燃煤鍋爐濕式脫硫除塵一體化設備的綜合分析
摘要:本文對濕式脫硫除塵一體化設備的結構和性能進行了較為全面的分析，指出了該設備存在的諸多弊病，提出了解決方案—脫硫、除塵分體組合式的思路。
１ 問題的提出
目前國內大中型工業燃煤鍋爐所使用的濕式脫硫除塵一體化設備（包括麻石水膜除塵器）的基本特點為主體設備結構緊湊、占地面積小、造價低、但附屬配套設備多、占地大、造價高昂，同時存在下列問題：
（1）運行狀態難以控制
如果循環水在堿性（pH>7）狀態下運行，會由于Ca(OH)2、CaSO3、過量的O2和大量的煙塵并存導致嚴重結垢（因為Ca(OH)2是良好的絮凝劑，對加速煙塵沉淀結垢起到了促進作用），輕者影響爐內正常燃燒，嚴重時會加大鍋爐引風阻力，增加系統能耗，降低鍋爐出力，影響正常供熱。
由于整個鍋爐房的循環水是一體的，爐下沖灰用水、除渣溝水與脫硫除塵循環水都是相通的，若為了防止系統結垢而以酸性狀態（pH<7）的循環水運行，那么將會對整個鍋爐房的用水系統和相鄰的鋼結構及水泥結構的外露鋼構件造成嚴重腐蝕，再加上水中煙塵顆粒在水流沖擊下對內壁的磨損，更加劇了對系統的破壞。
（2）加大了循環水濁度
以一般煙塵濃度為2000mg/m3、SO2為1200mg/m3、液氣比2～3L/m3（很少達到此水量）計算，出水總濁度將超過4000mg/L（前提是進水為清水），其成分是煙塵、CaSO4、Ca(OH)2的混合物。
（3）增加了灰水分離系統
以一臺29MW熱水鍋爐為例，煙氣量為120000m3/h,按上述液氣比計算，每臺需240～360m3/h循環水量，而沉灰池體積應為循環水量的2～3倍，以3臺29MW的鍋爐房為例，需2000～3000m3的沉灰池，這在大中城市內很難解決，只能采用小容積的沉灰池外加一套龐大的灰水分離系統，以降低循環水的濃度。
（4）加劇了循環水泵的磨損
因為沒有足夠大容積的沉灰池，盡管增加了灰水分離系統，但很難匹配，循環水的濁度仍然很高，因此必須采用昂貴的防腐砂漿泵才能保證工作。
（5）增加了沉淀池和撈灰系統
以3臺29MW熱水鍋爐房為例，以95%的除塵效率、80%的脫硫效率（煤含S1.5%）計算，每小時將產生煙塵和脫硫產物約1.5t（煙塵0.72t，脫硫產物約0.8t）。
2 原因分析
2.1 工作原理的分析
我國目前的工業鍋爐除塵器多為離心式除塵設備（電除塵和袋除塵除外），即以力學原理除塵，依靠氣流旋轉產生離心力，將煙塵顆粒分離。氣流旋轉速度越高，除塵效果越好。因而也可以認為是靠速度除塵。
脫硫是一個化學反應過程，不論是用堿液直接進塔吸收煙氣中的SO2，還是用水進塔吸收均需要有一定的時間來保證反應的充分進行，對煙氣的流速要求越低越好，因此也可以認為是靠時間脫硫。
從上述的簡單分析可知：一個需要速度保證效果，一個需要時間保證質量，這是兩個截然不同的過程，如果硬要將其連成一體化，只能是勉強拼湊。
2.2 關于結垢的分析
鍋爐煙氣中的煙塵遇水后一般使水呈堿性，并且煙塵還是一種水硬性物質，如果濕度適當，它們便會形成有一定硬度的沉淀物，對脫硫除塵一體化設備的孔板會造成堵塞的威脅，塔內壁也會有嚴重的結垢現象。另外，為了降低脫硫運行成本，絕大多數以石灰為脫硫劑，在循環過程中，石灰很可能進入塔內，但由于石灰水具有強絮凝作用，它的進入將會加速水中煙塵的沉淀，同時由于煙氣中含有大量的CO2氣體，對石灰有一定的還原作用：
Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O
也就是說，石灰水不僅加速了灰水煙塵的沉淀，并在煙氣作用下產生一定的CaCO3結垢，使沉淀層堅硬化，導致塔內和管道嚴重阻塞，而且十分難清除。更確切的說，一旦石灰水進入脫硫除塵一體化設備塔內，將起到加速結垢的作用。
如果嚴格控制循環水的pH≤7，很可能使水呈酸性，在較大的循環流動狀態下，再加上水中有大量的煙塵顆粒，將對泵、閥、管道、塔體等循環系統產生酸腐蝕加機械磨損的雙重損傷，其結果是加速系統損壞。
為了避免結垢，有人提出以NaOH為脫硫劑，這是不現實的，這是因為：以NaOH脫硫的產物Na2SO3是一種溶于水的鹽，易對土壤造成結板；Na為一價、Ca為二價，NaOH消耗量太大；因NaOH的價格比石灰高十幾倍，昂貴的運行費令人難以承受。
2.3 水的污濁度分析
以煙塵濃度2000mg/m3、煤含S量1%、循環水液氣比2～3L/m3為例。
（1）除塵脫硫一體化設備循環水污濁度的計算
總污濁度=煙塵污濁度Cd+脫硫產物污濁度Cs，其中煙塵污濁度Cd=2000mg/m3÷(2～3)L/m3=700～1000mg/L，平均值850mg/L。
Cs的計算：按每蒸噸每小時耗煤0.15t計算；SO2量（GSO2）按下式計算（脫硫率按99%計）
GSO2=2G煤×1.0%×80%×90%=2×0.15t/h×0.01×0.8×0.9=0.0022t/h。
上式中：1.0%為煤的含硫量；80%為進入煙氣中的硫分；90%為預定脫硫率。
脫硫劑耗量計算：
以CaO純度75%、Ca/S為1.1，且CaO/SO2為0.875，則GSO2×0.875÷75%×1.1=0.0022t/h×0.875÷0.75×1.1=0.0027t/h。
這些脫硫產物也混入循環水中，其濁度 Cs= （0.0022t/h+0.0027t/h）×109mg/t÷3000m3/h÷（2～3）L/m3=538～816mg/L，平均為672mg/L。
循環水的總污濁度為：
Cd+Cs=(850+672)mg/L=1522mg/L。
（2）干除塵+濕脫硫結構的污濁度
如果采用干式除塵+濕式的脫硫結構，則循環水的污濁度主要是由脫硫產物與少量煙塵形成。
（3）一體化與干除塵+濕式脫硫循環水污濁度比較
從以上計算可以看出，一體化的循環水污濁度平均為1522mg/L，而組合式（干除塵+濕脫硫）的污濁度只是750mg/L（前置除塵效率90%，脫硫時再除掉剩余量的80%左右），不到一體化循環水濁度的1/2：
[672+850×(1-90%)]÷1522×100%=49.7%。
2.4 對沉淀池系統的分析
（1）因為濕式脫硫除塵一體，所有灰塵及脫硫產物須由循環水帶出塔外，這就要求必須有足夠體積的沉灰池。對于沉灰池的要求，一般為循環水量的2～3倍，以2倍計算，液氣比取2.5L/m3，一臺29MW鍋爐正常工作時，需循環水量為：2.5L/m3×120000m3/h=300m3/h。
沉灰池體積最小為：300m3×2=600m3。
以某供熱站為例，3臺29MW鍋爐，沉灰池總體積應為：600m3×3=1800m3。
以池深4m計算，總面積為：1800m3/4m=450m2。
由于這樣的面積在用地緊張的大中城市中很難保證，所以只能盡量提供沉灰池面積（最大可達到要求的50%，即225m2），然后再輔以機械沉灰設施如灰水分離器等，并將其設置在沉灰池的上面，力求減小占地面積。但灰水分離器的容量最少也要達到總循環水量的25%，即450m3/h（4臺120m3/h）。
（2）如此規模的沉灰池需配置相應的撈灰設備。
2.5 對循環水泵的要求
盡管采取了上述措施，循環水中仍含有大量的煙塵顆粒，一般水泵是不能勝任的，必須選用耐磨的砂漿泵，而且為了防止塔內結垢，必須將進塔水的pH值控制在≤7，水泵要同時具有耐酸功能，就必須選用耐酸砂漿泵。
2.6 對塔體及系統的要求
根據運行特點要求，塔體內壁必須采用可靠的防腐措施，閥、管路必須是奧氏體不銹鋼材料，塔內部件非316L不可。
2.7 關于一體化造價的分析
（1）一體化循環水濁度是單純脫硫水濁度的2倍，所需沉淀池也應是單純脫硫體積的2倍。并且如果無足夠體積則必須投入專用沉淀設備灰水分離器。
（2）塔內必須為耐稀酸沖刷、耐煙塵顆粒磨損的特殊防腐結構，泵、閥、管路系統必須為耐磨耐酸材料和結構。
因此，雖然一體化設備可節約材料，減少占地，在除塵脫硫主體設備上可能節省資金，但其龐大的輔助設施的占地及其他附屬設備的價格則大大超過了主體的節省部分，而且還會給運行帶來永久性的腐蝕、結垢、堵塞、高耗水、高耗能等問題。
3 經濟分析
3臺29MW鍋爐配用一體化設備與組合式脫硫除塵設備的投資對比見下表。
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4 解決措施及方案
從上述分析可知，燃煤鍋爐濕式脫硫除塵一體化設備諸多弊病的形成皆因將本不該一體化的除塵和脫硫流程強行一體化。因此解決這個問題的出發點也就是應將不該一體化的結構合理分開，其方式為：以干式除塵+濕式脫硫的形式來設計系統，可有如下優點：
（1）可降低50%循環水濃度；（2）可減少2/3的沉灰池容積；（3）可節省掉灰水分離器；（4）可節省2/3的撈灰設施造價；（5）可大大減輕對泵的磨損，從而延長其壽命；（6）可使循環水工作狀態可控，減輕對系統、塔體造成的腐蝕；（7）可省掉原來一定要用奧氏體不銹鋼的構件。
此外，為了保證煙囪抽力及延長引風系統壽命，增加換熱設備，整個系統阻力應控制在2500Pa左右，系統配置方案一如下：
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該方案是目前國內外大型燃燒煤電廠鍋爐煙氣除塵脫硫應用廣泛、運行可靠、除塵脫硫效率高的成熟技術，即靜電除塵+噴淋（或液柱）吸收塔濕式脫硫技術路線，其煙氣處理能力已達到可為1000MW機組鍋爐配套。
系統配置方案二：
鍋爐煙氣→干或半干式脫硫→除塵器→引風機→煙囪
該方案也是目前國內外大型燃煤電廠鍋爐煙氣除塵脫硫應用廣泛、運行可靠、除塵脫硫效率高的成熟技術，即塔內噴鈣（干式或半干式）+布袋（或電除塵）的干式或半干式脫硫的技術路線，比方案一的濕式脫硫工藝更節能，其煙氣處理能力已達到可為300MW機組鍋爐配套。
工業鍋爐功率雖然比電廠鍋爐小很多，但它們的煙氣處理原理相同，要真正做到高效除塵脫硫、同時又要保證系統穩定可靠運行，上述方案則是理想的選擇。
參考文獻：
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