火电厂脱硫系统石膏脱水困难的分析

2012-03-29任志广郭艳敏

电力安全技术 2012年1期

任志广，郭艳敏

(大唐桂冠合山发电公司，广西合山 546501)

1 概述

随着国家对环保要求的逐步提高，确保脱硫系统正常运行不仅是企业自身的效益问题，更是关乎居住环境的环保问题。石膏脱水正常与否是脱硫系统能否正常运行的关键环节，它不仅决定了石膏的品质，而且还会影响吸收塔内浆液的活性，从而影响脱硫效率。

石灰石-石膏湿法脱硫技术是目前火电厂使用最广泛且技术最成熟的烟气脱硫技术。合山发电公司2×330 MW机组烟气脱硫采用美国巴威公司湿式就地氧化脱硫工艺，吸收剂为本地石灰石，粒度要求90 %通过250～325目，副产品为商品级石膏。脱硫装置的烟气系统、吸收系统原采用“一塔一炉”的单元控制，后为适应市场煤种要求并保证脱硫效果进行了增容改造，改造为“一炉两塔”的单元制配置。烟气依次通过预洗塔、吸收塔进行脱硫。自机组投产以来，多次发生石膏脱水困难的情况，被迫采取更换塔内浆液的办法使系统恢复正常。

2 脱硫石膏的生成过程

湿法石灰石-石膏烟气脱硫的石膏形成过程：

(1) 石灰石浆液在吸收塔内对烟气进行逆向洗涤和脱硫，形成半水亚硫酸钙(CaSO3·1/2H2O)并以小颗粒状态转移到浆液中；

(2) 利用氧化风机所提供的氧气将其强制氧化成二水硫酸钙(CaSO4·2H2O)而结晶；

(3) 利用石膏排出泵将吸收塔下部结晶区的石膏浆抽出，送往石膏旋流站，进行一级脱水的旋转分离；

(4) 细颗粒的浆液溢流返回吸收塔，而浓缩的较粗颗粒的石膏浆液送往真空皮带过滤机进行石膏脱水；

(5) 通过真空皮带过滤机脱水后，石膏的含水率降为10 %的质量含量以下，成为商品级石膏；

(6) 商品级石膏最后被皮带传送至石膏房。

3 石膏脱水困难的表现

(1) 电厂脱硫系统无法形成干、散的商品石膏，只能形成含水率在15 %～25 %的稠糊状石膏泥。

(2) 石膏泥颜色有时偏黄，有时偏黑或带深褐色。

(3) 石膏泥无法堆积、不易运输，石膏的二水硫酸钙含量低，品质大幅下降，风干后的石膏泥手感粗糙。

(4) 吸收塔内浆液密度会不断升高，脱硫效率明显下降，供浆量多表现为大于正常值。

4 石膏脱水困难的原因分析

实际运行中影响石膏脱水的因素比较多。对于一个已建成的脱硫设备，需要分析各因素对石膏脱水的影响程度，以便及时消除其影响，确保脱硫系统正常运行。其中，重点分析各主要参数及设备健康等方面对石膏脱水效果的影响。

4.1 吸收塔内浆液pH值的影响

浆液pH值是综合反应碳酸根、硫酸根含量的重要判断依据。控制pH值是控制烟气脱硫化学反应正常进行的重要手段。SO2溶解过程会产生大量的H+，浆液pH值高有利于H+的吸收，也有利于SO2的溶解；而浆液pH值低则有助于浆液中CaCO3的溶解，因为CaSO3·1/2H2O及CaSO4·2H2O的最终形成是在SO2、CaCO3溶解的前提下进行的。因此，浆液过高的pH值会使石膏含有大量的CaCO3，造成脱水困难并降低石膏品质；而浆液过低的pH值又会严重影响SO2的吸收，导致脱硫效率严重下降。因此，必须根据设备具体的运行情况及浆液实际所处温度来确定一个合理的pH值。

4.2 吸收塔内氧化风量的影响

氧化风量对石膏浆液的氧化效果影响很大，氧量的多少直接影响到CaSO3·1/2H2O的氧化程度。氧量充足，则氧化充分，生成的CaSO4·2H2O石膏晶体就会粗壮、易脱水；否则将会生成含有大量CaSO3·1/2H2O的小晶体。CaSO3的大量存在不仅会使石膏脱水困难，而且亚硫酸根(SO32+)是一种晶体污染物，含量高会引起系统设备结垢，严重时会危及基础设备安全。如，电厂1号脱硫吸收塔底部曾出现约15 cm厚的结垢，经检查发现是因为氧化风管路堵塞，造成氧量不够而导致的。随后加强对氧化风系统的维护，未再发生类似事故。另一方面，亚硫酸盐的溶解还会提供碱性环境。当亚硫酸盐相对饱和浓度较高时，亚硫酸盐溶解所形成的碱性也会增强，而碱性环境会抑制CaCO3的溶解，从而浆液中不溶解的CaCO3分子大量增加，也会增加石膏的脱水困难。

4.3 吸收塔内浆液灰尘、杂质离子的影响

浆液中的杂质多数来源于烟气，少数来源于石灰石原料。由于煤炭市场的压力，锅炉燃烧的煤种很难时刻保证为设计煤种，加之上游电除尘设备时常发生磨损缺陷，使得烟气含灰尘量时常超过设计值，导致带入吸收塔内的灰尘量也时常超标。灰尘对脱水的影响主要为以下几方面。

(1) 因灰尘颗粒小，很容易进入石膏晶体间的水分游离通道，从而将其堵塞。也就是灰尘微粒堵塞了水分子通道，导致石膏中水分难以脱出。

(2) 由于灰尘中含有氟化物和铝化物。随着浆液中灰尘量的增加，浆液中的氟化物和铝化物也会增加，尤其是在高pH值下更易形成氟铝络合物。由于这些络合物的表面积很小，很容易包裹在碳酸钙表面而阻止碳酸钙的溶解，由此既影响脱硫效率又会导致石膏因碳酸钙含量增加而影响其脱水。

(3) 灰尘中含有Cl-及Cu2+等离子。由于氯离子(Cl-)较碳酸根离子(CO3+)活性强，使得氯离子极易和溶解的钙离子结合而形成氯化钙，同时由于“铜离子效应”又会抑制CaCO3的溶解。同时，由于氯离子又较亚硫酸氢根离子活性强，也会抑制SO2形成亚硫酸氢根(HSO3-)，不利于石膏晶体的形成和成长。

4.4 吸收塔内浆液密度值的影响

吸收塔内浆液的密度反映了塔内各反应物及生成物的饱和情况。如浆液密度过低，表明CaSO4含量低，CaCO3的相对含量较大，此时出的石膏不仅不容易脱水，还会造成CaCO3浆液的浪费。如浆液密度过高，表明CaSO4的含量已过量，过量的CaSO4不仅会抑制SO2的溶解，从而导致浆液吸收SO2的能力下降，而且还会抑制CaCO3的溶解；同时浆液吸收SO2能力下降，容易导致出口SO2的排放超标，而为保证出口不超标往往要增加CaCO3溶液的供给量，由此也会加重CaCO3的过剩量。因此，如果密度过高时排浆液出石膏，由于CaCO3较CaSO4的颗粒小，将使石膏难以脱水。

4.5 吸收塔内浆液液位的影响

吸收塔自下而上大致分3个功能区：氧化区、吸收区、除雾器。在其他条件不变的情况下，氧化区容积的大小及浆液的石膏排出时间是影响石膏晶体形成和长大的2个重要因素。所谓石膏排出时间，是指吸收塔氧化区浆液最大容积与单位时间排出石膏量之比。

由以上分析可以看出：氧化区空间越大则石膏排出时间也会越长，越有利于石膏的成长。若浆液液位低会相对减少氧化区的空间，使亚硫酸盐得不到重复氧化，晶体无法充分长大；同时，若浆液液位低还易引起浆液密度超限，而且由于塔内整体容积减少会使进入塔内的石灰石浆液得不到充分反应而被排出，从而加大石膏脱水的困难。若浆液液位高，氧化区相对延长，浆液循环充分，石膏纯度高，但此时由于CaSO4过量，会发生如4.4所述的情况，而造成石膏脱水困难。

4.6 石膏旋流器的影响

石膏旋流器是利用离心力的作用将大小颗粒进行分离，其作用主要有2个：一是石膏浆液预脱水；二是石膏浆液分级。浆液在后者的作用下将塔内浆液分成2部分：一部分是含固率高的大颗粒底流，直接进入下级真空皮带过滤机；另一部分是含固率低的小颗粒溢流，直接回到吸收塔进行再次循环氧化。对于已经投产的旋流器，影响其效果的因素有2个。

(1) 投入的旋流器旋流子的个数及投入的旋流子通畅程度。旋流器投运个数多，则吸收塔出石膏容易；旋流子堵或投运少，则出石膏困难。

(2) 旋流器入口的压力高则分离容易；反之则不易脱水。

4.7 真空皮带过滤机的影响

真空皮带过滤机用于石膏的最后一次大颗粒底流液态脱水，此次脱水后的石膏浆液将变为固体石膏。其原理为：从石膏旋流器来的大颗粒底流均匀地淋于真空过滤机滤布上，此滤布表面有大量脱水孔，下部装有与真空泵相连的真空盒，在滤布携大颗粒底流缓慢前行的过程中，利用滤布下部的真空将其水分脱出。

从真空皮带过滤机的工作原理可以看出，影响脱水效果的主要因素是滤布底部的真空度。而影响真空度的原因有2个：一是真空泵的出力；二是滤布脱水孔的通畅情况。当浆液细小颗粒含量增加时，易造成滤布脱水孔堵塞，此时若要达到脱水效果，必须增加真空度。

5 应对措施

5.1 加强运行参数的监视

运行参数是运行人员做出各种调整的重要依据，因此确保各运行参数的准确性非常必要。针对脱硫装置的各种测量仪器，制定检修人员定期检查制度，并要求运行人员定期进行“运行分析”，论证各测量数据的正确性。通过对运行效果的长期分析及对现场实际设备特点的分析，制定了各主要参数的调节范围：出口净烟气二氧化硫排放浓度控制在200～400 mg/Nm3；吸收塔浆液pH值控制在5.2～5.6；塔内浆液密度值控制在1 200～1 260 kg/m3；吸收塔液位控制在9.0～10.0 m；预洗塔液位控制在11.5～12.5 m；进入吸收塔的氧化空气温度控制在45～55 ℃。

5.2 加强氧化风系统的维护管理

制定氧化风系统的检查与定期分析方案，确保氧化风系统正常运行，并定期对石膏品质进行化验，根据石膏脱水效果及石膏内亚硫酸钙的含量确认合适的氧量。

5.3 加强上游电除尘的运行管理

加强对上游电除尘器的运行及检修管理。

(1) 根据煤种及设备缺陷，及时调整巡检方案和设备运行方式。

(2) 制定一、二电场控制柜出现跳闸及输、放灰管路泄漏等缺陷时的“限时”消缺规定，并在每日生产调度早会上指定“消缺跟踪责任人”，确保一、二电场的正常运行。

(3) 针对浆液中的Cl-及Cu2+等杂质离子，制定浆液的实时化验制度。通过定期排放，控制浆液中Cl-及Cu2+等杂质离子的浓度。

(4) 为避免因Cl-离子含量超标而引起浆液中毒，结合运行情况确定Cl-浓度不得超过8 000 mg/L，最大不得超过10 000 mg/L。

5.4 加强对一、二级脱水系统的维护与管理

脱水系统分为2级：一级设备主要为石膏旋流站，二级设备主要为真空皮带过滤机。对于石膏旋流器，应定期做旋流器的“沉降试验”，保证其合适的最佳运行压力(120～130 kPa)。同时及时检查旋流器运行情况，发现堵塞及时清理，并制定定期清理制度，保证浆液的分离效果。对于真空皮带过滤机，应加强检查分析，避免滤布跑偏或滤布堵塞等现象的发生，发现过滤机真空下降应及时分析原因并采取措施。