煙氣濕法脫硫石膏脫水系統的優化改進及應用

劉凱輝，劉黎偉，聶海濤

(大唐環境產業集團股份有限公司三門峽項目部，河南 三門峽 472000)

煙氣濕法脫硫石膏脫水系統的優化改進及應用

劉凱輝，劉黎偉，聶海濤

(大唐環境產業集團股份有限公司三門峽項目部，河南 三門峽 472000)

石膏脫水系統在保證濕法脫硫系統的穩定運行中發揮著重要作用，尤其在維持吸收塔漿液品質、物料平衡以及副產品的綜合利用方面。文章介紹了石膏脫水系統基本流程及常見故障分析，著重闡述了三門峽華陽火電廠1 000 MW機組在濕法脫硫石膏脫水系統領域做的優化布置及改進應用，本次優化改進技術對現有其他石膏脫水系統的升級改造具有一定借鑒意義。

濕法脫硫；石膏脫水系統；物料平衡；優化布置

0 引言

煤炭是我國的主要能源資源，截至2016年底全國火電裝機容量已達到10.5億kW，占電力裝機總量的64%，且在未來相當長一段時間里，我國以燃煤發電為主的電力供應格局不會發生根本變化[1]。而燃煤電廠是我國大氣中各種污染物的重要排放源，據統計大約90%的SO2、67%的NOX和70%的粉塵來源于燃煤發電[2]。石灰石-石膏濕法煙氣脫硫(WFGD)技術作為目前最有效的燃煤機組SO2排放控制技術，具有脫硫效率高、運行相對可靠、對煤種適應性好、副產品石膏綜合利用方便等特點，被廣泛應用于燃煤電廠煙氣脫硫[3]。

石膏脫水系統是整個濕法脫硫系統的重要組成，利用石膏排出泵將吸收塔中合格的石膏漿液輸送至石膏脫水系統，通過旋流器一級脫水和真空皮帶脫水機二級脫水，實現將石膏漿液(含固量10%～20%)制成含水率不高于10%的石膏，同時在整個脫水過程中保證脫硫系統物料平衡[4]。然而現有的石膏脫水系統仍存在諸多問題，不利于脫硫系統穩定運行[5]，為提高脫硫系統的經濟可靠性，通過選用合理的石膏脫水系統設備配置、調整脫水設備運行方式等措施來優化改進石膏脫水系統是非常有必要的。

1 石膏脫水常見故障及原因

1.1 石膏旋流器故障

石膏旋流器故障一般會出現旋流器的“溢流跑粗”和“底流夾細”現象[6]。

石膏旋流器“溢流跑粗”現象，即石膏漿液經石膏旋流器一級脫水后，溢流中含固量超標且固體顆粒較粗重。這主要是由兩方面原因引起的，一方面，來自吸收塔的石膏漿液密度過大，含固量超出旋流器脫水工作閾值。另一方面，旋流器因選型或長時間高強度運行，使得旋流器底流出口堵塞。

石膏旋流器“底流夾細”現象，即經旋流器一級脫水后，底流中含固量較低且包含較多細微顆粒物。這可能是由于石膏旋流器進料泵出力不足或旋流器入口管道阻塞，導致進入旋流器流量壓力低，使得石膏漿液分級效果較差，同時也可能是旋流器底流出口磨損嚴重所致。

1.2 真空皮帶脫水機故障

真空皮帶脫水機濾布跑偏是真空皮帶脫水機故障的常見現象[7]。引發濾布跑偏的原因較多，主要包括進入真空皮帶機的漿液量過大，而皮帶機轉速過低。皮帶機尾部張緊輪已到限位，使得濾布過松。驅動或從動滾筒松動，或中心線不平行。濾布自動糾偏裝置發生故障。

1.3 石膏含水率不達標

真空泵形成的真空度較低。導致真空度低于正常值的原因主要有2個：第1，真空密封管路有漏氣點或管路堵塞；第2，真空皮帶機密封水流量不足或密封皮帶磨損嚴重。

真空皮帶脫水機濾布堵塞。一方面可能是由于濾布沖洗水對濾布沖洗不徹底，另一方面可能石膏漿液本身的性質發生變化，小顆粒石膏晶體或其他雜質含量增多堵塞濾布過濾通道。

石膏濾餅厚度較高。有研究發現，當濾餅厚度增加至10～30 mm時，隨著真空度的增加，可以保證石膏含水率達標。而當濾餅厚度增加至30 mm以上時，隨著真空度的增加，石膏漿液仍脫水困難，石膏含水率超標[8-9]。

2 主要設備及優化設計

大唐三門峽發電有限責任公司三期1 050 MW機組脫硫石膏脫水系統主要包括2套石膏旋流系統、2臺真空皮帶脫水機、2臺水環式真空泵、2臺濾液分離系統及1套濾布/濾餅沖洗水箱和沖洗水泵系統等。該石膏脫水系統工藝流程大致為：煙氣中SO2在吸收塔中經循環漿液洗滌與石灰石漿液反應生成亞硫酸鈣，再就地被強制氧化為硫酸鈣，密度合格的石膏漿液由石膏排出泵輸送至石膏旋流器進行一級脫水，細小顆粒從旋流器的中心向上流動形成溢流，粗重顆粒則沿旋流器壁向下流動形成底流。底流中石膏漿液含固量約50%直接進入真空皮帶脫水機進行二級脫水，最后制成含水率不高于10%的石膏。溢流漿液一部分直接進入石膏漿液回流箱，經漿液回流泵可輸送至吸收塔或制漿系統；另一部分進入廢水旋流器給料箱，經廢水旋流器后，底流進入石膏漿液回流箱，溢流進入廢水系統。

2.1 石膏一級脫水系統

一級脫水系統是對石膏漿液進行濃縮和石膏晶體分級，同時具有維持吸收塔循環漿液品質的作用。該系統中設備主要由石膏漿液緩沖箱、石膏漿液回流箱、石膏排出泵、石膏進料泵和石膏旋流器組成。

該一級脫水選用的石膏旋流器本身為無動力裝置，其利用重力和離心力實現漿液濃縮分級[10]。帶有一定壓力的漿液從旋流器入口切向進入旋流腔后形成高速旋轉運動，由于受到筒體和頂蓋的限制，漿液在旋流器筒體內形成兩股旋流，旋流過程中，粗重固體顆粒受離心力作用大部分被甩向筒壁，與筒壁撞擊失去能量后在重力作用下沿壁滑下，形成一股自上而下的外旋流，最后從底流口排出，形成濃相漿液；而細微顆粒因密度小，則在筒體軸線中心處形成一股自下而上的內旋流，最后經溢流口排出，形成稀相漿液。

當吸收塔中石膏漿液密度合格時，投運石膏脫水系統。利用石膏排出泵將石膏漿液輸送至石膏緩沖箱，石膏進料泵再將緩沖箱漿液抽至石膏旋流器進行一級脫水。研究表明，在一定范圍內，隨著旋流器入口壓力的逐步增大，其分級及分離效率逐漸提高[11]。不同于現有常規一級脫水系統，該系統中石膏排出泵與石膏進料泵均可變頻運行。根據石膏旋流器的技術指標，將旋流子入口壓力控制在155±25 kPa，可以達到良好的石膏一級脫水效果。利用石膏進料泵變頻功能，對旋流子入口壓力調節控制，維持石膏緩沖箱漿液流出量一定，再變頻調節石膏排出泵，實現緩沖箱漿液流出量和流入量均衡，使得石膏緩沖箱液位保持穩定。石膏旋流器的底流進入石膏二級脫水系統，溢流可選擇進入廢水旋流器緩沖箱或石膏漿液回流箱。該系統配置具有以下優點。

(1)設置石膏緩沖箱，避免了石膏漿液輸送管道過長容易堵塞斷流的問題，為脫水系統連續運行提供了保障。

(2)石膏進料泵的變頻功效，使得旋流子入口壓力可控，漿液濃縮結晶效果良好，且可有效管控旋流器堵塞問題。

(3)依據吸收塔循環漿液中氯離子含量，可切換石膏旋流器溢流方向，當氯離子含量較低時，溢流輸送至石膏漿液回流箱再抽送至吸收塔或制漿系統。

(4)當氯離子含量較高時，溢流輸送至廢水旋流器緩沖箱，投運廢水處理系統，保證漿液利用最大化，提升脫硫系統經濟運行水平。

2.2 石膏二級脫水系統

二級脫水系統是對濃縮結晶石膏漿液進行真空脫水，制成石膏成品。該系統主要設備有濾液水池、真空皮帶脫水機、水環式真空泵和濾布沖洗水泵。

經石膏旋流器一級脫水后，底流直接流至真空皮帶脫水機。此真空脫水機采用了固定真空盒設計，橡膠帶在真空盒上移動，真空盒與橡膠帶間構成運動密封的結構形式，真空盒和膠帶間設計環形摩擦帶并以水密封，密封水既可作為密封裝置的潤滑劑又可作為冷卻劑，形成一個相當有效的真空密封，同時膠帶采用托輥式支承，有效減少膠帶運行的摩擦阻力。其配置的自動糾偏裝置可有效防止濾布跑偏，降低真空皮帶脫水機故障率。當濾布處于正常位置時，濾布不與檢測桿接觸，感應開關無感應信號；當濾布接近跑偏時，濾布觸動檢測桿，當達到感應距離時，感應開關輸出信號，自動糾偏裝置氣囊充氣，帶動糾偏輥偏移，使濾布、膠帶改變偏移方向，回到正常運轉位置。

3臺濾布沖洗水泵，2運1備，對真空脫水機濾布進行沖洗。濾布沖洗水布置現場如圖1所示，其中噴嘴屬于可拆卸型，可對膠帶正、反面進行沖洗，該布置方式可有效沖洗濾布，防止固體顆粒堆積，從而有效緩解濾布堵塞問題。同時，沖洗濾布后水落入真空脫水機下方托盤，匯入濾液水池，濾液水池中的漿液經地坑泵輸送至石膏回流箱，可供吸收塔和制漿系統使用，實現漿液利用價值最大化。

由于水環式真空泵吸氣均勻、工作平穩可靠、操作簡單和維修方便等特點[12]，該二級脫水系統選擇該型真空泵連接氣液分離裝置，對石膏漿液進行真空脫水。水環式真空泵是利用工作水流量來調節控制真空度的，其運行過程中需要消耗一定量的工藝水。參照現有技術工藝[13]，本系統通過在真空泵排氣管下方加設一支管連接濾布沖洗水箱，此情況下，經氣液分離裝置帶出的水汽液化后又回流至濾布沖洗水箱，供沖洗濾布使用，實現了水的循環利用。

圖1 濾布沖洗水布置現場

氯離子是影響石膏品質的關鍵因子，研究表明，氯離子會對石膏耐水性能產生不利影響，氯離子含量越高，石膏越易受潮，同時石膏的黏結性也隨氯離子含量的增加而明顯下降[14]。為降低石膏中氯離子含量，保證石膏品質合格，依據現行技術條件，該系統采用洗滌法去除石膏濾餅中氯離子，如圖2所示。有研究表明，濾餅沖洗水布置的合理位置應是石膏濾餅中絕大部分水剛好被脫除之處，如若在石膏濾餅含水率較大處噴入沖洗水，只會稀釋濾餅表面漿液中的氯離子，無法實現有效降低石膏濾餅中氯離子含量[15]。經試驗分析，該系統在真空皮帶脫水機下料口后方1 m和3 m處布置2道濾餅沖洗水，加強對濾餅中氯離子的去除。通過對比試驗，分析開濾餅沖洗水和未開濾餅沖洗水2種情況下石膏成分的差異性，分析的樣品包括開沖洗水樣品(編號1)和未開沖洗水樣品(編號2)。由表1可看出除石膏濕度偏大(仍合格)外，開沖洗水后石膏品質更佳，尤其是氯離子含量是未開沖洗水的1/3，這表明該優化布置有效提高了是石膏的品質。

圖2 濾餅沖洗水布置現場

表1 開沖洗水和未開沖洗水脫水石膏主要成分含量 %

3 結束語

以國家環保政策為導向，石灰石-石膏濕法脫硫系統越來越廣泛地被應用于燃煤電廠煙氣脫硫，如何有效確保脫硫系統的穩定、經濟、高效運行顯得尤為重要。而石膏脫水系統作為濕法煙氣脫硫(FGD)系統的重要輔助系統，其在保證FGD系統穩定運行中發揮著關鍵作用。華陽電廠1 000 MW機組脫硫系統根據自身特點完成了對石膏脫水系統的優化改進應用，降低了石膏脫水系統的故障率，提高了副產品石膏的品質，可為現有濕法脫硫石膏脫水系統的升級改造提供一定參考價值。

[1]徐鐵華,王龍.大型燃煤發電廠鍋爐煙氣脫硫技術[J].通訊世界,2016(6):157.

[2]陳文韜,鄧康,周海英.燃煤發電機組“超潔凈排放”值不值[J].環境,2016(7):59-61.

[3]李悅銘,盧嶼,趙小霞.火力發電廠“石灰石-石膏”濕法脫硫(WFGD)后煙囪防腐問題的分析及對策[J].電工文摘,2016(2):60-61.

[4]曹曉滿,石榮桂.濕法脫硫石膏脫水系統設計優化研究[J].環境工程,2013(S1):417-418.

[5]馮佳勇.陡河發電廠濕法脫硫石膏脫水系統設備優化及改造的技術探討[C]// 發電企業節能減排技術論壇，2013.

[6]張宇,董連平,楊宏麗,等.雙渦自回流水力旋流器分級性能研究[J].現代礦業,2009,25(6):50-53.

[7]祁慶寧,郁永紅.脫硫系統真空皮帶脫水機頻發缺陷分析及處理[J].寧夏電力,2013(2):55-58.

[8]莫建松,楊有余,盛海強,等.脫硫石膏粒徑分布與脫水性能實驗研究[J].環境工程學報,2013,7(11):4440-4444.

[9]鄭偉.石膏脫水系統常見故障分析與處理[J].中國高新技術企業,2016(12): 87-88.

[10]楊強，汪華林，白志山，等.石膏漿液旋流器的分離性能實驗研究[J].環境工程學報，2010，4(2):465-470.

[11]沈國清，李志強，安連鎖，等.入口壓力與漿液濃度對石膏旋流器分離特性影響的研究[J].熱能動力工程，2015，30(6):892-896.

[12]孫鳳茹，溫旭，劉峰.水環式真空泵汽蝕的原因分析及消除措施[J].華北電力技術，2007(4):40-41.

[13]彭德安.水環式真空泵工作水循環利用[J].設備管理與維修，2013(S2):46-47.

[14]王飛，劉姚君，汪瀾，等.氯離子對脫硫石膏及其制品性能影響的研究[J].新型建筑材料，2014,41(7):28-31.

[15]尹連慶，徐錚.氯離子對脫硫石膏脫水影響研究及機理探討[J].粉煤灰，2008,20(3):12-13.

(本文責編：齊琳)

2017-05-04；

2017-06-09

X 701.3

B

1674-1951(2017)07-0064-03

劉凱輝(1991—)，男，湖南邵陽人，助理工程師，從事大氣污染處理與防治方面的工作(E-mail:1209369059@qq.com)。

劉黎偉(1974—)，男，河南洛陽人，工程師，從事大氣污染防治與管理方面的工作。

聶海濤(1979—)，男，河南三門峽人，助理工程師，從事大氣污染處理與防治方面的工作。