某燃煤電廠脫硫系統中，#１吸收塔出現廢水坑大量漿液溢流、石膏含水量過高和除霧器堵塞等現象。通過分析，發現主要原因為吸收塔負荷較大，導致空塔流速過快、亞硫酸鈣氧化不充分、吸收塔內漿液密度過高、脫硫吸收漿液霧化顆粒量不足；結合其脫硫系統的超低排放改造，進行了增設噴淋層和改用單向雙頭式噴嘴、增設不鏽鋼託盤、設置增效環、改用三級屋脊高效除霧器、增加備用旋流子等設備改擴建。同時，提出了控制吸收塔pH值和密度、添加脫硫增效劑、增加氧化風機運行臺數和提高除霧器清洗頻率等改進措施。
由於環保要求日益嚴格，燃煤電廠煙氣脫硫工作引起了廣泛關注。石灰石石膏溼法脫硫(WFGD)工藝由於具有脫硫劑原料廉價易得、脫硫效率高、技術成熟、運行可靠等優點，已成為我國燃煤電廠煙氣脫硫的首選工藝。
在WFGD系統中，由於現場實際運行狀態與設計工況的偏差，往往會產生各種不正常現象和問題。本文對某電廠脫硫吸收塔廢水坑漿液溢流和除霧器堵塞等現象發生的原因，以及運行操作需要注意的問題進行了分析與探討。
脫硫系統概述
某電廠脫硫系統採用WFGD工藝。此法將破碎研磨的粉狀石灰石與水混合，攪拌製成脫硫吸收漿液；其在吸收塔內與煙氣充分接觸混合，漿液中的CaCO3與煙氣中的SO2以及鼓入的氧化空氣進行化學反應，生成脫硫石膏CaSO4.2H2O；石膏經脫水裝置脫水後回收，SO2由此被脫除。具體化學反應原理如下：
該電廠#1機組為350MW的國產超臨界燃煤發電機組，一爐一塔，未設置煙氣換熱器(GGH)。SO2原設計排放濃度為168mg/m3，脫硫效率不小於95%。脫硫島主要由煙氣系統、吸收塔系統、石灰石漿液製備系統、廢水處理系統、石膏脫水系統、工藝衝洗水系統等組成，如圖1所示。
圖1 #1機組脫硫島運行系統
吸收塔設計為噴淋塔式，高31.25m，直徑12m，設計液位9.7m，實際運行中的漿池容積為1100m3。設置2臺氧化風機，分別向吸收塔供應氧化空氣，運行方式為一運一備。塔內漿液循環功能由3臺漿液循環泵和3個噴淋層實現，噴淋層每層間隔2m，噴嘴採用單向單頭式，噴淋層上方為單級平板式除霧器。石膏漿液密度儀表安裝在吸收塔底部石膏排出泵的出口管道上，運行中根據該儀表密度值的高低自動控制石膏漿液的排放，即密度值低於設定值(一般為1130~1140kg/m3)時，石膏旋流分離器雙向分配器轉換到吸收塔，漿液在塔內繼續循環，吸收SO2；一旦密度超過設定的最大值，雙向分配器轉換到排出泵出口管道，開始排放石膏，並運至石膏旋流器。
石膏漿液脫水系統主要分為2級，一級系統包括2臺石膏排漿泵運行和1套石膏旋流器(包含5個旋流子)，運行方式分別為一運一備和四運一備；經一級系統脫水後的石膏漿液固含量約50%，再送入公用的二級脫水裝置，真空皮帶脫水機處理至固含量達到90%左右，貯存於石膏倉庫間。
脫硫後的淨煙氣腐蝕性有所降低，但其溼度增大、溫度下降；由於系統不設GGH，導致進入淨煙道的煙氣溫度低於硫酸蒸氣的露點溫度，造成其夾帶的少量水蒸氣和SO3，在流經煙道和煙囪過程中遇冷形成酸性冷凝水。冷凝水通過煙道及煙囪上安裝的冷凝水管回收至#1廢水坑，由地坑排水泵輸送至脫硫吸收塔。脫硫煙道冷凝水收集及處理路線如圖2所示。淨煙氣原煙氣地坑排水泵#1吸收塔#1廢水坑出口淨煙道冷凝水管煙囪為冷凝水管道。
圖2 脫硫煙道冷凝水收集及處理路線
事故及原因分析
3月1日18:00事故發生時，某電廠脫硫系統處於運行狀態，大量漿液從#1吸收塔出口淨煙道冷凝水管流出，導致#1廢水坑滿坑，大量漿液溢流至#1吸收塔周圍地面，汙染了環境。同時，發現脫水機脫水困難，產出的石膏含水率為23.6%，超過了驗收標準(12%)，品質不合格，如圖3所示。
圖3 含水率不合格和合格的石膏
停機檢修時，發現除霧器葉片堵塞嚴重，如圖4所示。
圖4 #1吸收塔內除霧器葉片堵塞
從表1數據分析，自2月21日以來，進入鍋爐的燃煤平均含硫量在1.4%以上，鍋爐平均負荷在80%以上；由於燃煤發熱量降低，相對燃用煤量增大，煙氣量也隨之增大，加上原煤中含硫量較高，造成進入#1吸收塔需要處理的SO2總量增加。
因此，需要處理的煙氣量和SO2濃度均超過原設計值，吸收塔負荷較高，可能引起空塔流速激增。根據空塔流速計算公式：
（1）
式中：V為煙氣的空塔流速，m/s；Q為塔內原煙氣流量，m3/s；A為吸收塔橫截面，m2；R為吸收塔橫截面半徑，m。
事故出現時，Q為5.14x108m3/s，R為6m，可計算得知V=4.55m/s，遠大於設計時的流速3.8m/s。
吸收塔設計流速一般為3.4~4.0m/s，在此區間內比較適合氣液逆流混合。空塔流速太快，造成煙氣和脫硫吸收漿液接觸反應時間短，出現煙氣短路現象，導致脫硫效率達不到95%的設計要求。此外，除霧器設計流速略高於吸收塔設計流速，若空塔內煙氣流速過高，煙氣通過除霧器的流速更高，超過其設計流速，導致除霧器不能有效去除煙氣攜帶的漿液顆粒，同時除霧器葉片被部分破壞、失效，煙氣夾帶大量石膏漿液進入淨煙道，並流至煙道冷凝水排放管。
脫硫系統超低排放改造中，該電廠已經完成了吸收塔的原地重建，將其直徑擴大到13.1m，當Q不變時，可根據式(1)得到改造後的V=3.8m/s，符合設計流速。
表1 事故發生前某電廠#1機組運行參數
WFGD的實際運行工況表明，在其他基本參數穩定的情況下，增加石灰石漿液量，即升高漿液pH值，可在一定程度上提高脫硫效率。由於需要處理的SO2總量增多，為保證SO2排放濃度達到原設計值(≤168mg/m3)，吸收塔控制pH值較高，在5.7~6.0之間。但是SO32-氧化的最佳pH為4.5~4.7，如圖5所示；當pH值為5.7~6.0時，塔內的氧化效率明顯降低。為保證石膏氧化效果，電廠啟動了備用氧化風機，保持2臺氧化風機運行，但其設計裕量無法滿足系統要求，導致石膏漿液中的亞硫酸鹽超標，無法形成較大顆粒的石膏晶體，因此部分小粒徑石膏晶體容易被煙氣攜帶進入冷凝水管。
圖5 pH對SO32-氧化速率的影響
同時，石膏漿液中CaSO3含量過高易結晶析出CaSO3 1/2H2O，該晶體呈針狀，其黏性較高，粒徑偏小，密度大。當該針狀晶體含量過高時，會造成漿液黏稠、密度偏大，不利於石膏脫水。此外，大量CaSO3漿液顆粒被煙氣攜帶，沾在除霧器葉片表面，正常衝洗程序無法去除，長時間運行會造成除霧器堵塞。
吸收塔內漿液的密度直觀反映塔內CaSO4.2H2O，CaCO3，CaSO3.1/2H2O等固體物質的濃度大小；在不同密度下，塔內漿液的成分是不同的。通過化驗可知，當密度大於1150kg/m3時，漿液中CaCO3和CaSO4.2H2O的濃度已趨於飽和，常溫下CaCO3溶解度為0.0013g/100mL，溶解度小於0.01g，屬於難溶物質，CaSO4.2H2O溶解度為0.241g/100mL，所以在過飽和狀態下，密度值升高，說明漿液中的石膏固體含量隨之增加。事故發生前一個小時，回流水箱出口母管穿孔洩漏，石膏脫水系統停運檢修4h，直接造成塔內漿液密度高達1217kg/m3；含大量CaSO3和CaSO4的高密度漿液被循環泵運至塔內噴淋層，吸收SO2效率降低，與煙氣接觸時極易被攜帶，為除霧器的堵塞和石膏漿液的溢出提供了條件。此後，脫水系統恢復運轉，石膏旋流器的5個旋流子全開，仍然出力不足，根本無法有效、快速降低塔內漿液密度。
控制對策
綜上所述，分析事故現象、原因之間的聯繫，如圖6所示；通過脫硫系統的超低排放改造和運行參數控制，防止了事故的再次發生。
圖6 事故現象、原因及控制措施聯繫圖
（1）增設噴淋層和改用單向雙頭式噴嘴
在WFGD工藝中，噴淋空塔的噴淋層設計一般不少於3層，交錯布置。改造後，塔內增設2層噴淋層(共5層)，塔高相應至少增加4m，塔重建高度為42.5m。最下一層噴淋層距吸收塔入口煙道上沿大於3m；噴淋層之間距離為2m，這可使噴淋層噴出的漿液有效地接觸進入吸收塔的煙氣，增加氣液接觸時間。頂層噴淋層距離除霧器底部大於2m，較大距離可促進細小霧滴聚集成大顆粒，更易通過重力沉降返回漿液池。
圖7 單向單頭式和單向雙頭式噴嘴
同時，噴嘴由單向單頭式改用單向雙頭式，如圖7所示；相同的噴嘴流量以及工作壓力下，雙頭噴嘴的每個霧化噴射腔體需要霧化的漿液流量只是標準噴嘴的一半，因此也具有更小的霧化腔體，可獲得更小的漿液霧滴顆粒平均直徑Sautermeandiameter，SMD值)，為接下來的SO2吸收反應提供了有利條件。該電廠#1機組噴淋系統實際運行中噴嘴壓力設置為80kPa，得到霧滴的SMD值為2000μm。霧滴離開噴嘴後，在周圍空氣流動作用下，發生二次霧化，雙頭噴嘴能夠密集提升漿液噴淋層的二次霧化效果，在二次霧化過程中，包裹在原液滴表面的殼體被打破，內部漿液會轉移到新的液滴表面，能夠繼續與煙氣反應吸收SO2，最大限度地提升霧化液滴的反應效率。
（2）增設不鏽鋼託盤
根據美國巴布科克 威爾科克斯公司(B＆W)的託盤專利技術，在噴淋層下方設置一不鏽鋼託盤，託盤是帶有小孔的格柵，如圖8所示，使漿液停留時間大於4.3min，符合WFGD工藝對於漿液循環停留時間在3.5min以上的要求。煙氣由吸收塔入口進入，形成一個渦流區；漿液從噴淋層噴射下來，通過合金託盤後的煙氣向上流速降低，兩者在託盤上摻混，形成泡沫層，泡沫層大大增加了氣液接觸界面，對SO2具有良好的吸收能力。同時，泡沫層使煙氣在吸收塔內的停留時間增加，氣液充分接觸，強化了氣液傳質，從而有效降低了液氣比，使煙氣中的液滴攜帶量減少，減輕了除霧器的處理負荷，提高脫硫效率。
圖8 噴淋層下方的合金託盤
（3）塔壁設增效環
塔壁設增效環，主要目的是防止煙氣短路。SO2濃度在吸收塔截面上的變化是兩邊高，中間低，靠近吸收塔中心位置的漿液噴淋密度比吸收塔內壁位置的要高得多；同時，有部分漿液噴到吸收塔內壁，其氣液接觸面的傳質效果非常差；這部分煙氣沒有經過足夠的氣液接觸便離開吸收塔，造成了煙氣沿吸收塔內壁的「逃竄」，從而影響了煙氣脫硫效率。布置聚氣環後，可以強化氣流往中心流動，有效避免了煙氣走廊的形成，如圖9所示。
圖9 吸收塔壁的增效環
（4）改用3級屋脊高效除霧器
吸收塔上部安裝原裝進口的3級屋脊高效除霧器，如圖10所示。與原單級平式除霧器比較，屋脊除霧器適用於煙氣流量變化大的場合，排水性能更佳，除霧效率更高；而且每個單元除霧器之間設有走道，便於維修和保養。
圖10 屋脊式高效除霧器
（5）增加備用旋流子
在石膏旋流器的備用孔加裝一個旋流子(改為四用二備)，當吸收塔漿液密度居高不下時，可通過同時運行6個旋流子，提升石膏產量，有效降低漿液密度。
（1）控制吸收塔pH值和密度
吸收塔漿液的pH值和密度是WFGD系統的重要參數，直接影響運行工況。因此，操作時運行人員應嚴格控制塔內pH值在5.4~5.5左右，密度在1130~1140kg/m3之間，保證脫硫系統正常運行。同時，應定期通過化學方法對在線pH計、密度計進行校驗，並與化驗室儀表進行比對。
（2）添加相關藥劑以提高脫硫效率
當出現入口煙氣量和含硫量增幅較大時，可適當通過添加消泡劑加快化學吸收過程，但應緩慢添加並控制添加量；或者添加脫硫增效劑，提高脫硫效率，降低SO2排放濃度。
（3）提升氧化風機效率
當出現入口煙氣量增幅較大時，應適當增加氧化風機運行臺數，保證塔內CaSO3氧化和石膏結晶的正常進行，利於脫水。由於同時運行2臺氧化風機可能導致其軸承溫度劇烈升高，超過額定溫度80℃，有跳閘風險；可以通過間斷啟動備用氧化風機增加空氣量來達到加強氧化效果。
（4）加強除霧器清洗
當入口煙氣量增幅較大時，應提高除霧器的衝洗頻率，減少除霧器葉片表面黏結CaSO4.2H2O和CaSO3。同時，需要注意由於衝洗水增加造成的塔內水不平衡現象，必要時可增加廢水排放量。
通過對某電廠4臺機組的超低排放改造，機組脫硫系統SO2排放含量控制在35mg/Nm3以下，脫硫效率提高到99.2%；同時，通過嚴格控制脫硫系統運行參數，#1吸收塔再沒發生除霧器堵塞、漿液溢流等現象。為解決燃煤電廠脫硫系統所出現的複雜問題提供了參考性經驗。
（來源：《發電技術》，作者：顏海偉、王亞釗、郭靜東、王科、廖冬梅）