脫硫塔干濕界面結(jié)垢原因分析及處理方法

皮宇輝

（中國石化巴陵分公司熱電事業(yè)部，湖南岳陽 414014）

煙氣脫硫技術(shù)是目前公認(rèn)的最經(jīng)濟(jì)、最行之有效的方法，也是世界上大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的脫硫方法。煙氣脫硫方法以石灰石—石膏濕法脫硫工藝為主，是目前世界上最成熟、運(yùn)行狀況最穩(wěn)定的脫硫工藝。熱電部10#爐采用石灰石—石膏濕法脫硫工藝，“一爐一塔”的配置方案。脫硫系統(tǒng)投運(yùn)以來運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較低，可靠性高，但存在較為突出的問題是干濕界面結(jié)垢嚴(yán)重，運(yùn)行中無法清除，長周期運(yùn)行將造成裝置煙氣阻力增大能耗升高，同時(shí)存在較大安全隱患。文章分析了干濕界面的結(jié)垢機(jī)理以及危害，詳細(xì)闡述了相關(guān)技術(shù)改進(jìn)措施，通過技術(shù)改造較好解決了結(jié)垢問題。

1 干濕界面結(jié)垢的形成及危害

1.1 脫硫工藝簡介

石灰石—石膏濕法脫硫工藝采用價(jià)廉易得的石灰石粉料作脫硫劑，將石灰石粉與水混合攪拌制成新鮮脫硫劑漿液，漿液經(jīng)制漿泵輸送至脫硫塔循環(huán)泵吸口，與塔底漿液混合后進(jìn)入脫硫塔。漿液通過噴淋層的高效噴嘴霧化后與煙氣充分接觸，使煙氣中的二氧化硫（SO2）與漿液中的氧化鈣（CaO）進(jìn)行反應(yīng)生成亞硫酸鈣（CaSO3）；從脫硫塔下部漿池鼓入空氣將亞硫酸鈣強(qiáng)制氧化并結(jié)晶生成石膏（CaSO4·2H2O）。吸收塔內(nèi)的漿液經(jīng)排漿泵送到石膏旋流器進(jìn)行一級脫水，濃度為50%的底流進(jìn)入真空皮帶，進(jìn)行再次脫水至含水量小于10%的石膏，并輸送至石膏庫儲存；部分石膏旋流器的溢流再經(jīng)廢水旋流器處理，溢流通過廢水泵送至廢水處理系統(tǒng)。脫硫后的煙氣經(jīng)過除霧器除去霧滴后，經(jīng)煙囪排入大氣，工藝流程見圖1。

吸收區(qū)發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)有：

脫硫干濕界面是指脫硫塔進(jìn)口煙道與脫硫塔相連的區(qū)域，脫硫塔的三層噴淋層均在煙氣入口的上方，在運(yùn)行中大量的漿液從噴淋層中噴出，塔內(nèi)濕度相當(dāng)大，液氣比可達(dá)8.4，當(dāng)煙氣進(jìn)入脫硫塔時(shí)相當(dāng)于穿過一道水簾，因此將脫硫塔進(jìn)口煙道與脫硫塔相連的區(qū)域稱為干濕界面。

圖1 脫硫系統(tǒng)工藝流程

1.2 石膏垢的形成

當(dāng)漿液中CaSO4處于輕度過飽和狀態(tài)，此時(shí)漿液再通過吸收區(qū)后，最終產(chǎn)物石膏超過了懸浮液的吸收極限，石膏就會以晶體的形式開始沉積，當(dāng)相對飽和濃度達(dá)到一定值時(shí)，石膏晶體將在懸浮液中已有的石膏晶體表面進(jìn)行生長，就會形成晶核，因此當(dāng)漿液中CaSO4過飽和時(shí)會在其表面析出結(jié)晶形成石膏垢。

入爐煤種或發(fā)電機(jī)組負(fù)荷有較大變化時(shí)，會造成脫硫塔內(nèi)漿液pH值發(fā)生較大變化。當(dāng)漿液pH值偏低時(shí)，亞硫酸鹽溶解度急劇上升，硫酸鹽溶解度略有下降，會有石膏在很短時(shí)間內(nèi)大量產(chǎn)生并析出，產(chǎn)生硬的石膏垢。高pH值亞硫酸鹽溶解度降低，會引起亞硫酸鹽析出，產(chǎn)生軟垢，而在堿性pH值條件下運(yùn)行會產(chǎn)生碳酸鈣硬垢[1]。

1.3 石膏垢在干濕界面的富集

石膏垢在干濕界面的富集是由于吸收區(qū)噴淋下落的漿液被煙氣卷吸至入口煙道干濕界面處，漿液中的CaSO3·1/2H2O為軟垢，具有一定的黏性，比較容易在干濕界面富集，軟垢會逐漸氧化成CaSO4·2H2O，再加上此處煙氣溫度較高，堆積的CaSO4·2H2O很快被烘干結(jié)成硬垢塊。這種硬垢非常堅(jiān)硬，一旦產(chǎn)生必須用機(jī)械方法進(jìn)行清除。

因此石膏垢在干濕界面富集其最主要原因就是噴淋漿液被進(jìn)入脫硫塔的煙氣卷吸至干濕界面處，下面將詳細(xì)分析煙氣被卷吸的過程。

熱電事業(yè)部10#爐依山而建，脫硫系統(tǒng)利用現(xiàn)有場地進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)備安裝比較緊湊，原煙氣進(jìn)入脫硫塔前采用90°彎頭連接，由于該彎頭距脫硫塔入口中間的直管段僅1米，造成進(jìn)入脫硫塔的煙氣在入口干濕界面處于氣流分布不均勻狀態(tài)，即靠彎道外側(cè)煙氣速度較快，彎道內(nèi)側(cè)的煙氣速度較慢，導(dǎo)致進(jìn)入塔內(nèi)的煙氣按順時(shí)針進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，如圖2所示，旋轉(zhuǎn)的煙氣將部分漿液帶回到靠彎頭內(nèi)側(cè)的干濕界面處。

圖2 煙氣流場不均導(dǎo)致水平方向卷吸

進(jìn)入脫硫塔的煙道接口呈向下15°的傾角，煙氣在進(jìn)入脫硫塔前速度較快，速度較快的煙氣在進(jìn)入脫硫塔內(nèi)后具有一定的動能，受到底部液面、脫硫塔環(huán)形筒臂以及上部霧化漿液和反應(yīng)單元的阻擋，因此將在入口區(qū)域的一定區(qū)間內(nèi)產(chǎn)生與原煙氣方向相反的倒向回流，并存在一定的旋轉(zhuǎn)，如圖3所示。

圖3 煙氣進(jìn)入塔后產(chǎn)生的豎直方向回流

煙道在進(jìn)入脫硫塔前裝有膨脹節(jié)，靠脫硫塔的煙道接口直接焊在筒壁上，由于煙道與脫硫塔接口尺寸較大，如果在接口煙道中間不安裝支撐，煙道剛度將達(dá)不到要求，煙道接口在運(yùn)行中將產(chǎn)生振動甚至是變形，導(dǎo)致防腐層被破壞產(chǎn)生腐蝕穿孔。因此，脫硫塔入口煙道接口在豎直方向上安裝一根工字鋼作為支撐，該支撐成為石膏墻的骨架為干濕界面石膏垢的大面積富集提供有利條件。

根據(jù)以上幾點(diǎn)分析可以較好地解釋10#爐石膏墻垢的特點(diǎn)，靠煙道內(nèi)側(cè)的干濕界面比靠煙道外側(cè)的干濕界面結(jié)垢速度以及結(jié)垢量要大；由于存在與原煙氣方向相反的倒向回流，加上入口干濕界面的支撐骨架的幫助，隨著時(shí)間的推移，結(jié)垢將布滿整個(gè)干濕界面，而且非常牢固，必須靠人工敲打才能清除；隨著石膏墻垢的不斷累積，煙道流通面積不斷縮小，煙氣流速不斷升高，將會達(dá)到一個(gè)臨界狀態(tài)，煙氣流速過快導(dǎo)致CaSO3·1/2H2O將無法附著在通流口上，石膏墻垢不再生長，最終結(jié)垢分布狀態(tài)見圖4。

圖4 長周期運(yùn)行后干濕界面石膏垢分布

1.4 干濕界面結(jié)垢的危害

1.4.1 引風(fēng)機(jī)電耗升高

干濕界面結(jié)垢將堵塞煙道，減小煙氣流通面積，增加煙氣系統(tǒng)阻力，導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)電耗升高。10#爐脫硫塔正常運(yùn)行時(shí)入口壓力為1.8～2.0 kPa，連續(xù)運(yùn)行近一年后，隨著石膏墻垢的不斷累積擴(kuò)散，入口壓力上升到2.9 kPa左右，繼續(xù)運(yùn)行到400多天入口壓力基本穩(wěn)定在3.1 kPa左右，據(jù)統(tǒng)計(jì)引風(fēng)機(jī)產(chǎn)汽能耗平均升高0.25 kW·h/t。

1.4.2 影響鍋爐出力

當(dāng)干濕界面嚴(yán)重堵塞后，流通面積受限，煙氣流量受限，煙氣壓力損失陡增，導(dǎo)致引風(fēng)機(jī)出力不能滿足鍋爐負(fù)荷需求，進(jìn)而影響到鍋爐出力。特別是對于母管制鍋爐汽輪機(jī)機(jī)組，不利于鍋爐負(fù)荷及主蒸汽壓力調(diào)整，影響機(jī)組的安全生產(chǎn)。

1.4.3 對氧化風(fēng)管、攪拌器等設(shè)備造成安全隱患

石膏垢隨運(yùn)行時(shí)間延長不斷變大、變厚，當(dāng)達(dá)到一定量時(shí)，在自身重力作用下可能會出現(xiàn)大片脫落，大的結(jié)垢塊會砸到塔內(nèi)的攪拌器和氧化風(fēng)機(jī)茅槍管，導(dǎo)致設(shè)備損壞，并且脫落的大量硬質(zhì)結(jié)垢將引起漿液循環(huán)泵濾網(wǎng)堵塞，使液氣比降低，進(jìn)而影響脫硫效率。

1.4.4 脫硫塔內(nèi)流場紊亂

煙氣在塔內(nèi)的流場均勻性對于石灰石—石膏濕法脫硫工藝非常重要，脫硫塔在設(shè)計(jì)時(shí)將進(jìn)行流場模擬（CFD），從而進(jìn)一步優(yōu)化塔內(nèi)結(jié)構(gòu)、脫硫塔進(jìn)出口以及噴淋層、噴嘴的設(shè)計(jì)。當(dāng)石膏墻垢大量富集，脫硫塔入口流通面減小，入口煙氣的分布及速度發(fā)生較大改變，導(dǎo)致煙氣在塔內(nèi)的湍動能分布發(fā)生較大改變，在塔內(nèi)流速不均的煙氣造成脫硫效率降低，同時(shí)局部區(qū)域煙氣流速過快攜帶漿液量增加，導(dǎo)致漿液逃逸量增加。隨著環(huán)保要求的不斷提高，如果脫硫塔內(nèi)流場因干濕界面結(jié)垢導(dǎo)致紊亂，對脫硫達(dá)標(biāo)排放以及煙塵達(dá)標(biāo)排放都很不利。

2 解決措施

2.1 增加入口煙道沖洗水管

干濕界面的結(jié)垢首先是從底部開始富集，有了底部支撐然后不斷往上延伸直至布滿整個(gè)入口煙道。為防止?jié){液中的CaSO3·1/2H2O在干濕界面底部粘連，在干濕界面前增加入口煙道沖洗水管，及時(shí)清理卷吸進(jìn)來的漿液。沖洗管為兩根，管徑為Ф133，每根有兩個(gè)鴨型嘴噴頭，噴頭安裝角度與下板呈45°傾斜，保證整個(gè)底面都能沖洗到。沖洗管材質(zhì)選用316L材質(zhì)，煙道內(nèi)管道不另做支撐，以方便檢修。沖洗管水源取自除霧器沖洗水，每根沖洗管均設(shè)一個(gè)電動閥，該系統(tǒng)采用PLC控制，每4 h沖洗一次，每次沖洗1 min。

2.2 延長擋水沿

由于煙氣進(jìn)入脫硫塔后產(chǎn)生的卷吸、回流比較強(qiáng)烈，導(dǎo)致部分漿液被帶入干濕界面從而造成結(jié)垢。改造前脫硫塔設(shè)計(jì)的擋水沿只有200 mm，該擋水沿尺寸過短對回流的漿液阻擋效果不佳。通過流場模擬對接口處的擋水沿進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，將長度改為800 mm，最大限度阻擋漿液回流同時(shí)對脫硫塔內(nèi)流場影響降到最低。

3 應(yīng)用效果

通過以上改造，從根本上解決了干濕界面結(jié)垢。裝置通過一年時(shí)間的運(yùn)行，脫硫塔入口壓力穩(wěn)定在1.8～2.0 kPa之間。設(shè)備停運(yùn)后進(jìn)行檢查，干濕界面結(jié)垢的現(xiàn)象得到徹底解決，同時(shí)擋水沿側(cè)面及上面沒有石膏垢富集現(xiàn)象，改造效果很好。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，實(shí)施改造后引風(fēng)機(jī)產(chǎn)汽能耗平均降低了0.25 kW·h/t，如果按常用爐負(fù)荷380 t/h，年運(yùn)行時(shí)數(shù)8 000 h計(jì)算，則每年可節(jié)電76萬kW·h，按成本電價(jià)0.58元/kW·h，年度增效44.08萬元。

4 結(jié)論

通過分析石灰石—石膏濕法脫硫系統(tǒng)運(yùn)行過程中，脫硫塔進(jìn)口煙道干濕界面結(jié)垢以及結(jié)垢不斷富集擴(kuò)大最終導(dǎo)致入口堵塞的原因，采用在脫硫塔入口煙道干濕界面處加裝沖洗裝置和延長擋水沿的解決方案，最終消除了脫硫塔入口結(jié)垢堵塞的安全隱患，提高了脫硫系統(tǒng)長周期運(yùn)行的安全可靠性，使之滿足日益嚴(yán)峻的環(huán)保要求。