由于環(huán)保要求日益嚴(yán)格，燃煤電廠煙氣脫硫工作引起了廣泛關(guān)注。石灰石石膏濕法脫硫(WFGD)工藝由于具有脫硫劑原料廉價(jià)易得、脫硫效率高、技術(shù)成熟、運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)，已成為我國燃煤電廠煙氣脫硫的首選工藝。

在WFGD系統(tǒng)中，由于現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)與設(shè)計(jì)工況的偏差，往往會(huì)產(chǎn)生各種不正?，F(xiàn)象和問題。本文對(duì)某電廠脫硫吸收塔廢水坑漿液溢流和除霧器堵塞等現(xiàn)象發(fā)生的原因，以及運(yùn)行操作需要注意的問題進(jìn)行了分析與探討。

脫硫系統(tǒng)概述

某電廠脫硫系統(tǒng)采用WFGD工藝。此法將破碎研磨的粉狀石灰石與水混合，攪拌制成脫硫吸收漿液；其在吸收塔內(nèi)與煙氣充分接觸混合，漿液中的CaCO₃與煙氣中的SO₂以及鼓入的氧化空氣進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，生成脫硫石膏CaSO₄.2H₂O；石膏經(jīng)脫水裝置脫水后回收，SO₂由此被脫除。具體化學(xué)反應(yīng)原理如下：

該電廠#1機(jī)組為350MW的國產(chǎn)超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，一爐一塔，未設(shè)置煙氣換熱器(GGH)。SO₂原設(shè)計(jì)排放濃度為168mg/m³，脫硫效率不小于95%。脫硫島主要由煙氣系統(tǒng)、吸收塔系統(tǒng)、石灰石漿液制備系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)、石膏脫水系統(tǒng)、工藝沖洗水系統(tǒng)等組成，如圖1所示。

圖1  #1機(jī)組脫硫島運(yùn)行系統(tǒng)

吸收塔設(shè)計(jì)為噴淋塔式，高31.25m，直徑12m，設(shè)計(jì)液位9.7m，實(shí)際運(yùn)行中的漿池容積為1100m³。設(shè)置2臺(tái)氧化風(fēng)機(jī)，分別向吸收塔供應(yīng)氧化空氣，運(yùn)行方式為一運(yùn)一備。塔內(nèi)漿液循環(huán)功能由3臺(tái)漿液循環(huán)泵和3個(gè)噴淋層實(shí)現(xiàn)，噴淋層每層間隔2m，噴嘴采用單向單頭式，噴淋層上方為單級(jí)平板式除霧器。石膏漿液密度儀表安裝在吸收塔底部石膏排出泵的出口管道上，運(yùn)行中根據(jù)該儀表密度值的高低自動(dòng)控制石膏漿液的排放，即密度值低于設(shè)定值(一般為1130~1140kg/m³)時(shí)，石膏旋流分離器雙向分配器轉(zhuǎn)換到吸收塔，漿液在塔內(nèi)繼續(xù)循環(huán)，吸收SO₂；一旦密度超過設(shè)定的最大值，雙向分配器轉(zhuǎn)換到排出泵出口管道，開始排放石膏，并運(yùn)至石膏旋流器。

石膏漿液脫水系統(tǒng)主要分為2級(jí)，一級(jí)系統(tǒng)包括2臺(tái)石膏排漿泵運(yùn)行和1套石膏旋流器(包含5個(gè)旋流子)，運(yùn)行方式分別為一運(yùn)一備和四運(yùn)一備；經(jīng)一級(jí)系統(tǒng)脫水后的石膏漿液固含量約50%，再送入公用的二級(jí)脫水裝置，真空皮帶脫水機(jī)處理至固含量達(dá)到90%左右，貯存于石膏倉庫間。

脫硫后的凈煙氣腐蝕性有所降低，但其濕度增大、溫度下降；由于系統(tǒng)不設(shè)GGH，導(dǎo)致進(jìn)入凈煙道的煙氣溫度低于硫酸蒸氣的露點(diǎn)溫度，造成其夾帶的少量水蒸氣和SO₃，在流經(jīng)煙道和煙囪過程中遇冷形成酸性冷凝水。冷凝水通過煙道及煙囪上安裝的冷凝水管回收至#1廢水坑，由地坑排水泵輸送至脫硫吸收塔。脫硫煙道冷凝水收集及處理路線如圖2所示。凈煙氣原煙氣地坑排水泵#1吸收塔#1廢水坑出口凈煙道冷凝水管煙囪為冷凝水管道。

圖2  脫硫煙道冷凝水收集及處理路線

事故及原因分析

3月1日18:00事故發(fā)生時(shí)，某電廠脫硫系統(tǒng)處于運(yùn)行狀態(tài)，大量漿液從#1吸收塔出口凈煙道冷凝水管流出，導(dǎo)致#1廢水坑滿坑，大量漿液溢流至#1吸收塔周圍地面，污染了環(huán)境。同時(shí)，發(fā)現(xiàn)脫水機(jī)脫水困難，產(chǎn)出的石膏含水率為23.6%，超過了驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)(12%)，品質(zhì)不合格，如圖3所示。

圖3  含水率不合格和合格的石膏

停機(jī)檢修時(shí)，發(fā)現(xiàn)除霧器葉片堵塞嚴(yán)重，如圖4所示。

圖4  #1吸收塔內(nèi)除霧器葉片堵塞

從表1數(shù)據(jù)分析，自2月21日以來，進(jìn)入鍋爐的燃煤平均含硫量在1.4%以上，鍋爐平均負(fù)荷在80%以上；由于燃煤發(fā)熱量降低，相對(duì)燃用煤量增大，煙氣量也隨之增大，加上原煤中含硫量較高，造成進(jìn)入#1吸收塔需要處理的SO₂總量增加。

因此，需要處理的煙氣量和SO₂濃度均超過原設(shè)計(jì)值，吸收塔負(fù)荷較高，可能引起空塔流速激增。根據(jù)空塔流速計(jì)算公式：

  （1）

式中：V為煙氣的空塔流速，m/s；Q為塔內(nèi)原煙氣流量，m³/s；A為吸收塔橫截面，m²；R為吸收塔橫截面半徑，m。

事故出現(xiàn)時(shí)，Q為5.14x10⁸m³/s，R為6m，可計(jì)算得知V=4.55m/s，遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)時(shí)的流速3.8m/s。

吸收塔設(shè)計(jì)流速一般為3.4~4.0m/s，在此區(qū)間內(nèi)比較適合氣液逆流混合?？账魉偬?，造成煙氣和脫硫吸收漿液接觸反應(yīng)時(shí)間短，出現(xiàn)煙氣短路現(xiàn)象，導(dǎo)致脫硫效率達(dá)不到95%的設(shè)計(jì)要求。此外，除霧器設(shè)計(jì)流速略高于吸收塔設(shè)計(jì)流速，若空塔內(nèi)煙氣流速過高，煙氣通過除霧器的流速更高，超過其設(shè)計(jì)流速，導(dǎo)致除霧器不能有效去除煙氣攜帶的漿液顆粒，同時(shí)除霧器葉片被部分破壞、失效，煙氣夾帶大量石膏漿液進(jìn)入凈煙道，并流至煙道冷凝水排放管。

脫硫系統(tǒng)超低排放改造中，該電廠已經(jīng)完成了吸收塔的原地重建，將其直徑擴(kuò)大到13.1m，當(dāng)Q不變時(shí)，可根據(jù)式(1)得到改造后的V=3.8m/s，符合設(shè)計(jì)流速。

表1  事故發(fā)生前某電廠#1機(jī)組運(yùn)行參數(shù)

WFGD的實(shí)際運(yùn)行工況表明，在其他基本參數(shù)穩(wěn)定的情況下，增加石灰石漿液量，即升高漿液pH值，可在一定程度上提高脫硫效率。由于需要處理的SO₂總量增多，為保證SO₂排放濃度達(dá)到原設(shè)計(jì)值(≤168mg/m³)，吸收塔控制pH值較高，在5.7~6.0之間。但是SO₃^2-氧化的最佳pH為4.5~4.7，如圖5所示；當(dāng)pH值為5.7~6.0時(shí)，塔內(nèi)的氧化效率明顯降低。為保證石膏氧化效果，電廠啟動(dòng)了備用氧化風(fēng)機(jī)，保持2臺(tái)氧化風(fēng)機(jī)運(yùn)行，但其設(shè)計(jì)裕量無法滿足系統(tǒng)要求，導(dǎo)致石膏漿液中的亞硫酸鹽超標(biāo)，無法形成較大顆粒的石膏晶體，因此部分小粒徑石膏晶體容易被煙氣攜帶進(jìn)入冷凝水管。

圖5  pH對(duì)SO₃^2-氧化速率的影響

同時(shí)，石膏漿液中CaSO₃含量過高易結(jié)晶析出CaSO₃ 1/2H₂O，該晶體呈針狀，其黏性較高，粒徑偏小，密度大。當(dāng)該針狀晶體含量過高時(shí)，會(huì)造成漿液黏稠、密度偏大，不利于石膏脫水。此外，大量CaSO₃漿液顆粒被煙氣攜帶，沾在除霧器葉片表面，正常沖洗程序無法去除，長時(shí)間運(yùn)行會(huì)造成除霧器堵塞。

吸收塔內(nèi)漿液的密度直觀反映塔內(nèi)CaSO₄.2H₂O，CaCO₃，CaSO₃.1/2H₂O等固體物質(zhì)的濃度大??；在不同密度下，塔內(nèi)漿液的成分是不同的。通過化驗(yàn)可知，當(dāng)密度大于1150kg/m³時(shí)，漿液中CaCO₃和CaSO₄.2H₂O的濃度已趨于飽和，常溫下CaCO₃溶解度為0.0013g/100mL，溶解度小于0.01g，屬于難溶物質(zhì)，CaSO₄.2H₂O溶解度為0.241g/100mL，所以在過飽和狀態(tài)下，密度值升高，說明漿液中的石膏固體含量隨之增加。事故發(fā)生前一個(gè)小時(shí)，回流水箱出口母管穿孔泄漏，石膏脫水系統(tǒng)停運(yùn)檢修4h，直接造成塔內(nèi)漿液密度高達(dá)1217kg/m³；含大量CaSO₃和CaSO₄的高密度漿液被循環(huán)泵運(yùn)至塔內(nèi)噴淋層，吸收SO2效率降低，與煙氣接觸時(shí)極易被攜帶，為除霧器的堵塞和石膏漿液的溢出提供了條件。此后，脫水系統(tǒng)恢復(fù)運(yùn)轉(zhuǎn)，石膏旋流器的5個(gè)旋流子全開，仍然出力不足，根本無法有效、快速降低塔內(nèi)漿液密度。

控制對(duì)策

綜上所述，分析事故現(xiàn)象、原因之間的聯(lián)系，如圖6所示；通過脫硫系統(tǒng)的超低排放改造和運(yùn)行參數(shù)控制，防止了事故的再次發(fā)生。

圖6  事故現(xiàn)象、原因及控制措施聯(lián)系圖

（1）增設(shè)噴淋層和改用單向雙頭式噴嘴

在WFGD工藝中，噴淋空塔的噴淋層設(shè)計(jì)一般不少于3層，交錯(cuò)布置。改造后，塔內(nèi)增設(shè)2層噴淋層(共5層)，塔高相應(yīng)至少增加4m，塔重建高度為42.5m。最下一層噴淋層距吸收塔入口煙道上沿大于3m；噴淋層之間距離為2m，這可使噴淋層噴出的漿液有效地接觸進(jìn)入吸收塔的煙氣，增加氣液接觸時(shí)間。頂層噴淋層距離除霧器底部大于2m，較大距離可促進(jìn)細(xì)小霧滴聚集成大顆粒，更易通過重力沉降返回漿液池。

圖7  單向單頭式和單向雙頭式噴嘴

同時(shí)，噴嘴由單向單頭式改用單向雙頭式，如圖7所示；相同的噴嘴流量以及工作壓力下，雙頭噴嘴的每個(gè)霧化噴射腔體需要霧化的漿液流量只是標(biāo)準(zhǔn)噴嘴的一半，因此也具有更小的霧化腔體，可獲得更小的漿液霧滴顆粒平均直徑Sautermeandiameter，SMD值)，為接下來的SO₂吸收反應(yīng)提供了有利條件。該電廠#1機(jī)組噴淋系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中噴嘴壓力設(shè)置為80kPa，得到霧滴的SMD值為2000μm。霧滴離開噴嘴后，在周圍空氣流動(dòng)作用下，發(fā)生二次霧化，雙頭噴嘴能夠密集提升漿液噴淋層的二次霧化效果，在二次霧化過程中，包裹在原液滴表面的殼體被打破，內(nèi)部漿液會(huì)轉(zhuǎn)移到新的液滴表面，能夠繼續(xù)與煙氣反應(yīng)吸收SO₂，最大限度地提升霧化液滴的反應(yīng)效率。

（2）增設(shè)不銹鋼托盤

根據(jù)美國巴布科克 威爾科克斯公司(B＆W)的托盤專利技術(shù)，在噴淋層下方設(shè)置一不銹鋼托盤，托盤是帶有小孔的格柵，如圖8所示，使?jié){液停留時(shí)間大于4.3min，符合WFGD工藝對(duì)于漿液循環(huán)停留時(shí)間在3.5min以上的要求。煙氣由吸收塔入口進(jìn)入，形成一個(gè)渦流區(qū)；漿液從噴淋層噴射下來，通過合金托盤后的煙氣向上流速降低，兩者在托盤上摻混，形成泡沫層，泡沫層大大增加了氣液接觸界面，對(duì)SO₂具有良好的吸收能力。同時(shí)，泡沫層使煙氣在吸收塔內(nèi)的停留時(shí)間增加，氣液充分接觸，強(qiáng)化了氣液傳質(zhì)，從而有效降低了液氣比，使煙氣中的液滴攜帶量減少，減輕了除霧器的處理負(fù)荷，提高脫硫效率。

圖8  噴淋層下方的合金托盤

（3）塔壁設(shè)增效環(huán)

塔壁設(shè)增效環(huán)，主要目的是防止煙氣短路。SO₂濃度在吸收塔截面上的變化是兩邊高，中間低，靠近吸收塔中心位置的漿液噴淋密度比吸收塔內(nèi)壁位置的要高得多；同時(shí)，有部分漿液噴到吸收塔內(nèi)壁，其氣液接觸面的傳質(zhì)效果非常差；這部分煙氣沒有經(jīng)過足夠的氣液接觸便離開吸收塔，造成了煙氣沿吸收塔內(nèi)壁的“逃竄”，從而影響了煙氣脫硫效率。布置聚氣環(huán)后，可以強(qiáng)化氣流往中心流動(dòng)，有效避免了煙氣走廊的形成，如圖9所示。

圖9  吸收塔壁的增效環(huán)

（4）改用3級(jí)屋脊高效除霧器

吸收塔上部安裝原裝進(jìn)口的3級(jí)屋脊高效除霧器，如圖10所示。與原單級(jí)平式除霧器比較，屋脊除霧器適用于煙氣流量變化大的場(chǎng)合，排水性能更佳，除霧效率更高；而且每個(gè)單元除霧器之間設(shè)有走道，便于維修和保養(yǎng)。

圖10  屋脊式高效除霧器

（5）增加備用旋流子

在石膏旋流器的備用孔加裝一個(gè)旋流子(改為四用二備)，當(dāng)吸收塔漿液密度居高不下時(shí)，可通過同時(shí)運(yùn)行6個(gè)旋流子，提升石膏產(chǎn)量，有效降低漿液密度。

（1）控制吸收塔pH值和密度

吸收塔漿液的pH值和密度是WFGD系統(tǒng)的重要參數(shù)，直接影響運(yùn)行工況。因此，操作時(shí)運(yùn)行人員應(yīng)嚴(yán)格控制塔內(nèi)pH值在5.4~5.5左右，密度在1130~1140kg/m³之間，保證脫硫系統(tǒng)正常運(yùn)行。同時(shí)，應(yīng)定期通過化學(xué)方法對(duì)在線pH計(jì)、密度計(jì)進(jìn)行校驗(yàn)，并與化驗(yàn)室儀表進(jìn)行比對(duì)。

（2）添加相關(guān)藥劑以提高脫硫效率

當(dāng)出現(xiàn)入口煙氣量和含硫量增幅較大時(shí)，可適當(dāng)通過添加消泡劑加快化學(xué)吸收過程，但應(yīng)緩慢添加并控制添加量；或者添加脫硫增效劑，提高脫硫效率，降低SO₂排放濃度。

（3）提升氧化風(fēng)機(jī)效率

當(dāng)出現(xiàn)入口煙氣量增幅較大時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加氧化風(fēng)機(jī)運(yùn)行臺(tái)數(shù)，保證塔內(nèi)CaSO₃氧化和石膏結(jié)晶的正常進(jìn)行，利于脫水。由于同時(shí)運(yùn)行2臺(tái)氧化風(fēng)機(jī)可能導(dǎo)致其軸承溫度劇烈升高，超過額定溫度80℃，有跳閘風(fēng)險(xiǎn)；可以通過間斷啟動(dòng)備用氧化風(fēng)機(jī)增加空氣量來達(dá)到加強(qiáng)氧化效果。

（4）加強(qiáng)除霧器清洗

當(dāng)入口煙氣量增幅較大時(shí)，應(yīng)提高除霧器的沖洗頻率，減少除霧器葉片表面黏結(jié)CaSO₄.2H₂O和CaSO₃。同時(shí)，需要注意由于沖洗水增加造成的塔內(nèi)水不平衡現(xiàn)象，必要時(shí)可增加廢水排放量。

通過對(duì)某電廠4臺(tái)機(jī)組的超低排放改造，機(jī)組脫硫系統(tǒng)SO₂排放含量控制在35mg/Nm³以下，脫硫效率提高到99.2%；同時(shí)，通過嚴(yán)格控制脫硫系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)，#1吸收塔再?zèng)]發(fā)生除霧器堵塞、漿液溢流等現(xiàn)象。為解決燃煤電廠脫硫系統(tǒng)所出現(xiàn)的復(fù)雜問題提供了參考性經(jīng)驗(yàn)。