羅 楊，秦 學(xué)，張 樂，吳 芳

(中國工程顧問集團(tuán)西南電力設(shè)計(jì)院有限公司，四川 成都 610021)

0 引言

石膏脫水系統(tǒng)屬于火力發(fā)電廠石灰石—石膏濕法煙氣脫硫裝置的重要輔助系統(tǒng)[1]，它負(fù)責(zé)將吸收塔排出的石膏漿液處理成為脫硫石膏，并使石膏品質(zhì)達(dá)到JC/T 2074-2011《煙氣脫硫石膏》[2]的相應(yīng)等級(jí)要求(見表1所列)，從而實(shí)現(xiàn)高價(jià)值的綜合利用，可作為水泥摻合料用于水泥和建筑行業(yè)等。火電項(xiàng)目脫硫石膏品質(zhì)一般要求不低于表1中的二級(jí)(B)。

表1 脫硫石膏等級(jí)(摘選)

真空脫水機(jī)是石膏脫水系統(tǒng)的核心設(shè)備，用于脫硫副產(chǎn)物-石膏漿液的第二級(jí)處理，對石膏旋流器濃縮后的底流進(jìn)行真空脫水處理，形成附著水含量不超過10%的脫硫石膏。一方面，直接控制脫硫石膏中的兩項(xiàng)重要指標(biāo)：附著水含量、氯離子含量；另一方面，其運(yùn)行穩(wěn)定性、能耗水平(電耗、水耗等)、占地面積等，直接影響到脫硫裝置運(yùn)行可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

石灰石濕法脫硫裝置絕大部分采用真空皮帶脫水機(jī)，具有設(shè)備可靠、能夠連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行、附著水含量和氯離子含量易保證等特點(diǎn)，但是占地面積大。個(gè)別脫硫改造項(xiàng)目由于布置場地受限，嘗試采用真空陶瓷圓盤脫水機(jī)。隨著技術(shù)發(fā)展，真空濾布圓盤脫水機(jī)開始應(yīng)用于部分脫硫項(xiàng)目。

本文將對各類真空脫水設(shè)備的工作原理、技術(shù)特點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，然后以保證脫硫附著水含量和氯離子含量為前提，以某1000 MW火電機(jī)組為例，對真空脫水設(shè)備選型方案進(jìn)行深入研究和技術(shù)經(jīng)濟(jì)比選。

1 真空脫水機(jī)型式及特點(diǎn)

國內(nèi)石灰石濕法脫硫裝置選用的真空脫水機(jī)主要有真空皮帶脫水機(jī)、真空濾布圓盤脫水機(jī)和真空陶瓷圓盤脫水機(jī)，基本的脫水原理均為利用真空抽吸實(shí)現(xiàn)過濾材料表面石膏漿液的固液分離。

1.1 真空皮帶脫水機(jī)

1.1.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作原理

真空皮帶脫水機(jī)機(jī)架為焊接鋼結(jié)構(gòu)，整臺(tái)機(jī)架分段組成，包括前機(jī)架、后機(jī)架和中間機(jī)架。加料槽采用尾形加料槽，槽內(nèi)設(shè)有若干條導(dǎo)向筋條，使石膏漿液均布在濾布上；真空盤下部由導(dǎo)向滾輪支撐，真空盤上部有易于更換的橡膠帶(橡膠帶上均布濾孔)；集液管收集真空盤中濾液并送至氣液分離器，通常采用FRP管；濾布清洗槽內(nèi)固定兩根帶有噴嘴的噴管，從正、反兩面沖洗濾布，沖洗后的水經(jīng)清洗槽出口流出；濾布連續(xù)運(yùn)行，拉緊并保持適當(dāng)寬度，避免濾布起皺。真空盤和集液管之間由數(shù)根真空膠管連接。

驅(qū)動(dòng)裝置由電機(jī)、擺線針輪減速器組成，通過驅(qū)動(dòng)裝置帶動(dòng)濾布驅(qū)動(dòng)輥來帶動(dòng)濾布的連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)。

真空皮帶脫水機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 真空皮帶脫水機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.1.2 運(yùn)行方式及工藝流程

帶形濾布在橡膠皮帶的支撐下沿脫水機(jī)軸向水平移動(dòng)，完成初始過濾、濾餅淋洗、濾餅干燥、濾餅卸料、濾布沖洗等一系列過程。

真空皮帶脫水機(jī)工藝流程示意圖如圖2 所示。

圖2 真空皮帶脫水機(jī)工藝流程示意圖

1.1.3 技術(shù)特點(diǎn)

石膏漿液在濾布表面水平鋪開，且停留時(shí)間長，脫水效果易保證，更易達(dá)到附著水含量和氯離子濃度的要求。濾布與石膏脫離后，經(jīng)充分沖洗后，即恢復(fù)過濾性能，使用壽命較長。真空度相對不高，抽氣量較大，導(dǎo)致真空泵電耗較高。

由于水平過濾面積較大，導(dǎo)致設(shè)備占地面積較大。

1.1.4 應(yīng)用效果

該機(jī)型是目前應(yīng)用最為廣泛的石膏真空脫水機(jī)，技術(shù)成熟，運(yùn)行穩(wěn)定，石膏品質(zhì)易控制；但也存在現(xiàn)場運(yùn)行環(huán)境較差、設(shè)備腐蝕較為嚴(yán)重、濾布易跑偏、運(yùn)行真空度低等缺點(diǎn)。

1.2 真空濾布圓盤脫水機(jī)

1.2.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作原理

真空濾布圓盤脫水機(jī)由主機(jī)部分(機(jī)架和漿液槽，主驅(qū)動(dòng)軸，分配閥，卸料裝置，過濾圓盤)、攪拌系統(tǒng)、濾餅沖洗及濾布清潔系統(tǒng)、真空系統(tǒng)等組成。其中，過濾圓盤是真空圓盤脫水機(jī)的核心部件，由過濾通道、防腐構(gòu)架和單層濾布組成。真空濾布圓盤脫水機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 真空濾布圓盤脫水機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

1.2.2 運(yùn)行方式及工藝流程

在圓盤轉(zhuǎn)動(dòng)一圈當(dāng)中，完成初始過濾、濾餅淋洗、石膏濾餅干燥、濾餅卸料等一系列過程。真空濾布圓盤脫水機(jī)工藝流程示意圖如圖4所示。

圖4 真空濾布圓盤脫水機(jī)工藝流程示意圖

1.2.3 技術(shù)特點(diǎn)

濾料由傳統(tǒng)帶式機(jī)的平面過濾變?yōu)榱⒚孢^濾，可有效降低設(shè)備占地面積，約為帶式機(jī)的20%，過濾圓盤的過濾性能穩(wěn)定。真空泵抽氣量小、能耗少、水耗低、真空泵密封水量小、濾布無需在線沖洗。設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊，設(shè)備周圍環(huán)境干凈、衛(wèi)生，避免了真空皮帶脫水機(jī)周圍濺水和石膏堆積的現(xiàn)象。設(shè)備本身帶有蒸汽阻隔裝置，且真空度高，濾液流動(dòng)速度較快，有害氣體基本無法擴(kuò)散。漿液槽內(nèi)需設(shè)置攪拌裝置，可選用機(jī)械攪拌器，也可通過過濾圓盤自帶的擾流片，擾動(dòng)漿液，避免漏漿風(fēng)險(xiǎn)。

1.2.4 應(yīng)用效果

該機(jī)型已逐漸替代真空陶瓷圓盤脫水機(jī)的替代產(chǎn)品，處于推廣應(yīng)用階段，國內(nèi)部分大型發(fā)電集團(tuán)的一些應(yīng)用項(xiàng)目使用效果已獲得電廠認(rèn)可。但是，各生產(chǎn)廠家產(chǎn)品性能存在一定差異，部分廠家產(chǎn)品尚待升級(jí)完善，存在諸如石膏品質(zhì)(附著水含量、氯離子含量)不易保證、濾餅沖洗水量大、易損件(濾布、濾餅)使用壽命短、攪拌裝置易漏漿等問題。目前已成功應(yīng)用該設(shè)備的火電項(xiàng)目見表2所列。

表2 真空濾布圓盤脫水機(jī)投運(yùn)項(xiàng)目

從業(yè)主提供的使用報(bào)告來看，上述項(xiàng)目脫水機(jī)產(chǎn)出石膏可以達(dá)到附著水含量10%、氯離子濃度100～200 mg/kg的品質(zhì)要求，設(shè)備運(yùn)行可靠穩(wěn)定，節(jié)電節(jié)水效果良好，檢修維護(hù)工作量少。

1.3 真空陶瓷圓盤脫水機(jī)

1.3.1 設(shè)備結(jié)構(gòu)及工作原理

與真空濾布圓盤脫水機(jī)基本相同，主要區(qū)別是過濾材料為陶瓷濾盤替換濾布，并增設(shè)化學(xué)清洗裝置。陶瓷濾盤屬于多孔功能圓盤新型材料，其上布滿縱橫交錯(cuò)、互相貫通的毛細(xì)微孔，由于毛細(xì)作用，過濾圓盤接觸待過濾料漿后，液體無需外力作用，自動(dòng)進(jìn)入微孔通道中，固體被阻隔在圓盤表面。

1.3.2 運(yùn)行方式

與真空濾布圓盤脫水機(jī)基本相同。主要區(qū)別在于：過濾圓盤需定期離線酸洗再生。

1.3.3 技術(shù)特點(diǎn)

與真空濾布圓盤脫水機(jī)基本相同。主要區(qū)別是：

1)無法連續(xù)運(yùn)行，需定期停機(jī)清洗圓盤，恢復(fù)脫水功能。以某電廠為例，每運(yùn)行8 h，需要進(jìn)行1 h的離線化學(xué)清洗；每次沖洗需要150 kg的硝酸溶液(濃度40%)；圓盤使用3個(gè)月后，需要重新更換；

2)設(shè)備維護(hù)費(fèi)用相對較高；

3)可靠性相對較低。

1.3.4 應(yīng)用效果

國內(nèi)個(gè)別改造項(xiàng)目由于脫硫裝置擴(kuò)容改造用地緊張，而選用占地小的陶瓷圓盤脫水機(jī)，使用初期可以達(dá)到性能要求，但是陶瓷圓盤后續(xù)酸洗再生工作量大，且需定期更換圓盤，長期使用效果不佳。

1.4 真空脫水設(shè)備技術(shù)性能比較

三種類型的真空脫水設(shè)備主要技術(shù)性能比較，見表3所列。

表3 真空脫水設(shè)備主要技術(shù)性能比較表

1.5 小結(jié)

1)真空皮帶脫水機(jī)應(yīng)用最為廣泛，性能穩(wěn)定、可靠性高，但能耗高和設(shè)備外形尺寸較大；

2)真空濾布圓盤脫水機(jī)屬于圓盤式脫水機(jī)更新迭代產(chǎn)品，處于推廣應(yīng)用階段。具有性能穩(wěn)定、可靠性高、能耗低、設(shè)備結(jié)構(gòu)緊湊、工作環(huán)境較好等特點(diǎn)；

3)真空陶瓷圓盤脫水機(jī)曾應(yīng)用于項(xiàng)目中，雖然能耗低、占地面積小，但是存在較為明顯的技術(shù)缺陷，如陶瓷圓盤過濾性能衰減較快、需定期酸洗再生，導(dǎo)致運(yùn)行費(fèi)用高，使用效果不理想，不推薦采用。

2 石膏真空脫水設(shè)備選型案例

某火電廠擴(kuò)建1×1000 MW機(jī)組，煙氣脫硫裝置采用石灰石—石膏濕法煙氣脫硫工藝，脫硫效率≥99.4%，實(shí)現(xiàn)超低排放。脫硫石膏采用真空脫水設(shè)備進(jìn)行處理，設(shè)計(jì)中對真空皮帶脫水機(jī)和真空濾布圓盤脫水機(jī)兩種脫水設(shè)備進(jìn)行了方案比選。

2.1 真空脫水機(jī)配置和出力選擇

本項(xiàng)目鍋爐BMCR(boiler maximum continuous rating，鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量)工況下脫硫裝置產(chǎn)生的脫硫石膏(含表面水10%)產(chǎn)量見表4所列。

表4 脫硫石膏產(chǎn)量t/h

根據(jù)DL/T 5196-2016《火力發(fā)電廠石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)程》相關(guān)規(guī)定，本工程擬設(shè)置2臺(tái)真空脫水機(jī)，每臺(tái)真空脫水機(jī)的出力不小于處理單臺(tái)鍋爐在BMCR工況下燃用設(shè)計(jì)煤種時(shí)脫硫裝置100%的石膏產(chǎn)量，即單臺(tái)出力按43 t/h考慮。

2.2 真空脫水機(jī)方案比選

2.2.1 真空皮帶脫水機(jī)技術(shù)方案

設(shè)置2臺(tái)真空皮帶脫水機(jī)時(shí)，石膏旋流器底流自流到脫水機(jī)濾布水平表面，完成脫水的同時(shí)，絕大部分氯離子被沖洗水清洗掉，石膏餅從脫水機(jī)尾部卸料槽直接落入石膏庫；濾布通過沖洗水恢復(fù)過濾能力；抽出的濾液進(jìn)入脫硫系統(tǒng)復(fù)用。每臺(tái)脫水機(jī)設(shè)置1臺(tái)真空泵；2臺(tái)脫水機(jī)合并設(shè)置1套濾布沖洗水箱/泵；濾餅沖洗水與工藝水管道相連。整個(gè)脫水機(jī)系統(tǒng)設(shè)備集中布置在石膏庫頂部一層。

真空皮帶脫水機(jī)層布置圖如圖5所示。

圖5 真空皮帶脫水機(jī)層布置圖

2.2.2 真空濾布圓盤脫水機(jī)技術(shù)方案

設(shè)置2臺(tái)真空濾布圓盤脫水機(jī)時(shí)，石膏旋流器底流自流至脫水機(jī)漿液槽，旋轉(zhuǎn)的濾布圓盤在槽內(nèi)吸附漿液后轉(zhuǎn)離液面，完成脫水的同時(shí)絕大部分氯離子被沖洗水清洗掉，石膏餅從脫水機(jī)卸料槽直接落入石膏庫；濾布通過沖洗水、壓縮空氣恢復(fù)過濾能力；抽出的濾液進(jìn)入脫水系統(tǒng)復(fù)用。每臺(tái)脫水機(jī)設(shè)置1臺(tái)真空泵和壓縮空氣罐；濾布/濾餅沖洗水與工藝水管道相連。整個(gè)脫水機(jī)系統(tǒng)設(shè)備集中布置在石膏庫頂部一層。

為保證真空濾布圓盤脫水機(jī)的性能，設(shè)備選擇時(shí)需注意以下幾點(diǎn)：

選擇性能優(yōu)越的過濾流道構(gòu)造設(shè)計(jì)；

選擇密封性好、耐腐蝕、強(qiáng)度高的過濾圓盤構(gòu)件；

考慮到運(yùn)行后期過濾性能的下降，合理選擇濾布面積，留有一定裕量；

根據(jù)吸收塔漿池氯離子運(yùn)行濃度值，確定合適的濾餅沖洗水量；

盡量避免脫水機(jī)漿液槽內(nèi)設(shè)置機(jī)械攪拌器，降低設(shè)備漏漿風(fēng)險(xiǎn)。

真空濾布圓盤脫水機(jī)層布置圖如圖6 所示。

圖6 真空濾布圓盤脫水機(jī)層布置圖

2.2.3 方案比選

真空皮帶脫水機(jī)和真空濾布圓盤脫水機(jī)的主要技術(shù)性能參數(shù)比較見表5所列。

表5 兩種脫水機(jī)主要技術(shù)性能參數(shù)比較

真空皮帶脫水機(jī)和真空濾布圓盤脫水機(jī)的經(jīng)濟(jì)比較見表6所列。

表6 兩種脫水機(jī)經(jīng)濟(jì)性比較 萬元

通過表5和表6可見，技術(shù)方面，真空濾布圓盤脫水機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均優(yōu)于真空皮帶脫水機(jī)，維護(hù)工作量和生產(chǎn)環(huán)境都可以得到較大改善；經(jīng)濟(jì)性方面，雖然真空濾布圓盤脫水機(jī)本體投資高于真空皮帶脫水機(jī)，但是土建費(fèi)用節(jié)省較多，運(yùn)行成本也較低，20 a合收益差值(正收益)為237萬元/機(jī)組，經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)。

因此，本項(xiàng)目石膏脫水設(shè)備最終推薦采用真空濾布圓盤脫水機(jī)。

3 結(jié)語

1)真空陶瓷圓盤脫水機(jī)存在較為明顯的技術(shù)短板，使用效果不理想，不推薦采用。

2)真空濾布圓盤脫水機(jī)和真空皮帶脫水機(jī)相比，技術(shù)方面，真空濾布圓盤脫水機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)均優(yōu)于真空皮帶脫水機(jī)，維護(hù)工作量和生產(chǎn)環(huán)境都可以得到較大改善；經(jīng)濟(jì)性方面，雖然真空濾布圓盤脫水機(jī)本體投資高于真空皮帶脫水機(jī)，但是土建費(fèi)用節(jié)省較多，運(yùn)行成本也較低。以某1×1000 MW機(jī)組項(xiàng)目為例，20 a合收益差值(正收益)為237萬元/機(jī)組，經(jīng)濟(jì)性較優(yōu)。

3)隨著技術(shù)發(fā)展和工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)的積累，真空濾布圓盤脫水機(jī)以其性能優(yōu)良、可靠性高、能耗低、占地小、經(jīng)濟(jì)性良好等特點(diǎn)，得到了電廠用戶的重視和認(rèn)可，我們認(rèn)為可在更多的火電廠濕法脫硫項(xiàng)目推廣應(yīng)用。