石灰石石膏法烟气脱硫工艺设计常见问题分析

石灰石石膏法烟气脱硫工艺设计常见问题分析*张力王正华湖南电力勘测设计院[内容摘要]本文针对石灰石石膏法烟气脱硫工艺设计中常见问题作了具体分析，对WFGD装置的设计者提供了相应的建议，认为各系统合理的设备选型及设计是WFGD正常调试运行的可靠保证。[关键词]石灰石石膏脱硫工艺设计1前言烟气脱硫是控制火电厂SO2污染的重要措施，随着近年来我国经济的飞速发展，电力供应不足的矛盾日益突出，国家在积极建设电厂的同时充分注意火电厂烟气排放带来的严重环境污染问题，相继制订了火电厂相关政策法规、积极推动火电厂安装烟气脱硫设施，如2000年9月1日开始实施的新《中华人民共和国大气污染防治法》第30条规定：“新建或扩建排放二氧化硫的火电厂和其他大中型企业超过规定的污染物排放标准或者总量控制指标的，必须建设配套脱硫。除尘装置或者采取其他控制二氧化硫排放、除尘的措施。在酸雨控制区和二氧化硫污染控制区内，属于已建企业超过规定的污染物排放标准排放大气污染物的，依照本法第四十八条的规定限期治理。”据相关研究表明[1]在目前国内外开发出的上百种脱硫技术中，石灰石石膏法烟气脱硫是我国火电厂大中型机组烟气脱硫改造的首选方案。随着重庆珞璜电厂引进日本三菱重工的两套湿式石灰石石膏法烟气脱硫技术和设备，国华北京热电厂﹑半山电厂和太原第一热电厂等都相继采用了石灰石石膏法脱硫。该法脱硫率高，运行工况稳定，为当地带来了良好的环境经济效应。在这些运行经验基础上其它火电厂也加快了脱硫工程改造步伐，石灰石石膏法脱硫工艺往往成了大多数电厂的脱硫首选方案。石灰石石膏法烟气脱硫工艺系统尽管优点多，但系统复杂，在系统设计方面要充分进行优化选择，考虑设计参数宽裕度以及对锅炉本体影响等问题，往往由于设计不完善为后期系统的调试运行加大难度或达不到设计效果。本文就是针对在石灰石石膏脱硫系统设计中常见问题进行分析，为脱硫系统的设计人员提供一定的技术参考。2.石灰石－石膏法脱硫工艺中常见问题以及相应措施2.1石灰石－石膏法脱硫工艺简介图１给出了石灰石石膏法脱硫流程示意图。主要包括原料输送系统、吸收剂浆液配制系统、烟气系统、SO2吸收系统、石膏脱水及贮存和石膏抛弃系统。从锅炉引风机引出的烟气全部进入FGD系统，首先通过气气热交换器(MGGH)对未脱硫烟气进行降温，再进入吸收塔进行脱硫反应，完成脱硫后的净化烟气经溢流槽及两级除雾后，再通过MGGH热交换器的烟气吸热侧，被重新加热到88℃以上经烟囱排出。2.2常见问题分析2.2.1吸收系统吸收系统是脱硫工艺的核心部分。由于设计人员要综合考虑脱硫效率和脱硫系统经济性能以及运行维护量的问题，吸收塔的选择成了设计的核心问题。目前该脱硫系统吸收塔的型式主要有四种，结构型式见图2～5。不同的吸收塔有不同的吸收区设计，其中栅格式吸收塔由于系统阻力大﹑栅格宜堵和宜结垢等问题逐渐被淘汰；鼓泡式吸收塔也由于系统阻力大﹑脱硫率相对偏低等问题应用较少；喷淋式吸收塔由于脱硫效率能达到95％以上，系统阻力小，目前应用较多，但该塔喷嘴磨损大且宜堵塞，需要定期检修，为系统的正常运行带来一定的影响，目前设计人员对喷嘴进行了技术改进，系统维护量相对降低；对于液柱塔由于其脱硫率高，系统阻力小，能有效防止喷嘴堵塞、结垢问题，应用前景广阔。因此在吸收塔的设计选择上应综合考虑厂方的要求和经济性，液柱塔是首选方案，其次是喷淋塔。目前国内电厂在脱硫系统中核心设备上均采用进口设备，特别是吸收塔，由于技术含量比较高，因此基本上都采用进口设备。因此设计人员主要的工作要重点把握吸装置的技术指标和相应要求的技术参数。如：珞璜电厂于1988年引进了日本三菱重工湿式石灰石石膏法烟气脱硫装置，配360MW凝汽式发电机组[2]。表1日本三菱重工湿式石灰石－石膏FGD装置技术指标参数煤种含硫量脱硫率钙硫比进口烟温出口烟温水雾含量吸收塔烟气流速停留时间指标＜5%≥95%1.1～1.2142℃90℃≤30mg/m39.3m/s＞3.3s2.2.2烟气及再热器系统烟气再热器系统在脱硫工艺中占很重要的位置，在烟气系统和再热器系统设计上存在的常见问题较多，据经验表明设计中应注意的主要问题总结如下：（1）FGD入口SO2浓度。很多进行脱硫改造的电厂往往都会对来煤品质进行一定的调整，有些电厂会采用低硫份煤和高硫份煤掺烧的方案，由于混煤不均匀，入炉硫含量变化快，锅炉燃烧排放出的SO2浓度波动较大，在FGD入口SO2浓度变化频率大而FGD运行惯性大，一旦系统进入自动运行状态，系统脱硫率波动大；同时由于SO2浓度变化大，在一定的工况周期内吸收塔内PH值不能满足要求（一般要求为5.5～6.5），系统脱硫率达不到设计要求。因此在脱硫系统设计时应对电厂提出保证混煤均匀的要求或方案。（2）FGD入口烟尘浓度。为了脱硫系统的稳定运行，在FGD入口应设计安装烟尘浓度检测装置。主要原因是考虑到除尘器在达不到设计效率时，往往烟尘浓度过高，会严重影响到脱硫系统的正常运行。因此设计时人员应对厂家提出该投资建议。（3）旁路挡板和进出口挡板的设计。FGD系统启﹑停时烟气在旁路和主烟道间切换，在实际烟道设计时一般两路烟道阻力不同，此时对锅炉的负压会产生一定的影响。如果两路阻力压力相差悬殊，在FGD系统启﹑停时锅炉的负压会出现较大的波动。如果燃用劣质煤，在较短的时间内锅炉运行人员难以迅速调整，有可能造成熄火。因此在旁路挡板的设计应充分考虑挡板切换的时间值。设计的关键在于选择合适的弹簧，一般经验值旁路挡板通过预拉弹簧打开时间应大于2.5ｓ[3]。另外在进出口挡板设计上要考虑FGD系统停运时由于挡板有间隙存在，加上进出口烟道阻力不同，在一般设计中停运采用集中供应密封风，往往造成烟气渗透，有可能出现热烟气漏入FGD系统，造成系统腐蚀，影响系统寿命。所以设计停运密封风时应对进出口挡板单独配备一台风机。（4）烟气换热器GGH选择。脱硫系统中，设置GGH的目的：一是降低进入脱硫塔的烟气温度到100℃以下，保护塔及塔内防腐内衬；二是使脱硫塔出口烟气温度升至80℃以上，减少烟气对烟道及烟囱的腐蚀。经验表明脱硫系统自动时出口烟温一般都达不到实际的出口烟温，为了减小因出口烟温低对下游的腐蚀，因此在设计出口烟温时应考虑5～10℃的宽裕度。在考虑是否设置GGH存在两种观点：一种认为不上GGH能节约初投资，可以从腐蚀材料上解决腐蚀问题；一种认为不上GGH节约的初投资，不足以补偿为解决防腐问题而花在防腐上的投资。不装GGH，低温排放的优点是简化系统，减少GGH所需投资；缺点是吸收塔后至烟囱出口均要处于严重腐蚀区域内，烟道与烟囱内衬投资很高；与此同时，烟囱出口热升力减小，常冒白烟，不装GGH，部分烟气（15～50%）不进吸收塔，通过旁路烟道与处理后的烟气混合，从而使其排烟温度上升，这仅适用于要求脱硫效率不高的工程如黄岛、珞璜二期等工程。因此对于要求高脱硫率的工程一般都设GGH。目前脱硫装置烟气再热系统一般采用回转式、管式、蒸汽加热等几种方式。采用蒸汽加热器投资省但能耗大，运行费用很高，采用此方式需作慎重考虑，目前在国内应用较少。国外脱硫装置中回转式换热器应用较多，这是因为国外回转式投资比管式低，在国内，运用于脱硫装置的回转式换热器生产厂较少，且均使用国外专利商技术，所以回转式价格比管式略高。回转式换热器有3%左右的泄露率，即有3%的未脱硫烟气泄露到已脱硫的烟气中，这将要求更高的吸收脱硫效率，使整个系统运行费用提高。管式换热则器设备庞大，电耗大。因此在脱硫系统设计过程中应根据设计脱硫率﹑锅炉尾部烟气量﹑尾部烟道材料以及脱硫预留场地等情况进行方案，选出最合理的方案。2.2.3吸收剂浆液配制系统在脱硫工艺方案选择时一般对石灰石来源和品质都应做过调查，石灰石来源应充足，能保证脱系统长期运行的供应量，一般考虑15年左右的设计年限，设计人员可根据电厂的实际情况进行调整。但石灰石品质一定要能达到品质要求（见表2）。石灰石品质不高，杂质较多，会经常造成阀门堵塞和损坏，严重时会造成脱硫塔的管道堵塞，特别易造成喷嘴堵塞损坏，影响脱硫系统的正常运行。在制浆系统石灰石粉送入前应保证得到良好的空气干燥，以防送粉管道堵塞，同时对整个送粉管道应设计流畅，减少阀门和连接部件，特别是浆液管的溢流管应根据系统设计良好的密封风以防止石灰石的外漏，对制浆车间和厂区造成二次污染。表2石灰石质量指标参数CaOMgO细度要求R325酸不溶物铁铝氧化物指标52%≤2%≤5%≤1%≤2%2.2.4石膏脱水及贮存和石膏抛弃系统该系统中最大的问题主要是由于石膏的黏性附着，经常使水力旋转器漏斗堵塞，导致脱水系统停运。因此在漏斗底部可以设计工艺水供应管道周期进行清洗，或者提出方案建议工作人员定期进行人工清洗。烟气脱硫后的石膏一部分通过抛弃泵将石膏浆液输送到电厂的灰渣池内，设计输送管道时应充分考虑石膏的特性，尽量考虑输送管道缩短或者在管道中设计易拆卸法兰为今后的检修带来方便。有的电厂如湘潭电厂由于脱硫副产品有很好的销售市场，能带来一定的经济效应。因此应考虑合理的方案提高石膏的品质。一般提高石膏品质途径包括：提高石灰石的品质；提高脱硫率；提高除尘器的除尘效率；强化氧化系统以及定期清洗。相关研究表明[3]，石膏的生成速率将随着脱硫效率的提高而增大，并且其质量也将随着脱硫效率的提高而得到改善。在对SO2的吸收过程中，吸收塔的设计、烟气温度的合理选取、脱硫剂的选用及用量等因素都将影响脱硫效率，从而影响到石膏的质量。吸收塔的合理设计应当能够提供合理的液气比、减小液滴直径，增加传质表面积，延长烟气与脱硫剂的接触时间，有利于脱硫效率的提高，有利于脱硫反应的完全。较高的烟气温度，不仅能提高脱硫效率，而且能使浆池内温度升高，提高亚硫酸钙的氧化速率。吸收剂的化学当量对脱硫过程有直接的影响，吸收时所用石灰石浓度与数量影响到反应速度，有资料表明，在考虑到经济性问题以及化学当量与脱硫的关系等因素后，一般使用化学当量为1.2的吸收剂[5]。脱硫剂将很大程度上决定生成石膏的质量。当石灰石质量不高、粒度不合理时，生成石膏中的杂质也将随之增多，从而影响石膏的质量和使用。有资料表明，石灰石中的惰性成分如石英砂会造成磨损，陶土矿物质会影响石膏浆的脱水性能[5]。另外，石灰石在酸内溶解后会残留一种不溶解的矿渣，其对石膏的质量有不利的影响。因此，应当尽可能提高石灰石的纯度并采用合理的粉细度。烟气中的杂质，如飞灰、粉焦、烟怠、焦碳等，虽然经过脱硫装置的洗涤后，会有一部分沉淀下来，但还会有一部分进入浆池内，影响到石膏的质量。而且，这些杂质的存在也会对脱硫装置本身的安全运行带来一定危害。因此，应当努力提高除尘装置的除尘效果，当烟气内杂质过高，对脱硫装置产生危害时，应果断地旁路脱硫装置。定期清洗脱硫塔底部、浆池及管道，避免残存的杂质对石膏质量的影响。对石膏脱水设备（如离心式分离器及带式脱水机等）也应进行定期的清洗，保证设备的安全运行和效率。Hjuler和Dam-Johansen在1994年曾有试验报道发现在亚硫酸盐的氧化过程中会有SO2放出[4],同时在反应过程中会出现未完全氧化的亚硫酸氢钙。为了保证生成石膏过程中实现充分反应，驱逐反应生成的SO2，并将未完全反应的亚硫酸氢钙氧化为硫酸钙，须增设一套氧化系统，一般可采用浆池中鼓风的措施。2.2.5供水系统脱硫系统的工艺供水一般有两种方案，一种工艺供水来源于锅炉机组的工业水。由于脱硫系统供水成周期性，会使机组设备的冷却水压力降低和波动，造成送引风机、排粉风机、磨煤机等设备的轴承冷却效果变差，并引起电厂工业用水紧张。因此该种供水方案前提是锅炉机组工业水的宽裕度较大。另一种方案脱硫工艺设计单独的供水系统，一般在新电厂脱硫系统的设计中应用较多，对于老厂改造应根据实际情况进行优化设计。2.2.6其它腐蚀问题是湿法脱硫中常见问题。石灰石石膏法脱硫系统中造成腐蚀的因素主要有烟气中硫化物﹑氯化物﹑烟温以及由于石灰浆黏性附着对管道的堵塞等。因此在设计中应考虑防腐措施。烟气脱硫系统的防腐措施很多，如用合金材料制造设备和管道、使用衬里材料、用玻璃纤维增强热固