煙氣脫硫系統石膏含水率高原因分析及控制

王 強

（中國大唐集團科學技術研究院有限公司華中電力試驗研究院，河南 鄭州 450000）

0 引言

石灰石—石膏濕法脫硫技術因其處理煙氣量大、效率高、技術成熟、使用壽命長等優點被火電廠廣泛采用。采用石灰石-石膏濕法脫硫火電廠為了增加經濟效益，脫硫石膏（主要成分CaSO4·2H2O 與天然石膏相似，所以可替代天然石膏生產不同用途的石膏制品）都作為一種商品對外進行銷售［1］。然而，在現運行的燃煤機組中脫硫系統普遍存在石膏含水率高、石膏品質差的狀況［2］。若石膏含水率過高，造成石膏無法正常脫出，不但影響機組脫硫系統的安全穩定運行，還對石膏的銷售有一定影響。

1 石膏含水率超標情況概述

某電廠3 號機組為670 MW 燃煤機組，2019 年7 月對機組脫硫系統進行了超低排放改造，改造后脫硫系統為液柱塔+噴淋塔串聯模式運行，設計參數： 脫硫系統入口SO2質量濃度為9 397 mg／m3（標態、干基、6%O2） 時，煙囪入口SO2質量濃度≤25.4 mg／m3，滿足超低排放限制值35 mg／m3要求。2020 年3 月22 日，機組脫硫系統出現石膏脫水困難現象，石膏成稀泥狀從石膏庫淌出，嚴重影響了脫硫裝置的穩定運行。

2 石膏脫水困難的原因分析

在石灰石-石膏濕法脫硫裝置的實際運行過程中，影響石膏脫水效果的主要因素有：煤質、入口煙塵質量濃度、漿液pH 值、漿液中亞硫酸鈣質量濃度、石灰石品質、氧化風量、工藝水質等多個方面［3-4］。結合電廠石膏脫水困難的實際情況通過對石灰石、石膏品質原因、煙氣原因、設備原因等多方面逐一排查，找出石膏含水率高的原因。

2.1 石灰石、石膏漿液品質的影響

考慮到電廠石膏脫水困難的實際情況，化驗人員首先對石灰石、石膏進行取樣分析，化驗結果如表1 和表2 所示。

表1 石灰石品質化驗結果 %

表2 脫硫石膏品質化驗結果 %

由表1 可以得出：該電廠石灰石品質合格，對石膏含水率無不良影響。從表2 可以得出：石膏中亞硫酸鈣(CaSO3·0.5H2O) 含量明顯偏高。因CaSO4·2H2O 晶體呈短柱狀顆粒，易于在漿液中長大，容易脫除水分。而CaSO3·0.5H2O 易碎、難長大、粒徑較小，粘性大，不易過濾［5］。因而石膏中CaSO3·0.5H2O含量高易造成石膏脫水困難，石膏含水率偏大。造成3 號機組石膏中CaSO3·0.5H2O 含量高的原因分析如下。

1）吸收塔漿液強制氧化效果較差。

機組吸收塔氧化空氣管布置在攪拌器葉片前端，鼓入吸收塔的氧化空氣主要通過攪拌器的 “攪拌”作用將氧化空氣均勻分散到吸收塔中，2020 年3月以來，3 號機組負荷率較高，進入一級塔的氧化風量偏低（氧化風機啟動臺數偏少、一部分氧化風進入二級塔），且有一臺漿液攪拌器發生故障無法投運，造成一級塔漿液強制氧化效果偏差，是造成石膏中CaSO3·0.5H2O 含量高的一個原因。

2）二級塔漿液亞硫酸根高。

因機組二級塔除霧器壓差大，導致二級塔無法正常運行，幾乎不對二級塔進行補漿，相當于二級塔只是通過水來脫除部分煙氣中的SO2，造成漿液里亞硫酸根（SO2-3）質量濃度高，化驗結果為1 800 mg／L；同時二級塔里面漿液又循環打到一級塔中，從而使一級塔漿液里SO2-3質量濃度遠超過正常控制值（350 mg／L），由于漿液中的與石灰石溶解的Ca2+容易結合生成難溶于水的CaSO3，因此造成石膏中CaSO3·0.5H2O含量偏高。

3）漿液pH 值控制偏高。

2020 年3 月25 日—3 月31 日 （09∶00—24∶00）期間，機組保持在較高負荷（650 MW 左右）下運行，為控制煙囪入口SO2質量濃度小于100 mg／m3，運行人員對一級塔進行連續大量補漿，導致塔內漿液pH 值偏高（5.7～5.9），造成石膏中CaSO3·0.5H2O 含量偏高。

吸收塔漿液中SO2溶入水后產生等不同形態的亞硫酸鹽，圖1 為SO2進入液相后產生的與溶液pH 值的關系［5］。當pH＞8 時，SO2在水中主要以的形式存在；當pH＜6 時，SO2在水中主要以的形式存在，pH 在3.5～5.4 之間時，溶液中幾乎全部為；當pH＜3.5后，溶入水中的SO2有一部分與水分子結合為SO2·H2O。因此，溶液的pH 值不同，SO2在水中的化學吸收反應是不相同的。

圖1 亞硫酸平衡曲線

4）漿液的密度偏高。

通過查閱脫硫系統DCS 歷史數據，2020 年3 月25 日—3 月31 日期間，機組脫硫一級塔漿液的密度長期保持在1 220～1 300 kg／m3范圍內，石膏漿液的過飽和度偏大，造成攪拌器和循環泵的電機超電流運行；吸收塔漿液的密度高不僅加劇了設備的磨損，還不利于氧化空氣在吸收塔內擴散，導致塔內漿液和石膏中的CaSO3含量偏高。

綜上分析，因脫硫運行控制不當，造成了3 號機組石膏中CaSO3·0.5H2O 含量偏高，進而引起石膏脫水困難。

2.2 脫硫系統設備缺陷

現場檢查發現，當皮帶機啟動前皮帶機兩側匯集管上的鋼絲管出現大面積的塌陷，同時鋼絲管與匯集管的接口處存在滲水，初步判斷接口處應該存在漏氣。

當運行人員啟動一臺真空泵后，氣液分離罐真空度為-35 kPa，遠小于石膏正常脫除時的真空度（-50～-45 kPa）［6］，塌陷鋼絲管未有明顯變化，此時皮帶上的石膏成稀泥狀從皮帶上落入石膏。當啟動兩臺真空泵時，氣液分離罐真空度顯示值為-60 kPa 左右，大于正常脫石膏時的真空度，理論上當石膏漿液品質正常時石膏可以正常脫除，石膏含水率應維持在10%左右，然而因為皮帶機上的抽氣管出現漏氣現象和伸縮管路氣路不暢，導致氣液分離罐真空度的數值不能反映實際狀態下的真空度，實際運行真空度偏低，不能滿足石膏正常脫水。

在石膏脫水過程中發現真空皮帶脫水機上的濾布表面水平度偏差較大，運行皮帶上的石膏存在大量裂紋，且皮帶上石膏厚度差別較大，詳細檢查情況如圖2 和圖3 所示。

圖2 皮帶上石膏出現大量裂紋

圖3 皮帶上石膏厚度差別大

因此，認為皮帶脫水機上的石膏裂紋及厚度不均勻也會造成氣液分離罐真空度偏低［6］，進而造成脫硫石膏的含水率偏高；脫硫系統設備存在缺陷，也是造成脫硫石膏含水率偏高的另一個原因。

2.3 煙氣影響

2020 年3 月以來，機組脫硫系統因二級塔除霧器坍塌嚴重，脫硫系統無法正常運行。為保證SO2質量濃度達標排放，實際運行中脫硫系統入口SO2質量濃度控制在4 500～5 000 mg／m3（設計值入口SO2質量濃度9 397mg／m3）。因入口SO2質量濃度超出脫硫裝置設計值較多，影響漿液氧化，造成石膏脫水困難的原因可以排除。

2.4 工藝水水質

機組脫硫工藝水取自紅河水，河水水質較好，河水中氯離子質量濃度基本在20～40 mg／L 之間，不存在因氯離子富集［7］，生成大量氯化鈣（吸濕性極強），造成石膏脫水困難。

綜合以上情況分析，此次石膏脫水困難主要原因是石膏漿液中CaSO3·0.5H2O 含量高及脫硫設備缺陷造成的。

3 現場運行調整

結合電廠實際情況（設備配件近期無法采購），現階段只能通過調節漿液品質來降低石膏的含水率。

1）因二級塔無法正常運行，控制一級塔漿液pH，當機組高負荷時漿液pH 控制在5.0～5.5，當機組低負荷時漿液pH 控制在4.8～5.0；有利于亞硫酸鈣的氧化。

2）為了保證生成粒徑較大的石膏晶粒，在脫硫裝置實際運行中要求石膏漿液的過飽和度小于1.4，優化控制在1.2～1.3；同時控制吸收塔漿液的密度（1 080～1 130 kg／m3）。

3）加大3 號機組脫硫系統的氧化風量，確保亞硫酸鈣能充分氧化成硫酸鈣。

4）運行中監督脫水機的運行負壓，石膏濾餅厚度和石膏旋流器的進口壓力，控制在合理范圍內。

通過以上措施對機組脫硫系統進行了優化調整，逐步改善了石膏漿液品質，促使了石膏中CaSO3·0.5H2O 的含量降低，脫硫石膏含水率也隨之下降，目前石膏品質化驗結果如表3。

表3 脫硫石膏化驗結果（質量分數） %

4 結語

石膏含水率偏高是濕法脫硫裝置普遍存在的問題，影響石膏含水率的因素較多，單一的方面可能不會造成石膏脫水困難，但多個因素疊加到一起，對石膏的脫水影響還是較大的。

針對此次機組石膏脫水困難的問題，運行人員采取有效措施，將含水率降低到合適的范圍內，為能使石膏含水率長期達標，運行人員可從以下幾個方面入手：運行中要控制好漿液密度和pH 值，同時注意監視脫水機的運行負壓、石膏濾餅厚度，石膏旋流器的工作壓力是否在合理范圍內；定期對有缺陷的設備進行檢修或更換；加強對石膏品質的化學監督，及時發現問題予以糾正。