石灰石-石膏湿法吸收系统高效运行的分析
摘要:为解决我国日趋严重的大气污染,石灰石- 石膏法脱硫技术在电力行业二氧化硫控制上得到广泛应用。为了保证石灰石- 石膏法FGD 工艺的良好运行,重点从吸收设备结构和操作上分析了影响该法运行的因素,并阐述了保证吸收操作效果的措施,特别是针对腐蚀和结垢堵塞问题提出了解决的观点。
关键词:石灰石-石膏法脱硫,影响脱硫效率因素,腐蚀和结垢堵塞
0 引言
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,带来了严重的环境污染问题,作为主要大气污染物的二氧化硫在“十五”期间排放量不仅没有减少,反而增加27 % ,二氧化硫污染非常严重。进入“十一五”国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、技术、经济措施,到2007 年底,我国火电厂烟气脱硫装机容量超过270 MW,约占火电装机总容量的50 %。从2007 年首次出现排量下降, 到2008 年上半年排放总量 1 213.3 万t ,与2007 年同期(1 263.4 万t) 相比下降 3.96 %。
按照《国家酸雨和二氧化硫污染防治“十一五”规划》要求,控制重点放在了火电厂的二氧化硫排放,新 (扩) 建燃煤电厂除国家规定的燃用特低硫煤的坑口电厂外,必须同步建设脱硫设施。超过国家和地方二氧化硫排放标准或总量控制要求的现役燃煤发电机组,必须安装烟气脱硫设施或采取其他减排措施。到 2010 年底,现役燃煤机组50 %以上采取脱硫措施,全国脱硫燃煤机组装机容量达到460 MW左右,约占当年燃煤机组装机容量的三分之二。二氧化硫排放的严格控制为脱硫行业提供了很大的发展空间。从相关资料报道看,脱硫技术也得到快速发展, 尤其在我国探索使用的方法就有几十种[1 ] 。但从净化效率、运行稳定性等方面综合分析看,石灰石石膏法烟气脱硫是我国烟气脱硫的主力技术。成为龙源环保、武汉凯迪、北京博奇、山东三融、浙大网新、中电投远达、清华同方、浙江菲达等几大脱硫公司脱硫工艺的首选方案。
根据国家环保部2008 年上半年主要污染物排放量指标公报显示,中国大唐集团公司保定热电厂、中国国电集团公司太原第一热电厂等9 家企业脱硫设施运行不正常。这其中有观念、管理等方面的原因, 也有技术、运行操作方面的原因。本文针对在石灰石石膏脱硫系统设计中常见问题进行分析,为脱硫系统的设计与操作人员提供一定的技术参考。
1 工艺简介
石灰石石膏法脱硫系统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回收系统等。烟气从锅炉引出后进入FGD 系统,首先通过气气热交换器( GGH) 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除雾后再通过GGH 热交换器为烟气加热,升温至80 ℃以上后经烟囱排出[2 ] 。处理流程中最关键的部分是吸收塔,吸收塔的正常高效操作对整个系统的运行起着至关重要的作用。烟气从吸收塔下侧进入,浆液从吸收塔浆池经循环浆液泵打至喷淋层,在喷嘴处雾化成细小的液滴,自上而下落下。烟气与吸收浆液逆流接触,在塔内进行吸收反应,二氧化硫与浆液中的石灰石反应生成亚硫酸盐,后者在浆池中由空气氧化生成硫酸盐,最后得到副产品石膏。经吸收剂洗涤脱硫后的清洁烟气,通过塔上部的除雾器除去雾滴后进入烟气换热器升温侧, 加热后排出吸收塔。
2 影响SO2 脱除效率的因素与控制
影响吸收塔操作的几个重要因素包括:吸收塔结构设计、吸收液参数控制、喷淋系统操作和除雾器运行效果等。要针对吸收塔运行存在的问题,有侧重的采取措施,保证吸收塔的良好使用。
2.1 吸收塔结构
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、栅格易堵和易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易堵塞,为系统的正常运行带来一定的影响;另外一种新型的吸收塔是液柱塔,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。烟气脱硫一般采用单吸反应完成,吸收塔内部除了喷淋管和吸收塔出口处的除雾器外,一般不配装其他内部部件。吸收塔的内表面尽可能制做得光滑平整,这样,浆液在产生固体物沉淀或可能出现的结垢会迅速轻易地从浆池排出,减少了气流阻力,减少了结垢的产生。
为保证气液充分接触,必须保证塔内一定高度的液滴区。一般需要设置几层喷淋层来实现,一般设置 2～3 个喷淋层,每个喷淋层设置足够多的喷嘴,喷嘴采用耐磨性能极佳的SiC 材料,采取旋转空锥雾化, 可以将浆液细密地喷淋到烟气区,覆盖整个气流流过界面,并能保证喷嘴的使用寿命[3 ] 。
2.1 吸收塔运行参数控制
在吸收塔使用中造成吸收效率低的因素包括: pH值过低( < 5.5) 、烟气流量增加、SO2 入口浓度增大、浆液循环流量减小、氯化物浓度过高、从原烟气到净烟气泄漏等方面。因此为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
吸收液控制的重要参数是pH 值大小,一般单回路吸收塔中最佳的pH 值选择在5.6～5.8 之间,如果 pH值超过此值,吸收塔会有结垢问题出现;如果pH 值低于此值,浆液的吸收能力下降,最终影响到SO2 的脱除效率和石膏的质量。在实际操作上一般通过控制加入的石灰石剂量和保持石灰石良好的反应性能来实现。
2.2.2 增加气液接触的机会
增加气液接触反应机会的措施包括:
1) 增加气液比,增加一定处理烟气下喷入液体的量,提高反应几率。
2) 控制吸收液的过饱和,防止石膏凝结结垢减少液体的使用效率。
3) 保持循环泵的良好运行,使液体循环量达到设计要求。
2.2.3 石灰石的粒度控制
吸收系统采用的脱硫剂是石灰石粉,除了对石灰石含有的碳酸钙量有一定要求之外,更重要的要求是其必须具有相当的细度,才能保证浆液的吸收效率。一般要求配制浆液的石灰石粒径≤325 目的比例达到90 %以上。因此,原料准备阶段必须严格控制粒度。
2.2.4 除雾器的设置
除雾器的作用是将烟气中夹带的大部分浆液分离出来。使烟气出口含雾滴< 10 mgPm3 。为保证除雾器的良好使用,必须保持其表面不变形和清洁,为此必须经常进行冲洗。除雾器的冲洗由一个冲洗程序控制,冲洗方式为脉冲式。当吸收塔浆液池液位较高时,冲洗的脉冲间隔时间就长一些。但为了防止除雾器因烟气带出的浆液液滴产生结垢,应该缩短冲洗间隔。
2.2.5 吸收塔底的控制
吸收塔下部浆池需要充分搅拌,从而使其中的脱硫有效物质(CaCO3 ) 微粒在浆液中保持均匀悬浮状态,保证浆液的氧化作用尽可能完全。因此必须设置若干个搅拌器,保持搅拌器的持续运行,即使在吸收塔停止使用时也要保持运行,使浆液处于流动状态。
2.2.6 防止烟气泄露
为防止烟气泄露影响净化效果,一般在挡板阀、 GGH 等处理烟气与未处理烟气接触的部位设置密封风机。通过将密封空气导入到关闭的挡板或接触处, 以防止烟气泄露。因此保证密封风机的良好运行是防止泄露的关键,加强日常的检查、维护和维修是必要的。
3 保证吸收塔稳定运行必须解决的难题
吸收塔在使用时经常出现的问题是腐蚀和结垢, 这也是FGD 系统运行的难题,下面针对这两个主要问题分析控制的思路:
3.1 腐蚀问题
腐蚀问题是湿法脱硫中最常见的问题。石灰石- 石膏法脱硫系统中造成腐蚀的因素主要有烟气中含有的硫化物及氯化物、烟气温度和石灰浆的酸碱度等。
橡胶衬里在耐磨性、抗渗透性方而较好,但耐热性比涂层差。一般应用于机械负荷大而介质或内部环境温度较低的区域,如吸收塔内部、石灰石浆液系统、石膏脱水系统、温度较低的烟道等。玻璃鳞片由于抗腐蚀性、耐磨性、耐热性都较好,被广泛用于烟道、吸收塔等烟气脱硫装置的各个区域。整体玻璃钢可作为单元设备应用在烟气脱硫装置中。在设计中应考虑防腐措施。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性树脂、采用旁路热烟气调节等[4 ] 。
根据目前运行的经验,烟道、GGH、吸收塔、地沟地坑、箱罐等采用玻璃鳞片衬里;高温区(如原烟道) 防腐衬里材料使用耐高温玻璃鳞片树脂AJF - 6200 (耐温140～160 ℃) ,低温区(如净烟道) 防腐衬里材料使用耐高温玻璃鳞片树脂AJF - 3200 (耐温80～ 100 ℃) ,厚度2 mm以上。法兰采用2 mmFRP 衬里;各种管道采用衬胶或衬塑,究竟采取什么措施,通过综合考虑介质腐蚀性、故态物含量、燃煤成分、所采用的烟气脱硫系统类型及经济状况而定[5 ] 。
3.2 结垢和堵塞问题
结垢和堵塞是湿法脱硫工艺中最严重的问题,是目前造成设备停运的重要原因之一。吸收塔、氧化槽、管道、喷嘴、除雾器、换热器等设备的结垢将影响使用效果,严重的结垢将会造成压损增大,设备堵塞, 系统停运[6 ] 。
从结垢的类型看,包括碳酸盐结垢、亚硫酸盐结垢、硫酸盐结垢。pH 值较低时,亚硫酸盐能达到较高的过饱和度,从而在石灰石P石灰系统中亚硫酸盐结晶现象难以发生。控制pH 值保持在9 以下时,碳酸盐结垢和亚硫酸盐结垢可以得到很好控制。对于硫酸盐结垢,防止的方法是保持5 %的石膏浓度,提供大量的石膏晶种,从而使过饱和的石膏沉积在晶体表面。为达到所需的5 %石膏浓度,采取控制氧化措施,采用抑止氧化或强制氧化方式将氧化率控制在 < 15 %或> 95 %。一般采取强制氧化,即通过向洗涤液鼓入空气, 使氧化反应趋于完全, 氧化率高于 95 % ,保证浆液有足够的石膏品种用于晶体成长。
4 结束语
作为二氧化硫控制的主流工艺,吸收操作影响因素较多。为保证吸收塔良好使用并延长使用寿命,我们必须从吸收塔的结构入手,采用简洁的内部结构, 并控制吸收液pH 值在5.6～5.8 之间,石灰石粒径≤ 325 目的达到90 %以上。通过保持充足的液体量、良好的气液接触、充足的浆液氧化度、必要的烟气防泄露措施保持高效率。特别是必须解决好腐蚀和堵塞问题,通过必要的防腐措施和防设备结垢措施,使石灰石- 石膏法脱硫工艺得到经济的高效运行。
参考文献
[1 ] 牛治国,张勇,陈鸿伟. 我国燃煤电厂烟气脱硫技术进展[J ] . 河北化工,2006 (1) :43245.
[2 ] 林林. 湿法烟气脱硫技术在1 ×330MW机组中的应用[J ] . 石油化工设计,2006 ,23 (3) :56260.
[3 ] 殷红. 石灰石- 石膏湿法烟气脱硫的影响因素[J ] . 重庆电力高等专科学校学报,2006 ,11 (3) :20223.
[4 ] 陈颖敏,邓海燕,马宵颖. 湿式石灰石- 石膏法烟气脱硫设备腐蚀与防护[C] . 中国电力教育:2006 年研究综述与技术论坛专刊, 2006 :2472249.
[5 ] 戴立业,林东. 南埔电厂烟气脱硫系统的防腐[J ] . 福建电力与电工,2006 ,26 (4) :49252.
[6 ] 杨勇. 石灰石- 石膏湿法脱硫系统中的堵塞与对策[J ] . 华东电力,2006 ,34 (11) :95297.
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