神华神东矿业服务公司 内蒙古鄂尔多斯 017209
摘要：近年来，我国经济快速发展，城镇化速度进一步加快，城市建筑面积快速增加，供热需求和供应持续增长。截至2014年，我国在用供热用锅炉61.06 万台，总功率约351.29 万MW，其中燃煤锅炉46万台，总容量约300万MW，小于35t/h 的占总容量的48%，约144万MW。能源结构决定消费结构，而且预计在今后相当长的时间，燃煤锅炉容量比例将一直处于高位，排放的 SO2、NOx 和烟尘仍将是空气质量控制的主要指标。
随着大气环境的恶化和对环保关注的提高，国家环保对锅炉烟气排放的要求有了大幅的提高，使我国的脱硫技术迅速发展，技术上也逐渐趋于成熟。石灰石-石膏法脱硫工艺以其成熟的技术、稳定可靠的运行、较高的脱硫效率和来源广泛的脱硫剂的优点，现已广泛应用于各种锅炉环保改造中。但在实际运行中，也存在着结垢堵塞、设备腐蚀、废水难以处理等一系列问题，而解决这些问题的关键是改进湿法脱硫技术。
本文结合工程案例讨论了石灰石-石膏法脱硫系统和工艺流程及反应原理，并探讨了影响脱硫效率的因素和脱硫系统运行中常见的问题产生原因及应对措施，最后得出结论，若要满足日趋严格的环保标准，需要对该方法进行进一步的优化完善。
关键词：石灰石湿法；影响因素；浆液起泡；结垢堵塞
1、概述
作为湿法脱硫中的一种重要工艺，石灰石-石膏法脱硫工艺是目前国内应用最广、工艺技术最成熟的。它以石灰石作脱硫吸收剂原料，制成粉状后加水制成脱硫剂浆液。在脱硫塔内，烟气与石灰脱硫浆液接触，烟气中的SO2与浆液中的CaCO3和空气中的氧进发生学反应，吸收除去SO2，生成石膏沉淀。脱硫后的净烟气经塔内顶部的除雾器除去烟气水雾后排出。反应后的脱硫浆液排出塔外，经脱水装置脱水后重复利用。由于脱硫石灰浆液可循环利用的特性，使脱硫剂保持了很高的利用率。2016年以来，这一脱硫工艺在神华神东煤炭集团的供热锅炉烟气达标治理项目上也得到了较多的应用。
2、工程案例
神华神东锦界煤矿2×6+1×10t/h燃煤锅炉为例对该脱硫工艺工程案例进行简述。锦界矿3-1煤锅炉房改造前设置多管旋风除尘器进行除尘，未安装脱硫设施，根据2014年、2015年现场测试数据，颗粒物6064mg/Nm3，二氧化硫499mg/Nm3，并且根据含硫量0.57%计算得烟气中的SO2浓度为1425mg/Nm3，超出了GB13271-2014《锅炉大气污染物排放标准》的排放限值要求。
根据GB13271-2014《锅炉大气污染物排放标准》要求，烟气排放限值为：颗粒物≤80 mg/Nm3，SO2≤400mg/Nm3。本次改造工程除尘脱硫设施处理后烟气需达到以下标准颗粒物≤50mg/Nm3；SO2≤300mg/Nm3。
根据该项目的规划，拆除现有两台炉多管旋风除尘器，每台锅炉安装一台布袋除尘器；脱硫改造采用石灰-石膏湿法脱硫工艺方案，三台炉按“三炉一塔”设计。设计脱硫效率大于85%，脱硫后SO2排放浓度低于300mg/Nm3，颗粒物排放浓度低于50mg/Nm3。
2.1改造范围
（1）除尘改造：布袋除尘器系统、排灰系统。
（2）脱硫改造：烟气系统、SO2吸收系统；制浆、供浆系统、石膏排出处理系统、工艺水系统；压缩空气系统。
（3）引风机改造：引风机本体及进出口烟道
改造范围为脱硫除尘系统内总图运输、工艺、设备、电气、仪表及控制、土建、暖通、消防、给排水等专业的全部设计。
2.2性能保证值
在锅炉BMCR工况条件下，FGD入口SO2浓度≤1500mg/Nm3（标干、9%O2），FGD入口烟气温度130℃，布袋除尘器入口烟尘浓度(标态干烟气，9%O2) 约6064mg/Nm3，整套装的主要性能保证值如下：
b）吸收塔为圆柱体、钢结构，内衬防腐层。吸收塔底部为循环浆区，上部由两层喷淋层和两级除雾器组成，每层喷淋层对应一台浆液循环泵。吸收塔直径为2.6m，吸收塔本体总高度23.1m。吸收塔顶部为直排烟囱，直排烟囱直径为1.3m，顶标高为45m，烟囱材质为玻璃钢。
C）烟气进入吸收塔后，与喷淋层喷出的浆液接触，烟气被浆液洗涤，其中的SO2被浆液吸收。被吸收到浆液中的SO2在吸收塔下部的循环浆池内与浆液中的Ca2+发生反应生成CaSO3，并被氧化风机鼓入的空气强制氧化，最终生成石膏晶体CaSO4?2H2O，由石膏排出泵自吸收塔送至石膏处理系统。吸收塔设1台石膏排出泵。
d）被洗净的烟气经机械除雾器去除大部分液滴，后经吸收塔顶部的直排烟囱排出。
e）新鲜的石灰浆液加入到吸收塔浆池，以补充消耗的吸收剂。浆池的pH控制在6.0~7.0，以利于Ca(OH)2的溶解、CaSO3的氧化和石膏晶体的生成。
2.3氧化空气系统
a）氧化空气系统由氧化风机、氧化空气管路和氧化空气喷枪组成。氧化风机采用高性能、高效率的罗茨风机，以保证亚硫酸钙强制氧化所需的空气量。本工程吸收塔设2台氧化风机，1运1备，氧化风机流量为90Nm3/h。
b）氧化空气喷枪安装于距上层搅拌器前端的一定位置处，与搅拌器配合液流搅动、破碎氧化空气使之均匀分散保证高的氧转移率。
2.4脱硫剂浆液制备及供应系统
本项目的石灰粉消耗量较小，采用半自动制浆方式。袋装石灰粉储存于室内，使用时人工将石灰粉加入到石灰浆液池中。石灰浆液池有效容积按3台锅炉额定工况下、燃用设计煤种时脱硫装置12小时的石灰浆液耗量设计，有效容积为10.125m3。石灰浆液池设计为半地下式，设置一台顶入式搅拌器和一台石灰浆液泵，为吸收塔供应脱硫剂浆液，石灰浆液泵流量为12.5m3/h。
2.5 石膏处理系统
a）吸收塔设置一台石膏排出泵，泵的流量为12.5m3/h，扬程为65mH2O，为板框压滤机专用泵。
b）吸收塔的石膏浆液通过石膏浆液排出泵送至板框压滤机，定时脱水，经脱水处理后石膏表面含水率小于40％，置于石膏库，供综合利用。
c）板框压滤机脱水面积约为60m2。
d）压滤后的滤液水和冲洗水进入废水池，大部分浆液经废水泵返回至制浆系统和吸收塔循环使用，少部分随附产物石膏渣（含40%）带走，系统无废水排放。
2.6工艺水系统
脱硫工艺水采用厂区自来水，两台炉正常运行时脱硫工艺水耗量约为4m3/h。在脱硫岛内设置1座工艺水箱，有效容积为10m3。工艺水箱配2台工艺水泵（1运1备），工艺水经工艺水泵输送至各工艺水用户，工艺水泵的流量为25m3/h。
2.7压缩空气系统
a）本工程所需的压缩空气从新增的压缩空气系统接引，接至各用气点。
b）新增两台3 m3/min的螺杆式空压机，一用一备，配电机功率为18.5kW。
c）新增一套空气净化设备，包括主管路前置过滤器、冷冻式干燥机及后置精密过滤器，用以提供仪用压缩空气。
3、石灰石-石膏法脱硫效率的影响因素
3.1脱硫反应原理
a）用石灰浆液作脱硫吸收剂时，烟气中的SO2在吸收塔中转化，其反应简式如下：
CaCO3+2SO2+H2O →Ca（HSO3）2+CO2
b）通过氧化风机鼓入的空气使浆液中的亚硫酸氢钙在吸收塔浆池中氧化成石膏晶体。
Ca（HSO3）2+O2+ CaCO3+3 H2O →2CaSO4.2H2O+CO2
3.2烟气温度
在脱硫系统正常运行时，脱硫塔入口处烟气温度不能超过规定的范围。如果烟气温度过高，吸收塔内的玻璃鳞片防腐层和喷淋层等会因高温而变形损坏。在供热锅炉运行过程中，其负荷变化极为频繁，脱硫塔入口处的烟气温度也会随之变化，直接影响脱硫系统的效率。烟气温度越低，越有利于石灰浆液吸收SO2，形成HSO3ˉ，而且有利于硫酸钙沉淀的生成。
3.3石灰石浆液的影响
石灰石的纯度和活性对脱硫系统性能的影响很大。石灰石的活性越大，脱硫吸收反应越好，脱硫效率越高。石灰石的纯度对脱硫系统性能的影响也很明显。石灰石中的杂质会导致石灰石活性的降低，石灰石的脱硫性能也会随之降低。而且，杂质溶于脱硫浆液后非钙离子会大量增加，减弱了碳酸钙在溶解体系中的溶解和电离性能。所以，石灰石中含有的杂质越多，脱硫系统性能效果越差。所以，在脱硫用石灰石的选择上，在保证活性的基础上，纯度越高越好。
3.4浆液PH值
在供热锅炉的实际运行中，脱硫浆液PH值不仅对烟气脱硫效率有显著影响，而且对系统运行的好坏也有极大影响。运行时脱硫浆液PH值过低，脱硫效率明显降低，SO2的排放量快速增加，很难达到排放标准；另外过低的PH值造成浆液酸度增高，造成设备腐蚀，影响设备和运行的安全。
运行时脱硫浆液PH值过高，脱硫效率高，容易达标排放，但是会使浆液浓度增加，饱和结晶更快，导致脱硫设备内部结垢堵塞，无法运行，更难以保证设备安全运行，对产出高品质石膏副产品也有较大影响。
3.5浆液密度
在脱硫系统运行过程中，烟气与脱硫吸收剂的不断反应，脱硫吸收塔内浆液密度会越来越大，当密度超过一定比例，浆液中钙离子的浓度趋于饱和时，反而会导致吸收SO2降低，使得脱硫效率明显下降。而当石膏浆液密度越低，相对碳酸钙的含量会越高，导致石膏中碳酸钙含量增加，造成石膏品质下降，而且对石灰石来说也是一种浪费。而且，石膏浆液密度大小对旋流器运行的压力、旋流子磨损也有较大的影响。石膏浆液的密度越大，旋流器的运行压力会越高，旋流脱水的效果越好，但对旋流子磨损会越大。因此运行中应严格控制石灰石浆液密度，使其在恰当的范围内才能使脱硫系统高效且经济的运行。
3.6液气比L/G
液气比是指与流经脱硫吸收塔单位体积烟气量与对应的脱硫浆液喷淋量的比例。液气比越大，浆液和烟气的接触面积越大，吸收反应进行的越快，脱硫效率也会提高。但是液气比超过了一定的比例，吸收效率反而不会有明显提高，但脱硫吸收剂消耗将急剧增大。而且实际运行中过高的液气比会使浆液循环泵、氧化风机等设备电耗增大，而且还会增大烟气阻力，增加了引风机能耗。但过低的液气比会导致烟气超标排放，因此在初始设计时，应在保证脱硫效率的同时，达到最佳的液气比。
4、系统运行过程常见问题分析
4.1结垢堵塞
在石灰石-石膏法烟气脱硫中，设备与管道的结垢堵塞，是影响脱硫系统正常运行和达标排放的关键问题。探究结垢堵塞的原因，一般来说常见的有以下 3种：1、浆液浓度过高或烟气温度过高，造成浆液沉积或者析出，在设备表面并生长而造成结垢。2、脱硫吸收剂一次加入超量，导致浆液pH值过高，反而促进了烟气中的CO的吸收，生成过多的CaCO3等沉淀附着在设备和管道内；3、前端除尘系统出现问题，烟气含有大量尘进入脱硫系统，造成烟尘的沉积。
在运行管理过程中堵塞现象时有发生，当前还不能够彻底解决此问题。但经过一些列的措施可防止或减少结垢堵塞的问题出现：（1）在锅炉操作上，控制烟气温度，防治吸收液中水分蒸发过快和浆液沉积；（2）控制脱硫剂的pH值，保持在5-6范围之内；（3）控制石灰浆液的浓度，不能过高或过低；（4）操作好除尘系统，防止大量灰尘进入脱硫系统；（5）使用部分添加剂，目前使用的添加剂有 CaC12，Mg（OH）2，己二酸等。
在运行过程中应密切监视设备和管道的压力、流量、差压等参数，及时发现并处理问题，调整脱硫剂的PH值和加入量等，保证整个脱硫系统的正常运行。
4.2腐蚀
设备腐蚀的原因多样，它与多种因素有关。如：溶液的pH值、温度、煤的含硫量、浆液氯离子浓度等。在石灰石-石膏法脱硫系统中浆液PH值过低是设备腐蚀一个重要原因。PH值越低，浆液酸性越高，对有关设备腐蚀越严重。
目前来说，解决腐蚀问题的主要方法是对脱硫系统各部位进行防腐处理或采用耐腐蚀材料以及在设备内外涂防腐材料。在吸收塔烟气进出口段，增加耐热玻璃鳞片涂层，在吸收塔塔内壁使用耐磨耐腐的玻璃钢或者不锈钢材质管道。另外适当控制浆液的pH值来减少腐蚀。
4.3吸收塔浆液起泡
起泡原因分析，（1）杂质增多。运行过程中煤炭燃烧不好，未充分燃烧的成份或者部分碳颗粒或焦油随锅炉烟气进入吸收塔，或者锅炉出口的除尘系统运行出现问题，使烟气中的粉尘浓度过高，使得大量杂质进入脱硫吸收浆液，吸收塔浆液非钙离子含量增高，使浆液发生物理性能的变化，表面张力增加，从而使浆液表面出现起泡。（2）化学反应。石灰石纯度不够，含有过量MgO等杂质，与浆液中的硫酸根离子发生反应产生了大量泡沫。（3）水质恶化。脱硫系统中的脱水或废水处理系统未能及时处理浆液，致使脱硫浆液水质逐渐恶化。
应对措施：（1）加入脱硫专用的消泡剂。（2）设计时尽可能减少吸收塔底部浆液的搅动。（3）加大塔内浆液的排除量，不断补入新鲜的浆液。稀释脱硫吸收浆液的浓度。（4）对脱硫废水进行对应处理，减少吸收浆液的氯离子、重金属离子及各种杂质的含量，确保脱硫塔内浆液的纯度。（5）严格控制脱硫用工艺水的水质，最好使用经处理后的纯净水质。（6）严格控制检验脱硫剂原料，保证活性和纯度，杂质成分含量不超标。（7）加强脱硫吸收浆液、脱硫废水、石灰石原料和副产品石膏的化验分析工作，加强对脱硫系统运行状况的监控，保证浆液的品质不发生恶化，并对出现的问题及时采取处理手段。
5、废水的处理
脱硫浆液吸收烟气中的硫后，产生的废液中含有烟尘、硫酸盐、亚硫酸盐等各种杂质，必须经过处理达标后才能排放，否则会对环境造成二次污染。当前神东煤炭集团现有锅炉石灰石石膏法脱硫产生的废水一直难以处理，受厂区场地限制以及处理投入较大，一直困扰着运行管理人员，亟需有效方法予以解决。
结论
随着国家环保力度的加强和政策的出台，供热锅炉房环保压力越来越大，虽然已经在积极配套和完善环保设施以提升对大气污染物的排放控制措施，但运行过程也存在一些亟待完善的问题。现在神东煤炭集团各锅炉房正在全面改造，通过对石灰石-石膏法脱硫设计、安装及运行调整等方面进行优化来保持系统的稳定运行和烟气的达标排放，已经达到环保要求。
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论文作者:丁国瑞
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第11期
论文发表时间:2017/10/11
标签：浆液论文; 烟气论文; 吸收塔论文; 石膏论文; 石灰石论文; 系统论文; 石灰论文; 《建筑学研究前沿》2017年第11期论文;