燃煤機(jī)組石膏雨原因分析及控制措施

劉曉旭 樊孝華 張曉光 王路松

（1 河北建投沙河熱電有限責(zé)任公司 河北邢臺 055450 2 河北冀研能源科學(xué)技術(shù)研究院有限公司 河北石家莊 050056）

0 引言

隨著環(huán)境形勢的日益嚴(yán)峻，我國對于燃煤電廠的污染物排放限值逐漸降低。自原環(huán)境保護(hù)部于2015 年12 月發(fā)布《全面實施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》后，石灰石-石膏濕法脫硫工藝在我國機(jī)組脫硫技術(shù)應(yīng)用占比超過了90%［1-2］。在吸收塔內(nèi)除發(fā)生二氧化硫的傳質(zhì)吸收反應(yīng)，還伴隨有煙氣與漿液的換熱蒸發(fā)過程，出口煙氣一般為48 ℃～52 ℃的飽和或者過飽和狀態(tài)［3-5］。由于吸收塔下游無煙氣再熱裝置，煙囪排放的煙氣抬升高度較低，其中水汽極易在環(huán)境空氣中冷凝形成液滴并在煙囪附近飄落。然而，部分電廠的液滴落地后類似泥點，形成所謂石膏雨，不僅造成視覺污染，更嚴(yán)重的是改變了當(dāng)?shù)丨h(huán)境，并給電廠及周邊建筑物帶來腐蝕威脅。據(jù)統(tǒng)計，上海外高橋電廠、山東聊城電廠、江蘇利港電廠等均存在較為嚴(yán)重的煙囪石膏雨問題。本文以某機(jī)組為例，通過相關(guān)參數(shù)測試分析診斷石膏雨產(chǎn)生原因，并提出了解決方案，以期為后續(xù)治理提供參考。

1 電廠基本情況

電廠1、2 號機(jī)組裝機(jī)容量均為660 MW，于2015 年完成超低排放改造。每臺鍋爐排出的煙氣經(jīng)靜電除塵器和引風(fēng)機(jī)后進(jìn)入濕法煙氣脫硫塔，煙氣中的二氧化硫、粉塵及其他污染物得以去除。從吸收塔中排出的凈煙氣經(jīng)出口擋板門導(dǎo)入煙囪的煙道，經(jīng)240 m 煙囪排出。

吸收塔采用噴淋、吸收和氧化為一體的逆流噴淋單塔。每個吸收塔有3 臺漿液循環(huán)泵，采用3 層漿液霧化噴淋方式。每套脫硫裝置設(shè)置2 臺氧化風(fēng)機(jī)（1 運1 備），吸收塔的上部布置了2 級RPT 公司生產(chǎn)的MEV27/30 型除霧器。脫硫入口設(shè)計煙氣流量為3.03×106m3/h，原煙氣SO2濃度為1 500 mg/m3（6%O2），脫硫效率不低于95%。

2 測試過程及方法

滿負(fù)荷條件下，對1、2 號機(jī)組的煙氣流量、流速分布、霧滴含量以及含濕量進(jìn)行測試分析，其中煙氣流量的測試斷面包括脫硫入口和出口，其余參數(shù)測試只在脫硫出口。依據(jù)《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法》（GB/T 16157—1996），采用網(wǎng)格法測量各點的煙氣動壓、靜壓和溫度，計算出位置流速和整個煙氣流量。采用網(wǎng)格等速跟蹤法收集霧滴，將煙氣中攜帶的霧滴吸入到收集器內(nèi)，而后利用ICP等離子體發(fā)射光譜分別測試吸收塔及收集器內(nèi)鎂離子濃度，通過鎂離子平衡法計算霧滴濃度m，如式（1）。

式中：Vc為冷凝液體積，L；Cc為冷凝液中鎂離子濃度，mg/L；ρL為漿液密度，kg/m3；C0為漿液中鎂離子濃度，mg/L；Vsnd為標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的干煙氣采樣體積，L。

通過冷凝法測試含濕量，抽取煙氣經(jīng)冷卻器冷卻后，水蒸汽凝結(jié)成水流入收集瓶，試驗后稱重得到冷凝水量，經(jīng)計算得到煙氣含濕量XH2O，如式（2）。

式中：m2、m1分別為采樣后和采樣前冷凝器質(zhì)量，g。

3 結(jié)果討論

3.1 煙氣流量

煙氣流量是反映機(jī)組真實運行狀態(tài)的重要參數(shù)，并且直接影響著各系統(tǒng)的運行效果。1、2 號機(jī)組煙氣流量測試結(jié)果如表1 所示?？梢钥闯?，脫硫入口工況條件的煙氣流量分別為3.07×106m3/h、3.08×106m3/h，均超過了3.03×106m3/h 的設(shè)計值。設(shè)計參數(shù)基本代表了脫硫裝置的最大處理能力，吸收塔煙氣流量超過設(shè)計值時，塔內(nèi)煙氣流速更高，漿液液滴更容易被煙氣攜帶至除霧器，增加了除霧器的處理量，并且煙氣在除霧器內(nèi)的停留時間也會縮短，2 種因素疊加將導(dǎo)致除霧器性能下降，最終造成脫硫漿液的“二次攜帶”。

表1 脫硫入出口煙氣流量測試結(jié)果

另外，根據(jù)脫硫出口的煙氣流量，1、2 號機(jī)組同時帶滿負(fù)荷時，煙囪中的煙氣流速為23.5 m/s。然而，根據(jù)國外的濕煙囪設(shè)計規(guī)程的要求，采用泡沫玻璃磚、耐酸磚做內(nèi)襯的直筒煙囪煙氣流速分別不高于15 m/s、17 m/s［6］。在煙囪內(nèi)部，煙氣溫度隨高度升高而下降，攜帶的水滴和水汽也會在煙囪內(nèi)壁逐漸凝結(jié)，然后相互凝結(jié)成為較大的水滴，甚至形成水膜。在較高的煙氣流速條件下，很容易被帶出煙囪，在周圍地區(qū)形成石膏雨。因此，在較高負(fù)荷時，機(jī)組煙囪煙氣流速遠(yuǎn)超臨界值將促進(jìn)石膏雨的形成。

3.2 煙氣流場

煙氣流場不僅影響脫硫系統(tǒng)噴淋區(qū)的脫硫效率，也會影響塔頂除霧器的除霧效率。尤其是在塔內(nèi)流場均勻性較差的情況下，部分位置偏流嚴(yán)重，將增加除霧器局部區(qū)域處理負(fù)荷。如果沖洗不及時或沖洗系統(tǒng)存在設(shè)計問題很容易導(dǎo)致表面結(jié)垢甚至煙氣通道堵塞，從而進(jìn)一步增加吸收塔出口霧滴濃度。依據(jù)《濕法煙氣脫硫設(shè)備 除霧器》（JB/T 10989—2020），除霧器入口同一截面煙氣流速的不均勻分布應(yīng)在±25%范圍內(nèi)。由于吸收塔入口煙氣流速測試平臺在導(dǎo)流裝置上游，無法反映塔內(nèi)的真實流場，因此選擇出口位置開展測試，并據(jù)此推測除霧器入口流場分布情況。

脫硫出口流場分布測試結(jié)果如圖1 所示?？梢钥闯?，1、2號機(jī)組脫硫出口平均煙氣流速相差不大，分別為14.30 m/s、14.26 m/s；然而煙氣流速范圍波動范圍較大，分別為7.8 m/s～16.7 m/s、8.9 m/s～16.8 m/s，且最高流速均在吸收塔邊緣，極易造成該區(qū)域的漿液霧滴濃度增加。比較2 臺機(jī)組的單點流速與對應(yīng)均值，偏差范圍分別達(dá)到了-45.45%～16.78%、-37.59%～17.81%，均顯著超過了±25%的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，導(dǎo)致了除霧器運行性能下降。

圖1 脫硫出口流場分布

3.3 霧滴濃度

吸收塔出口霧滴濃度是檢驗除霧器運行效果和判斷凈煙氣漿液攜帶的直接指標(biāo)。根據(jù)設(shè)計文件，煙氣流經(jīng)兩級屋脊式除霧器后的霧滴含量應(yīng)小于75 mg/m3（干基、標(biāo)態(tài)、含氧量為6%）。

受機(jī)組負(fù)荷時間影響，因單孔霧滴采樣時間均超過1 h，1、2 號機(jī)組均只選擇了4 個測孔進(jìn)行了霧滴采樣分析，結(jié)果如表2 所示。可以看出，不同位置的霧滴濃度變化和流場分布結(jié)果基本一致，即在煙氣流速較高的吸收塔邊緣霧滴濃度較高；在流速較低的中部區(qū)域霧滴濃度相對較小。2 臺機(jī)組的霧滴平均濃度分別為86.52 mg/m3、99.21 mg/m3（干基、標(biāo)態(tài)、含氧量為6%），均超過了除霧器出口霧滴濃度不高于75 mg/m3的設(shè)計值要求，這是該期工程出現(xiàn)石膏雨的首要原因。

表2 脫硫出口霧滴含量測試結(jié)果單位∶mg/Nm3，干基、標(biāo)態(tài)、6%O2

3.4 含濕量

煙氣溫度測試數(shù)據(jù)表明，1、2 號機(jī)組進(jìn)入吸收塔前的煙氣溫度均在120 ℃以上。此高溫?zé)煔馀c塔內(nèi)漿液逆流接觸，除SO2的吸收傳質(zhì)過程外，同時會因氣液溫度差異發(fā)生換熱蒸發(fā)作用，增加吸收塔出口的煙氣含濕量。為掌握2 臺機(jī)組脫硫出口煙氣含濕量的真實情況，在除霧器沖洗停運和開啟條件下分別進(jìn)行了測試，結(jié)果如表3 所示?？梢钥闯?，2 臺機(jī)組脫硫出口均為高濕煙氣，且1 號機(jī)組脫硫出口的含濕量高于2 號機(jī)組，這可能是由于1 號機(jī)組脫硫入口溫度偏高的影響；開啟除霧器沖洗時因部分液滴逃逸到煙氣中，造成含濕量略有增加。

表3 脫硫出口含濕量測試結(jié)果 （%）

高濕煙氣進(jìn)入煙囪后，煙氣溫度會緩慢下降，內(nèi)部蒸汽將逐漸冷凝。以排煙溫度降至35 ℃為例，此時煙氣中飽和含濕量為5.63%。在除霧器沖洗停運條件下，基于含濕量變化和煙氣量，1、2 號機(jī)組在煙囪內(nèi)壁分別將產(chǎn)生192 t/h、141 t/h 的冷凝水。大量的凝結(jié)水被煙囪內(nèi)的高煙氣流速沖刷，極易形成水滴被帶出煙囪并在附近沉降形成石膏雨。

4 控制措施及方案

通過對機(jī)組石膏雨診斷分析，針對2 臺機(jī)組煙氣量大、吸收塔內(nèi)流場不均、脫硫出口霧滴和含濕量濃度高等問題，借鑒其他工程中應(yīng)用的治理方法，提出了如下控制措施及方案：

（1）提升機(jī)組運行精益性。監(jiān)控來煤礦源，保證來煤品質(zhì)適合機(jī)組運行，控制煤耗在設(shè)計值范圍內(nèi)；優(yōu)化鍋爐運行方式，合理配風(fēng)，將鍋爐出口氧量控制在3%以內(nèi)；提高空預(yù)器檢修質(zhì)量，適當(dāng)調(diào)整密封間隙并清理換熱元件內(nèi)部積垢，加強(qiáng)蒸汽吹掃頻率和強(qiáng)度，將漏風(fēng)率控制在6%以下。

（2）改善吸收塔內(nèi)流場均勻性。應(yīng)用CFD 流場模擬技術(shù)，對脫硫入口煙道和吸收塔內(nèi)部組件進(jìn)行建模計算，并結(jié)合物理模型試驗結(jié)果，設(shè)計優(yōu)化脫硫入出口導(dǎo)流板、噴嘴選型和布置位置等，提升塔內(nèi)流場分布均勻性，有效減少了煙氣偏流。

（3）改造塔頂除霧系統(tǒng)。增加管式除霧器，將現(xiàn)有除霧器改造成一級管式+兩級屋脊式除霧器（共三級）。管式除霧器不僅可以去除大于400 μm 的霧滴，而且能進(jìn)一步均布煙氣，防止后兩級屋脊式除霧器堵塞，并提高二級屋脊式除霧器的除霧效率。另外，對除霧器沖洗系統(tǒng)進(jìn)行改造，將較長的管道分成2 段，由兩端進(jìn)入，修改自動沖洗的流程，提升沖洗效果。

（4）加裝低低溫省煤器、凝結(jié)水收集器等。在空預(yù)器和靜電除塵器之間加裝低低溫省煤器，在其內(nèi)部設(shè)置一定數(shù)量的受熱面用于回收煙氣熱量，可以將脫硫入口溫度降至95 ℃，進(jìn)而減少了煙氣在吸收塔內(nèi)部與漿液換熱量，降低了脫硫出口煙氣溫度和含濕量。在吸收塔出口煙道、煙囪內(nèi)部等位置布置了凝結(jié)水收集器，并將煙氣冷凝水引至排水裝置中，減少了液滴夾帶量。

通過上述改造和運行調(diào)整，機(jī)組附近產(chǎn)生的石膏雨現(xiàn)象明顯減少，居民對該問題的投訴減少了90%，有效減輕了機(jī)組運行對周圍環(huán)境的負(fù)面影響。

5 結(jié)論

機(jī)組實測結(jié)果表明，石膏雨由多種原因疊加產(chǎn)生。煙氣流量超過設(shè)計值極易引起漿液和冷凝水的二次攜帶；吸收塔內(nèi)流場分布不均影響了除霧器性能，使出口霧滴濃度過高；脫硫出口高含濕量造成了煙囪內(nèi)壁形成大量的冷凝水，促進(jìn)了液滴夾帶。為有效解決石膏雨問題，選用了多種控制措施和方案，包括提升機(jī)組運行精益性、改善塔內(nèi)流場分布、改造吸收塔除霧系統(tǒng)以及加裝低低溫省煤器和凝結(jié)水收集器等，顯著減輕了機(jī)組對周邊環(huán)境的污染。