石灰石湿法脱硫系统的运行优化

2011-09-04王剑锋

综合智慧能源 2011年9期

王剑锋

(大唐国际陡河发电厂，河北唐山 063028)

0 引言

石灰石湿法烟气脱硫FGD(Flue Gas Desulphuration)装置的脱硫效率取决于多种因素，其化学反应众多且复杂。对于一个已投运的FGD系统而言，实际运行工况经常偏离设计工况(锅炉燃煤、负荷、烟气温度、烟尘浓度、吸收剂的品质等参数是经常变化的)，因此，应根据各个系统的具体情况进行实时优化，使FGD处于最佳运行状态。

1 影响石灰石湿法脱硫系统性能的因素分析

1.1 SO2质量浓度对脱硫效率的影响

当烟气中的SO2质量浓度较低时，由于吸收塔出口SO2浓度不会低于其平衡浓度，因此不会获得很高的脱硫效率。实际上，对于固定的脱硫设施来说，随着SO2质量浓度的增加，脱硫效率会获得一个峰值，亦即在某一SO2质量浓度值下脱硫效率达到最高。超过此值时，脱硫效率随着SO2质量浓度的增加而降低。烟气中SO2质量浓度与脱硫效率的关系如图1所示。

图1 烟气中SO2质量浓度与脱硫效率的关系

1.2 脱硫剂(石灰石)品质的影响

1.2.1 石灰石的纯度

石灰石纯度太低由于杂质较多会给脱硫塔的运行带来一些问题，造成吸收剂的耗量及生产费用增加，影响石膏的纯度和脱硫效率的提高。

1.2.2 石灰石的反应活性

吸收剂的反应活性表示吸收剂在一种酸性环境下的转化特性，如果其他因素相同，活性高的石灰石在保持相同石灰石利用率的情况下，可以获得较高的SO2脱除率。石灰石活性的另一重要影响是对石膏纯度的影响。

1.2.3 石灰石粒径(细度)

石灰石的细度决定了石灰石的比表面积。而FGD系统中溶解固体石灰石的总表面积直接影响浆液pH值和吸收塔内溶解的石灰石总量，这些变化决定了脱硫效率。

1.3 运行因素的影响

运行因素主要包括浆液pH值、浆液饱和度、液气比、浆液量及停留时间等，本文着重介绍浆液pH值。

浆液pH值是石灰石湿法脱硫系统的重要运行参数，从反应方程来看，较高的pH值意味着浆液中石灰石的浓度很高，有利于SO2的吸收。为了保证较高的SO2吸收速率，必须保证较高的pH值，吸收塔中的pH值通过不断加石灰石进行补充控制，但也不是pH值越高越好。pH值高的浆液有利于SO2的吸收，而pH值的低浆液则有助于Ca2+的溶出，二者相互对立。因此，浆液pH值既不能太高也不能太低，一般情况下，应控制吸收塔浆液的pH值在5.0 ～6.0。

1.4 其他因素

1.4.1 烟气分析仪

烟气分析仪的准确性不仅影响参数的准确性，同时影响运行人员对于工况的分析判断，从而严重干扰脱硫系统的运行调整，因此，必须对烟气分析仪定期校验。

1.4.2 烟气含尘影响

电除尘装置效率降低，大量飞灰进入脱硫系统，对脱硫系统产生有害影响，主要包括降低石膏品质、加剧设备磨损、增加脱水难度、“封闭”吸收剂使其失去活性及增加废水排放量等。

1.4.3 Cl－影响

Cl－是脱硫系统中难以脱除的成分，因此，脱硫塔在运行一段时间后会产生Cl－的大量积聚。其负面影响主要表现在造成设备腐蚀、脱水困难及增加废水排放等方面。

2 脱硫系统运行优化策略

脱硫系统运行优化的目的是在满足环保要求的前提下实现安全、经济和稳定运行。针对以上分析提出了相应的运行优化策略。

2.1 循环泵优化运行

液、气比决定吸收酸性气体所需的吸收面积。在其他参数一定的情况下，提高液、气比相当于增大了吸收塔内的喷淋密度，使气液间的接触面积增大，吸收过程的推动力增大，脱硫效率也增大。但液、气比超过一定程度，吸收率将不会显著提高，而吸收剂及动力的消耗急剧增大。液、气比对脱硫效率的影响如图2所示。

图2 液、气比对脱硫效率的影响

吸收塔的液、气比随锅炉负荷的改变而改变。根据锅炉负荷和烟气量及烟气中SO2含量等参数变化，决定浆液循环泵的开、启数量和组合方式(主要有#1/#2/#3，#1/#2，#1/#3，#2/#3 4种组合方式)，在不降低脱硫效率的情况下，降低耗电量。同时，循环泵投入减少，脱硫系统阻力降低，相应增压风机功耗降低。

对于设计余量相对较低的脱硫机组，循环泵的优化组合比较困难，特别对于燃煤硫分及机组负荷波动较大的工况，运行人员的选择余地会大大减小。对此，根据运行试验给出如下优化建议:

(1)低负荷及低硫分工况，选择下面2层循环泵运行，稳定pH值在5.6以下;

(2)高负荷及高硫分工况，选择3台循环泵同时运行，控制较高的pH值(6.2以下)，必要时选择添加增效剂;

(3)低负荷及高硫分工况，选择上、中2层循环泵运行，控制适当的pH值;

(4)高负荷及低硫分工况，选择上、下2层循环泵运行，控制适当的pH值。

2.2 pH 值控制

2.2.1 吸收塔浆液pH值控制的难点

(1)过程本身具有严重的非线性。

(2)少量的杂质会使过程特性发生严重畸变，难以建立准确的数学模型。

(3)pH传感器的动态特性易受外界环境(如温度、压力、电极的清洁度等)变化的影响。

(4)其实际反应大多发生在容器和循环管路中，且反应过程中还存在着混合和测量等滞后因素，因而系统存在较大时滞，增加了pH值控制的难度。

2.2.2 解决办法

(1)解决pH值控制的关键在于解决复杂的非线性控制问题。

(2)合理控制石灰石的浓度。(3)添加缓冲剂。

2.2.3 运行控制优化策略

吸收塔供浆液流量的控制目标是既达到预期的脱硫效率又获得吸收剂的最佳利用率，同时还要考虑pH值的稳定性，防止对副产品石膏品质产生影响及对设备造成腐蚀。

(1)供浆控制，采取小流量连续供浆方式，在SO2质量浓度设计范围内，保持pH值稳定可控，避免大幅波动(pH值控制在5.0～6.0较适宜)。

(2)在SO2质量浓度偏高时(超越设计值/实际控制能力)，增加供浆量，适当提高pH值(≤6.2)，高pH值不宜保持时间过长，否则会造成亚硫酸盐质量浓度升高、浆液质量下降、脱硫塔内反应恶化、脱硫效率下降，同时导致设备结垢。

(3)供浆自动调节。浆液流量控制回路中，以吸收塔浆液pH值作为反馈控制信号，采用吸收塔入口SO2负荷信号(入口烟气体积流量与入口SO2质量浓度的乘积)作为前馈信号。目前，大多采用烟气排放连续监测系统CEMS(Continuous Emission Monitoring System)来获得入口SO2体积流量和质量浓度这一前馈信号，从而改善调节回路的响应时间。pH值调节器和石灰石流量调节器构成串级回路，在这种调节方式中，吸收塔供浆流量的设定值与吸收塔入口SO2负荷成正比。根据吸收塔浆液pH值来微调浆液供给量。

这种调节方式可以迅速跟踪锅炉负荷和燃煤含硫量的变化，获得较好的响应时间，同时可以使循环浆液的pH值保持在合适的变化范围内。由于选用了吸收塔浆液流量为副调节参数，减少了浆液流量波动对pH值的影响。如果考虑入口烟气参数对烟气流量的影响，可以根据入口烟气的温度、压力和湿度来修正入口烟气流量。

根据烟气中SO2的质量分数，按SO2吸收率计算石灰石(CaCO3)用量(浆液石灰石质量分数按25%计)来调节石灰石浆流量

式中:qVCaCO3为石灰石浆液体积流量，m3/h;qVG为烟气体积流量，m3/h;φ(SO2)为SO2体积分数，%;X为SO2吸收率，%;100/64为SO2和 CaCO3的相当量;25%为质量分数;ρ为浆液质量浓度，kg/m3;η1为石灰石纯度，0.80～0.92;η2为石灰石利用率0.90 ～0.98。

(1)pH值修正(设烟气流量修正系数为α)。5.0 ＜pH 值＜5.6，正常，无需修正;pH 值＞5.6，偏高，α 取0.9;pH 值＜5.0，偏低，α 取 1.1。

(2)烟气流量修正(设烟气流量修正系数为 β)。

［273/(273+t)］× qV1β =273/(273+t)，式中:t为增压风机入口烟温，110～160℃;qV1为烟气流量。

经过修正，吸收塔供浆调节阀流量设定值