一種脫硫阻垢劑在濕法脫硫系統(tǒng)的應用研究

杜佳，張健

(1.華電電力科學研究院東北分院，遼寧沈陽110179;2.阜新發(fā)電有限公司，遼寧阜新123000)

一種脫硫阻垢劑在濕法脫硫系統(tǒng)的應用研究

杜佳1，張健2

(1.華電電力科學研究院東北分院，遼寧沈陽110179;2.阜新發(fā)電有限公司，遼寧阜新123000)

將一種阻垢劑加入350MW機組的石灰石－石膏濕法脫硫系統(tǒng)中，研究系統(tǒng)中不同部位結垢情況的變化。結果表明，該阻垢劑對于各個部位的石膏垢都有很好的阻垢效果，阻垢率可以達到87%以上。此外，對于整個系統(tǒng)的運行起到了優(yōu)化的作用，包括可以提高脫硫效率、提高石灰石利用率、改善脫硫石膏品質(zhì)等。

脫硫阻垢劑;濕法脫硫系統(tǒng);應用研究

石灰石－石膏濕法脫硫系統(tǒng)以技術成熟，運行可靠，對煤種變化的適應性強等特點在火電廠脫硫技術中獲得廣泛的應用［1］。但是，在濕法煙氣脫硫系統(tǒng)中，設備與管道的結垢與堵塞，會使系統(tǒng)阻力增加，脫硫效率下降，甚至還會影響脫硫產(chǎn)物中脫硫劑的含量及系統(tǒng)的氧化效果，當垢層達到一定厚度后，可能會脫落而砸傷噴嘴和防腐內(nèi)襯。另外，結垢嚴重時甚至會使設備堵塞以及系統(tǒng)停運［2］。因此，結垢問題已成為脫硫裝置能否正常長期運行的關鍵問題之一。

本研究通過將一種代號為NL－3的脫硫阻垢劑［3］加入濕法脫硫系統(tǒng)中，研究漿液循環(huán)泵入口、石膏排出泵出口、以及漿液漩流器等部位結垢的變化情況以及阻垢劑加入脫硫系統(tǒng)后對于運行參數(shù)及經(jīng)濟性的影響。

1 系統(tǒng)概況與試驗方法

1.1 系統(tǒng)概況

本研究在阜新某發(fā)電公司進行。該發(fā)電公司三期工程2×350MW機組(3、4號)煙氣脫硫工程項目，采用石灰石－石膏濕法工藝，一爐一塔設置。每套脫硫裝置的煙氣處理能力為1臺爐100%BMCR工況時的煙氣量。石灰石漿液的制備和石膏脫水及廢水處理系統(tǒng)為2爐公用［4］。本研究選取4號脫硫吸收塔作為阻垢劑添加的脫硫系統(tǒng)。

1.2 脫硫裝置設計參數(shù)

4號機組脫硫裝置設計參數(shù)詳見表1。

表1 脫硫裝置設計參數(shù)

1.3 吸收劑與產(chǎn)物設計參數(shù)

吸收劑與產(chǎn)物設計參數(shù)見表2。

表2 吸收劑與產(chǎn)物設計參數(shù)

1.4 試驗方法

選用一種代號為NL－3的脫硫阻垢劑作為本試驗的添加藥品，通過在脫硫系統(tǒng)容易結垢的部位，如漿液循環(huán)泵入口濾網(wǎng)處、石膏排出泵出口、以及漿液漩流器等處懸掛試片，經(jīng)過一段時間后，測定試片上的結垢量，對比向脫硫系統(tǒng)中添加阻垢劑NL－3前后試片上垢量的變化情況，來分析脫硫阻垢劑的阻垢效果［5－6］。同時對比添加阻垢劑前后脫硫系統(tǒng)相關參數(shù)的變化情況，研究添加阻垢劑NL－3后對整個脫硫系統(tǒng)其他方面的影響。

試驗掛片統(tǒng)一定制的規(guī)格為40mm×25mm× 3mm的304不銹鋼片，試驗前須先對其進行拋光、除油處理，稱重后用白鋼絲分別掛在漿液循環(huán)泵入口濾網(wǎng)處、石膏排出泵出口法欄連接處和漿液漩流器處，每處三個平行掛片。在加藥前掛一組，30d后取出掛片，烘干恒重。加入阻垢劑后，再掛另一組，30d后取出，同樣烘干恒重。

在進行試驗前，對脫硫現(xiàn)場的脫硫阻垢劑的添加位置進行考察，主要有以下兩處加藥點:一是吸收塔排水區(qū)地坑;二是石膏溢流漿液箱。通過了解現(xiàn)場實際情況以及對脫硫系統(tǒng)的研究可知，通過石膏溢流漿液箱的方式受吸收塔排石膏的時間限制，不能夠保證加藥的順利進行。而吸收塔地坑，無論從可操作性還是從方便程度上來講，都是最佳的投藥點，因此，選擇吸收塔的地坑進行加藥。

阻垢劑的首次添加濃度按照0.2%(阻垢劑NL－3/石灰石粉)投入，由于阻垢劑在系統(tǒng)中只起催化作用而不參與反應。但是在運行一段時間后，部分脫硫阻垢劑會隨脫硫廢水排出時有所消耗以及隨脫硫煙氣帶水等因素被帶走，因此后續(xù)需要按石膏及廢水外排的攜帶量進行補充添加［7］。試驗前對CEMS和在線儀表等重要熱控儀表進行標定和校準，試驗期間讀取SO2入口、出口濃度等相關在線數(shù)據(jù)。同時，每天取石灰石、石膏和吸收塔漿液等樣品進行分析。試驗過程對于工況無特殊要求，研究的是在電廠正常生產(chǎn)運行中系統(tǒng)的結垢和阻垢情況。

2 結果與討論

2.1 脫硫系統(tǒng)添加NL－3阻垢劑對結垢量的影響

一種物質(zhì)在漿液中是溶解還是沉淀，取決于溶液中該種物質(zhì)的離子組分及離子組分濃度。對于石膏來說，其沉淀結晶的速率的計算公式為:

式中:Rg為石膏沉淀速率;k為速度常數(shù);a為單位質(zhì)量石膏的活性表面積;C為石膏漿液的濃度;V為反應槽的體積;RSG為石膏相對飽和度。

從上述公式中可以看出，石膏結晶的速率與石膏漿液的濃度成正比［8］，在相同的懸掛時間下，沉淀速率快的部位掛片上的結晶量應該比沉淀速率慢的部位掛片上的結晶量多［9－11］。添加脫硫阻垢劑NL－3前后試驗掛片上的結垢情況見圖1。從圖1中可以看出，掛片在不同部位的結垢量不同，在石膏排出泵出口處的掛片上的垢量最大，在漿液漩流器處的掛片上的垢量最小，在漿液循環(huán)泵入口濾網(wǎng)處的掛片的垢量居中。掛片上結垢量的差異，主要是受流經(jīng)這些部位的石膏漿液的濃度的影響。流經(jīng)石膏排出泵處的石膏漿液密度略高于漿液循環(huán)泵和漩流器處石膏漿液的密度，所以石膏排出泵處掛片上的結垢量大于漿液循環(huán)泵濾網(wǎng)處和漩流器處掛片上的結垢量。

圖1 添加NL－3前后不同部位掛片上垢量對比

從圖1中還可以看出，當加入脫硫阻垢劑NL－3后，在相似的運行模式下，各部位試驗掛片上雖然也有垢形成，但結垢量都有明顯的下降。這主要是因為一方面，添加脫硫阻垢劑NL－3后，使?jié){液的pH值得到緩沖，避免了亞硫酸鈣或硫酸鈣的迅速過飽和，從而起到抑垢的作用;另一方面，阻垢劑NL－3中所含的基團能很好的與漿液中的金屬離子Ca2+生成穩(wěn)定的水溶性絡合物，使Ca2+的濃度降得很低，從而最終減少硫酸鈣的結晶量。添加脫硫阻垢劑NL－3前后在吸收塔入口濾網(wǎng)處、吸收塔人孔門處結垢情況明顯減輕。

計算添加脫硫阻垢劑NL－3后不同掛片部位的阻垢率，計算公式為:

式中:η為阻垢率;m前為添加脫硫阻垢劑NL－3前掛片上結垢的重量，g;m后為添加脫硫阻垢劑NL－3后掛片上結垢的重量，g。

脫硫阻垢劑對不同懸掛部位的掛片的阻垢效果略有不同，懸掛在石膏排出泵的掛片的阻垢率較高，而懸掛在漿液循環(huán)泵入口濾網(wǎng)處和漩流器處的掛片上的阻垢率偏低。不同試驗位置掛片上的脫除率不同，但都能達到87%以上。脫除率不同的原因主要是受到添加阻垢劑前掛片上的結垢量差別的影響。由于石膏排出泵處的掛片在添加脫硫阻垢劑前的結垢量高于漿液循環(huán)泵濾網(wǎng)處和漩流器處的掛片的結垢量，在添加了脫硫阻垢劑NL－3后，各部位掛片上的結垢量基本相同，因此，石膏排出泵處的阻垢效率較高。

2.2 脫硫系統(tǒng)添加NL－3后對脫硫效率的影響

在3臺漿液循環(huán)泵同時運行的條件下，脫硫效率在添加阻垢劑NL－3前后的變化曲線見圖2。脫硫效率按下式計算:

式中:η為脫硫效率;CSO2原為原煙氣中SO2濃度(標干態(tài)，6%O2)，mg/m3;CSO2凈為凈煙氣中SO2濃度(標干態(tài)，6%O2)，mg/m3。

從圖2可以看出，原煙氣中SO2的濃度的波動對脫硫效率有影響，隨SO2濃度的增加，脫硫效率降低。當加入NL－3后，不同原煙氣SO2濃度下的系統(tǒng)脫硫效率照比不添加NL－3均有不同程度的提升。并且隨著原煙氣SO2濃度的增加，脫硫效率下降幅度也有所減緩。這是因為脫硫阻垢劑中的成分可以強化H+由氣相向固相的傳遞，同時促進SO2和CaCO3的溶解，加速SO2的化學吸收，因此提高了脫硫效率，并且減緩了脫硫效率的下降速度［12］。

圖2 添加NL－3前后不同原煙氣SO2濃度下的脫硫效率

2.3 脫硫系統(tǒng)添加NL－3后對漿液pH值的影響

為了保證石灰石的快速溶解和SO2的有效吸收，脫硫漿液的pH值取值范圍最好控制在5～6之間。當pH值低于5時，不僅SO2的吸收會受到抑制，而且會加劇脫硫系統(tǒng)的腐蝕;當pH值高于6時，不僅不利于石灰石的溶解，而且脫硫系統(tǒng)容易結垢［13－14］。目前，國內(nèi)電廠普遍存在買不到設計或校核煤種的煤。在這種情況下，進入吸收塔的煙氣含硫量可能會超過吸收塔的處理能力，一方面造成吸收塔內(nèi)漿液濃度增高，大于石膏的過飽和度，形成石膏垢;另一方面，pH值無法控制只能不斷加石灰石漿液，如果氧化風機的氧化能力不夠，會造成漿液中亞硫酸鈣濃度偏高。由于亞硫酸鈣比較黏，容易包裹在石灰石顆粒的表面形成漿液閉塞，還容易包裹在石膏顆粒表面，最后亞硫酸鈣和硫酸鈣一起同時析出，形成這兩種物質(zhì)的混合結晶，即CSS垢。

圖3是在石灰石新鮮漿液的供漿量保持不變，同時原煙氣SO2濃度保持穩(wěn)定的條件下，添加脫硫阻垢劑NL－3前后，吸收塔漿液的pH值隨時間而變化的情況。

圖3 添加脫硫阻垢劑NL－3前后漿液pH隨時間變化的曲線

從圖3可以看出，機組負荷升高和原煙氣SO2濃度在短時間內(nèi)下降很快，當不添加NL－3時，漿液pH值下降的速度較快;而添加NL－3之后，漿液pH值下降的速度減慢。由此可見，添加脫硫阻垢劑NL－3后，在相同的運行條件下，漿液pH的的下降速度和幅度都減緩了許多。這說明，脫硫阻垢劑NL－3的添加可以緩沖漿液pH值的波動，一方面加快了傳質(zhì)反應的速率，有利于提高脫硫效率，另一方面，穩(wěn)定的pH在防止脫硫系統(tǒng)結垢的同時，可以保證脫硫效率不會發(fā)生大幅波動，避免短時間的超標現(xiàn)象的發(fā)生，對提高脫硫系統(tǒng)的操作靈活性和運行穩(wěn)定性也相當有利，有很好的應用價值。

2.4 脫硫系統(tǒng)添加NL－3后對石膏品質(zhì)的影響

表3是在添加脫硫阻垢劑NL－3前后，從石膏脫水皮帶上所取的石膏樣品分析結果。

表3 添加NL－3前后脫硫石膏成分分析結果

從表3可以看出，石膏中水分的含量基本不變; CaCO3的含量降低，同時CaSO4·2H2O的含量比添加前提高8.47%，這是因為，脫硫添加劑NL－3中的成分，促進了CaCO3的溶解，同時強化了H+由氣相向固相的傳遞，加速了SO2的化學吸收，減少了因未反應完全而隨石膏排出的CaCO3的量，因此提高了脫硫劑CaCO3的利用率，同時提高了石膏的純度。石膏中CaSO3·1/2H2O的含量稍有增加，這是由于添加劑促進CaCO3的溶解［15］，加速了SO2的吸收反應，而氧化風量供給未增加，導致漿液中部分CaSO3未及時氧化造成的，但CaSO3·1/2H2O的增加量不大，仍小于設備的保證值，對整個脫硫系統(tǒng)基本不會產(chǎn)生影響。

3 結語

(1)脫硫阻垢劑NL－3對于脫硫系統(tǒng)內(nèi)不同部位的石膏垢都有很好的阻垢效果，并且阻垢率都能達到87%以上。

(2)添加脫硫阻垢劑NL－3不僅可以防止脫硫系統(tǒng)結垢，優(yōu)化脫硫系統(tǒng)運行環(huán)境，還可以起到緩沖脫硫漿液pH、提高脫硫效率、提高石灰石利用率、改善脫硫石膏品質(zhì)等作用，同時具有顯著的環(huán)境效益和經(jīng)濟效益。

(3)此脫硫阻垢劑的初次添加量較大，成本較高，同時，添加阻垢劑防止系統(tǒng)結垢是一個長期持續(xù)的過程。因此，建議電廠長期添加，至少應持續(xù)半年至一年以獲得明顯的效果。

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Application study on a kind of desulfurization scale inhibitor in WFGD system

A kind of desulfurization scale inhibitior was applied in limestone－gypsum wet flue gas desulphurization system of 350MW unit to study the situation of scale in different parts of system.The results demonstrated that the scale inhibitor perform an excellent inhabiting effect on removing gypsum scale with the rate over 87%.Besides，the whole running system has been optimized including desulphurization efficient，utility ratio of limestone and gypsum quality have been all enhanced.

desulfurization scale inhibitor;WFGD system;application study

X701.3

B

1674－8069(2016)03－034－04

2015-10-21;

2015-12-19

杜佳(1981-)，女，遼寧沈陽人，高級工程師，主要從事電力環(huán)境保護工作。E－mail:jiadu@chder.com