燃煤電廠脫硫石膏品質影響因素及改進措施

郭靜東， 廖冬梅， 顏海偉

（1.華能海南發電股份有限公司海口電廠，海南 海口 572600；2.武漢大學動力與機械學院，湖北 武漢 430072）

0 引言

隨著我國對能源需求的日益增長，以及國家對燃煤電廠三廢排放的嚴格管控，在今后一段時期，脫硫石膏的產量也將隨著煙氣脫硫裝置的不斷建設而持續上升[1]。脫硫石膏的綜合利用，一方面，可以減少天然石膏的開采，節約資源，大大減少開采、運輸過程對生態環境的破壞和環境污染；另一方面，有效的綜合利用是脫硫副產物最合理的出路，可以減少灰渣場的占地面積，同時可以為電廠創造一定的經濟效益[2]。

市場決定需求，符合行業質量要求的產品才能受到市場的歡迎，并且脫硫石膏的大規模綜合利用必須以穩定的產出和穩定合格的品質為基礎[3]。以下分析了電廠脫硫系統過程中造成石膏品質不合格的多種因素并且提出了相應的改進措施。

1 脫硫系統概述

東方電廠一期脫硫系統采用石灰石-石膏濕法脫硫。這種技術是當前國內外應用范圍最廣的煙氣脫硫（Flue Gas Desulfurization，FGD）技術，它采用價廉易得的石灰石作為脫硫吸收劑，石灰石經破碎磨細成粉狀，與水混合攪拌成漿液或直接與水混磨成漿液。在吸收塔內，吸收漿液與煙氣接觸混合，煙氣中的二氧化硫與漿液中的碳酸鈣以及鼓入的氧化空氣進行化學反應被脫除，反應生成脫硫石膏CaSO4.2H2O，最后脫硫石膏經脫水裝置脫水后回收[4]。具體化學反應原理如下：

東方電廠脫硫系統中，從鍋爐引風機后煙道引出的煙氣，進入電除塵，經過脫硫系統原煙氣擋板，通過靜葉可調軸流式增壓風機升壓，進入吸收塔。煙氣中90%以上的SO2，在塔內與吸收劑逆流接觸并進行吸收反應，反應物在吸收塔漿液池進行強制氧化，從而得到脫硫副產品二水石膏(CaSO4·2H2O)；另一方面，原煙氣經過脫硫之后溫度降至53℃左右，兩級除霧器除去水霧將含水量降至75 mg/m3，由于系統中不設GGH，所以直接進入凈煙氣擋板經煙囪排放。

#1、#2吸收塔漿液循環系統由三臺漿液循環泵和三個噴淋層組成。吸收塔各設置2臺氧化風機，風機運行方式為一運一備，分別向吸收塔供應氧化空氣。

#1、#2機組脫硫裝置的石膏漿液脫水系統，單獨設置各自的一級石膏旋流器，二級石膏脫水裝置為公用的A、B真空皮帶脫水機及輔助設備。二臺脫硫裝置的石膏漿液一級脫水系統，包括各自兩臺石膏排漿泵（一運一備）、一套一級石膏旋流器（旋流子四運一備），經一級石膏旋流器脫水后的底流石膏漿液含固量達到50%左右，送入公用的二級脫水裝置真空皮帶脫水機處理；二級脫水后的石膏（含水約l0%）貯存于石膏倉庫間。

2 石膏品質不合格的主要原因

石膏購買商對石膏的品質驗收要求見表1。

表1 脫硫石膏驗收品質標準Tab.1 The acceptance standards of Gypsum quality

東方電廠脫硫系統在投產運行初期，經常會出現石膏品質不合格的現象，脫硫石膏品質分析指標見表2。

分析幾次石膏品質不合格的運行工況，發現大多是在滿負荷工況下，原煙氣SO2含量在3000mg/m3以上時，會出現吸收塔密度居高不下、石膏脫水效果不好的情況，通過對其相關運行控制指標分析，發現有以下幾個方面因素影響石膏品質。

表2 脫硫石膏品質分析指標Tab.2 The quality analysis index of Desulfurization gypsum

2.1 運行工況遠偏離脫硫系統的設計值

2.1.1 高負荷時入口原煙氣二氧化硫濃度超設計值

電廠脫硫系統機組滿負荷運行，入口原煙氣二氧化硫濃度達到4000mg/Nm3（設計入口原煙氣二氧化硫濃度3393mg/Nm3），入口煙溫高達160℃（設計入口煙溫為123℃）。吸收塔密度高，真空皮帶脫水機上的石膏成黑色泥狀，脫水困難，脫硫石膏含水量高，亞硫酸鹽含量高（23.8%），原因為進入吸收塔的二氧化硫處理量增大，遠遠超過了設計工況，造成吸收塔吸收及氧化效果不佳，亞硫酸鹽含量大，不易脫水，石膏品質不合格[6]。

2.1.2 入口原煙氣溫度超設計值

設計入口煙溫為123℃，但由于省煤器及空氣預熱器設備設計缺陷，入口煙溫高達165℃，造成脫硫系統吸收效果不好，脫硫效率下降，煙囪入口二氧化硫濃度升高。為保證滿足環保排放要求，吸收塔pH值控制較高，高pH值控制不利于氧化反應的進行，石膏結晶效果不好，亞硫酸鹽向硫酸鹽氧化比例不大，不利于脫水[5]。

2.1.3 入爐煤發熱量比設計值低

設計入爐煤發熱量為5300kJ/kg，鍋爐用煤量為129t/h，而實際入爐煤發熱量為4900kJ/kg，鍋爐實際用煤量在145t/h左右。由于設計煤種發熱量高，造成原煤量增加10%以上；同時原煙氣流量增大，單位時間內處理二氧化硫量大，超出脫硫系統的處理能力，運行一臺氧化風機（一用一備）的氧化效果不好，吸收及氧化充分反應條件不滿足，造成吸收塔石膏漿液氧化不徹底，漿液亞硫酸根含量超標，石膏結晶時間過短，石膏過飽和度達不到1.3左右的要求，石膏濾餅品質差，脫水困難。

2.2 入爐煤的配燒受限

受原煤供應（煤源不穩定，來煤礦點多，煤種較雜）和煤場容量偏小堆（燃煤分類存放空間受限）影響，運行的配煤摻燒受到限制；特別是在煤場存煤較少時，配煤工作無法進行，造成有時煤場只有含硫量低但發熱量也低的印尼煤，有時又只有含硫量高而發熱量低的平朔煤，燃燒時煙氣處理量大。在燃燒高含硫量低發熱量平朔煤時，脫硫系統無法適應滿足處理能力，造成石膏品質不合格。

2.3 電除塵設備除塵效率較低

電除塵設備運行模式有節電模式一、節電模式二和火花跟蹤三種，從運行經濟性考慮，電除塵常在節電模式下運行，相對除塵效果差，石膏中粉塵雜質含量高。

2.4 旋流子出力不足

由于機組運行時的工況與設計條件下的相差甚遠，石膏旋流器只安裝五個旋流子，四運一備，留有一備用孔；但在系統負荷高、原煙氣含硫高時，石膏產量大，脫水機24h運行吸收塔密度仍然居高不下，石膏旋流器滿足不了生產需要。

3 處理對策

3.1 入口煙氣控制

通過調整煤場容量和配煤摻燒、提高省煤器和空氣預熱器換熱性能、提高電除塵效率和減少設備故障，電廠分別控制入口煙氣的二氧化硫濃度、入口煙氣溫度和粉塵含量，具體措施如下。

3.1.1 調整煤場容量和配煤摻燒

要求燃料供應部門根據現場情況提供可摻燒的煤種，加快二期圓形煤場的施工建設，保證煤場存煤量足夠，通過加強現場配煤摻燒控制入爐煤發熱量和含硫量，以滿足脫硫系統設計的運行工況，保證煙囪入口二氧化硫排放濃度合格。

3.1.2 提高省煤器和空氣預熱器換熱性能

對省煤器和空氣預熱器進行改造，增加省煤器管圈、更換空預器熱端傳熱元件，增加換熱面積50%。#1爐改造后排煙溫度比考核試驗時低了12.3℃左右，#2爐改造后排煙溫度比考核試驗時低了18℃左右，煙溫從改造前的160℃左右降到145℃左右，大大降低了入口煙溫，使得吸收塔內反應容易控制，吸收效率大大升高。

3.1.3 提高電除塵效率和減少設備故障

在保證環保排放的前提下選定電除塵的投運模式，提高電除塵器除塵效率。提高檢修對設備的消缺率，減少除灰設備故障、避免鍋爐燃油或避免電除塵連續振打所引起的二次飛揚造成的粉塵含量增加，降低石膏中粉塵含量[6]。

3.2 脫硫系統運行控制

3.2.1 漿液pH值的控制

濕法脫硫工程的運行經驗表明， 在其它參數基本穩定的工況下，升高漿液pH值即增加石灰石漿液量，可在一定程度上提高脫硫效率。但若長時間保持高pH運行，會導致石膏中未完全反應的CaCO3和CaSO3含量增加，品質下降；因為當pH＞5.9時，石灰石中Ca2+的溶出速度會減慢。同時，當pH＞5.9時SO32-的氧化也受到抑制，因為SO32-氧化的最佳pH在4.5～4.7（如圖1所示），此環境下只要鼓入足夠的氧化空氣，SO32-幾乎可以全部氧化，而且此范圍pH同時也是石膏結晶的最佳pH環境。但較低值的pH會使SO2的吸收受抑制，若pH為4.0，SO2幾乎不被漿液吸收，而且加劇了設備的腐蝕。因此工藝控制中必須兼顧煙氣脫硫和SO32-氧化對漿液pH的要求[7]。

圖1 pH對SO32-氧化速率的影響Fig.1 The effect of pH on SO32-oxidation rate

同時，當出現吸收塔煙氣量增加較多、含硫量增加時，可通過適當添加脫硫增效劑加強對煤種的適應性，加快吸收化學反應過程，增強石灰石的溶解特性，降低吸收塔運行pH值，從而有利于氧化反應的進行，石膏品質得到較大的改善。

3.2.2 保證亞硫酸鈣的氧化效果

在含硫量高及石膏脫水困難時，保持合適的pH值，間斷地啟動兩臺氧化風機保證氧化效果，使脫硫反應中生成的亞硫酸鈣(CaSO3)氧化為硫酸鈣(CaSO4)，并生成石膏(CaSO4·2H2O)晶體，通過控制石膏過飽和度在1.3左右，保證石膏結晶成粗棒狀晶型，使得石膏具有良好的脫水性能[8]。

3.2.3 控制吸收塔漿液密度

在機組負荷高、原煙氣二氧化硫濃度高時，吸收塔漿液密度達到1130kg/m3時，啟動真空脫水系統和石膏排漿泵，盡早做好降低吸收塔漿液密度的措施。

3.2.4 安裝備用孔旋流子

在石膏旋流器的備用孔加裝一個旋流子，當出現吸收塔密度大幅升高、居高不下時，可通過運行六個旋流子（設計為四用一備），加大石膏的產出量，有效地降低吸收塔石膏漿液密度。

3.2.5 加強脫硫廢水系統投運以及維護工作

原煙氣中HCl、HF和飛灰都會進入吸收塔漿液中；長期運行后，吸收塔漿液的氯離子和飛灰中不斷溶出的一些重金屬離子濃度會逐漸升高，從而對SO2的吸收反應產生負面影響[9]。所以在廢水系統設備正常的情況下，啟動脫水系統時必須啟動脫硫廢水系統，加大對吸收塔內氯離子以及其他雜質離子的排放，為產出好品質石膏創造良好的內部環境。

3.2.6 在線儀表的定期標定

要求檢修部門定期對脫硫系統中SO2分析儀、粉塵含量測試儀、pH計、吸收塔液位計、漿液密度計等在線儀表定期標定，保證運行控制參數的準確；運行人員及時調整運行工況，控制吸收塔內的吸收氧化結晶化學反應條件，保證環保指標達標排放，不發生影響環保形象的事件，順利通過環保核查。

3.3 加強環保實驗室分析工作

加強對石灰石粉的采樣頻度，每周對采的總樣分析一次，對石灰石粉的純度和細度進行分析，保證在驗收合格指標范圍內。另外，每天對石膏漿液進行pH值、密度化學分析，比對校準現場在線儀表，供運行調整參數時參考。

4 結論

目前，東方電廠四臺機組都完成了超低改造，脫硫系統二氧化硫排放含量控制在35mg/Nm3以下。同時，通過更換原煤、改造省煤器及空氣預熱器、適當添加脫硫增效劑和控制吸收塔Ph值及密度，其生產的脫硫石膏從未出現脫水困難和石膏品質不合格的情況，得到了石膏購買商的肯定，石膏價格因此而上漲，創造了可觀的經濟效益和社會效益。

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