火電廠濕法脫硫石膏真空脫水機選型研究

羅 楊，秦 學，張 樂，吳 芳

(中國工程顧問集團西南電力設計院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

石膏脫水系統屬于火力發電廠石灰石—石膏濕法煙氣脫硫裝置的重要輔助系統[1]，它負責將吸收塔排出的石膏漿液處理成為脫硫石膏，并使石膏品質達到JC/T 2074-2011《煙氣脫硫石膏》[2]的相應等級要求(見表1所列)，從而實現高價值的綜合利用，可作為水泥摻合料用于水泥和建筑行業等。火電項目脫硫石膏品質一般要求不低于表1中的二級(B)。

表1 脫硫石膏等級(摘選)

真空脫水機是石膏脫水系統的核心設備，用于脫硫副產物-石膏漿液的第二級處理，對石膏旋流器濃縮后的底流進行真空脫水處理，形成附著水含量不超過10%的脫硫石膏。一方面，直接控制脫硫石膏中的兩項重要指標：附著水含量、氯離子含量；另一方面，其運行穩定性、能耗水平(電耗、水耗等)、占地面積等，直接影響到脫硫裝置運行可靠性和經濟性。

石灰石濕法脫硫裝置絕大部分采用真空皮帶脫水機，具有設備可靠、能夠連續穩定運行、附著水含量和氯離子含量易保證等特點，但是占地面積大。個別脫硫改造項目由于布置場地受限，嘗試采用真空陶瓷圓盤脫水機。隨著技術發展，真空濾布圓盤脫水機開始應用于部分脫硫項目。

本文將對各類真空脫水設備的工作原理、技術特點進行總結，然后以保證脫硫附著水含量和氯離子含量為前提，以某1000 MW火電機組為例，對真空脫水設備選型方案進行深入研究和技術經濟比選。

1 真空脫水機型式及特點

國內石灰石濕法脫硫裝置選用的真空脫水機主要有真空皮帶脫水機、真空濾布圓盤脫水機和真空陶瓷圓盤脫水機，基本的脫水原理均為利用真空抽吸實現過濾材料表面石膏漿液的固液分離。

1.1 真空皮帶脫水機

1.1.1 設備結構及工作原理

真空皮帶脫水機機架為焊接鋼結構，整臺機架分段組成，包括前機架、后機架和中間機架。加料槽采用尾形加料槽，槽內設有若干條導向筋條，使石膏漿液均布在濾布上；真空盤下部由導向滾輪支撐，真空盤上部有易于更換的橡膠帶(橡膠帶上均布濾孔)；集液管收集真空盤中濾液并送至氣液分離器，通常采用FRP管；濾布清洗槽內固定兩根帶有噴嘴的噴管，從正、反兩面沖洗濾布，沖洗后的水經清洗槽出口流出；濾布連續運行，拉緊并保持適當寬度，避免濾布起皺。真空盤和集液管之間由數根真空膠管連接。

驅動裝置由電機、擺線針輪減速器組成，通過驅動裝置帶動濾布驅動輥來帶動濾布的連續運轉。

真空皮帶脫水機結構示意圖如圖1所示。

圖1 真空皮帶脫水機結構示意圖

1.1.2 運行方式及工藝流程

帶形濾布在橡膠皮帶的支撐下沿脫水機軸向水平移動，完成初始過濾、濾餅淋洗、濾餅干燥、濾餅卸料、濾布沖洗等一系列過程。

真空皮帶脫水機工藝流程示意圖如圖2 所示。

圖2 真空皮帶脫水機工藝流程示意圖

1.1.3 技術特點

石膏漿液在濾布表面水平鋪開，且停留時間長，脫水效果易保證，更易達到附著水含量和氯離子濃度的要求。濾布與石膏脫離后，經充分沖洗后，即恢復過濾性能，使用壽命較長。真空度相對不高，抽氣量較大，導致真空泵電耗較高。

由于水平過濾面積較大，導致設備占地面積較大。

1.1.4 應用效果

該機型是目前應用最為廣泛的石膏真空脫水機，技術成熟，運行穩定，石膏品質易控制；但也存在現場運行環境較差、設備腐蝕較為嚴重、濾布易跑偏、運行真空度低等缺點。

1.2 真空濾布圓盤脫水機

1.2.1 設備結構及工作原理

真空濾布圓盤脫水機由主機部分(機架和漿液槽，主驅動軸，分配閥，卸料裝置，過濾圓盤)、攪拌系統、濾餅沖洗及濾布清潔系統、真空系統等組成。其中，過濾圓盤是真空圓盤脫水機的核心部件，由過濾通道、防腐構架和單層濾布組成。真空濾布圓盤脫水機結構示意圖如圖3所示。

圖3 真空濾布圓盤脫水機結構示意圖

1.2.2 運行方式及工藝流程

在圓盤轉動一圈當中，完成初始過濾、濾餅淋洗、石膏濾餅干燥、濾餅卸料等一系列過程。真空濾布圓盤脫水機工藝流程示意圖如圖4所示。

圖4 真空濾布圓盤脫水機工藝流程示意圖

1.2.3 技術特點

濾料由傳統帶式機的平面過濾變為立面過濾，可有效降低設備占地面積，約為帶式機的20%，過濾圓盤的過濾性能穩定。真空泵抽氣量小、能耗少、水耗低、真空泵密封水量小、濾布無需在線沖洗。設備結構緊湊，設備周圍環境干凈、衛生，避免了真空皮帶脫水機周圍濺水和石膏堆積的現象。設備本身帶有蒸汽阻隔裝置，且真空度高，濾液流動速度較快，有害氣體基本無法擴散。漿液槽內需設置攪拌裝置，可選用機械攪拌器，也可通過過濾圓盤自帶的擾流片，擾動漿液，避免漏漿風險。

1.2.4 應用效果

該機型已逐漸替代真空陶瓷圓盤脫水機的替代產品，處于推廣應用階段，國內部分大型發電集團的一些應用項目使用效果已獲得電廠認可。但是，各生產廠家產品性能存在一定差異，部分廠家產品尚待升級完善，存在諸如石膏品質(附著水含量、氯離子含量)不易保證、濾餅沖洗水量大、易損件(濾布、濾餅)使用壽命短、攪拌裝置易漏漿等問題。目前已成功應用該設備的火電項目見表2所列。

表2 真空濾布圓盤脫水機投運項目

從業主提供的使用報告來看，上述項目脫水機產出石膏可以達到附著水含量10%、氯離子濃度100～200 mg/kg的品質要求，設備運行可靠穩定，節電節水效果良好，檢修維護工作量少。

1.3 真空陶瓷圓盤脫水機

1.3.1 設備結構及工作原理

與真空濾布圓盤脫水機基本相同，主要區別是過濾材料為陶瓷濾盤替換濾布，并增設化學清洗裝置。陶瓷濾盤屬于多孔功能圓盤新型材料，其上布滿縱橫交錯、互相貫通的毛細微孔，由于毛細作用，過濾圓盤接觸待過濾料漿后，液體無需外力作用，自動進入微孔通道中，固體被阻隔在圓盤表面。

1.3.2 運行方式

與真空濾布圓盤脫水機基本相同。主要區別在于：過濾圓盤需定期離線酸洗再生。

1.3.3 技術特點

與真空濾布圓盤脫水機基本相同。主要區別是：

1)無法連續運行，需定期停機清洗圓盤，恢復脫水功能。以某電廠為例，每運行8 h，需要進行1 h的離線化學清洗；每次沖洗需要150 kg的硝酸溶液(濃度40%)；圓盤使用3個月后，需要重新更換；

2)設備維護費用相對較高；

3)可靠性相對較低。

1.3.4 應用效果

國內個別改造項目由于脫硫裝置擴容改造用地緊張，而選用占地小的陶瓷圓盤脫水機，使用初期可以達到性能要求，但是陶瓷圓盤后續酸洗再生工作量大，且需定期更換圓盤，長期使用效果不佳。

1.4 真空脫水設備技術性能比較

三種類型的真空脫水設備主要技術性能比較，見表3所列。

表3 真空脫水設備主要技術性能比較表

1.5 小結

1)真空皮帶脫水機應用最為廣泛，性能穩定、可靠性高，但能耗高和設備外形尺寸較大；

2)真空濾布圓盤脫水機屬于圓盤式脫水機更新迭代產品，處于推廣應用階段。具有性能穩定、可靠性高、能耗低、設備結構緊湊、工作環境較好等特點；

3)真空陶瓷圓盤脫水機曾應用于項目中，雖然能耗低、占地面積小，但是存在較為明顯的技術缺陷，如陶瓷圓盤過濾性能衰減較快、需定期酸洗再生，導致運行費用高，使用效果不理想，不推薦采用。

2 石膏真空脫水設備選型案例

某火電廠擴建1×1000 MW機組，煙氣脫硫裝置采用石灰石—石膏濕法煙氣脫硫工藝，脫硫效率≥99.4%，實現超低排放。脫硫石膏采用真空脫水設備進行處理，設計中對真空皮帶脫水機和真空濾布圓盤脫水機兩種脫水設備進行了方案比選。

2.1 真空脫水機配置和出力選擇

本項目鍋爐BMCR(boiler maximum continuous rating，鍋爐最大連續蒸發量)工況下脫硫裝置產生的脫硫石膏(含表面水10%)產量見表4所列。

表4 脫硫石膏產量t/h

根據DL/T 5196-2016《火力發電廠石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統設計規程》相關規定，本工程擬設置2臺真空脫水機，每臺真空脫水機的出力不小于處理單臺鍋爐在BMCR工況下燃用設計煤種時脫硫裝置100%的石膏產量，即單臺出力按43 t/h考慮。

2.2 真空脫水機方案比選

2.2.1 真空皮帶脫水機技術方案

設置2臺真空皮帶脫水機時，石膏旋流器底流自流到脫水機濾布水平表面，完成脫水的同時，絕大部分氯離子被沖洗水清洗掉，石膏餅從脫水機尾部卸料槽直接落入石膏庫；濾布通過沖洗水恢復過濾能力；抽出的濾液進入脫硫系統復用。每臺脫水機設置1臺真空泵；2臺脫水機合并設置1套濾布沖洗水箱/泵；濾餅沖洗水與工藝水管道相連。整個脫水機系統設備集中布置在石膏庫頂部一層。

真空皮帶脫水機層布置圖如圖5所示。

圖5 真空皮帶脫水機層布置圖

2.2.2 真空濾布圓盤脫水機技術方案

設置2臺真空濾布圓盤脫水機時，石膏旋流器底流自流至脫水機漿液槽，旋轉的濾布圓盤在槽內吸附漿液后轉離液面，完成脫水的同時絕大部分氯離子被沖洗水清洗掉，石膏餅從脫水機卸料槽直接落入石膏庫；濾布通過沖洗水、壓縮空氣恢復過濾能力；抽出的濾液進入脫水系統復用。每臺脫水機設置1臺真空泵和壓縮空氣罐；濾布/濾餅沖洗水與工藝水管道相連。整個脫水機系統設備集中布置在石膏庫頂部一層。

為保證真空濾布圓盤脫水機的性能，設備選擇時需注意以下幾點：

選擇性能優越的過濾流道構造設計；

選擇密封性好、耐腐蝕、強度高的過濾圓盤構件；

考慮到運行后期過濾性能的下降，合理選擇濾布面積，留有一定裕量；

根據吸收塔漿池氯離子運行濃度值，確定合適的濾餅沖洗水量；

盡量避免脫水機漿液槽內設置機械攪拌器，降低設備漏漿風險。

真空濾布圓盤脫水機層布置圖如圖6 所示。

圖6 真空濾布圓盤脫水機層布置圖

2.2.3 方案比選

真空皮帶脫水機和真空濾布圓盤脫水機的主要技術性能參數比較見表5所列。

表5 兩種脫水機主要技術性能參數比較

真空皮帶脫水機和真空濾布圓盤脫水機的經濟比較見表6所列。

表6 兩種脫水機經濟性比較 萬元

通過表5和表6可見，技術方面，真空濾布圓盤脫水機的各項技術指標均優于真空皮帶脫水機，維護工作量和生產環境都可以得到較大改善；經濟性方面，雖然真空濾布圓盤脫水機本體投資高于真空皮帶脫水機，但是土建費用節省較多，運行成本也較低，20 a合收益差值(正收益)為237萬元/機組，經濟性較優。

因此，本項目石膏脫水設備最終推薦采用真空濾布圓盤脫水機。

3 結語

1)真空陶瓷圓盤脫水機存在較為明顯的技術短板，使用效果不理想，不推薦采用。

2)真空濾布圓盤脫水機和真空皮帶脫水機相比，技術方面，真空濾布圓盤脫水機的各項技術指標均優于真空皮帶脫水機，維護工作量和生產環境都可以得到較大改善；經濟性方面，雖然真空濾布圓盤脫水機本體投資高于真空皮帶脫水機，但是土建費用節省較多，運行成本也較低。以某1×1000 MW機組項目為例，20 a合收益差值(正收益)為237萬元/機組，經濟性較優。

3)隨著技術發展和工程應用經驗的積累，真空濾布圓盤脫水機以其性能優良、可靠性高、能耗低、占地小、經濟性良好等特點，得到了電廠用戶的重視和認可，我們認為可在更多的火電廠濕法脫硫項目推廣應用。