石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統的優化試驗研究

陳 彪， 胡松如， 周曉耘， 曹志勇

（1．浙江省電力公司電力科學研究院， 杭州 310014； 2．浙江省能源集團有限公司， 杭州 310012）

脫硫專欄

石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統的優化試驗研究

陳 彪1， 胡松如2， 周曉耘1， 曹志勇1

（1．浙江省電力公司電力科學研究院， 杭州 310014； 2．浙江省能源集團有限公司， 杭州 310012）

敘述了目前石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術的應用現狀和存在的問題， 提出了基于實驗室數據分析為基礎的參數尋優方法，并應用該方法進行了脫硫系統的 pH 值和密度尋優試驗， 試驗結果表明，優化調整后提高了系統運行的經濟性和穩定性。

煙氣脫硫；優化分析；調整；運行

石灰石-石膏濕法煙氣脫硫（FGD）技術已基本成熟， 其市場占有率在 80%以上。 由于燃用的煤質、設備性能、運行管理方式等方面的差異，運行的脫硫系統均存在較大的優化空間。在提倡無旁路脫硫系統的今天，脫硫系統的重要性已和主機同等重要，對脫硫系統運行參數進行優化調整，從而提高系統運行效率與穩定性顯得格外重要。

FGD 系統的優化是一個綜合過程， 應該包括3 個方面內容[1-2]： 一是工 藝的優化選擇 ； 二 是選定系統工藝的設計、 運行優化； 三是 FGD 系統的國產化。在此針對發電廠運行中出現的問題，主要從運行參數優化的角度來進行試驗分析。

1 濕法煙氣脫硫系統常見問題分析

1.1 增壓風機系統

增壓風機是克服脫硫裝置系統內阻力，并穩定鍋爐引風機出口壓力的主要設備。增壓風機一般采用干態布置， 位于原煙道與氣氣換熱器（GGH）之間，盡管這種方式功耗較大，但風機工作在熱煙氣環境中，降低了葉片的粘污與腐蝕傾向。

隨著環保要求的提高，脫硫系統被要求逐步取消旁路煙道。在無旁路脫硫系統中，增壓風機系統在實際運行中經常出現的問題是風機前負壓或風機后正壓值控制不穩，影響爐膛負壓穩定。另外， 對設置了 GGH裝置的脫硫系統，增壓風機的這種熱態布置方式具有增大 GGH 漏風率的趨勢， 對 GGH 密封風壓要求較高， 因而目前設置了 GGH 的發電廠在取消旁路之前均要求將增壓風機與引風機合二為一，從而解決增壓風機風壓不穩或設備故障帶來的影響。

1.2 煙氣換熱系統

安裝 GGH 的脫硫系統一般采用回轉式再熱器，利用原煙氣對凈煙氣進行加熱，使排煙溫度達到露點之上，減輕對凈煙道和煙囪的腐蝕。同時也降低了進入吸收塔的煙氣溫度，從而降低吸收塔內對防腐的工藝技術要求。

在運行中，煙氣換熱器常出現的問題是換熱面的結垢，這不僅使傳熱面減少，熱風溫度降低，而且使腐蝕加劇，同時換熱器兩側差壓和風機電耗也增大，GGH 結垢有其自身工藝設計的原因，從垢物的致密程度和成分分布看，也和吸收塔內漿液的pH值與密度控制關系密切。

1.3 吸收塔系統

吸收塔是 FGD 系統的核心， 在其中完成原煙氣中 SO2， SO3， HF， HCl和灰塵的吸收。

吸收塔在運行中出現的問題主要是吸收塔液位及 pH 值控制不合理、自動調節能力差、漿液密度控制不當，導致系統能耗和磨損率顯著升高。不合理的參數控制還易使脫硫系統進入盲區，漿液被除霧器二次夾帶后繼續與煙氣中的 SO2反應，產生致密的硬垢層，堵塞除霧器與GGH 換熱面[3]。 嚴重時導致機組必須停機處理， 因此， 對脫硫系統運行參數進行優化是實施取消脫硫旁路之前的首要工作。

2 吸收塔pH值優化及結果分析

2.1 系統 pH 值優化的理論依據

在噴淋脫硫技術中， 不同的pH值對系統的影響有所不同。高 pH 值運行時，由于漿液中有較多的 CaCO3存在， 不利于石灰石的溶解。 由傳質方程看，pH 值較高時，液相傳質系數增大，SO2吸收速率也較大； 另外， 高 pH 值條件下，由于 CaSO3·1/2H2O 的 溶 解 度 很 低 ， 極 易 達 到 過 飽和而結晶在塔壁及塔內件上，形成很厚的垢層，造成系統結垢[4]。

當 pH 值降低時， 雖然有利于石灰石的溶解，但是 SO2的吸收速率減小， 影響脫 硫效 率。 因此，pH 值優化試驗的目的是在某工況下找出一個最佳的pH值，既能滿足脫硫效率，又使石膏中CaCO3的含量較低， 體現運行經濟性。

2.2 優化試驗方法

優化試驗選在國華寧海發電廠1號機組上進行， 該脫硫系統的設計燃煤硫分為 0.70%， 但在實際運行中， 硫分均在 0.5%左右， 對應的原煙氣中 SO2濃度變化范圍（以下數據均折算到標況）基本 上 在 1 250～1 400 mg/m3之 間 ， 且 硫 分 比 較 穩定。為了使試驗結果對實際運行具有指導性，選擇了機組在燃燒常用煤種的情況下，即原煙氣中SO2濃度為 1 300～1 400 mg/m3的變化區間進行pH 值尋優試驗。 試驗期間盡量保證各個負荷區間內硫分的平均值為 1 350mg/m3左右， 即接近實際運行工況時的硫分濃度。

由于不同的 SO2流量下達到相同的脫硫效率需要調節系統在不同的 pH 值下運行。 為此，將機組負荷劃分為高、中、低3個區間，尋優試驗分別在3個不同的負荷區間內進行，在各區間內均保持3臺漿液循環泵和1臺氧化風機運行。這3 個 區 間 分 別 是 550～600 MW， 450～550 MW，300～450MW。 在各區間內， 分別將吸收塔 pH 值設定在 5.4， 5.5， 5.6， 5.7， 5.8， 5.9， 6.0， 6.1。 試驗期間吸收塔 pH 值采用手動控制方式，以減小運行中 pH 值的波動， 對各個 pH 值控制點運行穩定后進行吸收塔取樣化驗分析，取樣時吸收塔漿液的密度均控制在 1 140 kg/m3左右。

對各個工況點下所取得的石膏樣進行實驗室分析，分析結果的主要評價依據是脫硫效率和石膏成分， 并且以石膏中的 CaCO3含量為主要控制指標。

2.3 優化試驗結果及最優點確定

2.3.1 高負荷區間試驗結果

通過在不同pH 值下取樣分析石膏品質和記錄脫硫效率， 可得在機組負荷為 550～600 MW時， 不同 pH 值下脫硫效率、石膏中的 CaCO3含量關系如圖1所示，圖中圓點面積大小代表石膏中的 CaCO3含量的高低。

圖1 高負荷區間不同 pH 值下效率和 CaCO3含量關系

可以看出，在石灰石品質不作調整時，較低的 pH 值條件下， 盡管石膏中 CaCO3含量較低，石膏品質較好， 但是脫硫效率未達到 95%的要求。 隨著 pH 值的升高，脫硫效率也逐漸增大，當pH 值達到 5.8 時，脫硫效率達到 95%的目標值，pH 值再繼續升高時，脫硫效率升高并不多，反而石膏中 CaCO3含量明顯上升， 當 pH 值達到6.1 時， 石膏中 CaCO3含量已達到 4.78%， 粉耗增高，運行經濟性明顯降低。

由此可知， 系統欲達到 95%的脫硫效率， 在滿足石膏中 CaCO3含量最小的情況下， 只能選擇5.8 這個控制點。 計算 pH 值為 5.8 時的 Ca/S 比為1.031（設計值附近）， 比較理想， 故該負荷區間內最佳 pH 值控制點為 5.8。

2.3.2 中負荷區間試驗結果

在 450～550MW 的負荷區間內， 變動系統的pH 值， 通過取樣分析， 優化試驗結果見圖2。

圖2 中負荷區間不同 pH 值下效率和 CaCO3含量關系

由圖2 看出，中負荷區間內欲達到 95%的脫硫效率， 在石膏中的 CaCO3含量最低的約束條件下，只能取 pH 值為 5.75 這個點。計算得該點的Ca/S 比為 1.037。實際上， 當 pH 值為 5.60 時，計算得其 Ca/S 比為 1.027， 從漿液的耗量來講， pH值為 5.60 更具有經濟性， 但是 pH 值為 5.60 時，其脫硫效率無法達到 95%這個限定目標， 綜合比較得 pH 值為 5.75 是該試驗區間的最佳控制點。

2.3.3 低負荷區間試驗結果

在 300～450MW 的負荷區間的試驗結果如圖3所示。

圖3 低負荷區間不同 pH 值下效率和 CaCO3含量關系

由圖3可知，在低負荷區間內，脫硫效率達到 95%，滿足 CaCO3含量最小的運行工況為 pH值 5.60， 在 該點下 計算 得 其 Ca/S 比 為 1.036， 在設計值附近，故系統在該負荷區間內最佳 pH 值控制點確定為 5.60。

3 吸收塔漿液密度優化及結果分析

3.1 密度優化的理論依據

吸收塔中反應漿池的不同密度將對系統產生不同的影響。漿液密度較低時，石灰石的利用率也較低，且經過石膏旋流站濃縮后石膏漿液水分偏高，不易脫水。在保證漿液循環泵流量不變的情況下，提高吸收塔漿液的密度時，相當于增大了液滴內的離子濃度， 從而加快了 SO2分子穿透氣膜進入液膜后的反應速度。此外，密度越高，相當于石膏漿液在系統內停留時間延長，同時石膏結晶生長期也延長，易導致石膏脫水困難、廢水不易排出而造成塔內雜質離子富集，最終影響脫硫反應平衡的正向進行。另外，過高的密度也易導致系統的磨損加劇。

因此，吸收塔漿液的運行密度一定有1個最佳值，最佳密度的確定依據主要有3點：易于脫水；對設備磨損較小；體現運行的經濟性。

3.2 密度優化試驗方法及結果

為避免運行因素的影響，密度優化試驗中盡量保持供漿流量和吸收塔液位的穩定。循環泵和氧化風機按正常狀態投運，系統 pH 值按優化試驗結果來控制。在機組負荷及硫分基本穩定的前提下，對不同密度下的漿液取樣進行化學成分分析，結果如表1所示。

從試驗結果可以看出， 當保持吸收塔 pH 值固定時， 漿液的密度值越低，石膏中 CaCO3含量越高。隨著漿液密度的逐漸上升，當密度達到1 140 kg/m3時， 脫硫效率達到 95%以上， 之后CaCO3含量會隨著密度的升高逐漸降低。 但是密度也不能控制得過高，因為過高的密度易導致CaSO4的過飽和度偏高， 從而出現石膏晶核， 晶核會在異物的表面上積聚、生長，容易在缺少攪拌的吸收塔壁區域結垢；另外密度過高，雖然石灰石利用率較高，但是必然導致循泵的電耗增大，增加設備磨損，縮短使用壽命。因而最優密度的確定需要多方面考慮，綜合權衡利弊。

表1 不同密度下石膏成分化驗結果

雖然密度和脫硫效率之間并沒有直接的關系，但是為了直觀地得出一個最佳的密度值或密度區間，將不同密度下石膏中碳酸鈣含量的大小同脫硫效率的關系體現于圖4中。

圖4 不同密度下石膏中 CaCO3含量變化關系

考慮到外排石膏涉及到公用系統相互調配，加之實際運行中負荷與硫分的波動，將最佳密度控制在某一個定值并不具備實際的指導意義。由此將最優密度值限定在一個區間內，在該區間內， 既要保證石膏中 CaCO3的含量較低， 又要使石膏晶粒大小適中，脫水時不會堵塞濾布。由圖4 可知， 脫硫效率為 95%以上的點較多， 但從系統可靠性和經濟性出發，本著不影響脫水效果，吸收塔漿液密度越小越好的原則，得到了密度為1 140～1 160 kg/m3這個最優密度區間。

4 優化調整后效果檢驗

根據試驗結果，確定了寧海1號機脫硫系統最佳 pH 值和最佳密度值，以此為依據，運行人員對1號機進行了1個月的運行檢驗，脫硫效率均滿足要求，對運行調整后的石膏樣每4天進行1次化驗分析，結果如表2所示。

石膏分析結果顯示了系統按優化后的參數進行調整試運的效果，從石膏分析數據來看，優化調整的結果降低了石膏中 CaCO3的含量， 提高了石膏的品質，同時提升了系統運行的經濟性與穩定性。

表2 優化調整后石膏漿液成分化驗結果%

5 結語

脫硫系統取消旁路后，系統的運行穩定性和可靠性顯得異常重要。運行中系統結垢和堵塞問題與運行的工藝參數有密切聯系，合理的參數控制有利于緩解系統結垢情況，提升系統運行的安全性。

漿液 pH 值與密度值是影響脫硫系統效率和經濟指標的重要參數，應用負荷分段優化的方法，可以獲得運行中具有實際指導意義的優化參數。該參數用于運行實踐，不僅可以在滿足脫硫效率的同時，使石灰石粉耗進一步降低，而且可以規范運行操作，提升系統運行的穩定性。

[1]周祖飛.燃煤電廠煙氣脫硫系統的運行優化[J].浙江電力，2008，40（5）∶39-40.

[2]曾庭華，楊華.濕法煙氣脫硫系統的安全性及優化[M].北京∶中國電力出版社，2004.

[3]劉紹銀.濕法脫硫系統結垢的化學機理及運行控制分析[J].熱力發電，2011，40（1）∶70-72.

[4]WARYCH J，SZYMANOWSKI M.Optimum values of process parameters of the “Wet Limestone Flue Gas Desulfurization System”[J].Chem Eng Technol，2001，25（4）∶427-432.

（本文編輯：陸 瑩）

Experimental Study on Optim ization of Limestone-gypsum WFGD System

CHEN Biao1，HU Song-ru2，ZHOU Xiao-yun1，CAO Zhi-yong1
（1.Z（P）EPC Electric Power Research Institute，Hangzhou 310014，China；2.Zhejiang Provincial Energy Group Co.， Ltd， Hangzhou 310006， China）

This paper introduces application status and existing problem in limestone-gypsum WFGD system and proposes an optimizationmethod based on laboratory data analysis.Themethod is used for pH and density optimization testof desulphurization system， the result ofwhich shows that economic efficiency and stability of the system operation are improved after the optimization.

FGD； analysis and optimization；adjustment；operation

X701.3

： B

： 1007-1881（2012）11-0053-04

2012-08-31

陳 彪（1976-）， 男， 四川射洪人， 工程師， 從事發電廠環境污染與治理研究工作。