吸收塔的工藝水總量[20]。不同入口煙溫日廢水排放量隨工藝水氯粒子質(zhì)量濃度變化如圖6 所示。

圖6 不同入口煙溫廢水排放量隨工藝水氯離子質(zhì)量濃度變化Fig.6 Variation of wastewater discharge with mass concentration of chloride ions in process water at different inlet flue gas temperatures

由圖6 可見(jiàn)：不同入口煙溫下，工藝水氯離子質(zhì)量濃度與吸收塔日均排放廢水量近似呈線性關(guān)系；且入口煙溫越大，工藝水氯離子質(zhì)量濃度越大，煙溫對(duì)廢水排放量影響越顯著。電廠使用循環(huán)冷卻水的排污水作為水源，水中氯離子質(zhì)量濃度較大，可增設(shè)預(yù)處理裝置，降低水中的含鹽量；同時(shí)可以考慮降低入口煙溫，采用低溫?zé)煹勒舭l(fā)及高溫?zé)煹琅月氛舭l(fā)等技術(shù)充分利用煙氣余熱，一方面可實(shí)現(xiàn)脫硫廢水的濃縮，達(dá)到近零排放，另一方面減少吸收塔水汽的蒸發(fā)，降低工藝水的補(bǔ)充[21-23]。

3.2.2 比例系數(shù)及石膏氯含量對(duì)廢水排放量的影響

該電廠石膏品質(zhì)較差，石膏氯離子質(zhì)量濃度有時(shí)高達(dá)4 500 mg/L，對(duì)進(jìn)一步利用脫硫石膏有較大影響。一般可通過(guò)增加石膏濾餅沖洗水的水量降低氯離子質(zhì)量濃度[24-25]。但在不調(diào)整當(dāng)前設(shè)備的情況下，增加濾餅沖洗水量將對(duì)回用水箱中的水產(chǎn)生稀釋作用，將降低廢水氯離子質(zhì)量濃度與漿液氯離子質(zhì)量濃度之間的比例系數(shù)，增加廢水的排放。結(jié)合電廠實(shí)際工況，模型計(jì)算了不同比例系數(shù)下日廢水排放量隨脫硫石膏氯離子質(zhì)量濃度變化如圖7 所示。

圖7 不同比例系數(shù)下廢水排放量隨脫硫石膏氯離子質(zhì)量濃度變化Fig.7 Variation of wastewater discharge with mass concentration of chloride ion in desulfurization gypsum at different proportional coefficients

由圖7 可見(jiàn)：在不同比例系數(shù)下，脫硫石膏氯離子質(zhì)量濃度與吸收塔日均排放廢水量近似呈線性關(guān)系；比例系數(shù)越小，曲線斜率越大，且相同石膏氯離子質(zhì)量濃度條件下，比例系數(shù)越小廢水排放量明顯增大，說(shuō)明比例系數(shù)對(duì)脫硫廢水有很大影響。建議直接將石膏旋流器頂流引入廢水旋流器中，產(chǎn)生脫硫廢水排放。這一方面避免了現(xiàn)行系統(tǒng)運(yùn)行流程中沖洗水對(duì)過(guò)濾水的稀釋作用，大大提高比例系數(shù)，有效減少?gòu)U水的排放；另一方面，可增加脫硫石膏的沖洗水量而不影響比例系數(shù)，降低石膏的氯離子質(zhì)量濃度，提高石膏品質(zhì)。

4 模型討論

前文主要基于4 月現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)對(duì)封閉的脫硫系統(tǒng)氯平衡進(jìn)行了分析。在實(shí)際運(yùn)行中，其他因素或脫硫塔之外的其他裝置對(duì)水、氯平衡也存在影響。而水平衡的重要因素脫硫塔水位的主要影響因素有煙氣量、煙溫和負(fù)荷[26]。煙溫及煙氣量會(huì)影響蒸發(fā)量，同時(shí)蒸發(fā)量變化會(huì)影響吸收塔補(bǔ)水量，吸收塔補(bǔ)水量變化后改變脫硫塔來(lái)水氯離子質(zhì)量濃度；負(fù)荷變化會(huì)造成除系統(tǒng)補(bǔ)水變化之外煙氣量的變化，從而對(duì)氯平衡造成影響。

為此本節(jié)基于氯平衡與液位控制的脫硫系統(tǒng)水平衡運(yùn)行方式，討論負(fù)荷與氣溫變化下全廠水平衡、循環(huán)水塔蒸發(fā)與排污、低低溫除塵裝置、脫硫蒸發(fā)裝置、脫硫廢水深度裝置運(yùn)行方式這5 個(gè)因素對(duì)全廠水平衡的影響。

1）氣溫變化對(duì)全廠水平衡的影響

電廠冬夏季對(duì)脫硫廢水消納能力差距顯著，根據(jù)循環(huán)水塔池內(nèi)氯離子質(zhì)量濃度、吸收塔漿液氯離子質(zhì)量濃度與每天工藝水箱補(bǔ)水量計(jì)算脫硫廢水產(chǎn)生量，使得脫硫廢水產(chǎn)生量與消納能力盡可能匹配。

2）循環(huán)水塔蒸發(fā)與排污對(duì)全廠水平衡的影響

目前，某電廠循環(huán)塔池補(bǔ)水量、蒸發(fā)量與排污量與理論計(jì)算結(jié)果相符，全廠水平衡控制良好。

3）低低溫除塵裝置對(duì)全廠水平衡的影響

低低溫除塵裝置主要影響脫硫系統(tǒng)水平衡。通過(guò)降低煙氣溫度，使煙氣量和脫硫系統(tǒng)補(bǔ)水率降低[27]。

4）脫硫蒸發(fā)裝置對(duì)全廠水平衡的影響

脫硫蒸發(fā)裝置對(duì)吸收塔的水平衡和氯平衡都存在影響。脫硫蒸發(fā)裝置會(huì)造成煙溫降低和煙氣含濕量增加，減少脫硫系統(tǒng)水耗；此外，脫硫廢水蒸發(fā)還會(huì)造成一定程度的氯揮發(fā)[28]。

5）脫硫廢水濃縮裝置運(yùn)行對(duì)全廠水平衡的影響

脫硫廢水濃縮裝置通過(guò)影響濃縮后廢水質(zhì)量濃度和體積，影響脫硫廢水蒸發(fā)時(shí)的氯平衡和水平衡。

脫硫廢水模型根據(jù)已有4 月份數(shù)據(jù)進(jìn)行迭代，計(jì)算出吸收塔內(nèi)氯離子質(zhì)量濃度。在此模型的基礎(chǔ)上，考慮以上5 個(gè)因素對(duì)吸收塔氯平衡和液位控制的影響，增加與這5 個(gè)因素相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)并輔以理論分析，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行有更重要的參考價(jià)值。目前，循環(huán)水塔池氯離子濃縮10 倍左右，吸收塔漿液中氯離子質(zhì)量濃度控制在22 000 mg/L 左右時(shí)，脫硫廢水排放量與吸收塔氯離子可控制在較好水平。

5 結(jié)論

1）本文建立了吸收塔漿液氯離子質(zhì)量濃度計(jì)算模型，結(jié)合某電廠350 MW 機(jī)組4 月份實(shí)際運(yùn)行工況，研究發(fā)現(xiàn)模型模擬結(jié)果與該電廠不定期漿液氯離子質(zhì)量濃度的實(shí)驗(yàn)測(cè)量值基本一致，平均誤差為4.4%，驗(yàn)證了模型的有效性。該模型可以實(shí)現(xiàn)漿液氯離子質(zhì)量濃度的實(shí)時(shí)模擬，可為脫硫系統(tǒng)精細(xì)化、智能化管理提供了理論依據(jù)。

2）工藝水是吸收塔中氯的最主要來(lái)源，其次是原煙氣帶入，石灰石帶入氯最少。脫硫廢水則是吸收塔中氯的最主要去向，其次是脫硫石膏帶出，凈煙氣帶出氯最少。

3）在不同入口煙溫下，工藝水氯離子質(zhì)量濃度與吸收塔日均排放廢水量近似呈線性關(guān)系，且入口煙溫越大，曲線斜率越大。建議對(duì)進(jìn)入吸收塔的工藝水進(jìn)行預(yù)處理，同時(shí)采用低溫?zé)煹勒舭l(fā)及旁路蒸發(fā)等技術(shù)充分利用煙氣余熱優(yōu)化脫硫系統(tǒng)運(yùn)行。在不同比例系數(shù)下，脫硫石膏氯離子質(zhì)量濃度與吸收塔日均排放廢水量近似呈線性關(guān)系，比例系數(shù)越小，曲線斜率越大，且比例系數(shù)對(duì)脫硫廢水有顯著影響。建議一方面增大脫硫石膏濾餅沖洗水的用量，改善石膏品質(zhì)，另一方面調(diào)整脫硫系統(tǒng)水循環(huán)流程，直接將石膏旋流器頂流引入廢水旋流器，以達(dá)到廢水減排的目的。