石灰石-石膏濕法吸收系統高效運行的分析
摘要:為解決我國日趨嚴重的大氣污染,石灰石- 石膏法脫硫技術在電力行業二氧化硫控制上得到廣泛應用。為了保證石灰石- 石膏法FGD 工藝的良好運行,重點從吸收設備結構和操作上分析了影響該法運行的因素,并闡述了保證吸收操作效果的措施,特別是針對腐蝕和結垢堵塞問題提出了解決的觀點。
關鍵詞:石灰石-石膏法脫硫,影響脫硫效率因素,腐蝕和結垢堵塞
0 引言
煙氣脫硫是控制火電廠SO2 污染的重要措施,隨著近年來我國經濟的飛速發展,帶來了嚴重的環境污染問題,作為主要大氣污染物的二氧化硫在“十五”期間排放量不僅沒有減少,反而增加27 % ,二氧化硫污染非常嚴重。進入“十一五”國家加大了二氧化硫的控制力度,采取了一系列行政、法律、政策、技術、經濟措施,到2007 年底,我國火電廠煙氣脫硫裝機容量超過270 MW,約占火電裝機總容量的50 %。從2007 年首次出現排量下降, 到2008 年上半年排放總量 1 213.3 萬t ,與2007 年同期(1 263.4 萬t) 相比下降 3.96 %。
按照《國家酸雨和二氧化硫污染防治“十一五”規劃》要求,控制重點放在了火電廠的二氧化硫排放,新 (擴) 建燃煤電廠除國家規定的燃用特低硫煤的坑口電廠外,必須同步建設脫硫設施。超過國家和地方二氧化硫排放標準或總量控制要求的現役燃煤發電機組,必須安裝煙氣脫硫設施或采取其他減排措施。到 2010 年底,現役燃煤機組50 %以上采取脫硫措施,全國脫硫燃煤機組裝機容量達到460 MW左右,約占當年燃煤機組裝機容量的三分之二。二氧化硫排放的嚴格控制為脫硫行業提供了很大的發展空間。從相關資料報道看,脫硫技術也得到快速發展, 尤其在我國探索使用的方法就有幾十種[1 ] 。但從凈化效率、運行穩定性等方面綜合分析看,石灰石石膏法煙氣脫硫是我國煙氣脫硫的主力技術。成為龍源環保、武漢凱迪、北京博奇、山東三融、浙大網新、中電投遠達、清華同方、浙江菲達等幾大脫硫公司脫硫工藝的首選方案。
根據國家環保部2008 年上半年主要污染物排放量指標公報顯示,中國大唐集團公司保定熱電廠、中國國電集團公司太原第一熱電廠等9 家企業脫硫設施運行不正常。這其中有觀念、管理等方面的原因, 也有技術、運行操作方面的原因。本文針對在石灰石石膏脫硫系統設計中常見問題進行分析,為脫硫系統的設計與操作人員提供一定的技術參考。
1 工藝簡介
石灰石石膏法脫硫系統主要包括原料輸送系統、吸收劑漿液配制系統、煙氣系統、SO2 吸收系統、石膏脫水及貯存和石膏回收系統等。煙氣從鍋爐引出后進入FGD 系統,首先通過氣氣熱交換器( GGH) 對未脫硫煙氣進行降溫,再進入吸收塔進行脫硫反應,完成脫硫后的凈化煙氣經除霧后再通過GGH 熱交換器為煙氣加熱,升溫至80 ℃以上后經煙囪排出[2 ] 。處理流程中最關鍵的部分是吸收塔,吸收塔的正常高效操作對整個系統的運行起著至關重要的作用。煙氣從吸收塔下側進入,漿液從吸收塔漿池經循環漿液泵打至噴淋層,在噴嘴處霧化成細小的液滴,自上而下落下。煙氣與吸收漿液逆流接觸,在塔內進行吸收反應,二氧化硫與漿液中的石灰石反應生成亞硫酸鹽,后者在漿池中由空氣氧化生成硫酸鹽,最后得到副產品石膏。經吸收劑洗滌脫硫后的清潔煙氣,通過塔上部的除霧器除去霧滴后進入煙氣換熱器升溫側, 加熱后排出吸收塔。
2 影響SO2 脫除效率的因素與控制
影響吸收塔操作的幾個重要因素包括:吸收塔結構設計、吸收液參數控制、噴淋系統操作和除霧器運行效果等。要針對吸收塔運行存在的問題,有側重的采取措施,保證吸收塔的良好使用。
2.1 吸收塔結構
不同的吸收塔有不同的吸收區設計。其中柵格式吸收塔由于系統阻力大、柵格易堵和易結垢等問題逐漸被淘汰;鼓泡式吸收塔也由于系統阻力大、脫硫率相對偏低等問題應用較少;噴淋式吸收塔由于脫硫效率能達到95 %以上,系統阻力小,目前應用較多。但該塔噴嘴磨損大且易堵塞,為系統的正常運行帶來一定的影響;另外一種新型的吸收塔是液柱塔,由于其脫硫率高,系統阻力小,能有效防止噴嘴堵塞、結垢問題,應用前景廣闊。
因此在吸收塔的設計選擇上應綜合考慮廠方的要求和經濟性,液柱塔是首選方案,其次是噴淋塔。煙氣脫硫一般采用單吸反應完成,吸收塔內部除了噴淋管和吸收塔出口處的除霧器外,一般不配裝其他內部部件。吸收塔的內表面盡可能制做得光滑平整,這樣,漿液在產生固體物沉淀或可能出現的結垢會迅速輕易地從漿池排出,減少了氣流阻力,減少了結垢的產生。
為保證氣液充分接觸,必須保證塔內一定高度的液滴區。一般需要設置幾層噴淋層來實現,一般設置 2～3 個噴淋層,每個噴淋層設置足夠多的噴嘴,噴嘴采用耐磨性能極佳的SiC 材料,采取旋轉空錐霧化, 可以將漿液細密地噴淋到煙氣區,覆蓋整個氣流流過界面,并能保證噴嘴的使用壽命[3 ] 。
2.1 吸收塔運行參數控制
在吸收塔使用中造成吸收效率低的因素包括: pH值過低( < 5.5) 、煙氣流量增加、SO2 入口濃度增大、漿液循環流量減小、氯化物濃度過高、從原煙氣到凈煙氣泄漏等方面。因此為提高吸收塔的使用效率, 采取的措施包括:
2.2.1 提高吸收液的pH 值
吸收液控制的重要參數是pH 值大小,一般單回路吸收塔中最佳的pH 值選擇在5.6～5.8 之間,如果 pH值超過此值,吸收塔會有結垢問題出現;如果pH 值低于此值,漿液的吸收能力下降,最終影響到SO2 的脫除效率和石膏的質量。在實際操作上一般通過控制加入的石灰石劑量和保持石灰石良好的反應性能來實現。
2.2.2 增加氣液接觸的機會
增加氣液接觸反應機會的措施包括:
1) 增加氣液比,增加一定處理煙氣下噴入液體的量,提高反應幾率。
2) 控制吸收液的過飽和,防止石膏凝結結垢減少液體的使用效率。
3) 保持循環泵的良好運行,使液體循環量達到設計要求。
2.2.3 石灰石的粒度控制
吸收系統采用的脫硫劑是石灰石粉,除了對石灰石含有的碳酸鈣量有一定要求之外,更重要的要求是其必須具有相當的細度,才能保證漿液的吸收效率。一般要求配制漿液的石灰石粒徑≤325 目的比例達到90 %以上。因此,原料準備階段必須嚴格控制粒度。
2.2.4 除霧器的設置
除霧器的作用是將煙氣中夾帶的大部分漿液分離出來。使煙氣出口含霧滴< 10 mgPm3 。為保證除霧器的良好使用,必須保持其表面不變形和清潔,為此必須經常進行沖洗。除霧器的沖洗由一個沖洗程序控制,沖洗方式為脈沖式。當吸收塔漿液池液位較高時,沖洗的脈沖間隔時間就長一些。但為了防止除霧器因煙氣帶出的漿液液滴產生結垢,應該縮短沖洗間隔。
2.2.5 吸收塔底的控制
吸收塔下部漿池需要充分攪拌,從而使其中的脫硫有效物質(CaCO3 ) 微粒在漿液中保持均勻懸浮狀態,保證漿液的氧化作用盡可能完全。因此必須設置若干個攪拌器,保持攪拌器的持續運行,即使在吸收塔停止使用時也要保持運行,使漿液處于流動狀態。
2.2.6 防止煙氣泄露
為防止煙氣泄露影響凈化效果,一般在擋板閥、 GGH 等處理煙氣與未處理煙氣接觸的部位設置密封風機。通過將密封空氣導入到關閉的擋板或接觸處, 以防止煙氣泄露。因此保證密封風機的良好運行是防止泄露的關鍵,加強日常的檢查、維護和維修是必要的。
3 保證吸收塔穩定運行必須解決的難題
吸收塔在使用時經常出現的問題是腐蝕和結垢, 這也是FGD 系統運行的難題,下面針對這兩個主要問題分析控制的思路:
3.1 腐蝕問題
腐蝕問題是濕法脫硫中最常見的問題。石灰石- 石膏法脫硫系統中造成腐蝕的因素主要有煙氣中含有的硫化物及氯化物、煙氣溫度和石灰漿的酸堿度等。
橡膠襯里在耐磨性、抗滲透性方而較好,但耐熱性比涂層差。一般應用于機械負荷大而介質或內部環境溫度較低的區域,如吸收塔內部、石灰石漿液系統、石膏脫水系統、溫度較低的煙道等。玻璃鱗片由于抗腐蝕性、耐磨性、耐熱性都較好,被廣泛用于煙道、吸收塔等煙氣脫硫裝置的各個區域。整體玻璃鋼可作為單元設備應用在煙氣脫硫裝置中。在設計中應考慮防腐措施。如用合金材料制造設備和管道、使用襯里材料、用玻璃纖維增強熱固性樹脂、采用旁路熱煙氣調節等[4 ] 。
根據目前運行的經驗,煙道、GGH、吸收塔、地溝地坑、箱罐等采用玻璃鱗片襯里;高溫區(如原煙道) 防腐襯里材料使用耐高溫玻璃鱗片樹脂AJF - 6200 (耐溫140～160 ℃) ,低溫區(如凈煙道) 防腐襯里材料使用耐高溫玻璃鱗片樹脂AJF - 3200 (耐溫80～ 100 ℃) ,厚度2 mm以上。法蘭采用2 mmFRP 襯里;各種管道采用襯膠或襯塑,究竟采取什么措施,通過綜合考慮介質腐蝕性、故態物含量、燃煤成分、所采用的煙氣脫硫系統類型及經濟狀況而定[5 ] 。
3.2 結垢和堵塞問題
結垢和堵塞是濕法脫硫工藝中最嚴重的問題,是目前造成設備停運的重要原因之一。吸收塔、氧化槽、管道、噴嘴、除霧器、換熱器等設備的結垢將影響使用效果,嚴重的結垢將會造成壓損增大,設備堵塞, 系統停運[6 ] 。
從結垢的類型看,包括碳酸鹽結垢、亞硫酸鹽結垢、硫酸鹽結垢。pH 值較低時,亞硫酸鹽能達到較高的過飽和度,從而在石灰石P石灰系統中亞硫酸鹽結晶現象難以發生。控制pH 值保持在9 以下時,碳酸鹽結垢和亞硫酸鹽結垢可以得到很好控制。對于硫酸鹽結垢,防止的方法是保持5 %的石膏濃度,提供大量的石膏晶種,從而使過飽和的石膏沉積在晶體表面。為達到所需的5 %石膏濃度,采取控制氧化措施,采用抑止氧化或強制氧化方式將氧化率控制在 < 15 %或> 95 %。一般采取強制氧化,即通過向洗滌液鼓入空氣, 使氧化反應趨于完全, 氧化率高于 95 % ,保證漿液有足夠的石膏品種用于晶體成長。
4 結束語
作為二氧化硫控制的主流工藝,吸收操作影響因素較多。為保證吸收塔良好使用并延長使用壽命,我們必須從吸收塔的結構入手,采用簡潔的內部結構, 并控制吸收液pH 值在5.6～5.8 之間,石灰石粒徑≤ 325 目的達到90 %以上。通過保持充足的液體量、良好的氣液接觸、充足的漿液氧化度、必要的煙氣防泄露措施保持高效率。特別是必須解決好腐蝕和堵塞問題,通過必要的防腐措施和防設備結垢措施,使石灰石- 石膏法脫硫工藝得到經濟的高效運行。
參考文獻
[1 ] 牛治國,張勇,陳鴻偉. 我國燃煤電廠煙氣脫硫技術進展[J ] . 河北化工,2006 (1) :43245.
[2 ] 林林. 濕法煙氣脫硫技術在1 ×330MW機組中的應用[J ] . 石油化工設計,2006 ,23 (3) :56260.
[3 ] 殷紅. 石灰石- 石膏濕法煙氣脫硫的影響因素[J ] . 重慶電力高等專科學校學報,2006 ,11 (3) :20223.
[4 ] 陳穎敏,鄧海燕,馬宵穎. 濕式石灰石- 石膏法煙氣脫硫設備腐蝕與防護[C] . 中國電力教育:2006 年研究綜述與技術論壇專刊, 2006 :2472249.
[5 ] 戴立業,林東. 南埔電廠煙氣脫硫系統的防腐[J ] . 福建電力與電工,2006 ,26 (4) :49252.
[6 ] 楊勇. 石灰石- 石膏濕法脫硫系統中的堵塞與對策[J ] . 華東電力,2006 ,34 (11) :95297.
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