摘要:石膏脫水系統(tǒng)作為FGD的重要輔助系統(tǒng),對于吸收塔運行指標(biāo)、漿液條件、物料平衡、經(jīng)濟運行、副產(chǎn)物綜合利用都有重要作用。介紹了濕法脫硫石膏一、二級脫水系統(tǒng)的流程和設(shè)備特點,著重分析研究了系統(tǒng)中一級脫水設(shè)備、皮帶機沖洗系統(tǒng)、濾液水系統(tǒng)、廢水旋流設(shè)備等的配置、選型和優(yōu)化方案。

關(guān)鍵詞:石膏品質(zhì),真空皮帶機,濾液水,廢水旋流器,變頻泵

1　濕法脫硫工藝及其系統(tǒng)組成

1. 1　概述

石灰石—石膏濕法脫硫工藝作為目前世界上應(yīng)用最廣的煙氣脫硫工藝,通過近幾年在國內(nèi)燃煤機組尤其是600MW 等級以上大型機組上的工程應(yīng)用,體現(xiàn)出煤種適應(yīng)性強、脫硫效率高、可靠性好、脫硫成本逐步降低等優(yōu)點,合格品質(zhì)的脫硫石膏也具有較好的經(jīng)濟價值。

來自鍋爐引風(fēng)機的煙氣經(jīng)過增壓風(fēng)機進入吸收塔,在塔內(nèi)上行與從噴淋層噴出的石灰石漿液霧滴逆流接觸、洗滌,去除其中的SO2、HCl 、HF和一部分SO3。反應(yīng)生成的亞硫酸鈣在吸收塔漿池(吸收塔底部)中被氧化空氣氧化為硫酸鈣,并以石膏的形式從飽和溶液中析出。吸收塔排出的石膏漿液送至石膏脫水系統(tǒng),脫水洗滌后的二水石膏外運,脫出的濾液則返回脫硫系統(tǒng)。

1. 2　濕法脫硫的主要工藝系統(tǒng)

濕法脫硫主要工藝系統(tǒng)及其功能:

(1) SO2 吸收系統(tǒng)。用于石灰石溶解、SO2 吸收、氧化、副產(chǎn)物結(jié)晶析出。

(2)煙氣系統(tǒng)。用于煙氣增壓、凈煙氣排放、故障旁路。

(3)吸收劑制備系統(tǒng)。以濕磨或成品粉攪拌制漿方式制備合格品質(zhì)的石灰石漿液。

(4)石膏脫水系統(tǒng)。對吸收塔排出的石膏漿液進行兩級脫水,生成合格品質(zhì)的二水石膏;回收濾液和旋流上清液,提高吸收劑利用率,維持系統(tǒng)水平衡和物質(zhì)平衡。

(5)排放系統(tǒng)。用于收集脫硫島檢修、沖洗的排出液并返回工藝系統(tǒng);系統(tǒng)故障時漿液排放至事故漿液箱,待重新啟動時返回。

(6)廢水處理系統(tǒng)。通過中和、絮凝、沉降等一系列措施對脫硫廢水進行凈化處理,將其所含污染物指標(biāo)(pH, SS, COD,重金屬等)降低至規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn),實現(xiàn)廠內(nèi)回用或達標(biāo)排放。

本文將著重對濕法脫硫石膏一、二級脫水系統(tǒng)設(shè)備配置進行分析。

2　脫硫石膏品質(zhì)的影響因素

脫硫石膏的品質(zhì)取決于三個方面,即脫硫島入口條件、吸收塔運行控制以及脫水系統(tǒng)的設(shè)備配置。

2. 1 脫硫島入口條件

與石膏品質(zhì)相關(guān)的條件主要包括:煙氣灰分、石灰石品質(zhì)、工藝水水質(zhì)等。

(1)脫硫島入口煙氣中的煙塵質(zhì)量濃度必須控制在100mg/m3 以內(nèi)(改造工程300mg/m3 以下) , 否則,洗滌后留在石膏漿液中,不僅影響脫水系統(tǒng)功能,也降低了石膏的品質(zhì)。

(2)石灰石的品質(zhì)對脫硫效率和石膏品質(zhì)都有直接的影響。石灰石中的雜質(zhì)(惰性物)在吸收塔內(nèi)會影響石膏結(jié)晶的粒度和純度,在脫水過程中影響石膏含水率;石灰石的粒徑、活性如果不能滿足溶解度要求,系統(tǒng)在低pH值下運行,亞硫酸鈣比例將增加,致使石膏品質(zhì)下降。

(3)工藝水水質(zhì)對石膏的影響主要是其中的氯離子,石膏中氯離子殘留量增加則其品質(zhì)下降。此時,若要滿足市場要求,就必須用大量的電廠工業(yè)水對石膏進行沖洗,影響電廠運行經(jīng)濟性。

2. 2　吸收塔的運行控制

吸收塔內(nèi)pH值、塔內(nèi)漿池容積、氧化強度、液氣比、廢水排出量等參數(shù)都會影響石膏品質(zhì)。

吸收塔漿液pH 值是脫硫過程的關(guān)鍵控制參數(shù)。當(dāng)pH值偏低,尤其是低于4. 8時,漿液內(nèi)的亞硫酸鈣殘留量會大幅增加,不僅影響脫硫效率,還會在pH值再次升高時大量析出,降低石膏品質(zhì)。

吸收塔內(nèi)漿池的容積必須滿足石膏結(jié)晶成長所需的停留時間,但也不宜過大,否則會使已生成的石膏晶體被循環(huán)漿液破壞,影響石膏品質(zhì)。因此,需結(jié)合液氣比合理設(shè)置漿池容積。吸收塔氧化強度決定石膏漿液中亞硫酸鈣的殘留量,也會影響石膏品質(zhì)。增加廢水排出量,不僅可以維持塔內(nèi)良好的運行工況,也能提高石膏的品質(zhì)。

2. 3　石膏脫水系統(tǒng)的設(shè)備配置

石膏脫水系統(tǒng)通過石膏旋流器和真空皮帶機二級脫水將質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%的石膏漿液制成水分為 10%的石膏,并在脫水過程中實現(xiàn)脫硫工質(zhì)的分配和脫硫系統(tǒng)的物料平衡。

石膏脫水系統(tǒng)的優(yōu)劣不僅關(guān)系到回收工質(zhì)、水耗、吸收塔正常運行參數(shù)(液位、密度、惰性物及氯離子) 等各項指標(biāo),還直接關(guān)系到脫硫石膏的品質(zhì)。因此,優(yōu)化、完善石膏脫水系統(tǒng)的設(shè)備配置,確保系統(tǒng)正常穩(wěn)定運行是值得認(rèn)真分析研究的。

3　石膏脫水系統(tǒng)的主要設(shè)備及其優(yōu)化配置

3. 1　石膏一級脫水系統(tǒng)

該系統(tǒng)主要由石膏旋流設(shè)備、石膏漿液箱、石膏漿液泵組成。吸收塔排出的石膏漿液首先進行水力旋流分離,質(zhì)量分?jǐn)?shù)達到3%的溢流大部分返回吸收塔,少量進入廢水旋流系統(tǒng);質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50%的底流進入真空皮帶脫水系統(tǒng)。石膏一級脫水系統(tǒng)除了濃縮漿液之外,更重要的是維持吸收塔的運行指標(biāo)。合理的系統(tǒng)配置可使吸收塔達到良好工況,實現(xiàn)整個脫硫島的經(jīng)濟運行。

一級脫水系統(tǒng)的運行配置方式通常有:

(1)石膏排出泵連續(xù)輸送漿液至石膏旋流器。旋流器溢流通過石膏漿液箱和漿液泵返回吸收塔, 旋流器入口設(shè)分支進入石膏漿液箱,支路上設(shè)置調(diào)壓閥,通過調(diào)節(jié)旁路流量確保旋流器入口壓力。根據(jù)吸收塔內(nèi)漿液密度確定石膏旋流器底流返回漿液箱或進入皮帶脫水機。

這種配置方式的特點是脫水系統(tǒng)中所有的泵均為定速運行,石膏旋流器入口壓力通過支路調(diào)壓閥維持。系統(tǒng)內(nèi)有連續(xù)漿液流,不會發(fā)生堵塞沉積,系統(tǒng)可靠性較好。

(2)石膏排出泵連續(xù)輸送漿液至石膏旋流器或返回吸收塔。塔內(nèi)漿液密度低于設(shè)定值時,漿液全部返回吸收塔;漿液密度達到設(shè)定值時,進入旋流器,此時的旋流器前返流旁路用于穩(wěn)定入口壓力。旋流器運行時的調(diào)控方式與前一種類似,但此時旋流器底流僅與皮帶機相接。

此種配置方式的特點是系統(tǒng)中所有的泵均為定速運行,低負(fù)荷時石膏漿液不進入旋流器,可避免漿液中過高含量的石灰石顆粒對旋流器產(chǎn)生磨損;底流系統(tǒng)簡潔,便于操控,但需定期沖洗。

(3)系統(tǒng)流程與第一種類似,區(qū)別是旋流器入口無回塔旁路且石膏排出泵變頻運行,低負(fù)荷時變速調(diào)節(jié),在維持旋流器入口壓力的同時實現(xiàn)經(jīng)濟運行。這種配置方式的特點是變頻運行,低負(fù)荷石膏排出泵及石膏漿液泵可小流量、低功耗運行,經(jīng)濟性較好。由于增加了變頻配置,設(shè)備造價和控制要求均有提高,但連續(xù)運行的經(jīng)濟性顯而易見。

從目前投運工程的一級脫水系統(tǒng)配置情況來看,采用第2種方式的較多,其次是第1種,第3種應(yīng)用較少。其原因主要是投資成本,但從長期運行經(jīng)濟性以及變負(fù)荷適應(yīng)能力來看,第3種方式具有更大的優(yōu)勢。

3. 2　真空皮帶機系統(tǒng)

該系統(tǒng)設(shè)備主要包括真空皮帶機、氣水分離器、真空泵、皮帶機沖洗設(shè)備、濾液水泵、石膏卸料設(shè)備。

石膏旋流器底流進入真空皮帶機,脫水沖洗后得到合格的二水石膏。真空泵抽出的空氣在氣水分離器中進行水氣分離,分離出的水和皮帶機濾出液一起收集到濾液水收集系統(tǒng),并通過濾液水泵送至吸收塔或制漿系統(tǒng)。

3. 2. 1　濾液水收集設(shè)備

濕法脫硫石膏脫水系統(tǒng)的濾液水收集設(shè)備通常按公用設(shè)置,容量取決于制漿和運行方式,通常有濾液水池和水箱兩種配置形式。

從目前脫硫工程中出現(xiàn)的問題來看,與水箱相比,濾液水池有以下的優(yōu)點:

(1)當(dāng)濾液水箱設(shè)計容量較大時,水箱內(nèi)液位較高,如果氣水分離器安裝高度不夠,就會發(fā)生氣水分離器至濾液水箱液面高差不足,不能滿足真空泵所需的真空度要求,導(dǎo)致濾液水倒灌。解決的方法往往是抬高皮帶層高度或減少水箱儲水量,前者將增加投資,后者降低了連續(xù)運行的可靠性。而濾液水池位于地面零米,不會有類似問題出現(xiàn)。

(2)濾液水池的液位測量設(shè)備、攪拌設(shè)備及回流閥等均布置于地面附近,便于監(jiān)控調(diào)節(jié),無需配置類似濾液水箱的檢修設(shè)施,更加方便靈活。

(3)濾液水池可兼作脫水車間排污溝的收集地坑,濾液水泵多采用立式泵,結(jié)構(gòu)簡單,節(jié)約空間。如果采用濾液水箱,則必須考慮水箱和泵的占位,北方寒冷地區(qū)水箱還要置于室內(nèi),且車間內(nèi)還需設(shè)集水地坑,或采用溝道引至吸收塔區(qū)域地坑,增加了室外土建的工程量。

(4)如果采用磨制、脫水綜合樓的配置方案,則濾液水池可以同時兼顧兩個系統(tǒng)的排水收集,有利于濾液水和漿液回收系統(tǒng)的整合優(yōu)化,使系統(tǒng)更加簡潔合理。

由此可見,在濕法脫硫石膏脫水系統(tǒng)中采用濾液水池,雖然會增加一些土建工程量,但有利于系統(tǒng)運行,應(yīng)在工程中優(yōu)先采用。

3. 2. 2　真空皮帶機沖洗設(shè)備

在常規(guī)的脫水皮帶機沖洗系統(tǒng)中,每臺皮帶機一般會配置相應(yīng)的濾餅沖洗水系統(tǒng)和濾布沖洗水系統(tǒng),前者包括濾餅沖洗水箱和一用一備的濾餅沖洗水泵,后者包括濾布沖洗水箱和一用一備的濾布沖洗水泵。

沖洗系統(tǒng)采用脫水機真空泵的冷卻水排水作為沖洗水源。首先將水源接入濾布沖洗水箱,泵送至皮帶機濾布沖洗的各噴嘴處,沖洗濾布之后的水收集到濾餅沖洗水箱中,再泵送至石膏沖洗用水點,為確保成品石膏中氯離子含量在規(guī)定范圍內(nèi),皮帶機尾部也可增設(shè)工業(yè)水沖洗接口。

閉合式兩級沖洗的配置方式可最大程度地減少進入系統(tǒng)的外來水,便于濾液水系統(tǒng)和石膏一、二級旋流系統(tǒng)以及制漿系統(tǒng)的水量調(diào)控,實現(xiàn)整個系統(tǒng)的水平衡。

在電廠實際運行中發(fā)現(xiàn),上述配置存在以下問題:濾餅沖洗水箱容積很小,無法安裝攪拌裝置,進入其中的濾布沖洗水含有的大量石膏顆粒極易沉積而堵塞水箱出口;濾餅沖洗水泵入口管徑小,容易堵塞,或直接造成石膏沖洗噴嘴結(jié)垢、堵塞而無法運行,影響石膏品質(zhì),甚至需停運徹底清理。

為解決上述問題,有些工程在沖洗水泵出口加裝循環(huán)管路和噴嘴,增加擾動,減少石膏顆粒沉淀, 但長期運行的效果仍不理想。為此,脫水機的供貨方把兩級循環(huán)改成一級循環(huán),濾布沖洗水和濾餅沖洗水均采用水質(zhì)較好的真空泵排水。因此, 1臺脫水機應(yīng)設(shè)置1個綜合沖洗水箱和2臺沖洗水泵,沖洗水母管至皮帶機各沖洗水噴嘴的壓力和流量通過各支路上的閥門和節(jié)流裝置調(diào)節(jié)。

新的配置方案簡化了沖洗系統(tǒng),減少了濾布沖洗水中間收集循環(huán)的二次環(huán)節(jié),取消了易發(fā)生故障的箱、泵。沖洗水箱和水泵在較好水質(zhì)條件下運行, 避免了管路和噴嘴的堵塞,從而保證了脫硫石膏的品質(zhì)。皮帶機系統(tǒng)所有沖洗水及排水均收集到濾液水坑或作吸收塔補充水。與原沖洗系統(tǒng)相比,濾布沖洗水不再循環(huán)使用會使工業(yè)水用量增加。在設(shè)計整個脫硫島水平衡時,應(yīng)注意此處增加的水量和工藝水水量的總體恒定。改進的沖洗系統(tǒng)提高了真空皮帶機系統(tǒng)連續(xù)運行的可靠性,減少了過程環(huán)節(jié)和故障率,對提高FGD整體可用率有一定的效果。在近期的工程設(shè)計中已陸續(xù)采用。

3. 3　廢水旋流系統(tǒng)

早期的一些濕法脫硫工程未設(shè)置廢水旋流裝置,僅在石膏一級旋流器溢流箱底部接出一路作為廢水排放。這種配置不僅便于廢水排放,且因廢水濃度較高,較小的廢水量即可充分排出塔內(nèi)積累的有害物質(zhì)。但這種方式也存在較大的問題,即較高的排放濃度會帶出許多有效工質(zhì),使得系統(tǒng)鈣硫比增加,吸收劑耗量變大。隨著節(jié)水要求的提高,電廠濕排灰系統(tǒng)已逐步擯棄,廢水綜合回用已成為脫硫設(shè)計的基本要求。為有效回收工質(zhì)并減輕廢水處理系統(tǒng)的負(fù)荷,脫水系統(tǒng)中必須配置廢水旋流系統(tǒng)。

廢水旋流系統(tǒng)包括廢水旋流泵、旋流器、廢水收集箱、廢水泵等。石膏旋流器溢流的一部分經(jīng)廢水旋流泵升壓后進入廢水旋流器,廢水旋流器的底流返回石膏漿液箱,溢流將進入廢水處理系統(tǒng)。

廢水旋流系統(tǒng)對保證塔內(nèi)良好工況有重要作用,其設(shè)備的配置有以下幾點值得研究和優(yōu)化:

(1)廢水旋流泵的運行方式。一些電廠的廢水間斷排放,使得塔內(nèi)Cl- 濃度波動較大,其控制限值可達20 000mg/L。應(yīng)該指出的是, Cl- 濃度過高必將影響石膏晶體的正常生成和產(chǎn)品品質(zhì),因此,必須盡量控制在低Cl- 工況下運行;另一方面,漿液中的 Cl- 對設(shè)備具有較強的腐蝕性,低CI- 濃度可有效減緩設(shè)備腐蝕,提高設(shè)備的使用壽命和整個系統(tǒng)的可用率。因此,廢水系統(tǒng)的連續(xù)穩(wěn)定運行對于脫硫島的安全性和運行經(jīng)濟性非常有利。

廢水旋流泵若采用變頻設(shè)置,可更好地適應(yīng)外部條件變化引起的脫硫廢水量變化,同時確保旋流器工況并穩(wěn)定廢水水質(zhì)和進入濾水系統(tǒng)的回水量, 成為濾液水量調(diào)節(jié)的補充手段。在低負(fù)荷時,廢水系統(tǒng)連續(xù)變頻運行不僅可維持塔內(nèi)工況,更重要的是與負(fù)荷匹配的流量調(diào)節(jié)可在經(jīng)濟運行的前提下進行,可控性好。

(2)廢水旋流泵前設(shè)置緩沖箱。一些脫硫工程在廢水旋流泵之前不設(shè)置緩沖箱,但在實際運行中發(fā)現(xiàn),當(dāng)設(shè)計廢水量較大且相應(yīng)的泵選型較大時,易出現(xiàn)溢流箱抽空的現(xiàn)象,尤其是在機組未全部投運時,共用設(shè)計出力的廢水旋流系統(tǒng)對應(yīng)單臺旋流器更易出現(xiàn)此情況。因此,應(yīng)在廢水旋流泵前加設(shè)緩沖箱,以確保在各種情況下廢水旋流泵的穩(wěn)定運行, 有利于廢水旋流系統(tǒng)變頻連續(xù)調(diào)節(jié)。

(3)廢水旋流器的旋流子數(shù)量。廢水旋流器處理的是石膏旋流器的溢流,廢水濃度低、顆粒小、分離難度大,因此,旋流子的數(shù)量應(yīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于石膏旋流器。廢水旋流器之前應(yīng)設(shè)置變頻泵以維持入口壓力。由于廢水旋流器出口對應(yīng)的是廢水處理系統(tǒng), 而廢水處理系統(tǒng)對來水水質(zhì)的穩(wěn)定性要求比較高, 尤其當(dāng)廢水系統(tǒng)中配置了離心脫水機時,廢水濃度的過度變化會使脫水機無法工作。因此,廢水旋流器的旋流子數(shù)量必須按照出口廢水水質(zhì)及負(fù)荷變化要求配置,確保在任何工況下都能達到旋流器的最佳分離效果,避免溢流量過大或進入廢水處理系統(tǒng)的顆粒度惡化等情況的發(fā)生。

4　結(jié)語

隨著石灰石—石膏濕法脫硫工藝的廣泛應(yīng)用, 國產(chǎn)化程度進一步提高,脫硫系統(tǒng)造價不斷降低。在此情況下,首要問題是如何保證FGD 系統(tǒng)的安全、高效運行。石膏脫水系統(tǒng)作為脫硫島控制物料平衡、確保副產(chǎn)物品質(zhì)、維持吸收塔運行工況的重要輔助系統(tǒng),其設(shè)計優(yōu)化和設(shè)備配置對整個FGD系統(tǒng)的可靠運行,尤其在電廠節(jié)水、節(jié)能以及提高綜合經(jīng)濟效益等方面具有重要的意義。

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