350MW超臨界機組電石渣-石膏濕法脫硫技術的應用分析
摘要
電石渣石膏濕法脫硫技術的應用一方面避免了電石渣造成的環境污染，另一方面實現了電廠的節能降耗。通過內蒙古350MW機組電石渣-石膏濕法脫硫技術的實際應用，對電石渣-石膏濕法脫硫技術pH值及SO2排放的控制、漿液循環泵運行情況以及該技術的經濟性等進行分析，結果表明：采用電石渣-石膏濕法脫硫技術后，SO2的排放并未受到顯著影響，漿液pH值則有顯著提高，漿液使用量將更低；此外，漿液循環泵的運行臺數及時長也有明顯減少，降低了電廠用電電耗，顯著提升了經濟性。因此，電石渣-石膏濕法脫硫技術在350MW超臨界直流爐機組中的應用是有價值的。
引言
電石渣是電石水解后的廢棄物之一，目前國內諸多大、中型化工企業均有大量的電石渣產生。其主要成分為Ca(OH)2，同時還含有硫化物、SiO2、Al2O3、Fe2O3等多種雜質，不同產地的電石渣雜質含量存在一定差異。據估計，我國每年有數百萬噸的電石渣露天堆放，并且逐年增加，一方面占據了寶貴的土地資源，另一方面造成了土壤鹽堿化。而電石渣中Ca(OH)2等確保了它作為電廠煙氣脫硫的可能性，因此利用電石渣代替石灰石進行濕法脫硫，既可以提升經濟性，達到節能降耗的目的，又可以減少石灰石開采量，降低環境污染，達到保護環境的目的。
目前，電石渣脫硫技術已經在浙江巨化集團、國電泉州發電有限公司等若干家電廠使用，并取得了一定的效果。國電集團山西太原第一熱電廠于2005年自主研發電石渣脫硫技術，并在該廠3臺300MW機組上得到了成功應用。內蒙古京寧熱電有限責任公司同樣通過采用電石渣作為脫硫劑，使得電廠效益有了一定的提升。但電石渣脫硫技術實際應用中對SO2的排放、漿液的pH值究竟有何影響，影響是否顯著，同時在采用電石渣技術后對電廠經濟性提升是否顯著等仍未有明確的定論。因此，本文通過對內蒙古某電廠脫硫技術改造前后機組脫硫SO2排放量、漿液pH值以及電廠經濟效益的改善對比研究，進一步探討350MW超臨界機組電石渣-石膏濕法脫硫技術的應用對電廠環保性、經濟性的影響，以期為同類型機組電石渣-石膏脫硫技術的應用改造提供一定的參考。
電石渣反應原理以及成分分析
電石渣是以電石為原料生產乙炔的副產物，是一種以Ca(OH)2為主，伴有硅、鐵、鋁、鎂、硫、磷的氧化物或氫氧化物的膏狀物。由于電石渣水溶液呈強堿性，對酸性氣體具有較強的中和能力。同時Ca(OH)2在水中溶解度較小，固體Ca(OH)2微粒從水中逐步析出。整個體系逐步呈現膠體溶液狀態，微粒逐步合并、凝聚、沉淀，粒子間相互碰撞、擠壓，促使顆粒聚集、長大，從而形成電石渣漿。電石渣漿液為渾濁灰褐色液體，靜置后可形成澄清液、固體積聚(電石渣)和膠體過渡層。其物理性能與石灰石對比分析如表1所示，其中電石渣取自內蒙古蒙維科技有限公司，石灰石粉取自京能后勤有限公司。
通過表1可以看出，脫硫劑的有效成分為CaO，電石渣中的CaO比石灰石粉中的CaO高出9.95%，說明同樣脫除單位質量SO2，電石渣用量要少于石灰石粉。且根據電石渣表面積大、活性好和粒徑小等特點，可將其制成優良脫硫劑，既可以實現SO2的低排放，又可以實現電石渣的資源化利用。
同樣從表1也可以看出電石渣的酸不溶物比石灰石粉高出0.3%，細度低11.8%，說明電石渣顆粒較粗，且雜質較多，容易在吸收塔、漿液箱內形成沉淀、積砂現象，并加劇管道的沖刷磨損，也有可能在管道內部形成沉積，導致漿液管道堵塞。
電石渣作為脫硫劑對SO2的吸收原理，與石灰石完全相同，都通過Ca(OH)2對SO2進行吸收。吸收原理如下：
從上述反應原理來看，以電石渣作為脫硫劑進行煙氣脫硫是完全可行的。
電石渣-石膏濕法脫硫在電廠應用中的技術分析
內蒙古某電廠2x350MW機組脫硫系統采用石灰石-石膏濕法脫硫的方式，采用單塔單循環，每臺爐配置一座吸收塔，吸收塔直徑為17m，漿液池高11m。每座吸收塔配置4層噴淋層，各設一套旋匯耦合裝置、管束式除塵器；4臺漿液循環泵，流量均為9000m3/h；4臺攪拌器；石灰石粉倉容積為1254m3，配置一臺石灰石粉倉倉頂布袋除塵器，處理風量為3200m3/h；供漿系統設置2臺容積為400m3的石灰石漿液箱。脫硫系統設計入口SO2濃度為4980mg/m3，脫硫效率為98%。
圖1電石渣用量及其與石灰石粉摻配比例統計
圖1為電石渣用量及其與石灰石粉摻配比例統計。從圖1可看出，自7月24日起，該電廠2號機組開始電石渣粉摻配實驗工作，初步摻配電石渣粉比例為30%；7月28日摻配比例達到60%；8月13日摻配比例接近100%。
2.1石灰石供漿與電石渣粉供漿對比分析
圖2、3分別為2號、1號吸收塔供漿量與漿液pH值變化。通過1號與2號吸收塔供電石渣粉漿液對比試驗，在同樣270MW的工況下，入口SO2在2600mg/m3左右，供漿量調整到30m3/h，pH值從4.6調整到5.8，使用電石渣粉漿液用時26min，使用石灰石漿液用時60min，說明電石渣粉漿液的堿性比石灰石粉高，pH值提升效果明顯。經過試驗，該電廠最終全部使用電石渣進行濕法脫硫時，可保持最佳運行pH值在5.2-5.5，與理論研究結果相一致，并且完全滿足超低排放要求。
圖2 2號吸收塔供漿量與漿液pH值變化
圖3 1號吸收塔供漿量與漿液pH值變化
2.2漿液循環泵運行臺數對比分析
石灰石粉與電石渣粉摻配后漿液循環泵運行統計如表2所示，可以看出，摻配電石渣粉后，在270-300MW負荷下，當SO2濃度為2300-2700mg/m3時，使用電石渣粉漿液可減少一臺漿液循環泵，而且供漿量比石灰石漿液少。
表2石灰石粉與電石渣粉摻配后漿液循環泵運行統計
2.3石灰石漿液、石膏漿液、石膏成分分析
石灰石漿液、石膏漿液、石膏成分分析如表3所示，可以看出，摻配電石渣粉后，與單純采用石灰石脫硫相比，吸收塔漿液各項參數沒有明顯變化，吸收塔漿液pH值、密度等參數均符合標準，Cl-未見明顯上漲。吸收塔漿液內氧化風量充足，未出現CaSO3增高現象，石膏脫水效果仍可保持良好。
表3石灰石漿液、石膏漿液、石膏成分分析
2.4 SO2排放對比分析
圖4為調取2號爐電石渣粉摻配之前和電石渣粉摻配之后的出口SO2曲線，可以看出，電石渣粉摻配前后出口SO2曲線沒有明顯變化，說明使用電石渣粉漿液與石灰石粉漿液供漿對控制出口SO2的穩定性沒有明顯區別。
圖5為使用電石渣粉作為脫硫劑時每天出口SO2最大值、最小值、平均值。可以看出，使用電石渣粉后，出口SO2運行數據基本都在超低排放要求以內，運行調整可控。
圖4摻配前后SO2的排放量對比
圖5電石渣粉作為脫硫劑時出口SO2排放情況統計
電石渣在電廠應用中的經濟分析
電石渣-石膏濕法脫硫工藝中，經濟分析從人員消耗成本、脫硫劑原料成本以及電耗成本3方面綜合展開。
1） 人員成本。
電石渣代替石灰石濕法脫硫方案不需要增加任何額外運維人員，原有配置人員可滿足運行、維護需求。
2）原料成本。
吸收劑來源為電石渣的脫硫工藝，以內蒙地區某熱電為例，雙機運行工況。該電廠每月按完全使用石灰石粉進行濕法煙氣脫硫，理論使用電石渣11608.5t；實際使用電石渣13133t，石灰石粉耗量降低至567.24t，電石渣摻比量近96%，共節約成本162.5萬元/月(石灰石粉價格按190元/t計算，電石渣價格按36元/t計算)。
3）電耗成本。
內蒙地區該電廠在投運電石渣(雙機)的情況下，漿液循環泵較石灰石粉脫硫可減少一臺運行，以6臺泵功率值為中間值的3號泵為準，如果減少一臺漿液循環泵，就可降低月耗電量為886510.76kW/h。同時，投運電石渣后增加的2臺電石渣溶解箱攪拌器月耗電量為10567.1kW/h，電石渣輸送泵月耗電量為11862.28kW/h。綜合分析，采用電石渣(雙機)脫硫后，耗電量節約成本為86.41萬kW/h/月，按地區上網電價為0.2829元計算，節能效益為24.44萬元/月(計算過程中電石渣漿池攪拌器運行時長按24h計算；電石渣漿液輸送泵運行時長按12h計算；節約電量=漿液循環泵節省電量-電石渣漿液制備系統耗電量)。從以上3項分析來看，原料消耗成本降低了162.5萬元/月，電耗成本降低了24.44萬元/月，綜合收益為186.94萬元/月，具有一定經濟效益。
電石渣-石膏濕法脫硫在電廠應用中存在的問題及解決措施
4.1電石渣反應迅速，pH值控制難度高
因電石渣粉漿液與SO2反應迅速，電石渣加入脫硫時緩沖作用較石灰石粉差，脫硫過程中容易引起pH值波動和凈煙氣SO2波動，需在初期投運期間摻配石灰石漿液以控制調整吸收塔pH值，后期逐步通過運行經驗摸索電石渣的反應特性和漿液pH值之間的關系。以該電廠為例，全部使用電石渣進行濕法脫硫時，可保持最佳運行pH值在5.2-5.5。
4.2系統部分區域頻繁堵塞
由于電石渣粉中酸不溶物比例較高，細度較低，電石渣中過量的氧化鐵、碳顆粒會導致石灰石供漿系統、石膏脫水系統、廢水系統堵塞停運，電石渣漿液箱攪拌器跳閘現象也時有發生。針對在各廠摻配試驗期間出現的設備頻繁堵塞問題，需要對相關設備進行改造，降低電石渣粉對設備的影響，同時在電石渣加工設備中增加除鐵器或旋振給料篩，除去電石渣中的氧化鐵，避免設備及管道磨損。最終經過設備改造后調試運行，可將電石渣漿液最佳篩分濃度控制在1120-1150kg/m3之間，并且保持旋振篩運行情況較好，能滿足設備的連續運行。
4.3電石渣易結垢、結團，石膏結晶氧化控制存在難度
由于電石渣反應速度快、結晶快，因而容易發生粘壁，在運行中可能會存在一定的粘結。而在實際運行中通過控制電石渣漿液濃度在1120-1150kg/m3，可觀察到電石渣漿液與石灰石漿液脫硫效率相當，并且用之全面替代石灰石漿液進行濕法脫硫時，吸收塔內反應產物的氧化和結晶均正常。
4.4安全問題及措施
由于電石渣為制造乙炔的廢料，因此在儲存及制漿過程中會有部分一氧化碳、乙炔、硫化氫等易燃、易爆、有毒氣體，且電石渣粉屬于強堿，在運輸或儲存過程中需要做好防止一氧化碳中毒、乙炔爆炸、強堿燒傷的防護措施。
結論
1）電石渣-石膏濕法脫硫可以顯著提高吸收塔的pH值。全部使用電石渣進行濕法脫硫時，可保持最佳運行pH值在5.2-5.5，并降低了脫硫劑的使用量。
2）與石灰石-石膏濕法脫硫相比，電石渣-石膏濕法脫硫可減少漿液循環泵運行臺數，且供漿量明顯降低，降低了電廠用電電耗。
3）電石渣-石膏濕法脫硫中使用電石渣粉漿液與石灰石粉漿液供漿對控制出口SO2的穩定性沒有明顯差異。
4）從經濟學角度分析，采用電石渣-石膏濕法脫硫后原料消耗成本降低了162.5萬元/月，電耗成本降低了24.44萬元/月，綜合收益可達到186.94萬元/月。
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