摘要： 除霧器是濕法煙氣脫硫系統(tǒng)關(guān)鍵設(shè)備之一，其性能直接影響脫硫系統(tǒng)甚至機(jī)組的安全運(yùn)行。以某660 MW燃煤機(jī)組雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)除霧器堵塞并導(dǎo)致部分模塊掀翻故障為例，對(duì)影響除霧器性能的空塔流速、安裝空間、沖洗水壓等設(shè)計(jì)因素，入口煙塵濃度，除霧器沖洗水量，漿液、石膏及結(jié)垢物成分等進(jìn)行了全面分析。結(jié)果表明：脫硫系統(tǒng)水平衡控制不當(dāng)以及二級(jí)塔pH值控制偏高是除霧器故障主要原因。為降低除霧器運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)，針對(duì)雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)水平衡和漿液pH值控制，給出了合理建議。
0 引言
濕法煙氣脫硫工藝是燃煤煙氣脫硫成熟技術(shù)之一，除霧器是濕法煙氣脫硫系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備。文獻(xiàn)[1-2]研究表明，除霧器性能優(yōu)劣影響脫硫系統(tǒng)能耗，甚至影響機(jī)組安全、穩(wěn)定運(yùn)行。因此，保證除霧器正常運(yùn)行具有重要意義。
國(guó)內(nèi)早期對(duì)濕法煙氣脫硫系統(tǒng)要求不高，在滿足脫硫要求前提下，考慮盡量降低投資，故出現(xiàn)因沖洗水系統(tǒng)布置不合理造成除霧器堵塞問(wèn)題[3]；另外，入口煙塵濃度高，除霧器沖洗水量不足，水壓低也可使除霧器出現(xiàn)堵塞問(wèn)題[4-5]。隨著燃煤發(fā)電機(jī)組脫硫煙氣旁路的取消，特別是在超低排放條件下，對(duì)脫硫裝置的脫硫效率、協(xié)同除塵效率和設(shè)備可靠性提出了更高的要求，高效除霧器對(duì)脫硫裝置協(xié)同除塵具有關(guān)鍵作用[6-7]，研究表明，安裝三級(jí)屋脊式除霧器脫硫裝置能夠?qū)崿F(xiàn)出口煙塵濃度低于5 mg/m3 目標(biāo)，同等改造條件下成本低于冷凝式、管束式除霧器[7]。冷凝式除霧器循環(huán)水冷卻效果對(duì)脫硫裝置協(xié)同除塵有較大影響[8]，管束式除霧器除霧效率隨液滴粒徑和流速增加而增大，多級(jí)串聯(lián)管束式除霧器可以提高小液滴去除效率[9]，本文以某660 MW 機(jī)組雙塔雙循環(huán)濕法煙氣脫硫系統(tǒng)三級(jí)屋脊式除霧器故障為例，分析其原因并提出建議。
1 濕法煙氣脫硫系統(tǒng)配置
某660 MW 燃煤發(fā)電機(jī)組鍋爐為東方鍋爐廠生產(chǎn)的超臨界變壓直流鍋爐，采用石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝，設(shè)計(jì)煤質(zhì)收到基硫分為1.52%，折算入口SO2 質(zhì)量濃度為3 762 mg/m3，出口SO2質(zhì)量濃度不高于188 mg/m3，脫硫效率不低于95%，設(shè)計(jì)采用單塔工藝。
超低排放改造確定的設(shè)計(jì)煤質(zhì)收到基硫分為2.3%，折算入口SO2 質(zhì)量濃度5 643 mg/m3，要求出口SO2 質(zhì)量濃度不高于35 mg/m3，脫硫效率不低于99.38%。根據(jù)方案比選， 確定采用雙塔工藝。主要配置如表1 所示。
2 脫硫二級(jí)塔除霧器故障情況
該機(jī)組于2017 年10 月22 日完成超低排放改造并投產(chǎn)運(yùn)行。2018 年1 月16 日因新建脫硫二級(jí)塔（下稱二級(jí)塔）除霧器堵塞嚴(yán)重導(dǎo)致部分模塊掀翻（ 見圖1） ， 造成機(jī)組強(qiáng)制停機(jī)。檢查發(fā)現(xiàn)：一級(jí)除霧器堵塞嚴(yán)重，除霧器表面、葉片間及沖洗水管表面粘附大量沉積物；一級(jí)除霧器環(huán)塔壁邊緣密封板積漿嚴(yán)重，厚度約200 mm；一級(jí)除霧器東側(cè)除霧器模塊之間大梁積漿嚴(yán)重，厚度約400 mm。二級(jí)除霧器堵塞較為嚴(yán)重。三級(jí)除霧器堵塞較輕，但除霧器模塊之間大梁積漿嚴(yán)重， 厚度約 300 mm，部分模塊掀翻。
氣流速過(guò)低時(shí)，液滴慣性較小，液滴隨煙氣離開除霧器導(dǎo)致除霧效果較差；煙氣流速過(guò)高時(shí)，除霧器表面形成的液膜會(huì)被撕裂，進(jìn)而形成大量粒徑較小液滴，小液滴氣流跟隨性較好，會(huì)逃逸出除霧器區(qū)域，逃逸液滴量較大時(shí)會(huì)沉積在下級(jí)除霧器表面，造成除霧效果較差。文獻(xiàn)[10]研究表明，吸收塔空塔流速為3~4 m/s 時(shí)除霧器除霧效果相對(duì)較好。該機(jī)組脫硫系統(tǒng)二級(jí)塔直徑為18 m，空塔流速約3.5 m/s，能夠滿足除霧器對(duì)空塔流速要求。
吸收塔流場(chǎng)的不均勻性會(huì)導(dǎo)致除霧器部分液滴逃逸率增加，使得除霧器通道入口煙氣攜帶液滴量差異較大，當(dāng)煙氣攜帶液滴超出除霧器通道處理能力時(shí)，會(huì)造成除霧器除霧效果不佳[11]。該機(jī)組脫硫系統(tǒng)二級(jí)塔設(shè)置1 層合金托盤，改善了二級(jí)塔流場(chǎng)均布性，保證了除霧器的除霧效果。在一定煙氣流速下，噴淋層與除霧器間距越
大，液滴沉降能力越大，進(jìn)入除霧器通道的液滴越少，因而可提高除霧器除霧效果。文獻(xiàn)[10]研究表明，空塔流速3.5 m/s 時(shí)，噴淋層與除霧器間距從2.5 m 提高至3.7 m，一級(jí)除霧器出口霧滴質(zhì)量濃度減少約50%。該機(jī)組脫硫系統(tǒng)二級(jí)塔最高噴淋層至除霧器底部約3.74 m，可以提高液滴沉降能力，從而有利于除霧器除霧效果。
沖洗水泵沖洗水壓力不足及沖洗水流量不足時(shí)，一方面無(wú)法及時(shí)沖洗除霧器表面沾污；另一方面沖洗水可能無(wú)法全面覆蓋除霧器表面，形成殘留顆粒物，最終會(huì)造成除霧器表面結(jié)垢、堵塞等故障發(fā)生[12-13]。該機(jī)組脫硫系統(tǒng)除霧器沖洗水設(shè)計(jì)壓力為0.25 MPa，沖洗水泵流量為150 m3/h（二級(jí)塔除霧器技術(shù)要求沖洗水量為45.6~70.0 m3/h），通過(guò)控制除霧器沖洗頻率，可以實(shí)現(xiàn)除霧器沖洗水量滿足沖洗要求。
綜上所述，設(shè)計(jì)因素并非導(dǎo)致二級(jí)吸收塔除霧器故障的原因。
3.2 脫硫系統(tǒng)入口煙塵濃度分析
脫硫系統(tǒng)入口煙塵濃度高也可能造成除霧器堵塞，主要是因?yàn)闊焿m含有大量金屬氧化物，其粘性較強(qiáng)，飛灰粒徑小，除霧器表面結(jié)垢后難以去除[12]。查閱知超低排放改造投產(chǎn)后脫硫系統(tǒng)入口煙塵質(zhì)量濃度為7~14 mg/m3，同時(shí)停機(jī)期間對(duì)電袋除塵器檢查，并未發(fā)現(xiàn)濾袋破損現(xiàn)象，表明脫硫入口煙塵濃度并非造成二級(jí)塔除霧器故障的原因。
3.3 除霧器沖洗水量分析
查閱運(yùn)行記錄， 除霧器沖洗水泵未出現(xiàn)故障，沖洗水壓力基本在0.25 MPa 左右，除霧器壓差測(cè)點(diǎn)基本正常（出現(xiàn)2 次壓差超量程并及時(shí)處理）。通常，除霧器壓差偏高時(shí)增加除霧器沖洗頻率，進(jìn)而增加除霧器沖洗水量，以降低除霧器壓差，防止除霧器堵塞。分別統(tǒng)計(jì)該機(jī)組負(fù)荷相對(duì)穩(wěn)定時(shí)高、中低負(fù)荷工況下的兩級(jí)塔除霧器沖洗水總量和一、二級(jí)吸收塔液位，具體如圖3 和圖4 所示。
從圖3 和圖4 可以看出，機(jī)組中低負(fù)荷工況下除霧器沖洗水量為44~60 m3/h，高負(fù)荷工況下除霧器沖洗水量為75~82 m3/h，前者比后者少約1/3；另一方面，高負(fù)荷工況下一、二級(jí)塔液位基本在正常液位以下運(yùn)行，中低負(fù)荷工況出現(xiàn)液位高于正常液位情況。其主要是因?yàn)橹械拓?fù)荷工況下煙氣量較少，脫硫系統(tǒng)原煙氣與凈煙氣溫差相對(duì)較低， 中低負(fù)荷煙氣焓差較小， 蒸發(fā)水量較少。為保證脫硫系統(tǒng)水平衡，即使適當(dāng)提高中低負(fù)荷時(shí)的液位，除霧器沖洗水量仍較高負(fù)荷工況降低約1/3。
吸收塔內(nèi)進(jìn)入除霧器區(qū)域煙氣攜帶大量液滴（含有可溶性鹽和顆粒物等），液體被攔截在除霧器后，顆粒物粘結(jié)在除霧器表面。中低負(fù)荷工況下，為保證吸收塔運(yùn)行液位，除霧器沖洗水量相對(duì)較少，因而無(wú)法保證除霧器沖洗效果，使得除霧器表面液滴沉積加劇，局部通道逐漸堵塞，導(dǎo)致除霧器內(nèi)流速偏大；隨著堵塞面積增加，流速進(jìn)一步增加，最終造成除霧器部分模塊掀翻、漿液大量沉積， 機(jī)組強(qiáng)制停機(jī)。由以上分析可知，雙塔雙循環(huán)脫硫工藝水平衡控制[14]不合理是造成除霧器故障主要原因之一。
3.4 漿液、石膏以及垢物成分分析
雙塔雙循環(huán)脫硫工藝采用pH 值分級(jí)控制運(yùn)行方式，即一級(jí)塔低pH 值運(yùn)行，主要保證亞硫酸鈣氧化效果；二級(jí)塔高pH 值運(yùn)行，保證二氧化硫吸收效果，同時(shí)二級(jí)塔漿液由泵打入一級(jí)塔，由一級(jí)塔進(jìn)行石膏脫水； 氧化風(fēng)機(jī)采用共用方式，采用聯(lián)絡(luò)閥門分配氧化風(fēng)量。
分別統(tǒng)計(jì)2 級(jí)吸收塔運(yùn)行3 個(gè)月漿液和石膏成分， 且對(duì)二級(jí)塔故障除霧器垢物成分進(jìn)行分析，結(jié)果如表2 所示。
由表2 可知，近3 個(gè)月一級(jí)塔pH 值為5.2~5.7，二級(jí)塔pH 值為6.5~6.6， 硫酸鈣(CaSO4 ·2H2 O)含量?jī)杉?jí)塔相差不大；二級(jí)塔亞硫酸鈣(CaSO3·1/2H2O) 含量明顯高于一級(jí)塔，且呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，石膏中亞硫酸鈣含量也超出亞硫酸鈣不高于1% 的設(shè)計(jì)要求；二級(jí)塔漿液中碳酸鈣(CaCO3) 含量均偏高。
通常脫硫系統(tǒng)吸收塔漿液pH 值控制偏高或氧化風(fēng)量不足[15]情況下，均可能造成石膏和漿液中亞硫酸鹽含量偏高。為此，查閱近3 個(gè)月氧化風(fēng)機(jī)運(yùn)行情況，氧化風(fēng)機(jī)運(yùn)行方式為3 運(yùn)1 備，氧硫摩爾比為2.8，基本能夠滿足氧化要求。文獻(xiàn)[13]研究表明，在強(qiáng)制氧化條件下，亞硫酸鈣在溶液pH 值6.5~7.0 下氧化效果明顯低于溶液pH 值5.0~6.0 時(shí)的氧化效果，由此可以判斷，二級(jí)塔漿液pH 值控制6.5~6.6 是造成石膏、漿液中亞硫酸鈣偏高的主要原因。煙氣攜帶漿液顆粒物沉積在除霧器表面并在50 ℃ 煙氣環(huán)境下形成固體垢物，由于亞硫酸鈣和碳酸鈣溶解度較小，除霧器沖洗去除垢物難度較大，從而加劇了除霧器堵塞，這與文獻(xiàn)[16]研究結(jié)果一致。另一方面，從二級(jí)塔除霧器垢物成分也可看出， 亞硫酸鈣和碳酸鈣含量明顯偏高，也證明了前面的分析。
4 結(jié)論與建議
雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)水平衡控制難度較大，中、低負(fù)荷工況下更為突出。某660 MW 燃煤發(fā)電機(jī)組雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)二級(jí)塔除霧器故障，主要因脫硫系統(tǒng)水平衡控制不當(dāng)所致；加之二級(jí)塔漿液高pH 值，造成亞硫酸鈣和碳酸鈣含量高，進(jìn)一步加劇了除霧器堵塞，最終出現(xiàn)除霧器部分模塊掀翻。為此，建議超低排放下雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)加強(qiáng)水平衡管理， 可采取的措施包括：（ 1） 盡量采用濾液制漿， 減少脫硫系統(tǒng)進(jìn)水量，保證除霧器沖洗頻率；（2）循環(huán)泵、石膏排出泵、石灰石供漿泵、工藝水泵、除霧器沖洗水泵等設(shè)備機(jī)械密封水應(yīng)循環(huán)利用或進(jìn)入工藝水箱； （ 3） 盡量減少其他系統(tǒng)（ 如受熱面沖洗等）廢水進(jìn)入脫硫系統(tǒng)；（4）加大脫硫廢水處理力度，適當(dāng)予以外排；（5）將部分漿液導(dǎo)入事故漿液箱，保證除霧器沖洗；（6）優(yōu)化除霧器沖洗水運(yùn)行方式，如適當(dāng)減少第3 級(jí)除霧器沖洗頻率，保證第2 級(jí)除霧器沖洗頻率，適當(dāng)增加第1 級(jí)除霧器沖洗頻率；（7）一級(jí)塔pH 控制值應(yīng)為5.2~5.8，二級(jí)塔pH 控制值應(yīng)為6.0~6.2。
