燃煤電廠脫硫吸收塔的脫硫智慧化

國家電投集團江西電力有限公司分宜發電廠 衛 健 劉世杰 胡榮華 黎 斌

1 燃煤電廠產生煙氣和廢水的危害

1.1 硫化煙氣、顆粒物排放危害

據研究顯示，在煤粉爐的燃燒，其中大部分的可燃性硫都能氧化轉化為氣態SO2，而0.5%～2.0%的SO2能夠深入被氧化為SO3。一些文獻顯示，煤燃燒時，0.5%～2.5%的SO3會被轉化，當該煤種的硫占比較小時，其氧化占比會較高。一些研究機關通過研究上海、四川等地的電廠，發現SO2/SO3轉化率在1.8%～2.0%的范圍內。當燃煤煙氣到達省煤器，進而到達對流換熱面的地區時，含有氧化硅、氧化鐵、氧化鈉、氧化鋁等成分的灰塵或者是積灰，會對SO2在一定程度上有催化作用，當鍋爐省煤器溫度是420～600℃時，一些SO2會經過這些氧化物的催化，轉化為SO3[1]。

SO3會轉化為亞微米級的H2SO4酸霧，而這酸霧會沿著煙囪排泄到大氣環境中，從而變成了二次顆粒硫酸鹽，成為造成PM2.5的元兇之一[2]。同時，SO3還會腐化設施，或者和NH3發生化學反應產生（NH4）2SO4以及NH4HSO4，造成SCR催化劑失效。當前，根據《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223—2011）的管理要求，SO2排泄最高值是50mg/m3（重點地區）、100mg/m3（非重點地區較新鍋爐）或者是200mg/m3（非重點地區現存鍋爐），此刻SO3排放份額小，不需要另外的減少排泄措施。

SO2溶于水的特性，將造成亞硫酸的產生，而亞硫酸進一步在PM2.5存在的條件下氧化，便會迅速高效生成硫酸，此物質為酸雨的主要成分，對土壤、植被、人類健康、城市建筑等都存在較大危害。此外，2017年10月27日，世界衛生組織國際癌癥研究機構已經將SO2列在3類致癌物清單中。因此，改善燃煤電廠SO2排放迫在眉睫。

1.2 脫硫廢水排放危害

當前，燃煤電廠脫硫主要采用鍋爐煙氣濕法脫硫(石灰石/石膏法)，會產生污水的后果，其是由于吸收塔在排泄水。若要保持該系統中的質量平衡，預防煙氣中作為可溶物的氯物質，其含量大于特定值并且確保石膏品質，需要將特定的廢水排出系統。廢水中的廢棄物一般包含漂浮物、處于過飽和狀態的亞硫酸鹽、硫酸鹽和重金屬，其中包括許多需要嚴格管控的第一類污染物。

在電廠脫硫廢水中，其含有的廢棄物的組成既繁雜又多種類，這對管道與設施水結構有著嚴重的威脅，脫硫廢水在生態環境方面有著嚴重的影響：第一，脫硫廢水的pH值范圍是4～6，為弱酸性液體，雖然能明顯地減少其中比重較小的重金屬類污染物的含量，但是其對水生生物卻有較為明顯的迫害作用，以此順著食物鏈能夠直接毒害到其余生物。

腐化設施。特別是孔洞、裂縫管道，會遭受到顯著腐化，當氯離子濃度比較高時，會嚴重影響到吸收塔工作，從而造成脫硫工作的低生產率，影響設備的正常運作。

在處理脫硫廢水時，徑直排泄硫酸鹽，硫酸鹽因此會向沉積層分散，和水中的金屬元素產生化學反應后，產生甲基汞，最后造成水生態平衡被破壞。

第二，脫硫廢水含有許多的有毒成分，假如這些有毒成分不以約束的排泄，會徑直破壞整個生態圈，其中硒更會對水源與土壤造成永久性損害，隨著時間的遷移，就會使整個生態圈受到顯著的影響，甚至會影響人類身體健康。

2 燃煤電廠煙氣凈化處理現狀

燃煤電廠對大氣污染的過程主要通過以下兩種途徑：一是燃煤電廠通過燃燒大數量的煤炭生成能量的同時，也釋放大量的微量元素，其中部分微量元素含有潛在毒害，并通過降塵遷移到周圍環境中。二是煤炭中的礦物質、有機組分和微量元素會通過燃燒后的產物底渣、飛灰和廢氣進入環境中。

燃煤電廠的煙氣凈化主要劃分成脫硝、除塵和脫硫三類階段，如圖1所示。

圖1 燃煤電廠煙氣凈化系統

步驟一，脫硝。煙氣脫硝技術包括減少NOx的產生以及高效煙氣脫硝兩種方法，通過這兩種方法來達到減少鍋爐煙氣NOx排泄含量的目的。減少NOx產生大部分是利用低氮燃燒工藝，高效煙氣脫硝能夠被劃分成選擇性催化還原工藝以及選擇性非催化還原工藝[3]。控制具有揮發性的氮變成NOx是低氮燃燒技術的重要作用，其主要方法不僅包括創建初期點火，還利用操控O2含量的燃料/空氣分段燃燒技術。利用在爐上不一樣的位置安裝緊湊燃盡風以及分離燃盡風的低NOx燃燒工藝。

把爐膛劃分為三類各自分離的部位：初始燃燒區，NOx還原區以及燃料燃盡區。其中，有以下幾個影響因子約束著每個空間的過量空氣系數：總的分級燃燒風量，緊湊燃盡風、分離燃盡風風量的分配和總的過量空氣系數。深化所有空間的過量空氣系數，是這類空氣分級方法的前衛之處，其不僅能夠高效的降低NOx排放，并且能夠盡可能地增加燃燒效率。選擇性催化還原工藝（SCR）定義為在催化劑的促進下，根據還原劑（例如NH3、尿素等）的挑選并與氣體中的N化反應，最后產生出無害清潔的N2與H2O。

在SCR工藝中，催化劑的消費一般是SCR系統初期投資的40%上下，催化劑使用時間的長短會大幅度的作用在其運作本錢，因此選擇性非催化還原法脫硝技術則避過了這個缺點而產生了。選擇性非催化還原工藝（SNCR），一類不需要催化劑的工藝，其可以在850～1100℃溫度范疇之間還原NOx，還原劑普遍是氨或者尿素。溫度對SNCR還原NO的反應極其重要，因此抉擇合適的噴入點，即溫度窗口的抉擇，是決定SNCR還原NO成果好壞的重中之重。

步驟二，除塵。最近在大型火電機組工程中采用最普遍的是隱塵器型，若根據收塵工作機理來區分，主要是兩個：靜電除塵器以及袋式除塵器。靜電除塵器主要是利用氣體電離，使固體粒子帶電，由于電場的存在，使得粒子運動到收塵板上，因此被收塵板采集，通過較好的清掃方法（比如拍打），粉塵進入灰斗。然而，布袋除塵器的除塵原理與電除塵器截然有異，其過濾除塵的一個特點就是不需要外部能量的驅使，而且可以高效率、穩固地保持出口處的排放含量低。布袋除塵器具體包括清灰室、濾袋、清灰系統以及控制系統。其機理是利用過濾物質采用阻截的方式將氣體中的顆粒阻截，由此，被阻截的顆粒在過濾物質上面匯集，變成又穩固又緊密的過濾設施，而后清灰系統會擠壓空氣，利用此動力反過來使濾袋產生形狀改變，從而脫落下匯集在該設施上的灰，脫落后的灰由于重力作用，進入灰斗[4]。

濕式電除塵器與干式電除塵器有著一樣的工作機理，都是會經過荷電、收塵以及清灰這幾個步驟。由于設置高的直流電壓，使得放電線把四周的氣體電解分離，讓小固體粒子帶電，然后其因為電場力的影響會向一極移動，同時匯集在收塵極板上，清理灰塵的方法一般是將水噴灑在板上部，通過重力作用向下運動，在其上產生一層勻稱穩固的膜，而這膜含水，能夠把板上的細小顆粒物清除，當然還有根據匯集的霧滴產生自留來達到清灰的目的。

步驟三，脫硫。在研究中最普遍的脫硫技術是低液氣比B&W濕法脫硫技術。此項技術的基本機理是氣體動力學，將合金帶孔托盤安裝在吸收塔內部，這能夠有利于內部氣體速度的分布，降低局部煙速過高的現象產生，避免降低脫硫效率；同時，該托盤能夠維持特定高的液膜，由此能夠延長氣體在其內部的停滯時長，促進三相接觸完全，使該傳質過程能夠高效率完成，顯著的減少液氣比，明顯地增加吸收劑的利用效率，由此能夠滿足氣體凈化的目標。

若想要增加設置托盤裝置，則需要加大吸收塔的高度。最初，含硫煙氣通過管道運輸至回旋式的煙氣加熱器中，將自身附帶的高溫輻射于來自脫硫塔的進化煙氣之中，使得自身溫度得到下降，進而從脫硫塔的低端進入到脫硫塔之中，而后向上流動。脫硫液則經過底部的泵壓至上端脫硫塔的各個噴口處，通過液體壓強的作用，與脫硫塔中含有的含硫氣體結合，形成液態廢水流至脫硫塔廢液處理出口。再經過對廢液的進一步分離處理，和脫硫塔中廢液的多次回收利用再噴淋，使得脫硫塔之中含有的脫硫氣體得到充分吸收，最后對含硫廢水進行凈化處理，即可完成脫硫操作。

在這過程中，對于脫硫液的把控和脫硫后所帶出的廢水的含硫量的管控，多依靠人力監督，而如果設置定量或者定時變速的方法，也很難做到對于時間、脫硫液等資源的利用以及無法保障含硫煙氣是否達到排放標準。因此，對于脫硫過程中的智慧型管控系統的處理，要值得關注。

3 脫硫的智慧化構建

3.1 傳統脫硫工作中的問題展現

在燃煤電廠進行生產作業時，煤炭燃燒的有效程度決定了電廠的能源運用的效率，同時也決定了煤炭在燃燒過程中所產生的煙氣的大小及有害程度和燃燒放熱率的多少，這些都關乎燃煤電廠在整個生產過程中的效益性。而這些操作的把控都離開長期以來堅守在一線崗位上的熟料的員工，一線員工對于用煤量和相關操作機器的把控直接性決定電廠后續的一系列項目。因此，建立一套行之有效的能夠代替日常的專家的經驗管理水平操作機器，便成為眾多需要對廢氣進行除硫的工廠的需求。

傳統的生產中，存在有追求短期經濟效益的狀況，且當時的技術水平有限，對于智能的自動化高昂的費用一般很少有廠家引入，大部分都依賴于PLC（可編程邏輯控制器）和DCS（分散控制系統）等半自動化系統。而PLC和DCS在自動控制方面很難做到不依賴操作人員，其在操作過程中還是會通過大量的需要經驗人員的操作，而在長期的人員作業情況下，就難免產生疲憊而造成有失誤的情況，使得線上的脫硫工藝在長期的運行操作過程中會難免紕漏，影響到排放標準的達成以及正常的操作和生產。

在整個脫硫煙氣排放處理過程中，對于操作人員技術水平的要求相對較高，如對PLC和DCS系統的掌控能力需要較大，而從整體上看，作為發電站的員工來說，對這部分的認知程度總體是偏低的，也就造就了對于人才缺乏所造成的困擾。

3.2 脫硫問題的智慧化處理

3.2.1 智慧煙氣脫硫處理

為應對在因燃煤所產生廢氣的處理上需要依靠大量操作經驗而影響到工廠的長期運行上，通過采取新型的AI智慧管控系統，能較好地解決在這方面給燃煤電廠所帶來的困擾。其會通過對數據的收集感知來進行模型的構建，從而進行無人化的自動管控，人員真正參與的知識設備的監督工作，而脫離了真正的一線。在煙氣的脫硫過程中也較以往的更具檢查力度，能直接從源頭煤炭的燃燒情況便能做出下一步管控。主要的運行步驟包括以下幾步：

一是采集相關數據信息。通過在各個設備的銜接處及煤炭燃燒、脫銷、除塵、脫硫和后續的排氣監察等重要信息采集處做出合理的定位定時收集，對這些數據進行相當長時間的記錄和推演，為AI算法奠定良好的數據基礎。

二是選定關鍵數據。通過對前期數據的收集和整理，通過AI數據分析，配合專業人士找出實際影響到煙氣排放中硫含量的關鍵參數，在得到關鍵的數據之后，便可將數據輸入進AI管控的算法平臺，進行多次的算法演練，實時展現煙氣處理及煤炭燃燒放電的數據情況。通過對每次預演的數據，構建出數據處理與分析的基本模型。

三是通過算法模型來進行實時的結果分析，通過智能終端接口，可進行與工業機器人的參數聯通，給出合理化的指令，對各個部分的決策做出指導性的意見。如需人為進行的操作，也可最直接通過顯示器顯示出來。

四是整個算法模型自動化運行，通過與電廠燃煤系統的連接，實現實時的操作運行。通過對于燃煤階段及煙氣的脫硫處理自動化，降低人的參與度，將人員的工作從實際一線的操作轉變至對自動化流程的定時監督上。

為應對燃煤電廠的廢氣排放標準化的提高，在以上的數據模型構建中同時也加入了對于煙氣中硫化物，尤其是SO2和SO3的檢測從以往的工人檢測方面提升至互聯網技術感知。通過對排放漿液的pH值實時性監控，持續有效地使遠在別處的管理者和監督者得到及時性的信息。一旦pH至超過閾值，管控系統便會自動地警告，有選擇性地及時調整燃煤前端端口的投入數據或通過自動的尾氣再處理來進行達標后排放。遇到指標超出設定的合理區間時，便可自動關閉生產的流程線路上影響到煙氣排放的非必要性流程，進而再轉接至操作管理人員，極大地為保障環境治理和節省人力資源做出了極大的益處。

同時，通過以上的四個步驟有針對性地對電廠燃煤的情況及后續煙氣中脫硫的管控，實現由人員的高度化參與到現在的人員定時監督機器，總體流程交由AI管控，既減少了總體的運行成本，還不用承擔來自工廠內人員流失的危機，使得工廠的總體運行風險得到有效降低。且這套系統還附帶有及時的反饋系統，一旦出現與總體大數據不符的情況，便會及時發出報告，提前性告知相關操作人員，保障生產過程的規范性和高效性。

此管控工藝不僅對于燃煤電廠有很好的管控作用，對于需要進行脫硫處理的鋼鐵企業來說同樣受益。鋼鐵脫硫并不像在燃煤電廠中屬于末端的處理環節，其是位于鋼鐵制作過程中的核心環節。鋼鐵的整個質量一定程度上也就在于硫的脫除程度，因為硫化物的存在會影響到鋼鐵的韌性。而一味地投入除硫劑，一旦過量，也會影響到出鋼的質量，這對于AI智能管控系統的要求便更高。而通過智能的AI管控系統，就能更好地做到開源節流的目的。

一是收集數據，構建模型。同樣的對于關鍵流程部位的數據監督和分析，特別是對于脫硫過程中脫硫量及比例的數據方向上的處理，盡可能做到數據的多元性和可靠性。二是模型的檢測。對于構建好的模型進行初步試運行，通過多試實驗的回收分析，不斷調試出合理的符合預期的模型，再在眾多符合預期的模型中尋求最小化的脫硫劑的投入方案。三是數據輸出。通過對于模型的合理構建，在實際的脫硫過程中，給出操作機器人或者相關的操作人員合理地除硫數據及脫硫劑的投入比例。

3.2.2 智慧漿液PH改善

脫硫廢水主要是鍋爐煙氣濕法脫硫（石灰石/石膏法）過程中，為了維持脫硫裝置漿液循環系統物質的平衡，防止煙氣中可溶部分即氯濃度超過規定值和保證石膏質量，從吸收塔系統中排放的廢水。一般來自石膏脫水和清洗系統，或是水力旋流器的溢流水及皮帶過濾機的濾液。在濕法煙氣脫硫中所產生的脫硫廢水，pH酸堿度多呈弱酸性，同時含有大量的懸浮物（石膏顆粒、二氧化硅、鋁和鐵的氫氧化物）、氟化物和微量的重金屬。如砷、鎘、鉻、汞等，直接排放將對環境造成嚴重污染。

AI智能管控便在這個方面做出了很好的貢獻。AI智能管控系統通過對所排出的漿液的pH值進行排放前的測定，將漿液pH值實時的反饋給主機的管理系統。若pH值過低，呈現出較強的酸性，AI智能管控系統就會從兩方面進行相應的調整。一是對吸收塔中的煙氣進行再次監測，加大對吸收塔中除硫劑的投入；二是根據所排出漿液PH值的大小，整合脫硫設備運行歷史運行數據，包括石灰石漿液泵運行情況、石膏漿液pH值、氧化風機功率、機組負荷、入口硫分來建立數據驅動AI模型，動態規劃不同工況下石膏漿液pH值偏離閾值時的石灰石漿液泵啟停方案，在保障生態環境的前提下，再進行漿液的供給，達到人與自然之間和諧共處的真實理念。

如何讓工廠整體實現自動化的運行操作一直以來都是社會和國家關注的發展重大問題。同時針對燃煤電廠的環境治理問題，在廢煙廢氣的處理上如何做到高效的附帶有解決現行燃煤電廠問題的方案也是人們關注的重點。通過基于大數據分析和處理的智能AI管控系統的建設，便能為燃煤電廠在現行的環境治理上的高壓態勢帶去高效的求解方案。其突破于對傳統的人力資源的相對依賴，只需要在相應的模型構建以后，對于特殊情況的處理上以及人員對于AI管理體系的監督上做出投入便可持續性健康運行，對于工業現代化的促進整體起到了積極的作用。