湿法烟气脱硫系统石膏脱水研究

王永辉

(贵州兴义电力发展有限公司， 贵州兴义 562400)

石灰石-石膏湿法烟气脱硫是目前应用很广泛的一种脱硫技术，其脱硫原理是采用石灰石颗粒制作成浆液作为脱硫吸收剂，与进入吸收塔的烟气逆流接触，烟气中的SO2与浆液中的碳酸钙及鼓入的氧化空气进行化学反应，最终产生石膏，浆液中的石膏由真空皮带脱水系统脱水后外运综合利用或到灰场贮存[1-4]。

石膏脱水环节会出现脱水困难、石膏含水率过高等问题，这对脱硫系统安全运行和污染物达标排放造成了很大影响。笔者通过分析影响石膏脱水的各个环节，分析了一些主要影响石膏脱水的因素，并对相关问题提出了处理措施。

1 化学反应原理

石灰石-石膏湿法烟气脱硫系统在运行过程中涉及SO2的吸收、氧化、中和，以及石灰石的溶解和石膏结晶等过程，而在所有环节中SO32-浓度是影响石膏脱水非常重要的指标，在整个脱硫过程中主要化学反应方程式为[5]：

(1) 石灰石的溶解。

(1)

(2) SO2的吸收。

(2)

(3)

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(5)

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(3) 反应产物的氧化。

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(4) 结晶生成石膏。

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在石灰石-石膏湿法烟气脱硫系统中，石膏脱水系统主要包括两级处理环节：一级处理是指利用水力石膏旋流器进行初级脱水；二级处理是指利用真空皮带脱水机进行二级脱水。石膏脱水系统的主要设备包括石膏排出泵、水力石膏旋流器、真空皮带脱水机、真空泵等。从脱硫特性来说，影响石膏脱水的指标主要包括烟气量、液气比、原烟气SO2浓度、吸收塔浆液pH、石灰石活性、氧化风量等。

2 主要影响因素

随着脱硫系统的不断运行，石膏脱水环节会出现一系列问题，例如浆液脱不出石膏、石膏含水率较高、石膏表层黏稠有杂质等，分析其原因主要有8个方面。

2.1 吸收塔入口烟尘质量浓度

以某600 MW机组脱硫系统入口烟气参数为例(见表1，以设计煤种计算，α为空气过量系数)，要求进入脱硫系统的烟尘质量浓度小于200 mg/m3。在机组实际运行过程中，脱硫系统入口烟尘质量浓度在70～80 mg/m3，且按照除尘效率为50%[6]推算，每月大约有58 t烟尘溶入吸收塔浆液系统，随着时间的推移烟尘溶解到脱硫系统浆液的量将越来越大，由于粉尘中的氟化物和铝化物较多，容易在高pH下形成氟铝络合物，该氟铝络合物的表面积比碳酸钙表面积更小，极易附着在碳酸钙表面，对其形成包裹，阻止碳酸钙的溶解，不但降低了脱硫效率，而且使浆液中的石膏含量降低，不利于排出石膏的脱水。

表1 脱硫系统入口烟气参数

对于一些脱硫入口烟尘含量低的电厂，如已完成机组超低排放改造等项目，脱硫系统入口烟尘质量浓度往往低于30 mg/m3，进入脱硫浆液系统的烟尘量在浆液体系中的占比明显偏低，不能对石灰石浆液进行有效包裹，在这样的介质环境中，烟尘可作为石膏结晶的晶核，对石膏的产生有一定的促进作用，可不进行处理。

2.2 锅炉投油

目前，脱硫系统取消烟气旁路后，脱硫系统都要在锅炉点火前启动运行，锅炉在开停机和投油稳燃时都将造成大量未完全燃烧的柴油在脱硫系统被吸收沉积，柴油和浆液混合后起到表面活性剂的作用，容易在吸收塔内产生泡沫，妨碍石膏结晶和晶体长大。吸收塔起泡严重时，石膏排出泵入口浆液泡沫增加，泵出口压力降低或压力不稳，无法正常控制石膏流量，浆液流量不稳定，最终导致浆液密度逐渐上升，吸收塔液位难以控制。

2.3 石膏浆液品质

2.3.1 浆液pH

浆液pH对石膏结晶的影响是间接的，但也是决定性因素之一。根据吸收塔内的反应原理，可以得出高pH的控制有助于SO2的溶解，低pH的控制有助于石灰石的溶解，但抑制SO2吸收，所以pH过高过低都不利于石膏的形成，过高的pH使大量的石灰石混入石膏，过低的pH则可能导致亚硫酸盐混入石膏，由于两者的粒径均比硫酸钙晶体小，不仅降低石膏纯度，而且造成石膏脱水困难。

2.3.2 浆液密度

浆液密度过高，表明浆液中石膏过量，反映了吸收塔中浆液的饱和；浆液密度过低，表明浆液抑制了SO2的吸收，pH增加不利于CaCO3的溶解。浆液密度过高或者过低都将导致石膏中的CaCO3含量增加，降低石膏品质，且因CaCO3颗粒粒径小，造成石膏脱水困难。

2.3.3 浆液中Cl-质量浓度

石灰石-石膏浆液在吸收烟气中的SO2的同时，烟气中的HCl和HF及烟尘中的氯化物都被吸收到浆液中，长期运行后，浆液中的Cl-质量浓度将逐步增加，Cl-和Ca2+结合成易溶解的CaCl2，使得浆液中的生成CaSO4的化学反应平衡向逆反应方向进行，抑制了石膏的生成，最终导致石膏含水率偏高。

2.4 石灰石带入脱硫系统的物质

石灰石中CaO和MgO的质量分数较高(见表2)，Mg2+易溶解，不易被石膏脱水装置去除，会长期残留在吸收塔浆液中，不断积累，而MgSO4在浆液中以离子形式存在，同样会对生成CaSO4的化学反应平衡起到抑制作用，使其向逆反应方向进行，使得浆液中CaSO3的成分增加，不利于石膏脱水。

表2 石灰石主要成分 %

2.5 工艺水水质

根据火电厂典型设计情况，石灰石-石膏湿法脱硫系统工艺水一般来源于电厂循环水排水，而循环水中为了防止凝汽器结垢，往往是连续添加阻垢剂，抑制CaCO3的生成。根据循环水阻垢剂阻垢原理，阻垢剂能起到表面活性剂的作用，会对CaCO3进行包裹，防止晶格长大，并且阻垢剂中的特殊金属有机物会进入CaCO3晶格，使晶格发生畸变，阻止CaCO3晶体长大，而这些阻垢剂进入脱硫浆液系统后同样会抑制CaSO4晶格长大，影响石膏脱水。

2.6 氧化空气量

半水硫酸钙晶体粒径小、黏性较强，呈开放多孔晶簇状，受压后易破损，释放晶簇内的水，导致滤饼看似干燥，而经抖动或挤压后释放出水，使石膏含水率偏高。

石灰石-石膏湿法脱硫工艺中，氧化风机向吸收塔石膏浆液鼓入空气后，将HSO3-强制氧化为SO42-，充足的空气能保证HSO3-得到充分氧化，与Ca2+反应生成CaSO4·2H2O。因此，保证足够的氧化空气量是确保吸收塔内浆液结晶和维持脱水效率的重要因素。

2.7 脱硝系统氨逃逸率

火电机组在低负荷运行时烟温低、脱硝催化剂活性差，为保证全工况NOx排放达标，在实际运行操作中会造成脱硝系统喷氨量过大、氨逃逸率过高，加上部分机组脱硝催化剂已达到接近3 a的使用寿命，各种因素的叠加引起系统喷氨量增加，对石膏脱水造成一定的影响。

氨气溶于水后呈弱碱性，对SO2的吸收有一定促进作用，但随着NH4+浓度的不断提高，(NH4)2SO4浓度的不断增加，在石膏生成的化学反应过程中和Mg2+的存在一样，抑制了CaSO4化学平衡反应向正方向进行，对石膏脱水不利。

2.8 运行设备

2.8.1 水力石膏旋流器

水力石膏旋流器主要是靠离心力的作用实现浆液的浓缩和分级，完成一级脱水。吸收塔浆液切向进入水力石膏旋流器，在离心力的作用下，对浆液进行浓缩及颗粒分级，稀浆液溢流返回吸收塔，浓缩后的浆液被送往真空脱水皮带机进行二级真空皮带机脱水。影响分离效果的因素主要有投运的旋流子个数和旋流器入口的压力：旋流子投运个数多，吸收塔出石膏快；旋流器入口压力高，分离效果明显[7]。

2.8.2 真空皮带脱水机

真空皮带脱水机的工作原理是通过真空抽吸浆液达到脱水的目的。浆液被送入真空皮带脱水机的滤布上，滤布是通过一条重型橡胶皮带传送的，此橡胶皮带上横向开有凹槽且中间开有通孔以使液体能够吸入真空箱。滤液和空气同时被抽送到真空总管，真空总管中的滤液和空气进入气液分离器进行分离，气液分离器顶部出口与真空泵相连，气体被真空泵抽走。分离后的滤液由气液分离器底部出口进入滤液接收水槽。浆液经真空抽吸经过过滤部、清洗部和脱水部形成合格的滤饼，在卸料区经卸料斗落入石膏仓。而在实际运行过程中，滤布脏污堵塞等引起压差增加、真空泵出力不足引起的脱水系统真空度不够、滤布转速不合理引起的滤饼厚度太厚等都会造成石膏脱水困难或含水率过高。

3 处理方法

(1) 确保脱硫剂石灰石品质，保证石灰石中CaO、MgO的质量分数及石灰石粒径符合设计要求。

(2) 加强除尘系统运行管理，确保脱硫系统入口烟尘含量控制在尽可能低的范围内，减少烟尘进入吸收塔的质量，降低其对浆液的污染。

(3) 在正常运行时，确保废水系统正常投运，及时控制Cl-、Mg2+和重金属离子的含量，保证浆液品质。如果吸收塔出现溢流或者冒泡现象，在吸收塔区地坑内加入适当的消泡剂。

(4) 加强脱硫系统运行管理，确保吸收塔及石膏脱水系统运行参数控制在最佳范围，如将吸收塔液位、pH、脱水机运行负压、石膏滤饼厚度、水力石膏旋流器运行压力、浆液密度等重要参数控制在设计最佳范围内。

(5) 重视吸收塔内浆液氧化环节。系统运行时，保证氧化风量满足设计要求；系统停运时，如吸收塔浆液液位高于氧化空气管安装高度时，不得全停氧化风机；脱硫系统停运检修时，应检查氧化风管堵塞情况，及时疏通，管道有漏气现象或者风机内部间隙太大，应及时查找原因进行处理。

(6) 真空皮带脱水机、水力石膏旋流器等设备出现故障或运行参数偏离设计值时应及时进行处理，使其恢复正常，定期检查水力石膏旋流器衬砂嘴，及时更换堵塞或磨损严重的滤布，避免相关设备带故障运行。

(7) 加强脱硫系统仪表运行维护，确保相关参数准确、可靠。

(8) 脱硝系统在未更换低温催化剂前，为降低氨逃逸对石膏脱水的影响，可加强脱硫系统排污或换水。

(9) 加强锅炉运行管理，控制点火、稳燃投油量，降低锅炉投油对吸收塔浆液的影响。

4 结语

石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺中，石膏脱水困难和石膏含水率高是普遍存在的问题，影响石膏脱水的因素有很多。在有关故障原因查找过程中往往用到排除法去分析某次石膏脱水困难的原因，因此在脱硫系统日常运行维护管理中，应依次做好相关检查，并及时调整相应环节，基本能保证脱硫系统石膏脱水品质达标。