燃煤锅炉湿式脱硫除尘一体化设备的综合分析
摘要:本文对湿式脱硫除尘一体化设备的结构和性能进行了较为全面的分析，指出了该设备存在的诸多弊病，提出了解决方案—脱硫、除尘分体组合式的思路。
１ 问题的提出
目前国内大中型工业燃煤锅炉所使用的湿式脱硫除尘一体化设备（包括麻石水膜除尘器）的基本特点为主体设备结构紧凑、占地面积小、造价低、但附属配套设备多、占地大、造价高昂，同时存在下列问题：
（1）运行状态难以控制
如果循环水在碱性（pH>7）状态下运行，会由于Ca(OH)2、CaSO3、过量的O2和大量的烟尘并存导致严重结垢（因为Ca(OH)2是良好的絮凝剂，对加速烟尘沉淀结垢起到了促进作用），轻者影响炉内正常燃烧，严重时会加大锅炉引风阻力，增加系统能耗，降低锅炉出力，影响正常供热。
由于整个锅炉房的循环水是一体的，炉下冲灰用水、除渣沟水与脱硫除尘循环水都是相通的，若为了防止系统结垢而以酸性状态（pH<7）的循环水运行，那么将会对整个锅炉房的用水系统和相邻的钢结构及水泥结构的外露钢构件造成严重腐蚀，再加上水中烟尘颗粒在水流冲击下对内壁的磨损，更加剧了对系统的破坏。
（2）加大了循环水浊度
以一般烟尘浓度为2000mg/m3、SO2为1200mg/m3、液气比2～3L/m3（很少达到此水量）计算，出水总浊度将超过4000mg/L（前提是进水为清水），其成分是烟尘、CaSO4、Ca(OH)2的混合物。
（3）增加了灰水分离系统
以一台29MW热水锅炉为例，烟气量为120000m3/h,按上述液气比计算，每台需240～360m3/h循环水量，而沉灰池体积应为循环水量的2～3倍，以3台29MW的锅炉房为例，需2000～3000m3的沉灰池，这在大中城市内很难解决，只能采用小容积的沉灰池外加一套庞大的灰水分离系统，以降低循环水的浓度。
（4）加剧了循环水泵的磨损
因为没有足够大容积的沉灰池，尽管增加了灰水分离系统，但很难匹配，循环水的浊度仍然很高，因此必须采用昂贵的防腐砂浆泵才能保证工作。
（5）增加了沉淀池和捞灰系统
以3台29MW热水锅炉房为例，以95%的除尘效率、80%的脱硫效率（煤含S1.5%）计算，每小时将产生烟尘和脱硫产物约1.5t（烟尘0.72t，脱硫产物约0.8t）。
2 原因分析
2.1 工作原理的分析
我国目前的工业锅炉除尘器多为离心式除尘设备（电除尘和袋除尘除外），即以力学原理除尘，依靠气流旋转产生离心力，将烟尘颗粒分离。气流旋转速度越高，除尘效果越好。因而也可以认为是靠速度除尘。
脱硫是一个化学反应过程，不论是用碱液直接进塔吸收烟气中的SO2，还是用水进塔吸收均需要有一定的时间来保证反应的充分进行，对烟气的流速要求越低越好，因此也可以认为是靠时间脱硫。
从上述的简单分析可知：一个需要速度保证效果，一个需要时间保证质量，这是两个截然不同的过程，如果硬要将其连成一体化，只能是勉强拼凑。
2.2 关于结垢的分析
锅炉烟气中的烟尘遇水后一般使水呈碱性，并且烟尘还是一种水硬性物质，如果湿度适当，它们便会形成有一定硬度的沉淀物，对脱硫除尘一体化设备的孔板会造成堵塞的威胁，塔内壁也会有严重的结垢现象。另外，为了降低脱硫运行成本，绝大多数以石灰为脱硫剂，在循环过程中，石灰很可能进入塔内，但由于石灰水具有强絮凝作用，它的进入将会加速水中烟尘的沉淀，同时由于烟气中含有大量的CO2气体，对石灰有一定的还原作用：
Ca(OH)2+CO2→CaCO3+H2O
也就是说，石灰水不仅加速了灰水烟尘的沉淀，并在烟气作用下产生一定的CaCO3结垢，使沉淀层坚硬化，导致塔内和管道严重阻塞，而且十分难清除。更确切的说，一旦石灰水进入脱硫除尘一体化设备塔内，将起到加速结垢的作用。
如果严格控制循环水的pH≤7，很可能使水呈酸性，在较大的循环流动状态下，再加上水中有大量的烟尘颗粒，将对泵、阀、管道、塔体等循环系统产生酸腐蚀加机械磨损的双重损伤，其结果是加速系统损坏。
为了避免结垢，有人提出以NaOH为脱硫剂，这是不现实的，这是因为：以NaOH脱硫的产物Na2SO3是一种溶于水的盐，易对土壤造成结板；Na为一价、Ca为二价，NaOH消耗量太大；因NaOH的价格比石灰高十几倍，昂贵的运行费令人难以承受。
2.3 水的污浊度分析
以烟尘浓度2000mg/m3、煤含S量1%、循环水液气比2～3L/m3为例。
（1）除尘脱硫一体化设备循环水污浊度的计算
总污浊度=烟尘污浊度Cd+脱硫产物污浊度Cs，其中烟尘污浊度Cd=2000mg/m3÷(2～3)L/m3=700～1000mg/L，平均值850mg/L。
Cs的计算：按每蒸吨每小时耗煤0.15t计算；SO2量（GSO2）按下式计算（脱硫率按99%计）
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%为煤的含硫量；80%为进入烟气中的硫分；90%为预定脱硫率。
脱硫剂耗量计算：
以CaO纯度75%、Ca/S为1.1，且CaO/SO2为0.875，则GSO2×0.875÷75%×1.1=0.0022t/h×0.875÷0.75×1.1=0.0027t/h。
这些脱硫产物也混入循环水中，其浊度 Cs= （0.0022t/h+0.0027t/h）×109mg/t÷3000m3/h÷（2～3）L/m3=538～816mg/L，平均为672mg/L。
循环水的总污浊度为：
Cd+Cs=(850+672)mg/L=1522mg/L。
（2）干除尘+湿脱硫结构的污浊度
如果采用干式除尘+湿式的脱硫结构，则循环水的污浊度主要是由脱硫产物与少量烟尘形成。
（3）一体化与干除尘+湿式脱硫循环水污浊度比较
从以上计算可以看出，一体化的循环水污浊度平均为1522mg/L，而组合式（干除尘+湿脱硫）的污浊度只是750mg/L（前置除尘效率90%，脱硫时再除掉剩余量的80%左右），不到一体化循环水浊度的1/2：
[672+850×(1-90%)]÷1522×100%=49.7%。
2.4 对沉淀池系统的分析
（1）因为湿式脱硫除尘一体，所有灰尘及脱硫产物须由循环水带出塔外，这就要求必须有足够体积的沉灰池。对于沉灰池的要求，一般为循环水量的2～3倍，以2倍计算，液气比取2.5L/m3，一台29MW锅炉正常工作时，需循环水量为：2.5L/m3×120000m3/h=300m3/h。
沉灰池体积最小为：300m3×2=600m3。
以某供热站为例，3台29MW锅炉，沉灰池总体积应为：600m3×3=1800m3。
以池深4m计算，总面积为：1800m3/4m=450m2。
由于这样的面积在用地紧张的大中城市中很难保证，所以只能尽量提供沉灰池面积（最大可达到要求的50%，即225m2），然后再辅以机械沉灰设施如灰水分离器等，并将其设置在沉灰池的上面，力求减小占地面积。但灰水分离器的容量最少也要达到总循环水量的25%，即450m3/h（4台120m3/h）。
（2）如此规模的沉灰池需配置相应的捞灰设备。
2.5 对循环水泵的要求
尽管采取了上述措施，循环水中仍含有大量的烟尘颗粒，一般水泵是不能胜任的，必须选用耐磨的砂浆泵，而且为了防止塔内结垢，必须将进塔水的pH值控制在≤7，水泵要同时具有耐酸功能，就必须选用耐酸砂浆泵。
2.6 对塔体及系统的要求
根据运行特点要求，塔体内壁必须采用可靠的防腐措施，阀、管路必须是奥氏体不锈钢材料，塔内部件非316L不可。
2.7 关于一体化造价的分析
（1）一体化循环水浊度是单纯脱硫水浊度的2倍，所需沉淀池也应是单纯脱硫体积的2倍。并且如果无足够体积则必须投入专用沉淀设备灰水分离器。
（2）塔内必须为耐稀酸冲刷、耐烟尘颗粒磨损的特殊防腐结构，泵、阀、管路系统必须为耐磨耐酸材料和结构。
因此，虽然一体化设备可节约材料，减少占地，在除尘脱硫主体设备上可能节省资金，但其庞大的辅助设施的占地及其他附属设备的价格则大大超过了主体的节省部分，而且还会给运行带来永久性的腐蚀、结垢、堵塞、高耗水、高耗能等问题。
3 经济分析
3台29MW锅炉配用一体化设备与组合式脱硫除尘设备的投资对比见下表。
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4 解决措施及方案
从上述分析可知，燃煤锅炉湿式脱硫除尘一体化设备诸多弊病的形成皆因将本不该一体化的除尘和脱硫流程强行一体化。因此解决这个问题的出发点也就是应将不该一体化的结构合理分开，其方式为：以干式除尘+湿式脱硫的形式来设计系统，可有如下优点：
（1）可降低50%循环水浓度；（2）可减少2/3的沉灰池容积；（3）可节省掉灰水分离器；（4）可节省2/3的捞灰设施造价；（5）可大大减轻对泵的磨损，从而延长其寿命；（6）可使循环水工作状态可控，减轻对系统、塔体造成的腐蚀；（7）可省掉原来一定要用奥氏体不锈钢的构件。
此外，为了保证烟囱抽力及延长引风系统寿命，增加换热设备，整个系统阻力应控制在2500Pa左右，系统配置方案一如下：
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该方案是目前国内外大型燃烧煤电厂锅炉烟气除尘脱硫应用广泛、运行可靠、除尘脱硫效率高的成熟技术，即静电除尘+喷淋（或液柱）吸收塔湿式脱硫技术路线，其烟气处理能力已达到可为1000MW机组锅炉配套。
系统配置方案二：
锅炉烟气→干或半干式脱硫→除尘器→引风机→烟囱
该方案也是目前国内外大型燃煤电厂锅炉烟气除尘脱硫应用广泛、运行可靠、除尘脱硫效率高的成熟技术，即塔内喷钙（干式或半干式）+布袋（或电除尘）的干式或半干式脱硫的技术路线，比方案一的湿式脱硫工艺更节能，其烟气处理能力已达到可为300MW机组锅炉配套。
工业锅炉功率虽然比电厂锅炉小很多，但它们的烟气处理原理相同，要真正做到高效除尘脱硫、同时又要保证系统稳定可靠运行，上述方案则是理想的选择。
参考文献：
[1] 徐旭常，陈昌和.中国的燃煤SO2、NOX污染、防治技术及减排对策[C].北京：清华大学，1997.
[2] 戴安邦.无机化学教程[M].北京：高等教育出版社，1958.
[4] 冯俊凯.锅炉原理及计算[M].北京：科学出版社，1979.
[5] 杨明珍.工业锅炉旋风除尘器指南[C]，北京市环境科学研究院，1984
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