湿法脱硫石膏脱水系统设备配置及优化
摘要:石膏脱水系统作为FGD的重要辅助系统,对于吸收塔运行指标、浆液条件、物料平衡、经济运行、副产物综合利用都有重要作用。介绍了湿法脱硫石膏一、二级脱水系统的流程和设备特点,着重分析研究了系统中一级脱水设备、皮带机冲洗系统、滤液水系统、废水旋流设备等的配置、选型和优化方案。
关键词:石膏品质,真空皮带机,滤液水,废水旋流器,变频泵
1 湿法脱硫工艺及其系统组成
1. 1 概述
石灰石—石膏湿法脱硫工艺作为目前世界上应用最广的烟气脱硫工艺,通过近几年在国内燃煤机组尤其是600MW 等级以上大型机组上的工程应用,体现出煤种适应性强、脱硫效率高、可靠性好、脱硫成本逐步降低等优点,合格品质的脱硫石膏也具有较好的经济价值。
来自锅炉引风机的烟气经过增压风机进入吸收塔,在塔内上行与从喷淋层喷出的石灰石浆液雾滴逆流接触、洗涤,去除其中的SO2、HCl 、HF和一部分SO3。反应生成的亚硫酸钙在吸收塔浆池(吸收塔底部)中被氧化空气氧化为硫酸钙,并以石膏的形式从饱和溶液中析出。吸收塔排出的石膏浆液送至石膏脱水系统,脱水洗涤后的二水石膏外运,脱出的滤液则返回脱硫系统。
1. 2 湿法脱硫的主要工艺系统
湿法脱硫主要工艺系统及其功能:
(1) SO2 吸收系统。用于石灰石溶解、SO2 吸收、氧化、副产物结晶析出。
(2)烟气系统。用于烟气增压、净烟气排放、故障旁路。
(3)吸收剂制备系统。以湿磨或成品粉搅拌制浆方式制备合格品质的石灰石浆液。
(4)石膏脱水系统。对吸收塔排出的石膏浆液进行两级脱水,生成合格品质的二水石膏;回收滤液和旋流上清液,提高吸收剂利用率,维持系统水平衡和物质平衡。
(5)排放系统。用于收集脱硫岛检修、冲洗的排出液并返回工艺系统;系统故障时浆液排放至事故浆液箱,待重新启动时返回。
(6)废水处理系统。通过中和、絮凝、沉降等一系列措施对脱硫废水进行净化处理,将其所含污染物指标(pH, SS, COD,重金属等)降低至规定的排放标准,实现厂内回用或达标排放。
本文将着重对湿法脱硫石膏一、二级脱水系统设备配置进行分析。
2 脱硫石膏品质的影响因素
脱硫石膏的品质取决于三个方面,即脱硫岛入口条件、吸收塔运行控制以及脱水系统的设备配置。
2. 1 脱硫岛入口条件
与石膏品质相关的条件主要包括:烟气灰分、石灰石品质、工艺水水质等。
(1)脱硫岛入口烟气中的烟尘质量浓度必须控制在100mg/m3 以内(改造工程300mg/m3 以下) , 否则,洗涤后留在石膏浆液中,不仅影响脱水系统功能,也降低了石膏的品质。
(2)石灰石的品质对脱硫效率和石膏品质都有直接的影响。石灰石中的杂质(惰性物)在吸收塔内会影响石膏结晶的粒度和纯度,在脱水过程中影响石膏含水率;石灰石的粒径、活性如果不能满足溶解度要求,系统在低pH值下运行,亚硫酸钙比例将增加,致使石膏品质下降。
(3)工艺水水质对石膏的影响主要是其中的氯离子,石膏中氯离子残留量增加则其品质下降。此时,若要满足市场要求,就必须用大量的电厂工业水对石膏进行冲洗,影响电厂运行经济性。
2. 2 吸收塔的运行控制
吸收塔内pH值、塔内浆池容积、氧化强度、液气比、废水排出量等参数都会影响石膏品质。
吸收塔浆液pH 值是脱硫过程的关键控制参数。当pH值偏低,尤其是低于4. 8时,浆液内的亚硫酸钙残留量会大幅增加,不仅影响脱硫效率,还会在pH值再次升高时大量析出,降低石膏品质。
吸收塔内浆池的容积必须满足石膏结晶成长所需的停留时间,但也不宜过大,否则会使已生成的石膏晶体被循环浆液破坏,影响石膏品质。因此,需结合液气比合理设置浆池容积。吸收塔氧化强度决定石膏浆液中亚硫酸钙的残留量,也会影响石膏品质。增加废水排出量,不仅可以维持塔内良好的运行工况,也能提高石膏的品质。
2. 3 石膏脱水系统的设备配置
石膏脱水系统通过石膏旋流器和真空皮带机二级脱水将质量分数为15%的石膏浆液制成水分为 10%的石膏,并在脱水过程中实现脱硫工质的分配和脱硫系统的物料平衡。
石膏脱水系统的优劣不仅关系到回收工质、水耗、吸收塔正常运行参数(液位、密度、惰性物及氯离子) 等各项指标,还直接关系到脱硫石膏的品质。因此,优化、完善石膏脱水系统的设备配置,确保系统正常稳定运行是值得认真分析研究的。
3 石膏脱水系统的主要设备及其优化配置
3. 1 石膏一级脱水系统
该系统主要由石膏旋流设备、石膏浆液箱、石膏浆液泵组成。吸收塔排出的石膏浆液首先进行水力旋流分离,质量分数达到3%的溢流大部分返回吸收塔,少量进入废水旋流系统;质量分数为50%的底流进入真空皮带脱水系统。石膏一级脱水系统除了浓缩浆液之外,更重要的是维持吸收塔的运行指标。合理的系统配置可使吸收塔达到良好工况,实现整个脱硫岛的经济运行。
一级脱水系统的运行配置方式通常有:
(1)石膏排出泵连续输送浆液至石膏旋流器。旋流器溢流通过石膏浆液箱和浆液泵返回吸收塔, 旋流器入口设分支进入石膏浆液箱,支路上设置调压阀,通过调节旁路流量确保旋流器入口压力。根据吸收塔内浆液密度确定石膏旋流器底流返回浆液箱或进入皮带脱水机。
这种配置方式的特点是脱水系统中所有的泵均为定速运行,石膏旋流器入口压力通过支路调压阀维持。系统内有连续浆液流,不会发生堵塞沉积,系统可靠性较好。
(2)石膏排出泵连续输送浆液至石膏旋流器或返回吸收塔。塔内浆液密度低于设定值时,浆液全部返回吸收塔;浆液密度达到设定值时,进入旋流器,此时的旋流器前返流旁路用于稳定入口压力。旋流器运行时的调控方式与前一种类似,但此时旋流器底流仅与皮带机相接。
此种配置方式的特点是系统中所有的泵均为定速运行,低负荷时石膏浆液不进入旋流器,可避免浆液中过高含量的石灰石颗粒对旋流器产生磨损;底流系统简洁,便于操控,但需定期冲洗。
(3)系统流程与第一种类似,区别是旋流器入口无回塔旁路且石膏排出泵变频运行,低负荷时变速调节,在维持旋流器入口压力的同时实现经济运行。这种配置方式的特点是变频运行,低负荷石膏排出泵及石膏浆液泵可小流量、低功耗运行,经济性较好。由于增加了变频配置,设备造价和控制要求均有提高,但连续运行的经济性显而易见。
从目前投运工程的一级脱水系统配置情况来看,采用第2种方式的较多,其次是第1种,第3种应用较少。其原因主要是投资成本,但从长期运行经济性以及变负荷适应能力来看,第3种方式具有更大的优势。
3. 2 真空皮带机系统
该系统设备主要包括真空皮带机、气水分离器、真空泵、皮带机冲洗设备、滤液水泵、石膏卸料设备。
石膏旋流器底流进入真空皮带机,脱水冲洗后得到合格的二水石膏。真空泵抽出的空气在气水分离器中进行水气分离,分离出的水和皮带机滤出液一起收集到滤液水收集系统,并通过滤液水泵送至吸收塔或制浆系统。
3. 2. 1 滤液水收集设备
湿法脱硫石膏脱水系统的滤液水收集设备通常按公用设置,容量取决于制浆和运行方式,通常有滤液水池和水箱两种配置形式。
从目前脱硫工程中出现的问题来看,与水箱相比,滤液水池有以下的优点:
(1)当滤液水箱设计容量较大时,水箱内液位较高,如果气水分离器安装高度不够,就会发生气水分离器至滤液水箱液面高差不足,不能满足真空泵所需的真空度要求,导致滤液水倒灌。解决的方法往往是抬高皮带层高度或减少水箱储水量,前者将增加投资,后者降低了连续运行的可靠性。而滤液水池位于地面零米,不会有类似问题出现。
(2)滤液水池的液位测量设备、搅拌设备及回流阀等均布置于地面附近,便于监控调节,无需配置类似滤液水箱的检修设施,更加方便灵活。
(3)滤液水池可兼作脱水车间排污沟的收集地坑,滤液水泵多采用立式泵,结构简单,节约空间。如果采用滤液水箱,则必须考虑水箱和泵的占位,北方寒冷地区水箱还要置于室内,且车间内还需设集水地坑,或采用沟道引至吸收塔区域地坑,增加了室外土建的工程量。
(4)如果采用磨制、脱水综合楼的配置方案,则滤液水池可以同时兼顾两个系统的排水收集,有利于滤液水和浆液回收系统的整合优化,使系统更加简洁合理。
由此可见,在湿法脱硫石膏脱水系统中采用滤液水池,虽然会增加一些土建工程量,但有利于系统运行,应在工程中优先采用。
3. 2. 2 真空皮带机冲洗设备
在常规的脱水皮带机冲洗系统中,每台皮带机一般会配置相应的滤饼冲洗水系统和滤布冲洗水系统,前者包括滤饼冲洗水箱和一用一备的滤饼冲洗水泵,后者包括滤布冲洗水箱和一用一备的滤布冲洗水泵。
冲洗系统采用脱水机真空泵的冷却水排水作为冲洗水源。首先将水源接入滤布冲洗水箱,泵送至皮带机滤布冲洗的各喷嘴处,冲洗滤布之后的水收集到滤饼冲洗水箱中,再泵送至石膏冲洗用水点,为确保成品石膏中氯离子含量在规定范围内,皮带机尾部也可增设工业水冲洗接口。
闭合式两级冲洗的配置方式可最大程度地减少进入系统的外来水,便于滤液水系统和石膏一、二级旋流系统以及制浆系统的水量调控,实现整个系统的水平衡。
在电厂实际运行中发现,上述配置存在以下问题:滤饼冲洗水箱容积很小,无法安装搅拌装置,进入其中的滤布冲洗水含有的大量石膏颗粒极易沉积而堵塞水箱出口;滤饼冲洗水泵入口管径小,容易堵塞,或直接造成石膏冲洗喷嘴结垢、堵塞而无法运行,影响石膏品质,甚至需停运彻底清理。
为解决上述问题,有些工程在冲洗水泵出口加装循环管路和喷嘴,增加扰动,减少石膏颗粒沉淀, 但长期运行的效果仍不理想。为此,脱水机的供货方把两级循环改成一级循环,滤布冲洗水和滤饼冲洗水均采用水质较好的真空泵排水。因此, 1台脱水机应设置1个综合冲洗水箱和2台冲洗水泵,冲洗水母管至皮带机各冲洗水喷嘴的压力和流量通过各支路上的阀门和节流装置调节。
新的配置方案简化了冲洗系统,减少了滤布冲洗水中间收集循环的二次环节,取消了易发生故障的箱、泵。冲洗水箱和水泵在较好水质条件下运行, 避免了管路和喷嘴的堵塞,从而保证了脱硫石膏的品质。皮带机系统所有冲洗水及排水均收集到滤液水坑或作吸收塔补充水。与原冲洗系统相比,滤布冲洗水不再循环使用会使工业水用量增加。在设计整个脱硫岛水平衡时,应注意此处增加的水量和工艺水水量的总体恒定。改进的冲洗系统提高了真空皮带机系统连续运行的可靠性,减少了过程环节和故障率,对提高FGD整体可用率有一定的效果。在近期的工程设计中已陆续采用。
3. 3 废水旋流系统
早期的一些湿法脱硫工程未设置废水旋流装置,仅在石膏一级旋流器溢流箱底部接出一路作为废水排放。这种配置不仅便于废水排放,且因废水浓度较高,较小的废水量即可充分排出塔内积累的有害物质。但这种方式也存在较大的问题,即较高的排放浓度会带出许多有效工质,使得系统钙硫比增加,吸收剂耗量变大。随着节水要求的提高,电厂湿排灰系统已逐步摈弃,废水综合回用已成为脱硫设计的基本要求。为有效回收工质并减轻废水处理系统的负荷,脱水系统中必须配置废水旋流系统。
废水旋流系统包括废水旋流泵、旋流器、废水收集箱、废水泵等。石膏旋流器溢流的一部分经废水旋流泵升压后进入废水旋流器,废水旋流器的底流返回石膏浆液箱,溢流将进入废水处理系统。
废水旋流系统对保证塔内良好工况有重要作用,其设备的配置有以下几点值得研究和优化:
(1)废水旋流泵的运行方式。一些电厂的废水间断排放,使得塔内Cl- 浓度波动较大,其控制限值可达20 000mg/L。应该指出的是, Cl- 浓度过高必将影响石膏晶体的正常生成和产品品质,因此,必须尽量控制在低Cl- 工况下运行;另一方面,浆液中的 Cl- 对设备具有较强的腐蚀性,低CI- 浓度可有效减缓设备腐蚀,提高设备的使用寿命和整个系统的可用率。因此,废水系统的连续稳定运行对于脱硫岛的安全性和运行经济性非常有利。
废水旋流泵若采用变频设置,可更好地适应外部条件变化引起的脱硫废水量变化,同时确保旋流器工况并稳定废水水质和进入滤水系统的回水量, 成为滤液水量调节的补充手段。在低负荷时,废水系统连续变频运行不仅可维持塔内工况,更重要的是与负荷匹配的流量调节可在经济运行的前提下进行,可控性好。
(2)废水旋流泵前设置缓冲箱。一些脱硫工程在废水旋流泵之前不设置缓冲箱,但在实际运行中发现,当设计废水量较大且相应的泵选型较大时,易出现溢流箱抽空的现象,尤其是在机组未全部投运时,共用设计出力的废水旋流系统对应单台旋流器更易出现此情况。因此,应在废水旋流泵前加设缓冲箱,以确保在各种情况下废水旋流泵的稳定运行, 有利于废水旋流系统变频连续调节。
(3)废水旋流器的旋流子数量。废水旋流器处理的是石膏旋流器的溢流,废水浓度低、颗粒小、分离难度大,因此,旋流子的数量应远远多于石膏旋流器。废水旋流器之前应设置变频泵以维持入口压力。由于废水旋流器出口对应的是废水处理系统, 而废水处理系统对来水水质的稳定性要求比较高, 尤其当废水系统中配置了离心脱水机时,废水浓度的过度变化会使脱水机无法工作。因此,废水旋流器的旋流子数量必须按照出口废水水质及负荷变化要求配置,确保在任何工况下都能达到旋流器的最佳分离效果,避免溢流量过大或进入废水处理系统的颗粒度恶化等情况的发生。
4 结语
随着石灰石—石膏湿法脱硫工艺的广泛应用, 国产化程度进一步提高,脱硫系统造价不断降低。在此情况下,首要问题是如何保证FGD 系统的安全、高效运行。石膏脱水系统作为脱硫岛控制物料平衡、确保副产物品质、维持吸收塔运行工况的重要辅助系统,其设计优化和设备配置对整个FGD系统的可靠运行,尤其在电厂节水、节能以及提高综合经济效益等方面具有重要的意义。
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