火電廠煙氣脫硫控制技術探討*

呂棟騰，雷濤鋒

（1.陜西國防工業職業技術學院，西安 710300；2.大唐西安第二熱電廠，西安 710065）

0 引言

減少并控制SO2的排放與污染，提高環境與空氣質量，是我國社會經濟可持續發展和公民健康的基本保證。對煤燃燒后的煙氣進行脫硫控制，可以有效地降低SO2的排放，減少酸雨形成，保證空氣質量。脫硫工藝技術和脫硫控制技術20世紀60年代在歐美發達國家展開始研究，我國在19世紀70年代就開始了火電廠脫硫技術的研究。隨著SO2排量的增大，煙氣脫硫技術的研究被提上議程，國家在“六五”到“九五”期間投入了大量的人力、物力和財力，取得了一些成果。為了推動國內脫硫控制裝置的研究，我國引進國外技術，同時頒布了相關法律政策，明確了火電廠污染控制的目標。

脫硫工藝和控制技術現階段還有較大的發展空間，其軟件、硬件和子系統需要優化改進的地方也很多。煙氣脫硫的效率受諸多因素影響，其中包括煙氣流量流速、SO2濃度、液氣比、漿液PH、煙氣溫度，同時也受脫硫系統的穩定性影響。脫硫系統的穩定性由脫硫工藝、檢測手段及自動控制模塊決定[1]。自動控制系統的研究和子系統的優化，可以提高系統的穩定性，有效提高控制系統的脫硫效率。

1 脫硫技術概述

各國從脫硫技術的要求出發，已經開發了很多燃煤鍋爐控制SO2排量技術，并應用于工程中。這些技術總結起來分為3種：燃燒前脫硫、燃燒中脫硫和燃燒后脫硫[2]。

1.1 燃燒前脫硫

利用化學、物理或生物方法脫去煤中硫被稱為燃燒前脫硫，但因其工藝成本高，尚未得到廣泛應用。目前工業上多采用洗煤技術，洗煤技術僅能部分去除煤炭中的無機硫，目前無有效的經濟技術可用來去除煤中的無機硫。我國大多使用物理選煤法，利用灰分、清潔煤和黃鐵礦的比例，去除黃鐵礦硫和灰分[3]。

1.2 燃燒中脫硫

在燃燒過程中進行對煤進行脫硫稱為燃燒中脫硫，主要有循環流化床鍋爐燃燒脫硫技術和爐內噴鈣技術。循環流化床鍋爐是在燃燒爐內加入與煤粉同樣細度的石灰石等廉價原料，石灰石受熱分解為多孔的CaO，CaO與SO2反應生成硫酸鹽，從而脫去煤中硫[4]。

1.3 燃燒后脫硫

燃燒后脫硫（Flue Gas Desulfurization，簡稱FGD），是對燃燒后的煙氣進行脫硫，是目前世界應用最廣泛、規模最大的脫硫技術。按照脫硫產物的干濕形態和脫硫過程中是否加水，煙氣脫硫分為干式法、半干式發和濕法。干式法和半干式法的脫硫產物為干粉狀，投入低，工業簡單，但其Ca∕S比低，脫硫效率低。濕法脫硫處理較難，工藝復雜，占地面積和投入大，但其Ca∕S高，脫硫效率高，運行可靠，操作簡單。濕法煙氣脫硫技術主要有海水法、石灰石-石膏法、氨吸收法和雙堿法[5]。

（1）石灰石-石膏法煙氣脫硫法。石灰石-石膏法煙氣脫硫是使用價格低廉的石灰石作為脫硫劑，工藝上將其研磨成細粉與水混合制成吸收漿，吸收漿與煙氣在吸收塔內混合接觸，漿液中的碳酸鈣與煙氣中二氧化硫、空氣混合接觸并發生氧化反應，最終生成二水石膏。脫硫后的煙氣經換熱器加熱升溫后排入空氣，余下的石膏漿經脫水處理后回收并循環利用。目前石灰-石膏法煙氣脫硫法的脫硫效率可達到95%。

（2）海水煙氣脫硫法。海水煙氣脫硫法是利用海水中的堿度脫去煙氣中的二氧化硫，凈化后的煙氣經除霧劑除霧、煙氣換熱器加熱后排放到空氣中。吸收的海水經曝氣池處理，并使海水的PH值調整達到標準后排入大海中[6]。

（3）氨吸收煙氣脫硫法。氨吸收煙氣脫硫技術是以氨水為脫硫劑，在煙氣洗滌器中，氨水從塔頂噴灑吸收煙氣中的SO2，煙氣經液滴分離器后進入脫硫洗滌器，進一步脫去煙氣中的SO2。洗滌中得到的硫酸鹽溶液可以進一步處理作為液體氮肥處理，也可以濃縮蒸發干燥加工成顆粒。

（4）雙堿煙氣脫硫法。雙堿煙氣脫硫法是先用堿金屬溶液吸收SO2，然后在其他反應器中用石灰將吸收SO2后的溶液再生，將吸收液循環使用，最終產物為亞硫酸鈣和石膏。該法克服了石灰-石膏法容易結垢的缺點，但其反應過程中需要不斷加入金屬鹽，而且石灰置換速率慢，石膏質量低[7]。

2 火電廠脫硫控制系統研究現狀

現階段控制火電廠煙氣脫硫裝置的系統主要有3種：可編程邏輯控制（Programmable Logic Controller，PLC）、現場總線控制系統（Fieldbus Control System，FCS）、分布式控制系統（Distributed Control System，DCS）[8]。

其中，PLC被廣泛應用在過程控制中，是過程中的關鍵控制設備。工程師可根據工程需要在PLC中完成相應的編程，從而實現所需要的邏輯運算、控制順序、數據的存儲顯示功能，PLC同時還可實現DA輸出及AD采集，以實現對現場儀表的檢測及機械設備的控制。PLC具有多項優點，如可靠性高、易編程、擴展性好等，因此在一些順序控制及開關量控制中得到青睞[9]。

FCS是將現場全部的儀表設備和控制器通過現場總線聯結組成的系統[10]。FCS系統中的現場各部分是完成分散的，同時可實現互相操作，它是一種開放式的分布式系統；DCS系統是指分散控制，集中管理，在每個現場子站都有控制器和采集器，系統運行的信息再通過現場總線送入操作站和工程師站，以完成對系統運行的總體管理和顯示。由于DCS系統的優點，多被用于大型工業生產過程中。PLC、FCS及DCS都分別有各自的優勢，并隨著工業的發展及社會的需求，三者趨向于相互融合、滲透。在脫硫系統中運用三者的優點勢必會更加完善其功能、提高可靠性和實用性。

3 火電廠石膏濕法脫硫原理和脫硫系統運行調整

3.1 石膏濕法煙氣脫硫原理

石膏濕法工藝中需要用吸收劑對煙氣中的二氧化硫進行吸取，一般將石灰石用作吸收劑。該工藝的工作流程為：首先將石灰石制備成顆粒狀，通過研磨機制成細粉，并混入水攪拌為漿液狀，形成吸收劑；然后通過運輸設備將吸收劑送入吸收塔內，在吸收塔中吸收劑與原煙氣充分混合發生化學反應，化學反應的產物為硫酸鈣，硫酸鈣不斷積累直到飽和，會變為二水石膏；最后，使用設備將二水石膏取出，并通過濃縮、脫水工序將其制備成含水量小于一成的石膏，并將石膏產物運輸到石膏倉庫中儲存，以便回收利用[11]。使用除霧器將吸收塔內通過脫硫后的煙氣除去霧滴，再經煙囪排入到大氣中。

首先使用設備把石灰石破碎為顆粒狀，并使用篩選機過濾出直徑過大的石灰石顆粒，再用工藝水沖洗篩選后的石灰石，通過工藝水的沖洗可除去多數氟化物、可溶性氯化物和一些水溶性雜質，之后使用烘干機烘干后運輸到石灰石料倉。將經過初次處理后的石灰石碎料稱重并輸送至球磨機中進行研磨，研磨后的石灰石粉末被輸送到選粉機中，選粉機可實現石灰石粉的篩選，并通過氣箱脈沖袋式收塵器將合格的粉末送入石灰石粉倉，同時將不合格的粉末送入到粉磨機進行再次研磨。石灰石粉倉的粉會被送入到石灰石漿液池，通過注入的工藝水來調節石灰石漿液的密度。達到標準密度的石灰石漿液通過輸送泵被運至吸收塔下部的漿液槽。脫硫塔中的系統會根據煙氣負荷、煙氣入口的二氧化硫濃度及混合液的PH值，綜合控制從漿液槽吸入的石灰石漿液量。

燃燒煤后煙氣中的二氧化硫通過吸收系統來實現吸收。吸收系統中包含吸收劑制備系統、吸收塔、石膏漿液系統及煙氣系統。其中的吸收劑制備系統將石灰石漿液制成符合標準的吸收劑，并送入吸收塔的噴淋層，同時吸收塔內部的循環系統會將可重復利用的漿液送至噴淋層。噴淋層分組設置在吸收塔的上流區，由漿液分布管道和噴嘴組成，每層噴淋組件都均勻布置在吸收塔上部的橫截面中。二氧化硫的吸收劑以極小的霧滴從噴嘴中噴出，與從塔中部進入的煙氣逆流混合，煙氣中的二氧化硫與吸收劑發生化學反應生成結晶后沉降在吸收塔的底部。在化學反應中需要的氧氣由鼓風機吹入的空氣中獲得，噴管式空氣管道被按次序布置，帶有氧氣的空氣從管道中輸入到帶有壓力側的攪拌槳葉，攪拌機攪動會將空氣分散成較細小的氣泡。經過脫硫后的煙氣通過除霧器除去殘余的漿液霧滴，依次經過煙道、擋板及煙囪排放到大氣中[12]。

3.2 石膏濕法煙氣脫硫系統運行的調整

（1）石灰石品質調整。如果石灰中含水量超過10%，需要立刻調節脫水機的轉速和供給漿液量，以確保石膏厚度及脫水機真空度在標準內。當石膏中的粉塵含量超過標準，則當減少原煙氣中粉塵含量。若石灰石漿液粒徑過粗，應調整該細度在合格范圍。如果石膏中硫酸鈣的含量超過標準，應立刻調節漿液的供給量，同時調整氧化空氣量和PH值，來確保硫酸鈣在氧化池中被充分氧化。若石灰石原料中的雜質含量超過標準，則應確保石灰石原料的質量[13]。

（2）制漿系統的調整。在制備石灰石漿液時，需要制漿系統的調整，來確保石灰石漿液的質量達標，使脫硫裝置在高效制漿下安全、經濟運行。影響制漿系統效率的因素主要為石灰石給料量、原料半徑、球磨機的供水量、鋼球大小與數量配比、運行的旋流器數量、原料磨性系數及分離機效率[14]。

制漿系統運行過程中要求嚴格控制進入球磨機濾液量比例及石灰石供給量，若石灰石細度低于標準，應該減小細度調節閥門開度，反之增大細度調節閥門開度。制漿系統在運行時要調節的項目為：當球磨機電流太小，說明負載過低，需要立刻補充鋼球；稱重皮帶給料機轉速，以確保球磨機內連續、均勻、適量地供給原料；為了防止漿液箱溢流，需要實時地控制漿液箱液位；保證石灰石漿液在合格范圍內，若漿液濃度小，則不能保證脫硫要求，若漿液濃度太大，則會降低石膏純度，影響石膏的循環使用。系統工作正常時，可通過石灰石漿液濃度、漿液PH值、煙道出口的二氧化硫濃度來綜合控制石灰石漿液的供給量。若石灰石漿液濃度低、漿液PH值低及二氧化硫濃度高時，都可加大石灰石漿液的供給量。

（3）吸收塔漿液濃度調整。脫硫裝置的正常工作離不開吸收塔漿液濃度的調節，若漿液的濃度調節不適當，則會加快泵與管道的磨損、堵塞及結垢，嚴重時會造成轉動設施的過負荷運轉。若吸收塔漿液濃度低于標準值，可依據實際狀況降低除霧器沖水量、吸收塔入水量，并降低石膏漿液的出流，如果漿液濃度持續減小，則需要將石膏漿液泵和脫水機停止轉動，并將石膏排出泵出口門關閉，同時增加漿液的循環次數。如果吸收塔的漿液濃度高于標準，則將石膏漿液的出流量加大，同時視實際狀況加大吸收塔的補水量。

（4）吸收塔的液位調整。系統工作正常時，除霧器沖洗程序自動實現吸收塔液位的調整。若吸收塔漿液的液位偏高，需要檢查排漿管路閥門是否正常打開，并將除霧器沖洗水門關閉，視情況提高石膏漿液的出流量，如果需要，則打開吸收塔底部的排漿閥，直到漿液的液位回到正常位置。若漿液的液位偏低，需要檢查濾液返回水和除霧器沖洗水的管路正常，并降低石膏排出泵轉速[15]。

4 結束語

以火電廠煙氣脫硫控制系統為研究對象，通過對石灰石-石膏濕法煙氣脫硫的工藝及分布式控制系統的原理結構分析，研究了煙氣脫硫的控制系統。對煙氣脫硫系統運行時可調整的相關技術指標如石灰石品質、制漿系統、吸收塔漿液濃度、吸收塔液位進行了分析和優化處理，提高了脫硫效率和系統穩定性，并降低了能耗。石灰石-石膏濕法脫硫控制技術在我國研究時間較短，脫硫工藝和控制技術還有很大的發展空間。優化并改進傳統脫硫控制系統，能提高控制系統的穩定性和脫硫效率，有效提高火電廠的環保技術指標，減少企業的生產成本，具有重要的經濟意義和社會意義。