摘要:本文對濕式脫硫除塵一體化設(shè)備的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行了較為全面的分析，指出了該設(shè)備存在的諸多弊病，提出了解決方案—脫硫、除塵分體組合式的思路。

１ 問題的提出

目前國內(nèi)大中型工業(yè)燃煤鍋爐所使用的濕式脫硫除塵一體化設(shè)備（包括麻石水膜除塵器）的基本特點(diǎn)為主體設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、造價低、但附屬配套設(shè)備多、占地大、造價高昂，同時存在下列問題：

（1）運(yùn)行狀態(tài)難以控制

如果循環(huán)水在堿性（pH>7）狀態(tài)下運(yùn)行，會由于Ca(OH)₂、CaSO₃、過量的O₂和大量的煙塵并存導(dǎo)致嚴(yán)重結(jié)垢（因?yàn)镃a(OH)₂是良好的絮凝劑，對加速煙塵沉淀結(jié)垢起到了促進(jìn)作用），輕者影響爐內(nèi)正常燃燒，嚴(yán)重時會加大鍋爐引風(fēng)阻力，增加系統(tǒng)能耗，降低鍋爐出力，影響正常供熱。

由于整個鍋爐房的循環(huán)水是一體的，爐下沖灰用水、除渣溝水與脫硫除塵循環(huán)水都是相通的，若為了防止系統(tǒng)結(jié)垢而以酸性狀態(tài)（pH<7）的循環(huán)水運(yùn)行，那么將會對整個鍋爐房的用水系統(tǒng)和相鄰的鋼結(jié)構(gòu)及水泥結(jié)構(gòu)的外露鋼構(gòu)件造成嚴(yán)重腐蝕，再加上水中煙塵顆粒在水流沖擊下對內(nèi)壁的磨損，更加劇了對系統(tǒng)的破壞。

（2）加大了循環(huán)水濁度

以一般煙塵濃度為2000mg/m³、SO₂為1200mg/m³、液氣比2～3L/m³（很少達(dá)到此水量）計(jì)算，出水總濁度將超過4000mg/L（前提是進(jìn)水為清水），其成分是煙塵、CaSO₄、Ca(OH)₂的混合物。

（3）增加了灰水分離系統(tǒng)

以一臺29MW熱水鍋爐為例，煙氣量為120000m³/h,按上述液氣比計(jì)算，每臺需240～360m³/h循環(huán)水量，而沉灰池體積應(yīng)為循環(huán)水量的2～3倍，以3臺29MW的鍋爐房為例，需2000～3000m³的沉灰池，這在大中城市內(nèi)很難解決，只能采用小容積的沉灰池外加一套龐大的灰水分離系統(tǒng)，以降低循環(huán)水的濃度。

（4）加劇了循環(huán)水泵的磨損

因?yàn)闆]有足夠大容積的沉灰池，盡管增加了灰水分離系統(tǒng)，但很難匹配，循環(huán)水的濁度仍然很高，因此必須采用昂貴的防腐砂漿泵才能保證工作。

（5）增加了沉淀池和撈灰系統(tǒng)

以3臺29MW熱水鍋爐房為例，以95%的除塵效率、80%的脫硫效率（煤含S1.5%）計(jì)算，每小時將產(chǎn)生煙塵和脫硫產(chǎn)物約1.5t（煙塵0.72t，脫硫產(chǎn)物約0.8t）。

2 原因分析

2.1  工作原理的分析

我國目前的工業(yè)鍋爐除塵器多為離心式除塵設(shè)備（電除塵和袋除塵除外），即以力學(xué)原理除塵，依靠氣流旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，將煙塵顆粒分離。氣流旋轉(zhuǎn)速度越高，除塵效果越好。因而也可以認(rèn)為是靠速度除塵。

脫硫是一個化學(xué)反應(yīng)過程，不論是用堿液直接進(jìn)塔吸收煙氣中的SO₂，還是用水進(jìn)塔吸收均需要有一定的時間來保證反應(yīng)的充分進(jìn)行，對煙氣的流速要求越低越好，因此也可以認(rèn)為是靠時間脫硫。

從上述的簡單分析可知：一個需要速度保證效果，一個需要時間保證質(zhì)量，這是兩個截然不同的過程，如果硬要將其連成一體化，只能是勉強(qiáng)拼湊。

2.2  關(guān)于結(jié)垢的分析

鍋爐煙氣中的煙塵遇水后一般使水呈堿性，并且煙塵還是一種水硬性物質(zhì)，如果濕度適當(dāng)，它們便會形成有一定硬度的沉淀物，對脫硫除塵一體化設(shè)備的孔板會造成堵塞的威脅，塔內(nèi)壁也會有嚴(yán)重的結(jié)垢現(xiàn)象。另外，為了降低脫硫運(yùn)行成本，絕大多數(shù)以石灰為脫硫劑，在循環(huán)過程中，石灰很可能進(jìn)入塔內(nèi)，但由于石灰水具有強(qiáng)絮凝作用，它的進(jìn)入將會加速水中煙塵的沉淀，同時由于煙氣中含有大量的CO₂氣體，對石灰有一定的還原作用：

Ca(OH)₂+CO₂→CaCO₃+H2O

也就是說，石灰水不僅加速了灰水煙塵的沉淀，并在煙氣作用下產(chǎn)生一定的CaCO₃結(jié)垢，使沉淀層堅(jiān)硬化，導(dǎo)致塔內(nèi)和管道嚴(yán)重阻塞，而且十分難清除。更確切的說，一旦石灰水進(jìn)入脫硫除塵一體化設(shè)備塔內(nèi)，將起到加速結(jié)垢的作用。

如果嚴(yán)格控制循環(huán)水的pH≤7，很可能使水呈酸性，在較大的循環(huán)流動狀態(tài)下，再加上水中有大量的煙塵顆粒，將對泵、閥、管道、塔體等循環(huán)系統(tǒng)產(chǎn)生酸腐蝕加機(jī)械磨損的雙重?fù)p傷，其結(jié)果是加速系統(tǒng)損壞。

為了避免結(jié)垢，有人提出以NaOH為脫硫劑，這是不現(xiàn)實(shí)的，這是因?yàn)椋阂訬aOH脫硫的產(chǎn)物Na2SO₃是一種溶于水的鹽，易對土壤造成結(jié)板；Na為一價、Ca為二價，NaOH消耗量太大；因NaOH的價格比石灰高十幾倍，昂貴的運(yùn)行費(fèi)令人難以承受。

2.3  水的污濁度分析

以煙塵濃度2000mg/m³、煤含S量1%、循環(huán)水液氣比2～3L/m³為例。

（1）除塵脫硫一體化設(shè)備循環(huán)水污濁度的計(jì)算

總污濁度=煙塵污濁度Cd+脫硫產(chǎn)物污濁度Cs，其中煙塵污濁度Cd=2000mg/m³÷(2～3)L/m³=700～1000mg/L，平均值850mg/L。

Cs的計(jì)算：按每蒸噸每小時耗煤0.15t計(jì)算；SO₂量（GSO₂）按下式計(jì)算（脫硫率按99%計(jì)）

GSO₂=2G_煤×1.0%×80%×90%=2×0.15t/h×0.01×0.8×0.9=0.0022t/h。

上式中：1.0%為煤的含硫量；80%為進(jìn)入煙氣中的硫分；90%為預(yù)定脫硫率。

脫硫劑耗量計(jì)算：

以CaO純度75%、Ca/S為1.1，且CaO/SO₂為0.875，則GSO₂×0.875÷75%×1.1=0.0022t/h×0.875÷0.75×1.1=0.0027t/h。

這些脫硫產(chǎn)物也混入循環(huán)水中，其濁度 Cs= （0.0022t/h+0.0027t/h）×109mg/t÷3000m³/h÷（2～3）L/m³=538～816mg/L，平均為672mg/L。

循環(huán)水的總污濁度為：

Cd+Cs=(850+672)mg/L=1522mg/L。

（2）干除塵+濕脫硫結(jié)構(gòu)的污濁度

如果采用干式除塵+濕式的脫硫結(jié)構(gòu)，則循環(huán)水的污濁度主要是由脫硫產(chǎn)物與少量煙塵形成。

（3）一體化與干除塵+濕式脫硫循環(huán)水污濁度比較

從以上計(jì)算可以看出，一體化的循環(huán)水污濁度平均為1522mg/L，而組合式（干除塵+濕脫硫）的污濁度只是750mg/L（前置除塵效率90%，脫硫時再除掉剩余量的80%左右），不到一體化循環(huán)水濁度的1/2：

[672+850×(1-90%)]÷1522×100%=49.7%。

2.4  對沉淀池系統(tǒng)的分析

（1）因?yàn)闈袷矫摿虺龎m一體，所有灰塵及脫硫產(chǎn)物須由循環(huán)水帶出塔外，這就要求必須有足夠體積的沉灰池。對于沉灰池的要求，一般為循環(huán)水量的2～3倍，以2倍計(jì)算，液氣比取2.5L/m³，一臺29MW鍋爐正常工作時，需循環(huán)水量為：2.5L/m³×120000m³/h=300m³/h。

沉灰池體積最小為：300m³×2=600m³。

以某供熱站為例，3臺29MW鍋爐，沉灰池總體積應(yīng)為：600m³×3=1800m³。

以池深4m計(jì)算，總面積為：1800m³/4m=450m²。

由于這樣的面積在用地緊張的大中城市中很難保證，所以只能盡量提供沉灰池面積（最大可達(dá)到要求的50%，即225m²），然后再輔以機(jī)械沉灰設(shè)施如灰水分離器等，并將其設(shè)置在沉灰池的上面，力求減小占地面積。但灰水分離器的容量最少也要達(dá)到總循環(huán)水量的25%，即450m³/h（4臺120m³/h）。

（2）如此規(guī)模的沉灰池需配置相應(yīng)的撈灰設(shè)備。

2.5  對循環(huán)水泵的要求

盡管采取了上述措施，循環(huán)水中仍含有大量的煙塵顆粒，一般水泵是不能勝任的，必須選用耐磨的砂漿泵，而且為了防止塔內(nèi)結(jié)垢，必須將進(jìn)塔水的pH值控制在≤7，水泵要同時具有耐酸功能，就必須選用耐酸砂漿泵。

2.6  對塔體及系統(tǒng)的要求

根據(jù)運(yùn)行特點(diǎn)要求，塔體內(nèi)壁必須采用可靠的防腐措施，閥、管路必須是奧氏體不銹鋼材料，塔內(nèi)部件非316L不可。

2.7  關(guān)于一體化造價的分析

（1）一體化循環(huán)水濁度是單純脫硫水濁度的2倍，所需沉淀池也應(yīng)是單純脫硫體積的2倍。并且如果無足夠體積則必須投入專用沉淀設(shè)備灰水分離器。

（2）塔內(nèi)必須為耐稀酸沖刷、耐煙塵顆粒磨損的特殊防腐結(jié)構(gòu)，泵、閥、管路系統(tǒng)必須為耐磨耐酸材料和結(jié)構(gòu)。

因此，雖然一體化設(shè)備可節(jié)約材料，減少占地，在除塵脫硫主體設(shè)備上可能節(jié)省資金，但其龐大的輔助設(shè)施的占地及其他附屬設(shè)備的價格則大大超過了主體的節(jié)省部分，而且還會給運(yùn)行帶來永久性的腐蝕、結(jié)垢、堵塞、高耗水、高耗能等問題。

3 經(jīng)濟(jì)分析

3臺29MW鍋爐配用一體化設(shè)備與組合式脫硫除塵設(shè)備的投資對比見下表。

4 解決措施及方案

從上述分析可知，燃煤鍋爐濕式脫硫除塵一體化設(shè)備諸多弊病的形成皆因?qū)⒈静辉撘惑w化的除塵和脫硫流程強(qiáng)行一體化。因此解決這個問題的出發(fā)點(diǎn)也就是應(yīng)將不該一體化的結(jié)構(gòu)合理分開，其方式為：以干式除塵+濕式脫硫的形式來設(shè)計(jì)系統(tǒng)，可有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）可降低50%循環(huán)水濃度；（2）可減少2/3的沉灰池容積；（3）可節(jié)省掉灰水分離器；（4）可節(jié)省2/3的撈灰設(shè)施造價；（5）可大大減輕對泵的磨損，從而延長其壽命；（6）可使循環(huán)水工作狀態(tài)可控，減輕對系統(tǒng)、塔體造成的腐蝕；（7）可省掉原來一定要用奧氏體不銹鋼的構(gòu)件。

此外，為了保證煙囪抽力及延長引風(fēng)系統(tǒng)壽命，增加換熱設(shè)備，整個系統(tǒng)阻力應(yīng)控制在2500Pa左右，系統(tǒng)配置方案一如下：

該方案是目前國內(nèi)外大型燃燒煤電廠鍋爐煙氣除塵脫硫應(yīng)用廣泛、運(yùn)行可靠、除塵脫硫效率高的成熟技術(shù)，即靜電除塵+噴淋（或液柱）吸收塔濕式脫硫技術(shù)路線，其煙氣處理能力已達(dá)到可為1000MW機(jī)組鍋爐配套。

系統(tǒng)配置方案二：

鍋爐煙氣→干或半干式脫硫→除塵器→引風(fēng)機(jī)→煙囪

該方案也是目前國內(nèi)外大型燃煤電廠鍋爐煙氣除塵脫硫應(yīng)用廣泛、運(yùn)行可靠、除塵脫硫效率高的成熟技術(shù)，即塔內(nèi)噴鈣（干式或半干式）+布袋（或電除塵）的干式或半干式脫硫的技術(shù)路線，比方案一的濕式脫硫工藝更節(jié)能，其煙氣處理能力已達(dá)到可為300MW機(jī)組鍋爐配套。

工業(yè)鍋爐功率雖然比電廠鍋爐小很多，但它們的煙氣處理原理相同，要真正做到高效除塵脫硫、同時又要保證系統(tǒng)穩(wěn)定可靠運(yùn)行，上述方案則是理想的選擇。

參考文獻(xiàn)：

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