顏海偉，王亞釗，郭靜東，王科，廖冬梅

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脫硫吸收塔廢水坑漿液溢流原因分析及控制對(duì)策

顏海偉1，王亞釗2，郭靜東3，王科4，廖冬梅1

（1．武漢大學(xué)動(dòng)力與機(jī)械學(xué)院，湖北省 武漢市 430072；2．中國華能集團(tuán)有限公司， 北京市 西城區(qū) 100031；3．華能海南發(fā)電股份有限公司?？陔姀S，海南省 海口市 570100； 4．華能海南發(fā)電股份有限公司東方電廠，海南省 東方市 572600）

某燃煤電廠脫硫系統(tǒng)中，#１吸收塔出現(xiàn)廢水坑大量漿液溢流、石膏含水量過高和除霧器堵塞等現(xiàn)象。通過分析，發(fā)現(xiàn)主要原因?yàn)槲账?fù)荷較大，導(dǎo)致空塔流速過快、亞硫酸鈣氧化不充分、吸收塔內(nèi)漿液密度過高、脫硫吸收漿液霧化顆粒量不足；結(jié)合其脫硫系統(tǒng)的超低排放改造，進(jìn)行了增設(shè)噴淋層和改用單向雙頭式噴嘴、增設(shè)不銹鋼托盤、設(shè)置增效環(huán)、改用三級(jí)屋脊高效除霧器、增加備用旋流子等設(shè)備改擴(kuò)建。同時(shí)，提出了控制吸收塔pH值和密度、添加脫硫增效劑、增加氧化風(fēng)機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)和提高除霧器清洗頻率等改進(jìn)措施。

濕法脫硫；漿液溢流；除霧器堵塞；超低排放

0 引言

由于環(huán)保要求日益嚴(yán)格，燃煤電廠煙氣脫硫工作引起了廣泛關(guān)注[1]。石灰石石膏濕法脫硫(wet flue gas desulfurization，WFGD)工藝由于具有脫硫劑原料廉價(jià)易得、脫硫效率高、技術(shù)成熟、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，已成為我國燃煤電廠煙氣脫硫的首選工藝[2]。

在WFGD系統(tǒng)中，由于現(xiàn)場實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)與設(shè)計(jì)工況的偏差，往往會(huì)產(chǎn)生各種不正?，F(xiàn)象和問題。本文對(duì)某電廠脫硫吸收塔廢水坑漿液溢流和除霧器堵塞等現(xiàn)象發(fā)生的原因，以及運(yùn)行操作需要注意的問題進(jìn)行了分析與探討。

1 脫硫系統(tǒng)概述

某電廠脫硫系統(tǒng)采用WFGD工藝。此法將破碎研磨的粉狀石灰石與水混合，攪拌制成脫硫吸收漿液；其在吸收塔內(nèi)與煙氣充分接觸混合，漿液中的CaCO3與煙氣中的SO2以及鼓入的氧化空氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成脫硫石膏CaSO4×2H2O；石膏經(jīng)脫水裝置脫水后回收，SO2由此被脫除[3]。具體化學(xué)反應(yīng)原理如下：

2CaCO3+H2O+2SO2→CaSO3×1/2H2O+2CO2

2CaSO3×1/2H2O+O2+3H2O→2CaSO4×2H2O

該電廠#1機(jī)組為350MW的國產(chǎn)超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，一爐一塔，未設(shè)置煙氣換熱器(gas gas heater，GGH)。SO2原設(shè)計(jì)排放濃度為168mg/m3，脫硫效率不小于95%。脫硫島主要由煙氣系統(tǒng)、吸收塔系統(tǒng)、石灰石漿液制備系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)、石膏脫水系統(tǒng)、工藝沖洗水系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

圖1 #1機(jī)組脫硫島運(yùn)行系統(tǒng)

吸收塔設(shè)計(jì)為噴淋塔式，高31.25m，直徑12m，設(shè)計(jì)液位9.7m，實(shí)際運(yùn)行中的漿池容積為1100m3。設(shè)置2臺(tái)氧化風(fēng)機(jī)，分別向吸收塔供應(yīng)氧化空氣，運(yùn)行方式為一運(yùn)一備。塔內(nèi)漿液循環(huán)功能由3臺(tái)漿液循環(huán)泵和3個(gè)噴淋層實(shí)現(xiàn)，噴淋層每層間隔2m，噴嘴采用單向單頭式，噴淋層上方為單級(jí)平板式除霧器。石膏漿液密度儀表安裝在吸收塔底部石膏排出泵的出口管道上，運(yùn)行中根據(jù)該儀表密度值的高低自動(dòng)控制石膏漿液的排放，即密度值低于設(shè)定值(一般為1130~ 1140kg/m3)時(shí)，石膏旋流分離器雙向分配器轉(zhuǎn)換到吸收塔，漿液在塔內(nèi)繼續(xù)循環(huán)，吸收SO2；一旦密度超過設(shè)定的最大值，雙向分配器轉(zhuǎn)換到排出泵出口管道，開始排放石膏，并運(yùn)至石膏旋流器[4]。石膏漿液脫水系統(tǒng)主要分為2級(jí)，一級(jí)系統(tǒng)包括2臺(tái)石膏排漿泵運(yùn)行和1套石膏旋流器(包含5個(gè)旋流子)，運(yùn)行方式分別為一運(yùn)一備和四運(yùn)一備；經(jīng)一級(jí)系統(tǒng)脫水后的石膏漿液固含量約50%，再送入公用的二級(jí)脫水裝置，真空皮帶脫水機(jī)處理至固含量達(dá)到90%左右，貯存于石膏倉庫間。

脫硫后的凈煙氣腐蝕性有所降低，但其濕度增大、溫度下降；由于系統(tǒng)不設(shè)GGH，導(dǎo)致進(jìn)入凈煙道的煙氣溫度低于硫酸蒸氣的露點(diǎn)溫度[5]，造成其夾帶的少量水蒸氣和SO3，在流經(jīng)煙道和煙囪過程中遇冷形成酸性冷凝水。冷凝水通過煙道及煙囪上安裝的冷凝水管回收至#1廢水坑，由地坑排水泵輸送至脫硫吸收塔。脫硫煙道冷凝水收集及處理路線如圖2所示。

圖2 脫硫煙道冷凝水收集及處理路線

2 事故及原因分析

2.1 事故經(jīng)過

3月1日18:00事故發(fā)生時(shí)，某電廠脫硫系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)，大量漿液從#1吸收塔出口凈煙道冷凝水管流出，導(dǎo)致#1廢水坑滿坑，大量漿液溢流至#1吸收塔周圍地面，污染了環(huán)境。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)脫水機(jī)脫水困難，產(chǎn)出的石膏含水率為23.6%，超過了驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)(12%)[6]，品質(zhì)不合格，如圖3所示。

圖3 含水率不合格和合格的石膏

停機(jī)檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)除霧器葉片堵塞嚴(yán)重，如圖4所示。

圖4 #1吸收塔內(nèi)除霧器葉片堵塞

2.2 吸收塔負(fù)荷較大導(dǎo)致空塔流速過快

從表1數(shù)據(jù)分析，自2月21日以來，進(jìn)入鍋爐的燃煤平均含硫量在1.4%以上，鍋爐平均負(fù)荷在80%以上；由于燃煤發(fā)熱量降低，相對(duì)燃用煤量增大，煙氣量也隨之增大，加上原煤中含硫 量較高，造成進(jìn)入#1吸收塔需要處理的SO2總量增加。

因此，需要處理的煙氣量和SO2濃度均超過原設(shè)計(jì)值，吸收塔負(fù)荷較高，可能引起空塔流速激增[7]。根據(jù)空塔流速計(jì)算公式：

式中：為煙氣的空塔流速，m/s；為塔內(nèi)原煙氣流量，m3/s；為吸收塔橫截面，m2；為吸收塔橫截面半徑，m。

事故出現(xiàn)時(shí)，為5.14′108m3/s，為6m，可計(jì)算得知=4.55m/s，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)時(shí)的流速3.8m/s。

吸收塔設(shè)計(jì)流速[8]一般為3.4~4.0m/s，在此區(qū)間內(nèi)比較適合氣液逆流混合?？账魉偬?快，造成煙氣和脫硫吸收漿液接觸反應(yīng)時(shí)間短，出現(xiàn)煙氣短路現(xiàn)象，導(dǎo)致脫硫效率達(dá)不到95%的設(shè)計(jì)要求。此外，除霧器設(shè)計(jì)流速略高于吸收 塔設(shè)計(jì)流速[9]，若空塔內(nèi)煙氣流速過高，煙氣 通過除霧器的流速更高，超過其設(shè)計(jì)流速，導(dǎo) 致除霧器不能有效去除煙氣攜帶的漿液顆粒， 同時(shí)除霧器葉片被部分破壞、失效，煙氣夾帶 大量石膏漿液進(jìn)入凈煙道，并流至煙道冷凝水排放管。

脫硫系統(tǒng)超低排放改造中，該電廠已經(jīng)完成了吸收塔的原地重建，將其直徑擴(kuò)大到13.1m，當(dāng)不變時(shí)，可根據(jù)式(1)得到改造后的=3.8m/s，符合設(shè)計(jì)流速。

表1 事故發(fā)生前某電廠#1機(jī)組運(yùn)行參數(shù)

2.3 亞硫酸鈣氧化不充分

WFGD的實(shí)際運(yùn)行工況表明，在其他基本參數(shù)穩(wěn)定的情況下，增加石灰石漿液量，即升高漿液pH值，可在一定程度上提高脫硫效率。由于需要處理的SO2總量增多，為保證SO2排放濃度達(dá)到原設(shè)計(jì)值(￡168mg/m3)，吸收塔控制pH值較高，在5.7~6.0之間。但是SO32-氧化的最佳pH[10]為4.5~4.7，如圖5所示；當(dāng)pH值為5.7~6.0時(shí)，塔內(nèi)的氧化效率明顯降低。為保證石膏氧化效果，電廠啟動(dòng)了備用氧化風(fēng)機(jī)，保持2臺(tái)氧化風(fēng)機(jī)運(yùn)行，但其設(shè)計(jì)裕量無法滿足系統(tǒng)要求，導(dǎo)致石膏漿液中的亞硫酸鹽超標(biāo)，無法形成較大顆粒的石膏晶體，因此部分小粒徑石膏晶體容易被煙氣攜帶進(jìn)入冷凝水管。

圖5 pH對(duì)SO32-氧化速率的影響

同時(shí)，石膏漿液中 CaSO3含量過高易結(jié)晶析出 CaSO3×1/2H2O，該晶體呈針狀，其黏性較高，粒徑偏小，密度大。當(dāng)該針狀晶體含量過高時(shí)，會(huì)造成漿液黏稠、密度偏大，不利于石膏脫水[11]。此外，大量CaSO3漿液顆粒被煙氣攜帶，沾在除霧器葉片表面，正常沖洗程序無法去除，長時(shí)間運(yùn)行會(huì)造成除霧器堵塞[12]。

2.4 吸收塔內(nèi)漿液密度過高

吸收塔內(nèi)漿液的密度直觀反映塔內(nèi)CaSO4×2H2O，CaCO3，CaSO3×1/2H2O等固體物質(zhì)的濃度大??；在不同密度下，塔內(nèi)漿液的成分是不同的。通過化驗(yàn)可知，當(dāng)密度大于1150kg/m3時(shí)，漿液中CaCO3和CaSO4×2H2O的濃度已趨于飽和，常溫下CaCO3溶解度為0.0013g/100mL，溶解度小于0.01g，屬于難溶物質(zhì)，CaSO4×2H2O溶解度為0.241g/100mL，所以在過飽和狀態(tài)下，密度值升高，說明漿液中的石膏固體含量隨之增加[13]。事故發(fā)生前一個(gè)小時(shí)，回流水箱出口母管穿孔泄漏，石膏脫水系統(tǒng)停運(yùn)檢修4h，直接造成塔內(nèi)漿液密度高達(dá)1217kg/m3；含大量CaSO3和CaSO4的高密度漿液被循環(huán)泵運(yùn)至塔內(nèi)噴淋層，吸收SO2效率降低，與煙氣接觸時(shí)極易被攜帶，為除霧器的堵塞和石膏漿液的溢出提供了條件。此后，脫水系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)，石膏旋流器的5個(gè)旋流子全開，仍然出力不足，根本無法有效、快速降低塔內(nèi)漿液密度。

3 控制對(duì)策

3.1 事故聯(lián)系

綜上所述，分析事故現(xiàn)象、原因之間的聯(lián)系，如圖6所示；通過脫硫系統(tǒng)的超低排放改造和運(yùn)行參數(shù)控制，防止了事故的再次發(fā)生。

圖6 事故現(xiàn)象、原因及控制措施聯(lián)系圖

3.2 脫硫系統(tǒng)超低排放改造

3.2.1 增設(shè)噴淋層和改用單向雙頭式噴嘴

在WFGD工藝中，噴淋空塔的噴淋層設(shè)計(jì)一般不少于3層，交錯(cuò)布置。改造后，塔內(nèi)增設(shè)2層噴淋層(共5層)，塔高相應(yīng)至少增加4m，塔重建高度為42.5m。最下一層噴淋層距吸收塔入口煙道上沿大于3m；噴淋層之間距離為2m，這可使噴淋層噴出的漿液有效地接觸進(jìn)入吸收塔的煙氣，增加氣液接觸時(shí)間。頂層噴淋層距離除霧器底部大于2m，較大距離可促進(jìn)細(xì)小霧滴聚集成大顆粒，更易通過重力沉降返回漿液池[14]。

圖7 單向單頭式和單向雙頭式噴嘴

同時(shí)，噴嘴由單向單頭式改用單向雙頭式，如圖7所示；相同的噴嘴流量以及工作壓力下，雙頭噴嘴的每個(gè)霧化噴射腔體需要霧化的漿液流量只是標(biāo)準(zhǔn)噴嘴的一半，因此也具有更小的霧化腔體，可獲得更小的漿液霧滴顆粒平均直徑(Sauter mean diameter，SMD值)，為接下來的SO2吸收反應(yīng)提供了有利條件。該電廠#1機(jī)組噴淋系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中噴嘴壓力設(shè)置為80kPa，得到霧滴的SMD值為2000mm。霧滴離開噴嘴后，在周圍空氣流動(dòng)作用下，發(fā)生二次霧化，雙頭噴嘴能夠密集提升漿液噴淋層的二次霧化效果，在二次霧化過程中，包裹在原液滴表面的殼體被打破，內(nèi) 部漿液會(huì)轉(zhuǎn)移到新的液滴表面，能夠繼續(xù)與煙氣反應(yīng)吸收SO2，最大限度地提升霧化液滴的反應(yīng)效率。

3.2.2 增設(shè)不銹鋼托盤

根據(jù)美國巴布科克-威爾科克斯公司(B＆W)的托盤專利技術(shù)，在噴淋層下方設(shè)置一不銹鋼托盤，托盤是帶有小孔的格柵[11]，如圖8所示，使?jié){液停留時(shí)間大于4.3min，符合WFGD工藝對(duì)于漿液循環(huán)停留時(shí)間在3.5min以上的要求。

圖8 噴淋層下方的合金托盤

煙氣由吸收塔入口進(jìn)入，形成一個(gè)渦流區(qū)；漿液從噴淋層噴射下來，通過合金托盤后的煙氣向上流速降低，兩者在托盤上摻混，形成泡沫層，泡沫層大大增加了氣液接觸界面，對(duì)SO2具有良好的吸收能力。同時(shí)，泡沫層使煙氣在吸收塔內(nèi)的停留時(shí)間增加，氣液充分接觸，強(qiáng)化了氣液傳質(zhì)，從而有效降低了液氣比，使煙氣中的液滴攜帶量減少，減輕了除霧器的處理負(fù)荷，提高脫硫效率[11]。

3.2.3 塔壁設(shè)增效環(huán)

塔壁設(shè)增效環(huán)，主要目的是防止煙氣短路。SO2濃度在吸收塔截面上的變化是兩邊高，中間低，靠近吸收塔中心位置的漿液噴淋密度比吸收塔內(nèi)壁位置的要高得多；同時(shí)，有部分漿液噴到吸收塔內(nèi)壁，其氣液接觸面的傳質(zhì)效果非常差；這部分煙氣沒有經(jīng)過足夠的氣液接觸便離開吸收塔，造成了煙氣沿吸收塔內(nèi)壁的“逃竄”，從而影響了煙氣脫硫效率。布置聚氣環(huán)后，可以強(qiáng)化氣流往中心流動(dòng)，有效避免了煙氣走廊的形成[15]，如圖9所示。

圖9 吸收塔壁的增效環(huán)

3.2.4 改用3級(jí)屋脊高效除霧器

吸收塔上部安裝原裝進(jìn)口的3級(jí)屋脊高效除霧器，如圖10所示。與原單級(jí)平式除霧器比較，屋脊除霧器適用于煙氣流量變化大的場合，排水性能更佳，除霧效率更高[16]；而且每個(gè)單元除霧器之間設(shè)有走道，便于維修和保養(yǎng)。

圖10 屋脊式高效除霧器

3.2.5 增加備用旋流子

在石膏旋流器的備用孔加裝一個(gè)旋流子(改為四用二備)，當(dāng)吸收塔漿液密度居高不下時(shí)，可通過同時(shí)運(yùn)行6個(gè)旋流子，提升石膏產(chǎn)量，有效降低漿液密度。

3.3 脫硫系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)控制

3.3.1 控制吸收塔pH值和密度

吸收塔漿液的pH值和密度是WFGD系統(tǒng)的重要參數(shù)，直接影響運(yùn)行工況[17]。因此，操作時(shí)運(yùn)行人員應(yīng)嚴(yán)格控制塔內(nèi)pH值在5.4~5.5左右，密度在1130~1140kg/m3之間，保證脫硫系統(tǒng)正常運(yùn)行。同時(shí)，應(yīng)定期通過化學(xué)方法對(duì)在線pH計(jì)、密度計(jì)進(jìn)行校驗(yàn)，并與化驗(yàn)室儀表進(jìn)行比對(duì)。

3.3.2 添加相關(guān)藥劑以提高脫硫效率

當(dāng)出現(xiàn)入口煙氣量和含硫量增幅較大時(shí)，可適當(dāng)通過添加消泡劑加快化學(xué)吸收過程，但應(yīng)緩慢添加并控制添加量[18]；或者添加脫硫增效劑，提高脫硫效率，降低SO2排放濃度[19]。

3.3.3 提升氧化風(fēng)機(jī)效率

當(dāng)出現(xiàn)入口煙氣量增幅較大時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加氧化風(fēng)機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)，保證塔內(nèi)CaSO3氧化和石膏結(jié)晶的正常進(jìn)行，利于脫水。由于同時(shí)運(yùn)行2臺(tái)氧化風(fēng)機(jī)可能導(dǎo)致其軸承溫度劇烈升高，超過額定溫度80℃，有跳閘風(fēng)險(xiǎn)；可以通過間斷啟動(dòng)備用氧化風(fēng)機(jī)增加空氣量來達(dá)到加強(qiáng)氧化效果。

3.3.4 加強(qiáng)除霧器清洗

當(dāng)入口煙氣量增幅較大時(shí)，應(yīng)提高除霧器的沖洗頻率，減少除霧器葉片表面黏結(jié)CaSO4×2H2O和CaSO3。同時(shí)，需要注意由于沖洗水增加造成的塔內(nèi)水不平衡現(xiàn)象，必要時(shí)可增加廢水排放 量[20-21]。

4 結(jié)論

通過對(duì)某電廠4臺(tái)機(jī)組的超低排放改造，機(jī)組脫硫系統(tǒng)SO2排放含量控制在35mg/Nm3以下，脫硫效率提高到99.2%；同時(shí)，通過嚴(yán)格控制脫硫系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，#1吸收塔再?zèng)]發(fā)生除霧器堵塞、漿液溢流等現(xiàn)象。為解決燃煤電廠脫硫系統(tǒng)所出現(xiàn)的復(fù)雜問題提供了參考性經(jīng)驗(yàn)。

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Cause Analysis and Control Countermeasures of Slurry Overflow in Desulfurization Absorber Tower Wastewater Pit

YAN Haiwei1, WANG Yazhao2, GUO Jingdong3, WANG Ke4, LIAO Dongmei1

(1. School of Power and Mechanical Engineering, Wuhan University, Wuhan 430072, Hubei Province, China; 2. China Huaneng Group Co., Ltd., Xicheng District, Beijing 100031, China; 3. Haikou Power Plant, Huaneng Hainan Power Generation Co., Ltd., Haikou 570100, Hainan Province, China; 4. Dongfang Power Plant, Huaneng Hainan Power Generation Co., Ltd., Dongfang 572600, Hainan Province, China)

In the #1 absorption tower of a power plant wet flue gas desulfurization (WFGD) system, a large number of slurry overflowed from effluentpit, the gypsum moisture content beyond index and mist eliminator was blocked. Through analysis, the main reasons were the high load of absorption tower, the fast flow rate of the tower, the insufficient oxidation of calcium sulfite, the high slurry density in the absorption tower and the less desulfurization absorption slurry atomization particles. Combined with the ultra-low renovation project of the desulfurization system, some equipment expansion was implemented such as increasing the spray layer and backup swirl, switching to the one-way double-headed nozzle and three-roof ridge efficient demisters, installing the stainless-steel tray and synergistic ring on tower wall. Meanwhile, some improvement measures were put forward, such as controlling the pH value and density of the absorption tower, adding desulfurization synergist, increasing the number of oxidation fan operation and improving the demister cleaning frequency.

wet flue gas desulfurization (WFGD);slurry overflow; eliminator blockage; ultra-low emissions

10.12096/j.2096-4528.pgt.18162

2018-12-06。

顏海偉(1992)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)殡姀S運(yùn)行參數(shù)控制與管理，472870096@qq.com；

顏海偉

廖冬梅(1975)，女，博士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師， 主要研究方向?yàn)殡姀S化學(xué)與環(huán)保，本文通 訊作者，619168787@qq.com。

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(11472197)；中國華能集團(tuán)公司總部技術(shù)基金項(xiàng)目(HNKJ17-H15)。

Project Supported by National Natural Science Foundation of China (11472197); Huaneng Group Corporation Headquarters of China Technology Fund Project (HNKJ17-H15).

(責(zé)任編輯 車德競)