火电厂烟气脱硫控制技术探讨*

吕栋腾，雷涛锋

（1.陕西国防工业职业技术学院，西安 710300；2.大唐西安第二热电厂，西安 710065）

0 引言

减少并控制SO2的排放与污染，提高环境与空气质量，是我国社会经济可持续发展和公民健康的基本保证。对煤燃烧后的烟气进行脱硫控制，可以有效地降低SO2的排放，减少酸雨形成，保证空气质量。脱硫工艺技术和脱硫控制技术20世纪60年代在欧美发达国家展开始研究，我国在19世纪70年代就开始了火电厂脱硫技术的研究。随着SO2排量的增大，烟气脱硫技术的研究被提上议程，国家在“六五”到“九五”期间投入了大量的人力、物力和财力，取得了一些成果。为了推动国内脱硫控制装置的研究，我国引进国外技术，同时颁布了相关法律政策，明确了火电厂污染控制的目标。

脱硫工艺和控制技术现阶段还有较大的发展空间，其软件、硬件和子系统需要优化改进的地方也很多。烟气脱硫的效率受诸多因素影响，其中包括烟气流量流速、SO2浓度、液气比、浆液PH、烟气温度，同时也受脱硫系统的稳定性影响。脱硫系统的稳定性由脱硫工艺、检测手段及自动控制模块决定[1]。自动控制系统的研究和子系统的优化，可以提高系统的稳定性，有效提高控制系统的脱硫效率。

1 脱硫技术概述

各国从脱硫技术的要求出发，已经开发了很多燃煤锅炉控制SO2排量技术，并应用于工程中。这些技术总结起来分为3种：燃烧前脱硫、燃烧中脱硫和燃烧后脱硫[2]。

1.1 燃烧前脱硫

利用化学、物理或生物方法脱去煤中硫被称为燃烧前脱硫，但因其工艺成本高，尚未得到广泛应用。目前工业上多采用洗煤技术，洗煤技术仅能部分去除煤炭中的无机硫，目前无有效的经济技术可用来去除煤中的无机硫。我国大多使用物理选煤法，利用灰分、清洁煤和黄铁矿的比例，去除黄铁矿硫和灰分[3]。

1.2 燃烧中脱硫

在燃烧过程中进行对煤进行脱硫称为燃烧中脱硫，主要有循环流化床锅炉燃烧脱硫技术和炉内喷钙技术。循环流化床锅炉是在燃烧炉内加入与煤粉同样细度的石灰石等廉价原料，石灰石受热分解为多孔的CaO，CaO与SO2反应生成硫酸盐，从而脱去煤中硫[4]。

1.3 燃烧后脱硫

燃烧后脱硫（Flue Gas Desulfurization，简称FGD），是对燃烧后的烟气进行脱硫，是目前世界应用最广泛、规模最大的脱硫技术。按照脱硫产物的干湿形态和脱硫过程中是否加水，烟气脱硫分为干式法、半干式发和湿法。干式法和半干式法的脱硫产物为干粉状，投入低，工业简单，但其Ca∕S比低，脱硫效率低。湿法脱硫处理较难，工艺复杂，占地面积和投入大，但其Ca∕S高，脱硫效率高，运行可靠，操作简单。湿法烟气脱硫技术主要有海水法、石灰石-石膏法、氨吸收法和双碱法[5]。

（1）石灰石-石膏法烟气脱硫法。石灰石-石膏法烟气脱硫是使用价格低廉的石灰石作为脱硫剂，工艺上将其研磨成细粉与水混合制成吸收浆，吸收浆与烟气在吸收塔内混合接触，浆液中的碳酸钙与烟气中二氧化硫、空气混合接触并发生氧化反应，最终生成二水石膏。脱硫后的烟气经换热器加热升温后排入空气，余下的石膏浆经脱水处理后回收并循环利用。目前石灰-石膏法烟气脱硫法的脱硫效率可达到95%。

（2）海水烟气脱硫法。海水烟气脱硫法是利用海水中的碱度脱去烟气中的二氧化硫，净化后的烟气经除雾剂除雾、烟气换热器加热后排放到空气中。吸收的海水经曝气池处理，并使海水的PH值调整达到标准后排入大海中[6]。

（3）氨吸收烟气脱硫法。氨吸收烟气脱硫技术是以氨水为脱硫剂，在烟气洗涤器中，氨水从塔顶喷洒吸收烟气中的SO2，烟气经液滴分离器后进入脱硫洗涤器，进一步脱去烟气中的SO2。洗涤中得到的硫酸盐溶液可以进一步处理作为液体氮肥处理，也可以浓缩蒸发干燥加工成颗粒。

（4）双碱烟气脱硫法。双碱烟气脱硫法是先用碱金属溶液吸收SO2，然后在其他反应器中用石灰将吸收SO2后的溶液再生，将吸收液循环使用，最终产物为亚硫酸钙和石膏。该法克服了石灰-石膏法容易结垢的缺点，但其反应过程中需要不断加入金属盐，而且石灰置换速率慢，石膏质量低[7]。

2 火电厂脱硫控制系统研究现状

现阶段控制火电厂烟气脱硫装置的系统主要有3种：可编程逻辑控制（Programmable Logic Controller，PLC）、现场总线控制系统（Fieldbus Control System，FCS）、分布式控制系统（Distributed Control System，DCS）[8]。

其中，PLC被广泛应用在过程控制中，是过程中的关键控制设备。工程师可根据工程需要在PLC中完成相应的编程，从而实现所需要的逻辑运算、控制顺序、数据的存储显示功能，PLC同时还可实现DA输出及AD采集，以实现对现场仪表的检测及机械设备的控制。PLC具有多项优点，如可靠性高、易编程、扩展性好等，因此在一些顺序控制及开关量控制中得到青睐[9]。

FCS是将现场全部的仪表设备和控制器通过现场总线联结组成的系统[10]。FCS系统中的现场各部分是完成分散的，同时可实现互相操作，它是一种开放式的分布式系统；DCS系统是指分散控制，集中管理，在每个现场子站都有控制器和采集器，系统运行的信息再通过现场总线送入操作站和工程师站，以完成对系统运行的总体管理和显示。由于DCS系统的优点，多被用于大型工业生产过程中。PLC、FCS及DCS都分别有各自的优势，并随着工业的发展及社会的需求，三者趋向于相互融合、渗透。在脱硫系统中运用三者的优点势必会更加完善其功能、提高可靠性和实用性。

3 火电厂石膏湿法脱硫原理和脱硫系统运行调整

3.1 石膏湿法烟气脱硫原理

石膏湿法工艺中需要用吸收剂对烟气中的二氧化硫进行吸取，一般将石灰石用作吸收剂。该工艺的工作流程为：首先将石灰石制备成颗粒状，通过研磨机制成细粉，并混入水搅拌为浆液状，形成吸收剂；然后通过运输设备将吸收剂送入吸收塔内，在吸收塔中吸收剂与原烟气充分混合发生化学反应，化学反应的产物为硫酸钙，硫酸钙不断积累直到饱和，会变为二水石膏；最后，使用设备将二水石膏取出，并通过浓缩、脱水工序将其制备成含水量小于一成的石膏，并将石膏产物运输到石膏仓库中储存，以便回收利用[11]。使用除雾器将吸收塔内通过脱硫后的烟气除去雾滴，再经烟囱排入到大气中。

首先使用设备把石灰石破碎为颗粒状，并使用筛选机过滤出直径过大的石灰石颗粒，再用工艺水冲洗筛选后的石灰石，通过工艺水的冲洗可除去多数氟化物、可溶性氯化物和一些水溶性杂质，之后使用烘干机烘干后运输到石灰石料仓。将经过初次处理后的石灰石碎料称重并输送至球磨机中进行研磨，研磨后的石灰石粉末被输送到选粉机中，选粉机可实现石灰石粉的筛选，并通过气箱脉冲袋式收尘器将合格的粉末送入石灰石粉仓，同时将不合格的粉末送入到粉磨机进行再次研磨。石灰石粉仓的粉会被送入到石灰石浆液池，通过注入的工艺水来调节石灰石浆液的密度。达到标准密度的石灰石浆液通过输送泵被运至吸收塔下部的浆液槽。脱硫塔中的系统会根据烟气负荷、烟气入口的二氧化硫浓度及混合液的PH值，综合控制从浆液槽吸入的石灰石浆液量。

燃烧煤后烟气中的二氧化硫通过吸收系统来实现吸收。吸收系统中包含吸收剂制备系统、吸收塔、石膏浆液系统及烟气系统。其中的吸收剂制备系统将石灰石浆液制成符合标准的吸收剂，并送入吸收塔的喷淋层，同时吸收塔内部的循环系统会将可重复利用的浆液送至喷淋层。喷淋层分组设置在吸收塔的上流区，由浆液分布管道和喷嘴组成，每层喷淋组件都均匀布置在吸收塔上部的横截面中。二氧化硫的吸收剂以极小的雾滴从喷嘴中喷出，与从塔中部进入的烟气逆流混合，烟气中的二氧化硫与吸收剂发生化学反应生成结晶后沉降在吸收塔的底部。在化学反应中需要的氧气由鼓风机吹入的空气中获得，喷管式空气管道被按次序布置，带有氧气的空气从管道中输入到带有压力侧的搅拌桨叶，搅拌机搅动会将空气分散成较细小的气泡。经过脱硫后的烟气通过除雾器除去残余的浆液雾滴，依次经过烟道、挡板及烟囱排放到大气中[12]。

3.2 石膏湿法烟气脱硫系统运行的调整

（1）石灰石品质调整。如果石灰中含水量超过10%，需要立刻调节脱水机的转速和供给浆液量，以确保石膏厚度及脱水机真空度在标准内。当石膏中的粉尘含量超过标准，则当减少原烟气中粉尘含量。若石灰石浆液粒径过粗，应调整该细度在合格范围。如果石膏中硫酸钙的含量超过标准，应立刻调节浆液的供给量，同时调整氧化空气量和PH值，来确保硫酸钙在氧化池中被充分氧化。若石灰石原料中的杂质含量超过标准，则应确保石灰石原料的质量[13]。

（2）制浆系统的调整。在制备石灰石浆液时，需要制浆系统的调整，来确保石灰石浆液的质量达标，使脱硫装置在高效制浆下安全、经济运行。影响制浆系统效率的因素主要为石灰石给料量、原料半径、球磨机的供水量、钢球大小与数量配比、运行的旋流器数量、原料磨性系数及分离机效率[14]。

制浆系统运行过程中要求严格控制进入球磨机滤液量比例及石灰石供给量，若石灰石细度低于标准，应该减小细度调节阀门开度，反之增大细度调节阀门开度。制浆系统在运行时要调节的项目为：当球磨机电流太小，说明负载过低，需要立刻补充钢球；称重皮带给料机转速，以确保球磨机内连续、均匀、适量地供给原料；为了防止浆液箱溢流，需要实时地控制浆液箱液位；保证石灰石浆液在合格范围内，若浆液浓度小，则不能保证脱硫要求，若浆液浓度太大，则会降低石膏纯度，影响石膏的循环使用。系统工作正常时，可通过石灰石浆液浓度、浆液PH值、烟道出口的二氧化硫浓度来综合控制石灰石浆液的供给量。若石灰石浆液浓度低、浆液PH值低及二氧化硫浓度高时，都可加大石灰石浆液的供给量。

（3）吸收塔浆液浓度调整。脱硫装置的正常工作离不开吸收塔浆液浓度的调节，若浆液的浓度调节不适当，则会加快泵与管道的磨损、堵塞及结垢，严重时会造成转动设施的过负荷运转。若吸收塔浆液浓度低于标准值，可依据实际状况降低除雾器冲水量、吸收塔入水量，并降低石膏浆液的出流，如果浆液浓度持续减小，则需要将石膏浆液泵和脱水机停止转动，并将石膏排出泵出口门关闭，同时增加浆液的循环次数。如果吸收塔的浆液浓度高于标准，则将石膏浆液的出流量加大，同时视实际状况加大吸收塔的补水量。

（4）吸收塔的液位调整。系统工作正常时，除雾器冲洗程序自动实现吸收塔液位的调整。若吸收塔浆液的液位偏高，需要检查排浆管路阀门是否正常打开，并将除雾器冲洗水门关闭，视情况提高石膏浆液的出流量，如果需要，则打开吸收塔底部的排浆阀，直到浆液的液位回到正常位置。若浆液的液位偏低，需要检查滤液返回水和除雾器冲洗水的管路正常，并降低石膏排出泵转速[15]。

4 结束语

以火电厂烟气脱硫控制系统为研究对象，通过对石灰石-石膏湿法烟气脱硫的工艺及分布式控制系统的原理结构分析，研究了烟气脱硫的控制系统。对烟气脱硫系统运行时可调整的相关技术指标如石灰石品质、制浆系统、吸收塔浆液浓度、吸收塔液位进行了分析和优化处理，提高了脱硫效率和系统稳定性，并降低了能耗。石灰石-石膏湿法脱硫控制技术在我国研究时间较短，脱硫工艺和控制技术还有很大的发展空间。优化并改进传统脱硫控制系统，能提高控制系统的稳定性和脱硫效率，有效提高火电厂的环保技术指标，减少企业的生产成本，具有重要的经济意义和社会意义。