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1、火电机组用湿式石灰石火电机组用湿式石灰石- -石膏脱硫系统石膏脱硫系统(WFGD)(WFGD)原理和运行分析原理和运行分析转自： 时间：2006 年 11 月 23 日 12:30摘摘 要：要：本文分析了某火力发电厂采用的石灰石/石膏湿法烟气脱硫系统的脱硫原理、设计参数、主要特点和工艺流程，着重分析了目前影响湿法脱硫系统性能的的关键因素并提出相关的措施。以期对我国脱硫技术与设备的国产化事业做出一点贡献。关键词：关键词：石灰石-石膏湿法脱硫、脱硫性能、脱硫技术与设备由于火电厂排放的二氧化硫、氮氧化物等有害气体严重地污染人类生存的环境，危害着生态及人体健康，同时也制约着国民经济的高速健康地可持续发
2、展。因此，为促进火电厂烟气脱硫技术进步与脱硫技术国产化事业的发展、构建环境与经济和谐发展的社会，研究和分析适合火电厂的某湿式石灰石/石膏法脱硫技术尤为必要。湿法烟气脱硫技术普遍具有脱硫反应速度快、脱硫效率高、脱硫剂利用率高等优点。在钙硫比等于 1.02 左右时，目前世界上最成熟的湿式石灰石/石膏法脱硫技术的脱硫效率可达到 95以上。因此，湿法石灰石/石膏烟气脱硫是火电厂采用最广泛的一种脱硫方法1。本文针对某火力发电厂采用的石灰石/石膏湿法烟气脱硫系统（如图 1 所示）。阐述其脱硫吸收操作机理、工艺流程。重点对影响该系统脱硫性能的关键问题展开分析和探讨。以期对火电机组脱硫技术与设备的国产化进程起
3、到一定的促进作用。1 1 脱硫系统脱硫系统某火电机组湿法脱硫工艺系统采用的是德国比晓夫公司的技术，脱硫吸收塔属于圆柱形空塔、吸收剂与烟气在塔内逆向流动、吸收和氧化在同一个塔内进行、氧化方式采用强制氧化。 主要分系统包括：烟气系统、吸收氧化系统、浆液制备输运系统、石膏脱水系统、冲洗排放（工艺水、压缩空气）系统组成。1.11.1 工艺流程工艺流程 烟气途经电除尘器除尘后，通过增压风机、GGH 降温后被引入吸收塔。在吸收塔内烟气向上流动且被向下流动的循环浆液以逆流方式洗涤。循环浆液则通过喷淋层内设置的喷嘴喷射到吸收塔中，通过喷嘴进行雾化，可使气体和液体得以充分接触，可脱除 SO2、SO3、HCL和
4、HF，每个泵通常与其各自的喷淋层采用单元制连接。与此同时在“强制氧化工艺”的处理下反应的副产物被导入的空气氧化为石膏（CaSO42H2O），并消耗吸收剂石灰石。在吸收塔中，石灰石与二氧化硫反应生成石膏，这部分石膏浆液通过石膏浆液泵排出，进入石膏脱水系统。脱水系统主要包括石膏水力旋流器（作为一级脱水设备）、浆液分配器和真空皮带脱水机。经过净化处理的烟气流经两级除雾器除雾，在此处将清洁烟气中所携带的浆液雾滴去除。同时按特定程序不时地用工艺水对除雾器进行冲洗。进行除雾器冲洗有两个目的，一是防止除雾器堵塞，二是冲洗水同时作为补充水，稳定吸收塔液位。在吸收塔出口，烟气一般被冷却到 4655，此时所含水蒸
5、气呈饱和状态。要通过 GGH再换热设备将烟气加热到 80以上后排放到烟囱，以提高烟气的抬升高度和扩散能力。.2.2 工艺参数工艺参数 工艺参数如表工艺参数如表 1 1 所示所示表 1 2300MW 机组脱硫的主要工艺参数（数据所对应为 100负荷，设计煤种时烟气量）1.31.3 工艺特点工艺特点1）采用三区（吸收、氧化、结晶）合一的喷淋空塔，简化了系统流程，减少了占地面积，增强了对锅炉负荷变化的适应性，提高经济性，降低总的能耗；2） 应用脉冲悬浮系统（见图 2），避免安装机械搅拌器；3）采用池分离器技术（见图 3），可以分别为氧化和结晶提供最佳反应条件；4）吸收剂(石灰石)资源丰富、价廉易得以
6、及脱硫副产物（石膏）便于综合利；5）采用 CFX 模拟软件优化塔体尺寸，平衡了 SO2 去除与压降的关系，使得资金投入和运行成本最低；脱硫效率高达 95%以上，技术成熟，设备运行可靠性高（系统可利用率达 98%以上）。2 2 脱硫原理脱硫原理2.12.1 操作过程原理操作过程原理湿式石灰石/石膏烟气脱硫过程属于化工通用的单元操作过程，包括流体输运、热量传递和质量传递。其中质量传递主要有 SO2气体扩散、吸收、吸附和亚硫酸根离子被催化氧化为硫酸根离子等过程。因此，各操作过程原理对脱硫性能都会产生显著的影响。湿式脱硫过程中的 SO2气体扩散包括分子扩散和湍流扩散，浆液中的吸收等过程。2.22.2
7、反应机理反应机理湿式石灰石/石膏烟气脱硫工艺使用氧化钙（CaO）或碳酸钙（CaCO3）作吸收剂与水配制成浆液，在吸收塔中洗涤烟气并吸收 SO2。该过程属于气液吸收反应的过程，主要包括二氧化硫的吸收、中和、氧化结晶等反应3：SO2 + H2O H2SO3 （2）CaCO3 + H2SO3 CaSO3 + CO2 + H2O （3）CaSO3 + H2SO3 Ca(HSO3)2 （4） CaSO3 + 1/2 H2O CaSO31/2H2O （5）CaSO3 + 1/2 O2 CaSO4 （6）CaSO4 + 2H2O CaSO4 2H2O （7）3 3 湿式石灰石湿式石灰石- -石膏系统运行分析
8、石膏系统运行分析湿式脱硫系统传质性能与具体脱硫剂物系、气流速度、操作温度、压力、溶质浓度、气、液、固三者的接触程度都有关系。可见，选择合理的运行参数，则有利于提高系统脱硫速率和脱硫效率，同时，还能大大降低防腐和抗磨的压力及投资成本和运行费用。但是，在实际应用中，湿法烟气脱硫通常总会存在结垢及堵塞、腐蚀及磨损、富液难处理等关键问题，如果这些关键问题解决不好，势必会造成整个脱硫系统性能下降、增加脱硫成本、不能安全运行和二次污染等问题。3.13.1 结垢与堵塞的控制结垢与堵塞的控制石膏终产物超过了悬浮液的吸收极限，石膏就会以晶体的形式开始沉积，当相对饱和浓度达到一定值时，石膏晶体将在悬浮液中已有的石
9、膏晶体表面进行生长，当饱和度达到更高值时，就会形成晶核，同时，晶体也会在其它各种物体表面上生长，导致吸收塔内壁结垢。吸收液 pH 值的剧烈变化，低 pH 值时，亚硫酸盐溶解度急剧上升，硫酸盐溶解度略有下降，会有石膏在很短时间内大量产生并析出，产生硬垢。而高 pH 值亚硫酸盐溶解度降低，会引起亚硫酸盐析出，产生软垢。在碱性 pH 值运行会产生碳酸钙硬垢。有些固体物质在水溶液的溶解度与 pH 值关系密切见表 33-4所示。在 50不同 pH 值时 CaSO3(1/2)H2O 和 CaSO42H2O 的溶解度（浓度/10-6） pH 值Ca2+SO32-SO42-pH 值Ca2+SO32-SO42-
10、7.06752313204.01120187310726.06805113403.5176341989805.073130312603.0313593759184.584178511792.5577321999873从表 3 可知，pH 值的高低对二水硫酸钙的溶解度影响不大，而对半水亚硫酸该的影响比较大，当 pH5.0 时半水亚硫酸钙溶解度降低，可阻碍结垢，促进 SO2的进一步吸收。图 5 则给出了 pH 值与系统脱硫效率的关系，随着吸收塔内浆液 pH 值的升高，脱硫性能得到改善，脱硫效率得到升高。因此，实际运行过程中，选择和控制吸收塔内浆液具有合适的 pH 值是影响整个脱硫系统性能的关键因素
11、。.2.2 防止腐蚀及磨损防止腐蚀及磨损 湿式石灰石-石膏脱硫系统的脱硫性能好坏和系统寿命的长短，防腐抗磨技术是脱硫系统实际运行中的性能好坏的关键，甚至可以说防腐抗磨技术好坏决定脱硫系统的成功与否。因此，本文有必要分析造成腐蚀和磨损的原因，并在此基础上再从技术角度和施工角度来分别阐述防腐抗磨的措施。若按照腐蚀的机理来分主要可分为如下五类腐蚀：1） 酸性腐蚀。烟气中的 SO2、HCl、HF 等酸性气体在与液体接触时，生成相应的酸液，其 SO32、Cl、SO42对金属有很强的腐蚀性，对防腐内衬亦有很强的扩散渗透破坏作用。2） 结晶腐蚀。溶液中的硫酸盐和亚硫酸盐随溶液渗入防腐内衬及其毛细孔内，当系统
12、停运后，吸收塔内逐渐变干，溶液中的硫酸盐和亚硫酸盐析出并结晶，随后体积发生膨胀，使防腐内衬产生应力，尤其是带结晶水的盐在干湿交替作用下，体积膨胀高达几十倍，应力更大，导致严重的剥离损坏。3） 电化学腐蚀：金属表面与水及电解质形成电化学腐蚀，在焊缝处比较明显。4） 低温腐蚀与热应力腐蚀、环境温度的影响。由于 GGH 故障或循环液系统故障，导致塔内烟温升高，其防腐材料的许用应力随温度升高而急剧降低。温度急剧变化，由于防腐内衬与基体的膨胀系数不同，导致不同步的膨胀，因应力使内衬粘接强度下降。由于温度的上升，降低了内衬材料的耐腐蚀性和抗渗透性，加速了内衬老化，由于防腐内衬施工中存在如气泡、裂纹等缺陷，
13、受热应力作用迅速发展，介质渗透进去后又起到了加速作用。5） 冲刷及磨损腐蚀。浆液中由于含有固态物，浆液在管道中流动或喷淋落下时对塔内物质有一定的冲刷作用，特别是对于管壁或塔内的凸出物区容易发生此类腐蚀。下面主要从技术角度和施工角度分别阐述防腐抗磨的措施。技术措施：1） 合理控制 pH 值（一般 pH 在 5.4-5.5 为合适）5。不易结垢，降低了浆液中固态物含量，因而减轻了磨损。2） 选择合理的 FGD 烟气入口温度，并选择与之相配套的防腐内衬。玻璃钢当温度低于 80时，能安全的运行，超过 80，玻璃钢材质就不适合，所以采用玻璃钢必须有可靠措施控制入口烟温和塔内温度。3） 采用气-气换热器（
14、GGH）设备，来降低入口烟气温度减轻后不烟道的防腐压力。4） Cl是引起脱硫系统中金属腐蚀和应力腐蚀的重要原因，当 Cl含量超过 20000106时，不锈钢已不能正常使用，需要用氯丁橡胶，玻璃鳞片做内衬。当 Cl浓度超过 60 000106时，则需更换昂贵的防腐材料。5） 由于液气比的提高而带来的问题却显得突出，出口烟气的雾沫夹带增加，给后续设备和烟道带来玷污和腐蚀。施工措施：6） 严格按照防腐抗磨施工规范进行施工，防腐内衬的施工质量。7） 必须保证关键部件（如吸收塔）现场施工制作质量。吸收塔的内支撑件及框架不能用角钢、槽钢、工字钢，应用圆钢、方钢为主；外接管不能用焊接，要用法兰连接；焊接过程
15、中，焊口满焊，焊缝光滑平整无缺陷。8） 防腐材料的选择要合理：对于静态设备的防腐，第一种，在炭钢本体衬防腐材料，第二种，利用耐腐蚀的合金材料。采用防腐内衬，主要材料为玻璃鳞片树脂和橡胶内衬及玻璃钢。对于动态设备防腐耐磨，主要采用铸铁橡胶衬里，或炭钢橡胶衬里，或直接用不锈钢制作，对于 GGH 和 BUF 等大型设备，除了选用合适的材料外，其合理的工艺流程和布置位置，布置方式显得更加重要。9） 采用性价比高的耐腐蚀合金材料：采用一些非金属材料如花岗岩及陶瓷，其防腐耐蚀性能优良，但制作困难。若采用高硅铸铁，超低炭钢如 316L 和 317L，或者是镍基合金等材料造价昂贵，国外尤其是美国多采用此类材料，但其防腐蚀效果并不是很理想。10） 塔内衬橡胶的要求。吸收塔底部至 2.0
