濕法脫硫石膏脫水困難原因分析及 控制

石灰石^－石膏濕法脫硫(wetfluegasdesulfurization，WFGD)是世界范圍內(nèi)煙氣脫硫的主流技術(shù)。該技術(shù)以石灰石(石灰)作為吸收劑吸收煙氣中的SO₂，經(jīng)過一系列反應(yīng)生成副產(chǎn)物石膏。隨著濕法脫硫技術(shù)的不斷推廣，其副產(chǎn)物石膏的排放量也與日俱增，預(yù)計(jì)2020年我國脫硫石膏的排放量將達(dá)到1億噸。脫硫石膏具有廣泛的商業(yè)用途，商業(yè)上對(duì)脫硫石膏的要求是:顆粒度在100μm左右，含水率10%，純度高。然而，在實(shí)際調(diào)研中發(fā)現(xiàn)很多電廠一定程度上均存在石膏脫水困難的問題，影響其質(zhì)量及商業(yè)應(yīng)用。本文將結(jié)合某電廠實(shí)際生產(chǎn)中出現(xiàn)的案例，對(duì)造成石膏脫水困難的主要影響因素進(jìn)行分析并提出控制措施。

某電廠一期為2×330MW亞臨界燃煤機(jī)組，同步建設(shè)脫硫裝置。煙氣脫硫采用石灰石^－石膏濕法脫硫工藝，一爐雙塔，設(shè)置增壓風(fēng)機(jī)，吸收塔漿液攪拌采用脈沖懸浮方式，石膏脫水利用石膏旋流器和真空皮帶脫水機(jī)。機(jī)組在近兩年的運(yùn)行中多次出現(xiàn)石膏脫水困難的情況，石膏含水率一直偏高，落入石膏庫的石膏團(tuán)結(jié)成塊狀，嚴(yán)重時(shí)甚至出現(xiàn)石膏成稀泥狀無法脫水成型的情況，而正常石膏脫水后較為松散，顆粒分明。

2.1.1鍋爐投油穩(wěn)燃

燃煤發(fā)電鍋爐在啟動(dòng)、停運(yùn)、低負(fù)荷穩(wěn)燃及深度調(diào)峰階段由于設(shè)計(jì)、燃煤等原因均需耗用大量的燃油助燃，由于工況運(yùn)行不穩(wěn)定、鍋爐燃燒不充分，會(huì)有相當(dāng)一部分未燃盡的油污或油粉混合物隨煙氣進(jìn)入吸收塔漿液內(nèi)，在吸收塔內(nèi)強(qiáng)烈的擾動(dòng)作用下，極易形成細(xì)碎的泡沫，在漿液表面大量聚集。表1為該電廠吸收塔漿液表面泡沫的成分分析。

表1吸收塔漿液表面泡沫成分分析%

油污在漿液表面聚集的同時(shí)也有一部分在攪拌、噴淋等相互作用下快速分散在吸收塔漿液內(nèi)，并在漿液中石灰石、亞硫酸鈣等顆粒表面形成一層薄薄的油膜，對(duì)石灰石等顆粒形成包裹，阻礙石灰石的溶解和亞硫酸鈣的氧化，進(jìn)而影響脫硫效率和石膏的生成。含油的吸收塔漿液通過石膏排出泵進(jìn)入石膏脫水系統(tǒng)，由于油污及未完全氧化的亞硫酸產(chǎn)物等的存在，容易造成真空皮帶機(jī)濾布空隙的堵塞，進(jìn)而導(dǎo)致石膏脫水困難。

2.1.2入口煙塵濃度

濕法脫硫吸收塔具有一定的協(xié)同除塵效果，其除塵效率可達(dá)到70%左右。該電廠設(shè)計(jì)除塵器出口(脫硫入口)煙塵濃度20mg/m³，出于節(jié)能減少廠用電考慮，除塵器出口實(shí)際控制煙塵濃度在30mg/m³左右，過多的煙塵進(jìn)入吸收塔依靠脫硫系統(tǒng)的協(xié)同除塵作用進(jìn)行脫除。經(jīng)電除塵凈化后進(jìn)入吸收塔的煙塵粒徑絕大部分小于10μm，甚至小于2.5μm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于石膏漿液的粒徑。圖1為該電廠石膏含水率正常時(shí)排出石膏漿液中的平均粒徑分布，86.9%的物質(zhì)粒徑在10μm以上，69.2%的物質(zhì)粒徑在20μm以上。煙塵隨石膏漿液進(jìn)入真空皮帶機(jī)后同樣堵塞濾布，導(dǎo)致濾布透氣性能變差，石膏脫水困難。

圖1石膏漿液平均粒徑分布

2.2.1漿液密度

漿液密度的大小說明了吸收塔中漿液的密集程度，若密度過小，說明漿液中CaSO₄含量較低，CaCO₃含量較高，直接造成CaCO₃的浪費(fèi)，同時(shí)由于CaCO₃顆粒較小，易導(dǎo)致石膏脫水困難;若漿液密度過大，則說明漿液中CaSO₄含量較高，較高的CaSO₄會(huì)阻礙CaCO₃的溶解，抑制SO₂的吸收，CaCO₃隨石膏漿液進(jìn)入真空脫水系統(tǒng)同樣影響石膏的脫水效果。濕法脫硫雙塔雙循環(huán)系統(tǒng)，為了充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，一般一級(jí)塔pH值宜控制在5.0±0.2范圍內(nèi)，漿液密度控制在1100±20kg/m³范圍內(nèi)，而實(shí)際運(yùn)行中該廠一級(jí)塔漿液密度在1200kg/m³左右，高時(shí)甚至達(dá)到1300kg/m³，始終控制較高。圖2為該電廠制漿用石灰石粉平均粒徑分布，81.0%的物質(zhì)粒徑在10μm以下，小于正常石膏的物質(zhì)粒徑，漿液密度高時(shí)其CaCO₃易造成石膏脫水困難。

圖2石灰石粉平均粒徑分布

2.2.2漿液強(qiáng)制氧化程度

漿液強(qiáng)制氧化是向漿液中通入足量的空氣，使亞硫酸鈣氧化為硫酸鈣反應(yīng)趨于完全，氧化率高于95%，保證漿液中有足夠的石膏品種用于晶體成長，若氧化不充分，則會(huì)生成亞硫酸鈣與硫酸鈣的混合晶體，造成結(jié)垢現(xiàn)象。漿液強(qiáng)制氧化程度取決于氧化空氣量、漿液停留時(shí)間、漿液攪拌效果等因素，氧化空氣量不足、漿液停留時(shí)間過短、漿液分布不均、攪拌效果不佳等均會(huì)造成塔內(nèi)CaSO₃·1/2H₂O含量過高。

圖3為該電廠一級(jí)吸收塔石膏排出泵入口處塔壁的結(jié)晶物，由于吸收塔漿液脈沖懸浮母管斷裂，導(dǎo)致塔內(nèi)漿液攪拌不充分，局部區(qū)域內(nèi)亞硫酸鈣氧化不足，生成混合結(jié)晶體Ca(SO₃)0.8(SO₄)0.21/2H₂O即CSS垢，其脫硫石膏與運(yùn)行正常期間石膏對(duì)比見表2?？梢?，由于局部氧化不足，漿液內(nèi)CaSO₃·1/2H₂O含量明顯偏高，導(dǎo)致石膏脫水困難，含水率也較高。

圖3石膏排出泵入口處塔壁結(jié)晶

表2石膏主要成分分析%

2.2.3漿液中的雜質(zhì)含量

漿液中的雜質(zhì)主要來源于煙氣和石灰石，這些雜質(zhì)在漿液中形成雜質(zhì)離子，影響石膏的晶格結(jié)構(gòu)。煙塵中不斷溶出的重金屬會(huì)抑制Ca²⁺與HSO₃^－的反應(yīng)，漿液中的F^－和Al³⁺含量較高時(shí)會(huì)生成氟鋁絡(luò)合物AlFn，覆蓋在石灰石顆粒表面，造成漿液中毒，使脫硫效率降低，細(xì)小的石灰石顆粒夾雜在未完全反應(yīng)的石膏晶體中，使石膏脫水困難。漿液中的Cl^－主要來自煙氣中的HCl和工藝水，工藝水中的Cl^－含量相對(duì)較少，因此漿液中的Cl^－主要來自煙氣攜帶。當(dāng)漿液中存在大量的Cl^－時(shí)，Cl^－會(huì)被晶體包裹，并于漿液中存在的一定量的Ca²⁺結(jié)合生成穩(wěn)定的CaCl₂，將一定量的水留在晶體內(nèi)，同時(shí)漿液中一定量的CaCl₂會(huì)留在石膏晶體之間，堵塞晶體之間游離水的通道，造成石膏含水率升高。

2.3.1石膏脫水系統(tǒng)

石膏漿液通過石膏排出泵送至石膏旋流器進(jìn)行一級(jí)脫水，底流漿液濃縮到含固量達(dá)到50%左右時(shí)自流到真空皮帶機(jī)進(jìn)行二級(jí)脫水。影響石膏旋流器分離效果的主要因素有旋流器入口壓力和沉砂嘴尺寸。旋流器入口壓力過低，則固液分離效果變差，底流漿液含固量較少，影響石膏的脫水效果，導(dǎo)致含水率升高;若旋流器入口壓力過高，則分離效果較好，但影響旋流器的分級(jí)效率，同時(shí)對(duì)設(shè)備的磨損較嚴(yán)重。沉砂嘴尺寸過大，同樣會(huì)造成底流漿液含固量較少，顆粒物較小，影響真空皮帶機(jī)脫水效果。該電廠正常石膏脫水時(shí)要求石膏旋流器入口壓力為0.17MPa，而實(shí)際運(yùn)行中旋流器入口壓力介于0.08～0.14MPa，與運(yùn)行要求值相比偏低，且入口壓力波動(dòng)較大，圖4、圖5分別為該廠石膏旋流器運(yùn)行正常與異常的沉砂嘴工作狀況，異常沉砂嘴噴射出的漿液形狀不滿足固液分離線型的要求，旋流子及沉砂嘴存在磨損及堵塞，實(shí)測底流漿液含固量僅有30%～40%。影響真空皮帶機(jī)脫水效果的主要因素有真空度、濾布透氣性及濾餅厚度。真空度過高或過低都會(huì)影響石膏脫水效果，真空度過低，則對(duì)石膏中水分的抽吸能力降低，石膏脫水效果變差;真空度過高，則濾布空隙可能存在堵塞或皮帶存在跑偏，同樣導(dǎo)致石膏脫水效果變差。在同樣的工況條件下，濾布的透氣性越好，則石膏的脫水效果越好;濾布的透氣性差，過濾通道被堵塞，則石膏的脫水效果變差。濾餅厚度對(duì)石膏脫水同樣有顯著影響，皮帶機(jī)轉(zhuǎn)速降低時(shí)，濾餅厚度增加，真空泵對(duì)濾餅上層的抽吸能力減弱，導(dǎo)致石膏含水率升高;皮帶機(jī)轉(zhuǎn)速升高時(shí)，濾餅厚度減薄，容易造成局部濾餅漏氣，破壞真空，也會(huì)導(dǎo)致石膏含水率升高。

圖4正常沉砂嘴工作狀況

圖5異常沉砂嘴工作狀況

2.3.2脫硫廢水處理系統(tǒng)

脫硫廢水處理系統(tǒng)運(yùn)行不正?；驈U水處理量小均會(huì)影響脫硫廢水的正常外排，長期運(yùn)行下煙塵等雜質(zhì)不斷進(jìn)入漿液，漿液中重金屬、Cl^－、F^－、Al^－等不斷富集，導(dǎo)致漿液品質(zhì)不斷惡化，影響脫硫反應(yīng)的正常進(jìn)行、石膏的生成以及脫水。以漿液中的Cl^－為例，該電廠一級(jí)吸收塔漿液中Cl^－含量高時(shí)達(dá)到22000mg/L，石膏中的Cl^－含量達(dá)到0.37%。漿液中的Cl^－含量在4300mg/L左右時(shí)，石膏的脫水效果較好，隨著氯離子含量的升高，石膏的脫水效果逐漸變差。

1)加強(qiáng)鍋爐運(yùn)行燃燒調(diào)整，減少鍋爐啟停階段或低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)投油穩(wěn)燃對(duì)脫硫系統(tǒng)的影響，控制漿液循環(huán)泵的投運(yùn)數(shù)量，減少未燃盡油粉混合物對(duì)漿液的污染。

2)從對(duì)脫硫系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行和整體經(jīng)濟(jì)性方面考慮，加強(qiáng)除塵器運(yùn)行調(diào)整，采用高參數(shù)運(yùn)行，控制除塵器出口(脫硫入口)煙塵濃度在設(shè)計(jì)值以內(nèi)。

3)對(duì)漿液密度、氧化空氣量、吸收塔液位、漿液攪拌裝置等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，確保脫硫反應(yīng)在正常條件下進(jìn)行。

4)加強(qiáng)石膏旋流器和真空皮帶機(jī)的維護(hù)和調(diào)整，控制石膏旋流器入口壓力和皮帶機(jī)真空度在合理范圍內(nèi)，對(duì)旋流子、沉砂嘴和濾布定期檢查，確保設(shè)備在蕞佳狀態(tài)下運(yùn)行。

5)確保脫硫廢水處理系統(tǒng)正常運(yùn)行，脫硫廢水定期外排，減少吸收塔漿液中的雜質(zhì)含量。

石膏脫水困難是濕法脫硫裝置普遍存在的問題，其影響因素眾多，需要從外部介質(zhì)、反應(yīng)條件及設(shè)備運(yùn)行狀況等多個(gè)方面進(jìn)行綜合分析及調(diào)整。深入了解脫硫反應(yīng)機(jī)理和設(shè)備運(yùn)行特性，合理控制系統(tǒng)主要運(yùn)行參數(shù)，才能保障脫硫石膏的脫水效果。

本文發(fā)表于《環(huán)境工程》 2019年 

作者簡介：齊偉明 ，碩士，主要研究方向?yàn)榇髿馕廴痉乐窝芯俊?/span>