火電廠煙氣脫硫控制技術(shù)探討*

呂棟騰，雷濤鋒

（1.陜西國防工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，西安 710300；2.大唐西安第二熱電廠，西安 710065）

0 引言

減少并控制SO2的排放與污染，提高環(huán)境與空氣質(zhì)量，是我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展和公民健康的基本保證。對(duì)煤燃燒后的煙氣進(jìn)行脫硫控制，可以有效地降低SO2的排放，減少酸雨形成，保證空氣質(zhì)量。脫硫工藝技術(shù)和脫硫控制技術(shù)20世紀(jì)60年代在歐美發(fā)達(dá)國家展開始研究，我國在19世紀(jì)70年代就開始了火電廠脫硫技術(shù)的研究。隨著SO2排量的增大，煙氣脫硫技術(shù)的研究被提上議程，國家在“六五”到“九五”期間投入了大量的人力、物力和財(cái)力，取得了一些成果。為了推動(dòng)國內(nèi)脫硫控制裝置的研究，我國引進(jìn)國外技術(shù)，同時(shí)頒布了相關(guān)法律政策，明確了火電廠污染控制的目標(biāo)。

脫硫工藝和控制技術(shù)現(xiàn)階段還有較大的發(fā)展空間，其軟件、硬件和子系統(tǒng)需要優(yōu)化改進(jìn)的地方也很多。煙氣脫硫的效率受諸多因素影響，其中包括煙氣流量流速、SO2濃度、液氣比、漿液PH、煙氣溫度，同時(shí)也受脫硫系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響。脫硫系統(tǒng)的穩(wěn)定性由脫硫工藝、檢測手段及自動(dòng)控制模塊決定[1]。自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究和子系統(tǒng)的優(yōu)化，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有效提高控制系統(tǒng)的脫硫效率。

1 脫硫技術(shù)概述

各國從脫硫技術(shù)的要求出發(fā)，已經(jīng)開發(fā)了很多燃煤鍋爐控制SO2排量技術(shù)，并應(yīng)用于工程中。這些技術(shù)總結(jié)起來分為3種：燃燒前脫硫、燃燒中脫硫和燃燒后脫硫[2]。

1.1 燃燒前脫硫

利用化學(xué)、物理或生物方法脫去煤中硫被稱為燃燒前脫硫，但因其工藝成本高，尚未得到廣泛應(yīng)用。目前工業(yè)上多采用洗煤技術(shù)，洗煤技術(shù)僅能部分去除煤炭中的無機(jī)硫，目前無有效的經(jīng)濟(jì)技術(shù)可用來去除煤中的無機(jī)硫。我國大多使用物理選煤法，利用灰分、清潔煤和黃鐵礦的比例，去除黃鐵礦硫和灰分[3]。

1.2 燃燒中脫硫

在燃燒過程中進(jìn)行對(duì)煤進(jìn)行脫硫稱為燃燒中脫硫，主要有循環(huán)流化床鍋爐燃燒脫硫技術(shù)和爐內(nèi)噴鈣技術(shù)。循環(huán)流化床鍋爐是在燃燒爐內(nèi)加入與煤粉同樣細(xì)度的石灰石等廉價(jià)原料，石灰石受熱分解為多孔的CaO，CaO與SO2反應(yīng)生成硫酸鹽，從而脫去煤中硫[4]。

1.3 燃燒后脫硫

燃燒后脫硫（Flue Gas Desulfurization，簡稱FGD），是對(duì)燃燒后的煙氣進(jìn)行脫硫，是目前世界應(yīng)用最廣泛、規(guī)模最大的脫硫技術(shù)。按照脫硫產(chǎn)物的干濕形態(tài)和脫硫過程中是否加水，煙氣脫硫分為干式法、半干式發(fā)和濕法。干式法和半干式法的脫硫產(chǎn)物為干粉狀，投入低，工業(yè)簡單，但其Ca∕S比低，脫硫效率低。濕法脫硫處理較難，工藝復(fù)雜，占地面積和投入大，但其Ca∕S高，脫硫效率高，運(yùn)行可靠，操作簡單。濕法煙氣脫硫技術(shù)主要有海水法、石灰石-石膏法、氨吸收法和雙堿法[5]。

（1）石灰石-石膏法煙氣脫硫法。石灰石-石膏法煙氣脫硫是使用價(jià)格低廉的石灰石作為脫硫劑，工藝上將其研磨成細(xì)粉與水混合制成吸收漿，吸收漿與煙氣在吸收塔內(nèi)混合接觸，漿液中的碳酸鈣與煙氣中二氧化硫、空氣混合接觸并發(fā)生氧化反應(yīng)，最終生成二水石膏。脫硫后的煙氣經(jīng)換熱器加熱升溫后排入空氣，余下的石膏漿經(jīng)脫水處理后回收并循環(huán)利用。目前石灰-石膏法煙氣脫硫法的脫硫效率可達(dá)到95%。

（2）海水煙氣脫硫法。海水煙氣脫硫法是利用海水中的堿度脫去煙氣中的二氧化硫，凈化后的煙氣經(jīng)除霧劑除霧、煙氣換熱器加熱后排放到空氣中。吸收的海水經(jīng)曝氣池處理，并使海水的PH值調(diào)整達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)后排入大海中[6]。

（3）氨吸收煙氣脫硫法。氨吸收煙氣脫硫技術(shù)是以氨水為脫硫劑，在煙氣洗滌器中，氨水從塔頂噴灑吸收煙氣中的SO2，煙氣經(jīng)液滴分離器后進(jìn)入脫硫洗滌器，進(jìn)一步脫去煙氣中的SO2。洗滌中得到的硫酸鹽溶液可以進(jìn)一步處理作為液體氮肥處理，也可以濃縮蒸發(fā)干燥加工成顆粒。

（4）雙堿煙氣脫硫法。雙堿煙氣脫硫法是先用堿金屬溶液吸收SO2，然后在其他反應(yīng)器中用石灰將吸收SO2后的溶液再生，將吸收液循環(huán)使用，最終產(chǎn)物為亞硫酸鈣和石膏。該法克服了石灰-石膏法容易結(jié)垢的缺點(diǎn)，但其反應(yīng)過程中需要不斷加入金屬鹽，而且石灰置換速率慢，石膏質(zhì)量低[7]。

2 火電廠脫硫控制系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

現(xiàn)階段控制火電廠煙氣脫硫裝置的系統(tǒng)主要有3種：可編程邏輯控制（Programmable Logic Controller，PLC）、現(xiàn)場總線控制系統(tǒng)（Fieldbus Control System，F(xiàn)CS）、分布式控制系統(tǒng)（Distributed Control System，DCS）[8]。

其中，PLC被廣泛應(yīng)用在過程控制中，是過程中的關(guān)鍵控制設(shè)備。工程師可根據(jù)工程需要在PLC中完成相應(yīng)的編程，從而實(shí)現(xiàn)所需要的邏輯運(yùn)算、控制順序、數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)顯示功能，PLC同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)DA輸出及AD采集，以實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場儀表的檢測及機(jī)械設(shè)備的控制。PLC具有多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)，如可靠性高、易編程、擴(kuò)展性好等，因此在一些順序控制及開關(guān)量控制中得到青睞[9]。

FCS是將現(xiàn)場全部的儀表設(shè)備和控制器通過現(xiàn)場總線聯(lián)結(jié)組成的系統(tǒng)[10]。FCS系統(tǒng)中的現(xiàn)場各部分是完成分散的，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)互相操作，它是一種開放式的分布式系統(tǒng)；DCS系統(tǒng)是指分散控制，集中管理，在每個(gè)現(xiàn)場子站都有控制器和采集器，系統(tǒng)運(yùn)行的信息再通過現(xiàn)場總線送入操作站和工程師站，以完成對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行的總體管理和顯示。由于DCS系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，多被用于大型工業(yè)生產(chǎn)過程中。PLC、FCS及DCS都分別有各自的優(yōu)勢，并隨著工業(yè)的發(fā)展及社會(huì)的需求，三者趨向于相互融合、滲透。在脫硫系統(tǒng)中運(yùn)用三者的優(yōu)點(diǎn)勢必會(huì)更加完善其功能、提高可靠性和實(shí)用性。

3 火電廠石膏濕法脫硫原理和脫硫系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)整

3.1 石膏濕法煙氣脫硫原理

石膏濕法工藝中需要用吸收劑對(duì)煙氣中的二氧化硫進(jìn)行吸取，一般將石灰石用作吸收劑。該工藝的工作流程為：首先將石灰石制備成顆粒狀，通過研磨機(jī)制成細(xì)粉，并混入水?dāng)嚢铻闈{液狀，形成吸收劑；然后通過運(yùn)輸設(shè)備將吸收劑送入吸收塔內(nèi)，在吸收塔中吸收劑與原煙氣充分混合發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物為硫酸鈣，硫酸鈣不斷積累直到飽和，會(huì)變?yōu)槎?；最后，使用設(shè)備將二水石膏取出，并通過濃縮、脫水工序?qū)⑵渲苽涑珊啃∮谝怀傻氖啵⑹喈a(chǎn)物運(yùn)輸?shù)绞鄠}庫中儲(chǔ)存，以便回收利用[11]。使用除霧器將吸收塔內(nèi)通過脫硫后的煙氣除去霧滴，再經(jīng)煙囪排入到大氣中。

首先使用設(shè)備把石灰石破碎為顆粒狀，并使用篩選機(jī)過濾出直徑過大的石灰石顆粒，再用工藝水沖洗篩選后的石灰石，通過工藝水的沖洗可除去多數(shù)氟化物、可溶性氯化物和一些水溶性雜質(zhì)，之后使用烘干機(jī)烘干后運(yùn)輸?shù)绞沂蟼}。將經(jīng)過初次處理后的石灰石碎料稱重并輸送至球磨機(jī)中進(jìn)行研磨，研磨后的石灰石粉末被輸送到選粉機(jī)中，選粉機(jī)可實(shí)現(xiàn)石灰石粉的篩選，并通過氣箱脈沖袋式收塵器將合格的粉末送入石灰石粉倉，同時(shí)將不合格的粉末送入到粉磨機(jī)進(jìn)行再次研磨。石灰石粉倉的粉會(huì)被送入到石灰石漿液池，通過注入的工藝水來調(diào)節(jié)石灰石漿液的密度。達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)密度的石灰石漿液通過輸送泵被運(yùn)至吸收塔下部的漿液槽。脫硫塔中的系統(tǒng)會(huì)根據(jù)煙氣負(fù)荷、煙氣入口的二氧化硫濃度及混合液的PH值，綜合控制從漿液槽吸入的石灰石漿液量。

燃燒煤后煙氣中的二氧化硫通過吸收系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)吸收。吸收系統(tǒng)中包含吸收劑制備系統(tǒng)、吸收塔、石膏漿液系統(tǒng)及煙氣系統(tǒng)。其中的吸收劑制備系統(tǒng)將石灰石漿液制成符合標(biāo)準(zhǔn)的吸收劑，并送入吸收塔的噴淋層，同時(shí)吸收塔內(nèi)部的循環(huán)系統(tǒng)會(huì)將可重復(fù)利用的漿液送至噴淋層。噴淋層分組設(shè)置在吸收塔的上流區(qū)，由漿液分布管道和噴嘴組成，每層噴淋組件都均勻布置在吸收塔上部的橫截面中。二氧化硫的吸收劑以極小的霧滴從噴嘴中噴出，與從塔中部進(jìn)入的煙氣逆流混合，煙氣中的二氧化硫與吸收劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成結(jié)晶后沉降在吸收塔的底部。在化學(xué)反應(yīng)中需要的氧氣由鼓風(fēng)機(jī)吹入的空氣中獲得，噴管式空氣管道被按次序布置，帶有氧氣的空氣從管道中輸入到帶有壓力側(cè)的攪拌槳葉，攪拌機(jī)攪動(dòng)會(huì)將空氣分散成較細(xì)小的氣泡。經(jīng)過脫硫后的煙氣通過除霧器除去殘余的漿液霧滴，依次經(jīng)過煙道、擋板及煙囪排放到大氣中[12]。

3.2 石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)運(yùn)行的調(diào)整

（1）石灰石品質(zhì)調(diào)整。如果石灰中含水量超過10%，需要立刻調(diào)節(jié)脫水機(jī)的轉(zhuǎn)速和供給漿液量，以確保石膏厚度及脫水機(jī)真空度在標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)。當(dāng)石膏中的粉塵含量超過標(biāo)準(zhǔn)，則當(dāng)減少原煙氣中粉塵含量。若石灰石漿液粒徑過粗，應(yīng)調(diào)整該細(xì)度在合格范圍。如果石膏中硫酸鈣的含量超過標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)立刻調(diào)節(jié)漿液的供給量，同時(shí)調(diào)整氧化空氣量和PH值，來確保硫酸鈣在氧化池中被充分氧化。若石灰石原料中的雜質(zhì)含量超過標(biāo)準(zhǔn)，則應(yīng)確保石灰石原料的質(zhì)量[13]。

（2）制漿系統(tǒng)的調(diào)整。在制備石灰石漿液時(shí)，需要制漿系統(tǒng)的調(diào)整，來確保石灰石漿液的質(zhì)量達(dá)標(biāo)，使脫硫裝置在高效制漿下安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。影響制漿系統(tǒng)效率的因素主要為石灰石給料量、原料半徑、球磨機(jī)的供水量、鋼球大小與數(shù)量配比、運(yùn)行的旋流器數(shù)量、原料磨性系數(shù)及分離機(jī)效率[14]。

制漿系統(tǒng)運(yùn)行過程中要求嚴(yán)格控制進(jìn)入球磨機(jī)濾液量比例及石灰石供給量，若石灰石細(xì)度低于標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該減小細(xì)度調(diào)節(jié)閥門開度，反之增大細(xì)度調(diào)節(jié)閥門開度。制漿系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)要調(diào)節(jié)的項(xiàng)目為：當(dāng)球磨機(jī)電流太小，說明負(fù)載過低，需要立刻補(bǔ)充鋼球；稱重皮帶給料機(jī)轉(zhuǎn)速，以確保球磨機(jī)內(nèi)連續(xù)、均勻、適量地供給原料；為了防止?jié){液箱溢流，需要實(shí)時(shí)地控制漿液箱液位；保證石灰石漿液在合格范圍內(nèi)，若漿液濃度小，則不能保證脫硫要求，若漿液濃度太大，則會(huì)降低石膏純度，影響石膏的循環(huán)使用。系統(tǒng)工作正常時(shí)，可通過石灰石漿液濃度、漿液PH值、煙道出口的二氧化硫濃度來綜合控制石灰石漿液的供給量。若石灰石漿液濃度低、漿液PH值低及二氧化硫濃度高時(shí)，都可加大石灰石漿液的供給量。

（3）吸收塔漿液濃度調(diào)整。脫硫裝置的正常工作離不開吸收塔漿液濃度的調(diào)節(jié)，若漿液的濃度調(diào)節(jié)不適當(dāng)，則會(huì)加快泵與管道的磨損、堵塞及結(jié)垢，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)施的過負(fù)荷運(yùn)轉(zhuǎn)。若吸收塔漿液濃度低于標(biāo)準(zhǔn)值，可依據(jù)實(shí)際狀況降低除霧器沖水量、吸收塔入水量，并降低石膏漿液的出流，如果漿液濃度持續(xù)減小，則需要將石膏漿液泵和脫水機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，并將石膏排出泵出口門關(guān)閉，同時(shí)增加漿液的循環(huán)次數(shù)。如果吸收塔的漿液濃度高于標(biāo)準(zhǔn)，則將石膏漿液的出流量加大，同時(shí)視實(shí)際狀況加大吸收塔的補(bǔ)水量。

（4）吸收塔的液位調(diào)整。系統(tǒng)工作正常時(shí)，除霧器沖洗程序自動(dòng)實(shí)現(xiàn)吸收塔液位的調(diào)整。若吸收塔漿液的液位偏高，需要檢查排漿管路閥門是否正常打開，并將除霧器沖洗水門關(guān)閉，視情況提高石膏漿液的出流量，如果需要，則打開吸收塔底部的排漿閥，直到漿液的液位回到正常位置。若漿液的液位偏低，需要檢查濾液返回水和除霧器沖洗水的管路正常，并降低石膏排出泵轉(zhuǎn)速[15]。

4 結(jié)束語

以火電廠煙氣脫硫控制系統(tǒng)為研究對(duì)象，通過對(duì)石灰石-石膏濕法煙氣脫硫的工藝及分布式控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)分析，研究了煙氣脫硫的控制系統(tǒng)。對(duì)煙氣脫硫系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可調(diào)整的相關(guān)技術(shù)指標(biāo)如石灰石品質(zhì)、制漿系統(tǒng)、吸收塔漿液濃度、吸收塔液位進(jìn)行了分析和優(yōu)化處理，提高了脫硫效率和系統(tǒng)穩(wěn)定性，并降低了能耗。石灰石-石膏濕法脫硫控制技術(shù)在我國研究時(shí)間較短，脫硫工藝和控制技術(shù)還有很大的發(fā)展空間。優(yōu)化并改進(jìn)傳統(tǒng)脫硫控制系統(tǒng)，能提高控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性和脫硫效率，有效提高火電廠的環(huán)保技術(shù)指標(biāo)，減少企業(yè)的生產(chǎn)成本，具有重要的經(jīng)濟(jì)意義和社會(huì)意義。