韓一峰 蔡 成 何旭東

（上海外高橋發(fā)電有限責(zé)任公司，上海 200137）

由于我國越來越重視環(huán)境保護(hù)，因此對火電排放的指標(biāo)要求越來越嚴(yán)格，而機組進(jìn)行超凈排放改造后，石灰石粉耗有持續(xù)上升的趨勢，月石灰石粉耗為50kg/萬kWh。石灰石材料成本一直是脫硫系統(tǒng)成本中重要的組成部分，為進(jìn)一步挖掘機組節(jié)能降耗潛力，提高脫硫系統(tǒng)運行的經(jīng)濟(jì)性，因此對整個脫硫制漿流程進(jìn)行分析。

1 本廠脫硫系統(tǒng)概況

1.1 脫硫系統(tǒng)設(shè)備概況

該煙氣脫硫（FGD）裝置是增建項目，工程采用日本石川島播磨（IHI）公司的濕式石灰石-石膏法煙氣脫硫工藝。FGD裝置與燃煤鍋爐（1025T/H）配套運行，能處理從鍋爐排出的100%的煙氣量，脫硫效率≥95%，系統(tǒng)可利用率＞99%，整套FGD系統(tǒng)包括以下5個子系統(tǒng)：1）煙道及吸收系統(tǒng)。2）吸收劑制備系統(tǒng)（公用）。3）石膏脫水系統(tǒng)（公用）。4）廢水處理系統(tǒng)（公用）。5）輔助公用系統(tǒng)。

1.2 脫硫石灰石漿液流程及損耗分析

工藝流程概述：煙氣脫硫吸收劑石灰石（CaCO3）通過吸收劑制備系統(tǒng)完成制粉、制漿，達(dá)到一定濃度的石灰石漿液被送至吸收塔內(nèi)，然后通過漿液循環(huán)泵將漿液送至吸收塔上部的螺旋漿液噴淋裝置，使?jié){液形成霧狀并由上而下對煙氣洗滌和脫硫。脫硫形成的附帶產(chǎn)物石膏漿液輸送至石膏脫水系統(tǒng)進(jìn)行脫水處理，生成含水率＜10%的石膏送至倉庫儲藏，而脫水處理所產(chǎn)生的廢液一部分作為漿液配制用水，一部分送至廢水處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，經(jīng)過澄清、中和后排放。

經(jīng)過分析石灰石去向分為4類，即石灰石純度低造成的損耗、制粉損耗、漏漿損耗、反應(yīng)消耗、石膏中存留。根據(jù)2018年度脫硫日常運行記錄發(fā)現(xiàn)與之對應(yīng)的實際問題主要集中在“制粉輸粉過程漏粉”、“吸收區(qū)漏漿”、“摻燒煤種硫份高”、“石膏中CaCO3含量高”上。而“石膏中CaCO3含量高”狀況出現(xiàn)次數(shù)最高，占所有問題的75%以上。

2 石膏中CaCO3含量高導(dǎo)致脫硫粉耗增高的原因分析

2.1 石灰石質(zhì)量分析

2.1.1 石灰石粉粒度

石灰石溶解率與石灰石顆粒大小有關(guān)，粗顆粒的比表面積較小，反應(yīng)速度慢，因此其含量決定最終溶解時間[1]。溶液混合物濃度的提高使顆粒表面物質(zhì)轉(zhuǎn)換速度加快，其提高了石灰石的溶解速度，改善溶解性能。

當(dāng)實際生產(chǎn)時，脫硫配漿所需石灰石粉是由#1、#2粉斗提供，2019年2—3月，每周分別在#1、#2粉斗中進(jìn)行石灰石粉取樣，并使用250、325目篩過篩。發(fā)現(xiàn)樣品的250目篩通過率均在90%以上，325目篩通過率低于90%，但穩(wěn)定在80%以上，所以可以判定#1、#2粉斗石灰石粉粒度在250目～325目，符合標(biāo)準(zhǔn)。

2.1.2 石灰石中雜質(zhì)成分

石灰石在濕法煙氣脫硫中的性能除了受到CaCO3成分影響，MgCO3、Al2O3等成分含量及其溶解速率也會對石灰石性能產(chǎn)生影響。雖然石灰石原料中Al2O3含量較少，但是其溶于漿液中會產(chǎn)生Al3+，與漿液中F-結(jié)合形成AlF3絡(luò)合物，封閉漿液中的石灰石顆粒，使其難以溶解。而Mg2+在某種程度上可以提高SO2的吸收速率，但是Mg2+會與漿液中Cl-產(chǎn)生配位反應(yīng)降低石灰石粉的反應(yīng)活性，從而抑制石灰石的溶解[2]。

2019年2—3月，該廠共采購三批石灰石，小組分別從上、中、下三層進(jìn)行取樣，對原料中的Al2O3、MgCO3含量分別進(jìn)行檢測，發(fā)現(xiàn)三批石灰石樣品中的Al2O3含量基本均小于1%，MgCO3含量均小于2%，符合標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 煙氣質(zhì)量的影響

2.2.1 漿液中含油量大

鍋爐投運燃油包括以下2種：1）啟停投運燃油助燃。2）事故狀態(tài)投運燃油穩(wěn)燃[3]。當(dāng)投運燃油時，未燃盡的油隨煙氣進(jìn)入漿液中，會在石灰石顆粒表面形成一層薄薄的油膜，阻礙石灰石顆粒溶解。

2019年3—4月，機組并未發(fā)生需要投運油槍穩(wěn)燃的事故，僅有2次啟動記錄。當(dāng)3次啟停時吸收塔漿液中油類含量并未出現(xiàn)超過10mg/m3的情況，當(dāng)正常運行時，漿液中油類含量更低，符合標(biāo)準(zhǔn)。

2.2.2 煙氣粉塵濃度大

煙氣中的飛灰中攜帶Al3+和HF，使?jié){液中Al3+含量增加，同時會產(chǎn)生絡(luò)合物，妨礙石灰石溶解。該廠鍋爐除塵器由電除塵更新為布袋除塵后，很大程度地提升除塵效率。

2019年2—3月采用隨機抽取運行日志的方式，每月抽取5天，根據(jù)吸收塔進(jìn)口粉塵運行數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)正常運行時，4臺機組吸收塔進(jìn)口粉塵濃度均低于5mg/m3，符合標(biāo)準(zhǔn)。

2.3 運行方式調(diào)整的影響

2.3.1 漿液循環(huán)泵的運行方式

漿液循環(huán)泵的作用是將漿液輸送到吸收塔上部的噴淋區(qū)，將漿液變成霧狀與煙氣進(jìn)行混合反應(yīng)。

2019年2—3月，在4臺機組運行時段內(nèi)，且出口SO2濃度不超標(biāo)的前提下進(jìn)行漿液循環(huán)泵試驗，并對石膏中CaCO3含量進(jìn)行檢測。檢測發(fā)現(xiàn)#1、#2石膏脫水系統(tǒng)中樣品CaCO3含量高于2%。與#3泵運行時相比，CaCO3含量均有所下降，說明漿液循環(huán)泵數(shù)量會影響石膏中CaCO3含量。

2.3.2 漿液塔pH值

脫硫系統(tǒng)中石灰石漿液補充量是由吸收塔循環(huán)漿液的pH值決定的，設(shè)定的pH值對脫硫塔漿液中Ca2+、Mg2+等相互間反應(yīng)影響很大，其大小決定了脫硫效率是否達(dá)標(biāo)，且影響鈣硫比、石灰石的溶解、石膏的品質(zhì)和脫硫系統(tǒng)的腐蝕[4]。pH值的調(diào)整范圍也是有限的，因此，對不同脫硫系統(tǒng)和不同的運行條件，需要選擇合適的pH值，以達(dá)到最佳運行性能。

2019年2—3月，小組采用隨機法對4臺機組吸收塔漿液抽樣，每月抽取5天，檢測pH值。檢測發(fā)現(xiàn)，在15個樣本中，有13個pH值大于5.6，約占總樣本的87%，差距較大。

2.4 脫硫設(shè)備本體的原因

2.4.1 噴淋層噴嘴

吸收塔噴淋層噴嘴的作用是將循環(huán)漿液均勻地噴出，使其與煙氣充分接觸。

2019年2—3月，打開#1、#2、#4調(diào)停機組的吸收塔噴淋層人孔門，對噴嘴堵塞情況進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)循泵噴嘴運行狀況良好，無堵塞現(xiàn)象，符合標(biāo)準(zhǔn)。

2.4.2 氣液混合裝置

漿液噴淋層下方安裝有高效氣液混合裝置，該裝置可以有效增加煙氣和漿液接觸時間，提高反應(yīng)效率。

2019年2—3月，小組查看各機組氣液混合裝置的運行記錄，發(fā)現(xiàn)4臺機組的氣液混合裝置均未出現(xiàn)故障，符合標(biāo)準(zhǔn)。

3 降低石灰石粉耗的措施

3.1 pH的最佳數(shù)值范圍的研究

不同的pH值對系統(tǒng)的影響有所不同。如果在運行過程中pH值很高，漿液中存在較多的CaCO3，那么不利于石灰石溶解。當(dāng)pH值降低時，雖然有利于石灰石溶解，但是SO2的吸收速率降低，影響脫硫效率。

由于漿液pH值主要受補漿量和吸收塔進(jìn)口SO2濃度影響，該廠采用經(jīng)濟(jì)煤種摻燒策略，進(jìn)口SO2濃度基本無調(diào)節(jié)空間，只能通過調(diào)節(jié)補漿量來控制pH值。為減少SO2排放，規(guī)定SO2排放濃度范圍為5mg/Nm2～15mg/Nm2。因此，pH值優(yōu)化試驗是在某工況下找出一個最佳的pH值，既能滿足脫硫效率，使石膏中CaCO3含量較低，又能體現(xiàn)運行的經(jīng)濟(jì)性。

為了尋找漿液的最佳pH值，利用分?jǐn)?shù)法優(yōu)選pH值，分?jǐn)?shù)法是利用F數(shù)列：1/1，1/2，2/3，3/5，5/8，8/13，13/21，21/34，34/55，55/89......。

其中，分子是斐波那契數(shù)列，其規(guī)律如下：1）分子等于前項的分母，等于前項分子與分母之和。2）從第三個分?jǐn)?shù)起，分子是前二項分子之和[5]?？梢钥闯鯢數(shù)列為0.618的一系列漸近數(shù)。

因此，將pH值允許范圍（a，b），a=5.2，b=5.6以5/8的分式優(yōu)選，分為8等分，進(jìn)行優(yōu)選試驗。由于#3機組4月無停機計劃，以#3機組為試驗對象，進(jìn)行多次選點試驗，每次試驗為期兩天。

第一次試驗如下：

X2=a+b-X1=5.35

式中：X1、X2為第一次pH試驗值；a為最小值，a=5.2；b為最大值，b=5.6。

由表1可知，第二個試驗點5.35（X2）優(yōu)于第一個試驗點5.45（X1），因此放棄區(qū)間（5.45，5.6），并在（5.2，5.35）區(qū)間內(nèi)，以5/8的分?jǐn)?shù)式繼續(xù)優(yōu)選。

表1 最佳pH值第一次試驗

第二次試驗如下：

X2=a+b-X1=5.27

式中：X1、X2為第二次pH試驗值；a為最小值，a=5.2；b為最大值，b=5.35。

由表2可知，第一個試驗點5.29（X1）優(yōu)于第二個5.27（X2），因此放棄區(qū)間（5.2，5.27），并在（5.29，5.35）區(qū)間內(nèi)，以5/8的分?jǐn)?shù)式繼續(xù)優(yōu)選。

表2 最佳pH值第二次試驗

第三次試驗如下。

式中：X1、X2為第三次pH試驗值；a為最小值，a=5.29；b為最大值，b=5.35。

由表3可知，第一個試驗點5.31（X1）優(yōu)于第二個5.33（X2）。因此放棄區(qū)間（5.31，5.33），并在區(qū)間（5.29，5.31）進(jìn)行優(yōu)選。由于該區(qū)間很小，因此將pH=5.30作為最佳值。

表3 最佳pH值第三次試驗

以此為依據(jù)，提出以下2個措施：1）當(dāng)出口SO2＜5mg/Nm3且補漿量＞10m3時，將補漿閥關(guān)小，將漿液的pH值控制在5.2～5.3。2）在出口的SO2濃度為5mg/Nm3～15mg/Nm3的前提下，使?jié){液pH值接近5.3。

4臺機組漿液中的pH值嚴(yán)格控制在5.2～5.3，并盡量使?jié){液pH值接近5.3。

3.2 漿液循環(huán)泵運行方式優(yōu)化

當(dāng)脫硫出口SO2＞15mg/Nm3時，啟動備用漿液循環(huán)泵。

原則上兩泵用CD泵、三泵用BCD泵（上層泵）。

實施驗證：上述措施執(zhí)行后，統(tǒng)計2019年5月份脫硫產(chǎn)物石膏中CaCO3含量情況，發(fā)現(xiàn)兩套脫硫石膏脫水系統(tǒng)石膏樣品中CaCO3含量均低于3%，實施有效。

3.3 脫硫設(shè)備的改造

脫硫廢水裝置頻繁地停用，導(dǎo)致脫硫漿液無法及時排出，使Cl-等物質(zhì)不斷堆積，影響脫硫效率，增加脫硫的粉耗[6]。因此，基于原本的設(shè)備特性對脫硫設(shè)備廢水裝置設(shè)計了2套改進(jìn)方案。

方案一：如圖1所示，采用現(xiàn)代脫硫廢水處理工藝改造。在原有設(shè)備基礎(chǔ)上，根據(jù)國內(nèi)脫硫廢水處理系統(tǒng)現(xiàn)代工藝進(jìn)行整改，對箱罐進(jìn)行補膠利舊，不滿足使用條件的設(shè)備進(jìn)行拆除更新，增加污泥脫水系統(tǒng)，石灰漿制備加藥系統(tǒng)、PLC控制系統(tǒng)重做，改為國內(nèi)常規(guī)的畫面及邏輯，改造費用約45萬元。

圖1 脫硫廢水處理改造工藝流程示意圖

方案二：如圖2所示，修復(fù)原傳統(tǒng)脫硫廢水處理系統(tǒng)。利用原有工藝系統(tǒng)和設(shè)計，主要設(shè)備均進(jìn)行更換，同時重做PLC控制系統(tǒng)，箱罐等大件進(jìn)行防腐和維護(hù)，改造費用約60萬元。

圖2 脫硫廢水處理改造工藝流程示意圖

綜上所述，方案一較合理。

采用現(xiàn)代化脫硫廢水工藝進(jìn)行改造后，經(jīng)過半個月的試運行，統(tǒng)計故障次數(shù)為0次，每隔兩天對4臺機組吸收塔漿液Cl-濃度進(jìn)行取樣檢測。廢水處理系統(tǒng)改造后的半個月里，除#1機組部分時間停運外，4臺機組漿液中的穩(wěn)定在3000mg/L量級上，低于改造前10000mg/L，且半個月里系統(tǒng)故障次數(shù)為0次，實施有效。

4 降低組脫硫粉耗措施實施效果

對策實施全部完成后，統(tǒng)計2019年6—8月的月發(fā)電量、石灰石耗量，并計算每月石灰石單耗，見表4。在對策實施后的3個月里，脫硫月粉耗同比明顯下降，達(dá)到42kg/萬kWh。

表4 對策實施后石灰石耗量及粉耗

5 結(jié)語

隨著環(huán)保重視力度加大，由于采用超潔凈排放的方法，因此火電機組的脫硫、脫硝和除塵等系統(tǒng)的運行壓力倍增，運行成本也不斷提高。需要根據(jù)不同的機組情況對環(huán)保設(shè)備的運行可靠性以及經(jīng)濟(jì)性重新進(jìn)行分析，保證火電機組在未來的節(jié)能減排的大趨勢下技術(shù)指標(biāo)良好，保障環(huán)保系統(tǒng)安全運行。