燃煤电厂脱硫吸收塔的脱硫智慧化

国家电投集团江西电力有限公司分宜发电厂 卫 健 刘世杰 胡荣华 黎 斌

1 燃煤电厂产生烟气和废水的危害

1.1 硫化烟气、颗粒物排放危害

据研究显示，在煤粉炉的燃烧，其中大部分的可燃性硫都能氧化转化为气态SO2，而0.5%～2.0%的SO2能够深入被氧化为SO3。一些文献显示，煤燃烧时，0.5%～2.5%的SO3会被转化，当该煤种的硫占比较小时，其氧化占比会较高。一些研究机关通过研究上海、四川等地的电厂，发现SO2/SO3转化率在1.8%～2.0%的范围内。当燃煤烟气到达省煤器，进而到达对流换热面的地区时，含有氧化硅、氧化铁、氧化钠、氧化铝等成分的灰尘或者是积灰，会对SO2在一定程度上有催化作用，当锅炉省煤器温度是420～600℃时，一些SO2会经过这些氧化物的催化，转化为SO3[1]。

SO3会转化为亚微米级的H2SO4酸雾，而这酸雾会沿着烟囱排泄到大气环境中，从而变成了二次颗粒硫酸盐，成为造成PM2.5的元凶之一[2]。同时，SO3还会腐化设施，或者和NH3发生化学反应产生（NH4）2SO4以及NH4HSO4，造成SCR催化剂失效。当前，根据《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223—2011）的管理要求，SO2排泄最高值是50mg/m3（重点地区）、100mg/m3（非重点地区较新锅炉）或者是200mg/m3（非重点地区现存锅炉），此刻SO3排放份额小，不需要另外的减少排泄措施。

SO2溶于水的特性，将造成亚硫酸的产生，而亚硫酸进一步在PM2.5存在的条件下氧化，便会迅速高效生成硫酸，此物质为酸雨的主要成分，对土壤、植被、人类健康、城市建筑等都存在较大危害。此外，2017年10月27日，世界卫生组织国际癌症研究机构已经将SO2列在3类致癌物清单中。因此，改善燃煤电厂SO2排放迫在眉睫。

1.2 脱硫废水排放危害

当前，燃煤电厂脱硫主要采用锅炉烟气湿法脱硫(石灰石/石膏法)，会产生污水的后果，其是由于吸收塔在排泄水。若要保持该系统中的质量平衡，预防烟气中作为可溶物的氯物质，其含量大于特定值并且确保石膏品质，需要将特定的废水排出系统。废水中的废弃物一般包含漂浮物、处于过饱和状态的亚硫酸盐、硫酸盐和重金属，其中包括许多需要严格管控的第一类污染物。

在电厂脱硫废水中，其含有的废弃物的组成既繁杂又多种类，这对管道与设施水结构有着严重的威胁，脱硫废水在生态环境方面有着严重的影响：第一，脱硫废水的pH值范围是4～6，为弱酸性液体，虽然能明显地减少其中比重较小的重金属类污染物的含量，但是其对水生生物却有较为明显的迫害作用，以此顺着食物链能够直接毒害到其余生物。

腐化设施。特别是孔洞、裂缝管道，会遭受到显著腐化，当氯离子浓度比较高时，会严重影响到吸收塔工作，从而造成脱硫工作的低生产率，影响设备的正常运作。

在处理脱硫废水时，径直排泄硫酸盐，硫酸盐因此会向沉积层分散，和水中的金属元素产生化学反应后，产生甲基汞，最后造成水生态平衡被破坏。

第二，脱硫废水含有许多的有毒成分，假如这些有毒成分不以约束的排泄，会径直破坏整个生态圈，其中硒更会对水源与土壤造成永久性损害，随着时间的迁移，就会使整个生态圈受到显著的影响，甚至会影响人类身体健康。

2 燃煤电厂烟气净化处理现状

燃煤电厂对大气污染的过程主要通过以下两种途径：一是燃煤电厂通过燃烧大数量的煤炭生成能量的同时，也释放大量的微量元素，其中部分微量元素含有潜在毒害，并通过降尘迁移到周围环境中。二是煤炭中的矿物质、有机组分和微量元素会通过燃烧后的产物底渣、飞灰和废气进入环境中。

燃煤电厂的烟气净化主要划分成脱硝、除尘和脱硫三类阶段，如图1所示。

图1 燃煤电厂烟气净化系统

步骤一，脱硝。烟气脱硝技术包括减少NOx的产生以及高效烟气脱硝两种方法，通过这两种方法来达到减少锅炉烟气NOx排泄含量的目的。减少NOx产生大部分是利用低氮燃烧工艺，高效烟气脱硝能够被划分成选择性催化还原工艺以及选择性非催化还原工艺[3]。控制具有挥发性的氮变成NOx是低氮燃烧技术的重要作用，其主要方法不仅包括创建初期点火，还利用操控O2含量的燃料/空气分段燃烧技术。利用在炉上不一样的位置安装紧凑燃尽风以及分离燃尽风的低NOx燃烧工艺。

把炉膛划分为三类各自分离的部位：初始燃烧区，NOx还原区以及燃料燃尽区。其中，有以下几个影响因子约束着每个空间的过量空气系数：总的分级燃烧风量，紧凑燃尽风、分离燃尽风风量的分配和总的过量空气系数。深化所有空间的过量空气系数，是这类空气分级方法的前卫之处，其不仅能够高效的降低NOx排放，并且能够尽可能地增加燃烧效率。选择性催化还原工艺（SCR）定义为在催化剂的促进下，根据还原剂（例如NH3、尿素等）的挑选并与气体中的N化反应，最后产生出无害清洁的N2与H2O。

在SCR工艺中，催化剂的消费一般是SCR系统初期投资的40%上下，催化剂使用时间的长短会大幅度的作用在其运作本钱，因此选择性非催化还原法脱硝技术则避过了这个缺点而产生了。选择性非催化还原工艺（SNCR），一类不需要催化剂的工艺，其可以在850～1100℃温度范畴之间还原NOx，还原剂普遍是氨或者尿素。温度对SNCR还原NO的反应极其重要，因此抉择合适的喷入点，即温度窗口的抉择，是决定SNCR还原NO成果好坏的重中之重。

步骤二，除尘。最近在大型火电机组工程中采用最普遍的是隐尘器型，若根据收尘工作机理来区分，主要是两个：静电除尘器以及袋式除尘器。静电除尘器主要是利用气体电离，使固体粒子带电，由于电场的存在，使得粒子运动到收尘板上，因此被收尘板采集，通过较好的清扫方法（比如拍打），粉尘进入灰斗。然而，布袋除尘器的除尘原理与电除尘器截然有异，其过滤除尘的一个特点就是不需要外部能量的驱使，而且可以高效率、稳固地保持出口处的排放含量低。布袋除尘器具体包括清灰室、滤袋、清灰系统以及控制系统。其机理是利用过滤物质采用阻截的方式将气体中的颗粒阻截，由此，被阻截的颗粒在过滤物质上面汇集，变成又稳固又紧密的过滤设施，而后清灰系统会挤压空气，利用此动力反过来使滤袋产生形状改变，从而脱落下汇集在该设施上的灰，脱落后的灰由于重力作用，进入灰斗[4]。

湿式电除尘器与干式电除尘器有着一样的工作机理，都是会经过荷电、收尘以及清灰这几个步骤。由于设置高的直流电压，使得放电线把四周的气体电解分离，让小固体粒子带电，然后其因为电场力的影响会向一极移动，同时汇集在收尘极板上，清理灰尘的方法一般是将水喷洒在板上部，通过重力作用向下运动，在其上产生一层匀称稳固的膜，而这膜含水，能够把板上的细小颗粒物清除，当然还有根据汇集的雾滴产生自留来达到清灰的目的。

步骤三，脱硫。在研究中最普遍的脱硫技术是低液气比B&W湿法脱硫技术。此项技术的基本机理是气体动力学，将合金带孔托盘安装在吸收塔内部，这能够有利于内部气体速度的分布，降低局部烟速过高的现象产生，避免降低脱硫效率；同时，该托盘能够维持特定高的液膜，由此能够延长气体在其内部的停滞时长，促进三相接触完全，使该传质过程能够高效率完成，显著的减少液气比，明显地增加吸收剂的利用效率，由此能够满足气体净化的目标。

若想要增加设置托盘装置，则需要加大吸收塔的高度。最初，含硫烟气通过管道运输至回旋式的烟气加热器中，将自身附带的高温辐射于来自脱硫塔的进化烟气之中，使得自身温度得到下降，进而从脱硫塔的低端进入到脱硫塔之中，而后向上流动。脱硫液则经过底部的泵压至上端脱硫塔的各个喷口处，通过液体压强的作用，与脱硫塔中含有的含硫气体结合，形成液态废水流至脱硫塔废液处理出口。再经过对废液的进一步分离处理，和脱硫塔中废液的多次回收利用再喷淋，使得脱硫塔之中含有的脱硫气体得到充分吸收，最后对含硫废水进行净化处理，即可完成脱硫操作。

在这过程中，对于脱硫液的把控和脱硫后所带出的废水的含硫量的管控，多依靠人力监督，而如果设置定量或者定时变速的方法，也很难做到对于时间、脱硫液等资源的利用以及无法保障含硫烟气是否达到排放标准。因此，对于脱硫过程中的智慧型管控系统的处理，要值得关注。

3 脱硫的智慧化构建

3.1 传统脱硫工作中的问题展现

在燃煤电厂进行生产作业时，煤炭燃烧的有效程度决定了电厂的能源运用的效率，同时也决定了煤炭在燃烧过程中所产生的烟气的大小及有害程度和燃烧放热率的多少，这些都关乎燃煤电厂在整个生产过程中的效益性。而这些操作的把控都离开长期以来坚守在一线岗位上的熟料的员工，一线员工对于用煤量和相关操作机器的把控直接性决定电厂后续的一系列项目。因此，建立一套行之有效的能够代替日常的专家的经验管理水平操作机器，便成为众多需要对废气进行除硫的工厂的需求。

传统的生产中，存在有追求短期经济效益的状况，且当时的技术水平有限，对于智能的自动化高昂的费用一般很少有厂家引入，大部分都依赖于PLC（可编程逻辑控制器）和DCS（分散控制系统）等半自动化系统。而PLC和DCS在自动控制方面很难做到不依赖操作人员，其在操作过程中还是会通过大量的需要经验人员的操作，而在长期的人员作业情况下，就难免产生疲惫而造成有失误的情况，使得线上的脱硫工艺在长期的运行操作过程中会难免纰漏，影响到排放标准的达成以及正常的操作和生产。

在整个脱硫烟气排放处理过程中，对于操作人员技术水平的要求相对较高，如对PLC和DCS系统的掌控能力需要较大，而从整体上看，作为发电站的员工来说，对这部分的认知程度总体是偏低的，也就造就了对于人才缺乏所造成的困扰。

3.2 脱硫问题的智慧化处理

3.2.1 智慧烟气脱硫处理

为应对在因燃煤所产生废气的处理上需要依靠大量操作经验而影响到工厂的长期运行上，通过采取新型的AI智慧管控系统，能较好地解决在这方面给燃煤电厂所带来的困扰。其会通过对数据的收集感知来进行模型的构建，从而进行无人化的自动管控，人员真正参与的知识设备的监督工作，而脱离了真正的一线。在烟气的脱硫过程中也较以往的更具检查力度，能直接从源头煤炭的燃烧情况便能做出下一步管控。主要的运行步骤包括以下几步：

一是采集相关数据信息。通过在各个设备的衔接处及煤炭燃烧、脱销、除尘、脱硫和后续的排气监察等重要信息采集处做出合理的定位定时收集，对这些数据进行相当长时间的记录和推演，为AI算法奠定良好的数据基础。

二是选定关键数据。通过对前期数据的收集和整理，通过AI数据分析，配合专业人士找出实际影响到烟气排放中硫含量的关键参数，在得到关键的数据之后，便可将数据输入进AI管控的算法平台，进行多次的算法演练，实时展现烟气处理及煤炭燃烧放电的数据情况。通过对每次预演的数据，构建出数据处理与分析的基本模型。

三是通过算法模型来进行实时的结果分析，通过智能终端接口，可进行与工业机器人的参数联通，给出合理化的指令，对各个部分的决策做出指导性的意见。如需人为进行的操作，也可最直接通过显示器显示出来。

四是整个算法模型自动化运行，通过与电厂燃煤系统的连接，实现实时的操作运行。通过对于燃煤阶段及烟气的脱硫处理自动化，降低人的参与度，将人员的工作从实际一线的操作转变至对自动化流程的定时监督上。

为应对燃煤电厂的废气排放标准化的提高，在以上的数据模型构建中同时也加入了对于烟气中硫化物，尤其是SO2和SO3的检测从以往的工人检测方面提升至互联网技术感知。通过对排放浆液的pH值实时性监控，持续有效地使远在别处的管理者和监督者得到及时性的信息。一旦pH至超过阈值，管控系统便会自动地警告，有选择性地及时调整燃煤前端端口的投入数据或通过自动的尾气再处理来进行达标后排放。遇到指标超出设定的合理区间时，便可自动关闭生产的流程线路上影响到烟气排放的非必要性流程，进而再转接至操作管理人员，极大地为保障环境治理和节省人力资源做出了极大的益处。

同时，通过以上的四个步骤有针对性地对电厂燃煤的情况及后续烟气中脱硫的管控，实现由人员的高度化参与到现在的人员定时监督机器，总体流程交由AI管控，既减少了总体的运行成本，还不用承担来自工厂内人员流失的危机，使得工厂的总体运行风险得到有效降低。且这套系统还附带有及时的反馈系统，一旦出现与总体大数据不符的情况，便会及时发出报告，提前性告知相关操作人员，保障生产过程的规范性和高效性。

此管控工艺不仅对于燃煤电厂有很好的管控作用，对于需要进行脱硫处理的钢铁企业来说同样受益。钢铁脱硫并不像在燃煤电厂中属于末端的处理环节，其是位于钢铁制作过程中的核心环节。钢铁的整个质量一定程度上也就在于硫的脱除程度，因为硫化物的存在会影响到钢铁的韧性。而一味地投入除硫剂，一旦过量，也会影响到出钢的质量，这对于AI智能管控系统的要求便更高。而通过智能的AI管控系统，就能更好地做到开源节流的目的。

一是收集数据，构建模型。同样的对于关键流程部位的数据监督和分析，特别是对于脱硫过程中脱硫量及比例的数据方向上的处理，尽可能做到数据的多元性和可靠性。二是模型的检测。对于构建好的模型进行初步试运行，通过多试实验的回收分析，不断调试出合理的符合预期的模型，再在众多符合预期的模型中寻求最小化的脱硫剂的投入方案。三是数据输出。通过对于模型的合理构建，在实际的脱硫过程中，给出操作机器人或者相关的操作人员合理地除硫数据及脱硫剂的投入比例。

3.2.2 智慧浆液PH改善

脱硫废水主要是锅炉烟气湿法脱硫（石灰石/石膏法）过程中，为了维持脱硫装置浆液循环系统物质的平衡，防止烟气中可溶部分即氯浓度超过规定值和保证石膏质量，从吸收塔系统中排放的废水。一般来自石膏脱水和清洗系统，或是水力旋流器的溢流水及皮带过滤机的滤液。在湿法烟气脱硫中所产生的脱硫废水，pH酸碱度多呈弱酸性，同时含有大量的悬浮物（石膏颗粒、二氧化硅、铝和铁的氢氧化物）、氟化物和微量的重金属。如砷、镉、铬、汞等，直接排放将对环境造成严重污染。

AI智能管控便在这个方面做出了很好的贡献。AI智能管控系统通过对所排出的浆液的pH值进行排放前的测定，将浆液pH值实时的反馈给主机的管理系统。若pH值过低，呈现出较强的酸性，AI智能管控系统就会从两方面进行相应的调整。一是对吸收塔中的烟气进行再次监测，加大对吸收塔中除硫剂的投入；二是根据所排出浆液PH值的大小，整合脱硫设备运行历史运行数据，包括石灰石浆液泵运行情况、石膏浆液pH值、氧化风机功率、机组负荷、入口硫分来建立数据驱动AI模型，动态规划不同工况下石膏浆液pH值偏离阈值时的石灰石浆液泵启停方案，在保障生态环境的前提下，再进行浆液的供给，达到人与自然之间和谐共处的真实理念。

如何让工厂整体实现自动化的运行操作一直以来都是社会和国家关注的发展重大问题。同时针对燃煤电厂的环境治理问题，在废烟废气的处理上如何做到高效的附带有解决现行燃煤电厂问题的方案也是人们关注的重点。通过基于大数据分析和处理的智能AI管控系统的建设，便能为燃煤电厂在现行的环境治理上的高压态势带去高效的求解方案。其突破于对传统的人力资源的相对依赖，只需要在相应的模型构建以后，对于特殊情况的处理上以及人员对于AI管理体系的监督上做出投入便可持续性健康运行，对于工业现代化的促进整体起到了积极的作用。