火电厂湿法脱硫石膏真空脱水机选型研究

罗 杨，秦 学，张 乐，吴 芳

(中国工程顾问集团西南电力设计院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

石膏脱水系统属于火力发电厂石灰石—石膏湿法烟气脱硫装置的重要辅助系统[1]，它负责将吸收塔排出的石膏浆液处理成为脱硫石膏，并使石膏品质达到JC/T 2074-2011《烟气脱硫石膏》[2]的相应等级要求(见表1所列)，从而实现高价值的综合利用，可作为水泥掺合料用于水泥和建筑行业等。火电项目脱硫石膏品质一般要求不低于表1中的二级(B)。

表1 脱硫石膏等级(摘选)

真空脱水机是石膏脱水系统的核心设备，用于脱硫副产物-石膏浆液的第二级处理，对石膏旋流器浓缩后的底流进行真空脱水处理，形成附着水含量不超过10%的脱硫石膏。一方面，直接控制脱硫石膏中的两项重要指标：附着水含量、氯离子含量；另一方面，其运行稳定性、能耗水平(电耗、水耗等)、占地面积等，直接影响到脱硫装置运行可靠性和经济性。

石灰石湿法脱硫装置绝大部分采用真空皮带脱水机，具有设备可靠、能够连续稳定运行、附着水含量和氯离子含量易保证等特点，但是占地面积大。个别脱硫改造项目由于布置场地受限，尝试采用真空陶瓷圆盘脱水机。随着技术发展，真空滤布圆盘脱水机开始应用于部分脱硫项目。

本文将对各类真空脱水设备的工作原理、技术特点进行总结，然后以保证脱硫附着水含量和氯离子含量为前提，以某1000 MW火电机组为例，对真空脱水设备选型方案进行深入研究和技术经济比选。

1 真空脱水机型式及特点

国内石灰石湿法脱硫装置选用的真空脱水机主要有真空皮带脱水机、真空滤布圆盘脱水机和真空陶瓷圆盘脱水机，基本的脱水原理均为利用真空抽吸实现过滤材料表面石膏浆液的固液分离。

1.1 真空皮带脱水机

1.1.1 设备结构及工作原理

真空皮带脱水机机架为焊接钢结构，整台机架分段组成，包括前机架、后机架和中间机架。加料槽采用尾形加料槽，槽内设有若干条导向筋条，使石膏浆液均布在滤布上；真空盘下部由导向滚轮支撑，真空盘上部有易于更换的橡胶带(橡胶带上均布滤孔)；集液管收集真空盘中滤液并送至气液分离器，通常采用FRP管；滤布清洗槽内固定两根带有喷嘴的喷管，从正、反两面冲洗滤布，冲洗后的水经清洗槽出口流出；滤布连续运行，拉紧并保持适当宽度，避免滤布起皱。真空盘和集液管之间由数根真空胶管连接。

驱动装置由电机、摆线针轮减速器组成，通过驱动装置带动滤布驱动辊来带动滤布的连续运转。

真空皮带脱水机结构示意图如图1所示。

图1 真空皮带脱水机结构示意图

1.1.2 运行方式及工艺流程

带形滤布在橡胶皮带的支撑下沿脱水机轴向水平移动，完成初始过滤、滤饼淋洗、滤饼干燥、滤饼卸料、滤布冲洗等一系列过程。

真空皮带脱水机工艺流程示意图如图2 所示。

图2 真空皮带脱水机工艺流程示意图

1.1.3 技术特点

石膏浆液在滤布表面水平铺开，且停留时间长，脱水效果易保证，更易达到附着水含量和氯离子浓度的要求。滤布与石膏脱离后，经充分冲洗后，即恢复过滤性能，使用寿命较长。真空度相对不高，抽气量较大，导致真空泵电耗较高。

由于水平过滤面积较大，导致设备占地面积较大。

1.1.4 应用效果

该机型是目前应用最为广泛的石膏真空脱水机，技术成熟，运行稳定，石膏品质易控制；但也存在现场运行环境较差、设备腐蚀较为严重、滤布易跑偏、运行真空度低等缺点。

1.2 真空滤布圆盘脱水机

1.2.1 设备结构及工作原理

真空滤布圆盘脱水机由主机部分(机架和浆液槽，主驱动轴，分配阀，卸料装置，过滤圆盘)、搅拌系统、滤饼冲洗及滤布清洁系统、真空系统等组成。其中，过滤圆盘是真空圆盘脱水机的核心部件，由过滤通道、防腐构架和单层滤布组成。真空滤布圆盘脱水机结构示意图如图3所示。

图3 真空滤布圆盘脱水机结构示意图

1.2.2 运行方式及工艺流程

在圆盘转动一圈当中，完成初始过滤、滤饼淋洗、石膏滤饼干燥、滤饼卸料等一系列过程。真空滤布圆盘脱水机工艺流程示意图如图4所示。

图4 真空滤布圆盘脱水机工艺流程示意图

1.2.3 技术特点

滤料由传统带式机的平面过滤变为立面过滤，可有效降低设备占地面积，约为带式机的20%，过滤圆盘的过滤性能稳定。真空泵抽气量小、能耗少、水耗低、真空泵密封水量小、滤布无需在线冲洗。设备结构紧凑，设备周围环境干净、卫生，避免了真空皮带脱水机周围溅水和石膏堆积的现象。设备本身带有蒸汽阻隔装置，且真空度高，滤液流动速度较快，有害气体基本无法扩散。浆液槽内需设置搅拌装置，可选用机械搅拌器，也可通过过滤圆盘自带的扰流片，扰动浆液，避免漏浆风险。

1.2.4 应用效果

该机型已逐渐替代真空陶瓷圆盘脱水机的替代产品，处于推广应用阶段，国内部分大型发电集团的一些应用项目使用效果已获得电厂认可。但是，各生产厂家产品性能存在一定差异，部分厂家产品尚待升级完善，存在诸如石膏品质(附着水含量、氯离子含量)不易保证、滤饼冲洗水量大、易损件(滤布、滤饼)使用寿命短、搅拌装置易漏浆等问题。目前已成功应用该设备的火电项目见表2所列。

表2 真空滤布圆盘脱水机投运项目

从业主提供的使用报告来看，上述项目脱水机产出石膏可以达到附着水含量10%、氯离子浓度100～200 mg/kg的品质要求，设备运行可靠稳定，节电节水效果良好，检修维护工作量少。

1.3 真空陶瓷圆盘脱水机

1.3.1 设备结构及工作原理

与真空滤布圆盘脱水机基本相同，主要区别是过滤材料为陶瓷滤盘替换滤布，并增设化学清洗装置。陶瓷滤盘属于多孔功能圆盘新型材料，其上布满纵横交错、互相贯通的毛细微孔，由于毛细作用，过滤圆盘接触待过滤料浆后，液体无需外力作用，自动进入微孔通道中，固体被阻隔在圆盘表面。

1.3.2 运行方式

与真空滤布圆盘脱水机基本相同。主要区别在于：过滤圆盘需定期离线酸洗再生。

1.3.3 技术特点

与真空滤布圆盘脱水机基本相同。主要区别是：

1)无法连续运行，需定期停机清洗圆盘，恢复脱水功能。以某电厂为例，每运行8 h，需要进行1 h的离线化学清洗；每次冲洗需要150 kg的硝酸溶液(浓度40%)；圆盘使用3个月后，需要重新更换；

2)设备维护费用相对较高；

3)可靠性相对较低。

1.3.4 应用效果

国内个别改造项目由于脱硫装置扩容改造用地紧张，而选用占地小的陶瓷圆盘脱水机，使用初期可以达到性能要求，但是陶瓷圆盘后续酸洗再生工作量大，且需定期更换圆盘，长期使用效果不佳。

1.4 真空脱水设备技术性能比较

三种类型的真空脱水设备主要技术性能比较，见表3所列。

表3 真空脱水设备主要技术性能比较表

1.5 小结

1)真空皮带脱水机应用最为广泛，性能稳定、可靠性高，但能耗高和设备外形尺寸较大；

2)真空滤布圆盘脱水机属于圆盘式脱水机更新迭代产品，处于推广应用阶段。具有性能稳定、可靠性高、能耗低、设备结构紧凑、工作环境较好等特点；

3)真空陶瓷圆盘脱水机曾应用于项目中，虽然能耗低、占地面积小，但是存在较为明显的技术缺陷，如陶瓷圆盘过滤性能衰减较快、需定期酸洗再生，导致运行费用高，使用效果不理想，不推荐采用。

2 石膏真空脱水设备选型案例

某火电厂扩建1×1000 MW机组，烟气脱硫装置采用石灰石—石膏湿法烟气脱硫工艺，脱硫效率≥99.4%，实现超低排放。脱硫石膏采用真空脱水设备进行处理，设计中对真空皮带脱水机和真空滤布圆盘脱水机两种脱水设备进行了方案比选。

2.1 真空脱水机配置和出力选择

本项目锅炉BMCR(boiler maximum continuous rating，锅炉最大连续蒸发量)工况下脱硫装置产生的脱硫石膏(含表面水10%)产量见表4所列。

表4 脱硫石膏产量t/h

根据DL/T 5196-2016《火力发电厂石灰石-石膏湿法烟气脱硫系统设计规程》相关规定，本工程拟设置2台真空脱水机，每台真空脱水机的出力不小于处理单台锅炉在BMCR工况下燃用设计煤种时脱硫装置100%的石膏产量，即单台出力按43 t/h考虑。

2.2 真空脱水机方案比选

2.2.1 真空皮带脱水机技术方案

设置2台真空皮带脱水机时，石膏旋流器底流自流到脱水机滤布水平表面，完成脱水的同时，绝大部分氯离子被冲洗水清洗掉，石膏饼从脱水机尾部卸料槽直接落入石膏库；滤布通过冲洗水恢复过滤能力；抽出的滤液进入脱硫系统复用。每台脱水机设置1台真空泵；2台脱水机合并设置1套滤布冲洗水箱/泵；滤饼冲洗水与工艺水管道相连。整个脱水机系统设备集中布置在石膏库顶部一层。

真空皮带脱水机层布置图如图5所示。

图5 真空皮带脱水机层布置图

2.2.2 真空滤布圆盘脱水机技术方案

设置2台真空滤布圆盘脱水机时，石膏旋流器底流自流至脱水机浆液槽，旋转的滤布圆盘在槽内吸附浆液后转离液面，完成脱水的同时绝大部分氯离子被冲洗水清洗掉，石膏饼从脱水机卸料槽直接落入石膏库；滤布通过冲洗水、压缩空气恢复过滤能力；抽出的滤液进入脱水系统复用。每台脱水机设置1台真空泵和压缩空气罐；滤布/滤饼冲洗水与工艺水管道相连。整个脱水机系统设备集中布置在石膏库顶部一层。

为保证真空滤布圆盘脱水机的性能，设备选择时需注意以下几点：

选择性能优越的过滤流道构造设计；

选择密封性好、耐腐蚀、强度高的过滤圆盘构件；

考虑到运行后期过滤性能的下降，合理选择滤布面积，留有一定裕量；

根据吸收塔浆池氯离子运行浓度值，确定合适的滤饼冲洗水量；

尽量避免脱水机浆液槽内设置机械搅拌器，降低设备漏浆风险。

真空滤布圆盘脱水机层布置图如图6 所示。

图6 真空滤布圆盘脱水机层布置图

2.2.3 方案比选

真空皮带脱水机和真空滤布圆盘脱水机的主要技术性能参数比较见表5所列。

表5 两种脱水机主要技术性能参数比较

真空皮带脱水机和真空滤布圆盘脱水机的经济比较见表6所列。

表6 两种脱水机经济性比较 万元

通过表5和表6可见，技术方面，真空滤布圆盘脱水机的各项技术指标均优于真空皮带脱水机，维护工作量和生产环境都可以得到较大改善；经济性方面，虽然真空滤布圆盘脱水机本体投资高于真空皮带脱水机，但是土建费用节省较多，运行成本也较低，20 a合收益差值(正收益)为237万元/机组，经济性较优。

因此，本项目石膏脱水设备最终推荐采用真空滤布圆盘脱水机。

3 结语

1)真空陶瓷圆盘脱水机存在较为明显的技术短板，使用效果不理想，不推荐采用。

2)真空滤布圆盘脱水机和真空皮带脱水机相比，技术方面，真空滤布圆盘脱水机的各项技术指标均优于真空皮带脱水机，维护工作量和生产环境都可以得到较大改善；经济性方面，虽然真空滤布圆盘脱水机本体投资高于真空皮带脱水机，但是土建费用节省较多，运行成本也较低。以某1×1000 MW机组项目为例，20 a合收益差值(正收益)为237万元/机组，经济性较优。

3)随着技术发展和工程应用经验的积累，真空滤布圆盘脱水机以其性能优良、可靠性高、能耗低、占地小、经济性良好等特点，得到了电厂用户的重视和认可，我们认为可在更多的火电厂湿法脱硫项目推广应用。