烟气脱硫塔结垢原因分析及对策

陈文武，黄贤滨，屈定荣，李清松，贾富春，马克平

(1.中国石化安全工程研究院,山东青岛 2661012.化学品安全控制国家重点实验室,山东青岛 2661013.中国石化青岛炼油化工有限责任公司,山东青岛 266000)

烟气脱硫塔结垢原因分析及对策

陈文武1,2，黄贤滨1,2，屈定荣1,2，李清松3，贾富春3，马克平3

(1.中国石化安全工程研究院,山东青岛2661012.化学品安全控制国家重点实验室,山东青岛2661013.中国石化青岛炼油化工有限责任公司,山东青岛266000)

通过对烟气脱硫塔垢样的XRD衍射分析，确定了垢样组成，分析了结垢的原因及结垢可能发生的部位，对回液管进行了针对性地在线清洗，解决了脱硫塔结垢造成的飘液问题，提出了在线清洗方法预防结垢的措施。

烟气脱硫 结垢 在线清洗

1 烟气脱硫装置简介

某炼油企业动力中心循环流化床(CFB)锅炉燃料为延迟焦化装置生产的高硫石油焦(质量分数硫含量7%～9%)，采用两级脱硫工艺，即石灰石炉内脱硫(脱硫效率≥92%)和炉外二级脱硫，以保证排放烟气中的SO2浓度不超过150 mg/m3。装置按“两头一尾”设置，即两台CFB锅炉的烟气集中经过一套二级脱硫装置脱硫后达标排放。因此，烟气脱硫装置故障停工将造成两台锅炉停运，进而影响全厂生产。

烟气二级脱硫采用湿法(钠法)脱硫工艺，脱硫塔是该工艺的核心设备。该烟气脱硫装置自2008年4月投运。2012年11月，脱硫塔周围200 m范围内出现大量白色粉末，破坏了周围环境，严重影响了该区域生产设施运行。分析认为，脱硫塔内部关键部件结垢造成回液不畅、烟气带液、液滴飘散，水分蒸发后溶解盐析出是问题的主要原因。因此，分析结垢原因，针对性地采取必要的工程手段在线清理结垢，并采取应对措施预防结垢，具有很强的现实意义和工程推广价值。

2 结垢部位分析

2.1 烟气流程分析

CFB锅炉炉内富含SO2的烟气，夹带的粗大粒子进入悬浮区以后，受重力等作用减速偏离主气流返回炉膛。烟气夹带的细小颗粒，大部分经炉内高温旋风分离器分离后返回炉膛；小部分极细粒子随烟气进入尾部烟道，进一步对受热面、空气预热器等放热。然后，经布袋除尘器除尘，由引风机送入烟气脱硫系统。

首先，烟气进入急冷段(3个LAB-G400喷嘴)，进行急冷、饱和；然后，进入吸收段(三层各4个LAB-G400喷嘴)充分接触，吸收SO2和粉尘；随后，含有水汽的烟气进入旋风分离器依靠离心力作用将残余水滴从烟气中分离出来，水经回液管1返回塔底；烟气进入中心筒，在重力和离心力作用下继续脱除烟气中的水滴，水从中心筒回液管2返回塔底；烟气经脱硫塔出口的积液槽进一步分离其中夹带的少量水滴，水经回液管3返回塔底，脱硫后达标、不含水滴的烟气从烟囱排入大气。

2.2 可能的结垢部位

脱硫塔中起气、水分离作用的部件有：脱硫塔出口积液槽、旋风分离器、中心筒。经分析，外排烟气带水的原因可能是上述3处回液管全部或局部出现了堵塞，影响了气液分离的效果。脱硫塔各回液管示意见图1。

图1 脱硫塔回液管示意

3 结垢原因分析

3.1 垢样分析结果

脱硫塔垢样的XRD衍射分析结果如图2，可以看出，垢样的主要成分是CaSO4、 CaSO3。

图2 脱硫塔垢样的XRD衍射分析

3.2 结垢机理

粒径为0.1 mm的石灰石(CaCO3)在750～800 ℃时与石油焦中的S、高温空气发生化学反应，生成CaSO4、CaSO3。发生的化学反应如下：

CaCO3+S+3/2O2→CaSO4+CO2

CaCO3+S+O2→CaSO3+CO2

CaCO3→CaO+ CO2

随着高温烟气移动的飞灰中含有55%～65%的CaSO4、 CaSO3和25%～30%的CaO。正常情况下，布袋除尘器能够将烟气中99.9%以上的飞灰拦截，其出口进入烟气脱硫系统的粉尘浓度可以达到50 mg/m3以下。该装置2011年大检修时只对一台锅炉的布袋全部进行了更新，另一台锅炉只更换了破损的布袋。由于该CFB锅炉以高硫石油焦为原料，入口烟气中SO2平均达到2 150 mg/m3，最高达到3 500 mg/m3，加速了布袋除尘器的老化。大修装置开工后，利旧的布袋经常出现破损，每周平均更新布袋105条，大量飞灰通过破损处短路进入脱硫系统，循环浆液中的悬浮物浓度平均达到6 560 mg/L，最高达到13 660 mg/L。随烟气进入二次脱硫部分的飞灰中的CaO遇水生成Ca(OH)2，粘合其中不溶于水的CaSO4、CaSO3颗粒，形成结垢。

4 在线清垢技术

4.1 清垢策略

按照先易后难、先试后通的策略进行清洗。即先对容易检查处理的在塔外敷设的出口积液槽回液管3进行检查试通；然后，对16组CYCLOLABS旋转气液分离器回液管1进行试通处理；最后，检查处理难度最大的中心筒回液管2。

4.2 积液槽回液管清垢

打开积液槽回液管入塔之前的法兰，发现有小量水流流出，约10 kg/h。在该法兰敞开情况下，观察48 h，烟气带液情况没有好转。说明积液槽回液管3没有堵塞，不是造成问题的原因，该部分不需要清垢。

4.3 旋风分离器回液管1清垢

4.3.1旋分回液管结垢的判断

旋风分离器及回液部分结构如图3所示。

根据分析，在旋转气液分离器的积液槽处结垢，从而造成回液管1回液不畅是造成烟气带液的可能原因。另外，根据对脱硫塔底部的观察，底部集有较厚的垢层，可能造成回液管1底部的堵塞。在线打开脱硫塔顶部人孔，从旋分处给水，发现塔底液位不上升，烟气带液量明显上升。由此可以确认该回液管存在结垢、堵塞现象。

图3 旋转气液分离器积液槽结构示意

4.3.2旋分回液管垢物在线清洗

4.3.2.1塔壁在线开孔

对16组旋分的回液管进行全方位的化学清洗，需要对塔壁进行在线开孔。开孔规格为DN100，开孔数量为7个(每个开孔清洗周围2个旋分)。脱硫塔材质为316L复合钢板，开孔时一方面尽量不降低塔壁的强度，另一方面避免塔内物料进入复合板缝隙造成脱硫塔基材腐蚀，图4为带压开孔结构示意。

图4 带压开孔接管结构示意

4.3.2.2塔底污垢清洗

将清洗剂在线加入到脱硫塔底部的循环浆液中，利用循环浆液泵循环清洗塔底污垢。首先，提高塔底NaOH加入量，进行碱性清洗，pH值控制在10～12，时间72～96 h，发生的化学反应为：

CaSO3+2NaOH=Ca(OH)2+Na2SO3

CaSO4+2NaOH=Ca(OH)2+Na2SO4

其次，采用加入缓蚀剂的酸性清洗剂清洗，清除掉部分可溶物，pH值控制在2～4，时间24～48 h。

4.3.2.3塔底污垢清洗

脱硫塔底部的污垢清洗完成后，再进行旋分器积液槽部位的清洗疏通工作。采用有机高分子络合清洗剂EDTA二钠盐进行清洗，依靠药剂自身强大的络合能力夺取CaSO3、CaSO4电离出的微量钙离子，促进溶解平衡的移动，最终将CaSO3、CaSO4中的Ca2+全部转化成EDTA螯和盐，同时伴随着新的配位平衡，反应方程式如下：

Ca2++[-OOC-CH2-CH(NH2)-CH(NH2)-COO-]=CaX(EDTA)(X最大值为6)

通过上述在线开孔位置将酸性清洗药剂沿旋分壁部喷入积液槽，每个积液槽清洗时间按24 h控制。清洗过程中每2 h检测一次循环浆液中的悬浮物含量，控制氯离子低于700 mg/L以下，TDS 7.0%以下[1]。

4.3.2.4旋分回液管试通

从在线开孔部位通入新鲜水，塔底液位明显上升、烟气带液量没有明显上升，说明旋分回液管清洗完毕。

4.4 中心筒回液管2清垢

4.4.1中心筒回液管2结垢的判断

清洗完16根DN150旋分回液管后，烟气带液量有所降低，但带液仍比较明显，说明还有其他部位结垢、堵塞。

烟气从16组旋转气液分离器进入中心筒后，因为气体突然转向、线速突然降低，且设置了分离器，气体中夹带的小量水珠继续分离，并通过中心筒回液管2回到塔底。该回液管的结垢堵塞也会造成烟气带液。

4.4.2中心筒回液管2在线清洗

4.4.2.1塔壁在线开孔

因为中心筒处存不住液体，该回液管无法采用化学清洗，因此，对其进行机械清洗。根据脱硫塔的安装方位图，找准中心筒回液管(贴塔壁延伸到塔底)位置，在脱硫塔中下部进行在线开孔(DN80)，开孔方式如前所述，一方面尽量不降低塔壁强度；另一方面避免塔内物料进入复合板缝隙造成脱硫塔基材腐蚀。

4.4.2.2回液管2在线开孔

从塔壁在线开孔处找到回液管，用磁力钻对准回液管进行开孔操作，开一DN50孔。

4.4.2.3回液管机械清洗

从回液管开孔处将机械清洗喷头插入，方向向上进行机械清洗操作，直至大量液体从开孔处喷出，封闭塔壁开孔，完成操作。

以上操作完成后，烟气带液现象消除，现场环境得到根本改善。

5 预防措施

为防止脱硫塔内部的结垢，采取措施保证布袋除尘器的稳定运行极为关键。第一，在布袋除尘器出现破损时，应及时对其老化情况进行评价，若已明显普遍老化，应及时全部更新；第二，保证布袋除尘器入口温度不高于150 ℃，延长布袋的使用寿命；第三，控制床层温度820～850 ℃[2]、0.2～1.0 mm粒径段的石灰石比例提高至80%以上[3]等，将显著提高炉内脱硫效率，从而保证进入布袋除尘器的烟气平均硫含量不高于2 000 mg/m3，防止硫对布袋的腐蚀，保证布袋的使用寿命；第四，要对布袋除尘器出现的旁路挡板泄漏、烟道变形等问题及时发现、处理，防止烟气短路、大量粉尘直接进入烟气脱硫系统。

6 结论和建议

a)脱硫塔烟气带液的主要原因是16组旋分回液管在积液槽、塔底部位的结垢堵塞以及中心筒回液管的结垢堵塞。采用旋分回液管在线化学清洗及中心筒回液管在线机械清洗的方法，可以清除结垢，防止烟气带液。

b)从清洗经验看，在线清洗的顺序可以考虑优化为先对中心筒回液管进行在线机械清洗，若无明显好转，再进行旋分回液管在线化学清洗。

随着环保形势的日益严峻，能够长周期、稳定运行的烟气脱硫装置被普遍使用。以上关于CFB锅炉烟气脱硫塔结垢的原因分析及对策，对催化烟气脱硫装置同样具有工程指导意义。

[1] 王加刚.BELCO脱硫塔的在线清洗[J].清洗世界,2014,30(5):1-3.

[2] 王三平，马红友，姜凌. 火电厂循环流化床锅炉炉内脱硫效率影响因素分析[J].科技信息，2010(17)：223-224.

[3] 李善涛.石灰石粒径分布对CFB锅炉脱硫效果影响研究[D].上海：上海交通大学，2011.

CauseAnalysisandCountermeasureofScaleFormationinFlueGasDesulfurizationTower

Chen Wenwu1,2, Huang Xianbin1,2, Qu Dingrong1, Li Qingsong3, Jia Fuchun3, Ma Keping3

(1.SINOPEC Research Institute of Safety Engineering, Shandong, Qingdao, 266101 2.State Key Laboratory of Safety and Control for Chemicals, Shandong, Qingdao, 266101 3.SINOPEC Qingdao Oil Refining Chemical Co. Ltd., Shandong, Qingdao, 266000)

Based on the XRD analysis of flue gas desulfurization tower, the scale composition was determined. The cause of fouling and the location of fouling were analyzed. On-line cleaning was carried out to solve the problem of desulphurization and the measures to prevent fouling by online cleaning method was put forward in this paper.

flue gas desulfurization; scaling; online cleaning

2016-10-08

陈文武，高级工程师，1997年毕业于北京化工大学化工专业，从事过多套煤化装置的生产运行管理，现主要从事动设备安全研究工作。