7烟气脱硫系统可靠性

提高烟气脱硫系统可靠性马双忱FGD系统的可靠性是其工业应用所必须具备的主要条件之一，人们之所以对FGD系统的可靠性特别关注，除了作为工业应用的任何装置都必须具备一定可靠性这一原因外，早期FGD装置可靠性很差也是引起人们担心的原因之一。历史上，人们认为FGD系统不可靠、运行效果差、维修费用高、会降低发电机组的可靠性。但是，随着FGD技术近40年的发展，FGD装置的可靠性早已今非昔比了。FGD系统可靠性发展过程20世纪30年代，在英国出现了最早的石灰或石灰石法湿式涤气技术，并应用于工业锅炉的烟气脱硫，形成了采用石灰或石灰石浆液脱除烟气中SO2的湿式洗涤法的初步应用，但是，诸如设备腐蚀、磨损、结垢和堵塞等严重问题很快成为这种系统的主要顽疾。30年代初期，伦敦电力公司在一台大型锅炉安装了一台FGD试验装置，试验完成后，在伦敦泰晤士河堤岸的巴特西(Battersee)电厂建成了一套大型涤气装置，这套装置用白垩类CaCO3浆作吸收剂，采取非循环吸收运行方式，用冷凝器排水稀释吸收后的pH值较低的废浆排放液，然后将废浆液排至泰晤士河，结果是将空气污染转变成水污染。由于这一原因和设备腐蚀等原因，该装置被迫关闭。随后英国帝国化学工业公司(ICI)和詹姆斯·豪登(JamesHowden)公司开发了无固体物排放的工艺流程，并应用于伦敦电力公司的富勒姆电厂。此法用石灰浆或白垩浆循环通过栅条填充塔，吸收塔排出的淤泥过滤除去固体生成物。然而，由于大量难以处理的固体废渣、严重结垢阻塞吸收塔、很高的维修费用以及在二战期间担心烟囱排出的带水汽的烟羽会招来敌机，停止了该装置的使用。二战后，在相当长一段时间里对控制污染的湿式涤气和烟气净化技术研究的兴趣下降了，直到20世纪60年代这些问题才重新受到重视。20世纪60～80年代中期的湿法烟气脱硫装置大致属于第一代，多为自然氧化工艺，双回路或单回路非就地氧化工艺以及湿式再生式工艺。第一代湿法烟气脱硫装置仍为严重结垢等问题所困扰，造成频繁停机清垢，可靠性很差，维修费高。另外，设备冗余度高，流程复杂，操作繁琐，对工艺操作要求较高(如再生式)，即使美国20世纪70年代第一套发电厂FGD系统的可靠性也非常之差。随着对FGD化学过程的深入了解，20世纪80年代中期前后，出现了控制氧化程度的抑制氧化和强制氧化工艺。随着这两种工艺技术的不断改进，提高了湿法FGD装置的稳定性并降低了投资和运行费用。这两种工艺不但克服了设备严重结垢问题，大大地提高了设备的可靠性，而且强制氧化工艺还生产出可销售的固体副产物—石膏，简化了系统，改善了可操作性，因此这两种工艺成为第二代洗涤器占优势的技术，特别是湿法石灰石强制氧化工艺，在电厂脱硫技术中得到了最广泛的应用。随着近十年各种新材料的应用，湿法石灰石FGD系统的故障已降至很低的程度，即使一些装置在运行中仍会出现故障，通常对降低发电机组的可靠性已无明显影响。大多数FGD装置的供应商现已提供合同保证，在性能保证期中(美国通常是运行的头12个月)FGD系统的可靠性不低于99％。美国石灰石湿法FGD系统的可靠性在1978～1980年均为85％，1985年提高到94%。1985年燃用高硫煤电厂的可靠性为88％，燃用低硫煤的电厂可靠性为97％，采用抛弃法机组的可靠性得到提高，但仍为95％左右。北美电力安全理事会(NERC)调查、分析了美国1986～1991年期间111套FGD系统的可靠性，得出FGD系统对发电机组的等效不可利用系数(EUF)和等效被迫停运率(EFOR)影响很小的结论。这111套FGD系统在上述期间内的EVF和EFOR中位数分别仅为0.23％和0.07％。德国和荷兰，电厂每年仅有10d运行时间不投运FGD装置，另外附加条件是每次停机时间不能超过72h，也就是说FGD每年必须投运355d(假设锅炉连续运行)，可靠性达到97.3％。可靠性高的FGD系统可达到99％或更高。Salvaderi等人于1992年报道了德国1984～1990年燃煤电厂和FGD装置的可靠性，电厂计划外不可利用率保持在5.2％～5.9％，由FGD)装置造成的计划外不可用率由1988年的1.8％降到1990年的0.3％。FGD装置的检修周期相应地延长到3年。在日本，1975年的可靠性就达到了95％，1980～1990年达到了99％～100％。日本获得很高可靠性的部分原因是燃用了低硫煤以及几乎所有电厂都采用了强制氧化工艺。我国1992～1993年最早投入商业运行的某电厂2套FGD系统，由于燃用高硫高含灰烟煤，采取石膏部分脱水回收、部分石膏湿排抛弃运行方式，湿排抛浆泵一旦事故停运就将迫使2套FGD系统全停；再加之由于初期对FGD工艺特点认识不足，对衬胶泵过流件的严重磨损始料不及，当时国内又无相应的备件可供替换，完全依靠进口，造成无备件更换而停机，因此，初期投运率偏低，54％～62％。经过配件国产化和技术改造后，到1996年已达到85％(以主机运行小时数为基数)，到2000年，包括后来(1999年)扩建的2套FGD装置，4套FGD系统的综合投运率已达到90％～96％。2004年已稳定地达到95％。由于这4套FGD系统规定只有当锅炉燃烧稳定停止烧油后才能投运，而主机运行小时是以并网开始计时，并网到停烧油往往需要数小时到十余小时。另外，当主机停运时有时要求FGD装置提前停运。如果考虑这两个因素，该4台FGD装置可投运率已达到96％，2005年提高到98％。在十余年的运行中仅有2次因FGD电气设备故障造成了主机短时停机。因此，该FGD系统几乎就未造成主机可利用率下降。北京某电厂2002～2003年上半年FGD投运率按月计已达到98％～99％，由此可见，随着FGD技术的发展、新材料的采用和对环境保护的重视，FGD装置的可靠性已有很大的提高。FGD系统可靠性的指标上节中已用到诸如FGD装置可靠性、投运率、等效不可利用系数(EUF)和等效被迫停运率(EFOR)等评价装置可靠性的一些专用术语，下面对上述术语和另外一些同样可以用来评价装置可靠性的术语进行定义。(1)可靠性(或投运率)—装置运行小时数与实际要求装置运行小时数之比，以百分数表示为100%装置运行小时可靠性实际要求装置运行小时可靠性的另一种表示方式是，装置运行小时扣除装置强迫降负荷和强迫带负荷运行小时数的差值与实际要求装置运行小时数之比，即(2)不可靠性(或未投运率)—与可靠性(或投运率)互为补数，用百分数表示为(3)可利用率—装置可以运行时间(运行时间与备用时间之和)与考核期间的总时间之比，以百分数表示为%100实际要求装置运行小时强迫带负荷运行小时强迫降负荷运行小时装置运行小时可靠性可靠性不可靠性%100%100考核期总小时可运行小时可利用率(4)不可利用率—与可利用率互为补数，是装置不可运行时间(与是否实际要求投运无关)与考核期总小时数之比，以百分数表示为(5)等效可利用系数(EAF)—是一个用来评价装置满负荷运行能力的综合指标，指装置不强制减负荷和不强制带负荷的运行时间以及装置备用时间之和与考核期间总时间之比，即可利用率不可利用率%100考核期总小时备用小时强制带负荷运行小时装置不强制减负荷和不EAF(6)等效不可利用系数(EUF)—EUF与EAF互为补数，EUF反映装置事故停机、强制减负荷或强制带负荷运行以及计划停机总小时数占考核期总小时数的比例。与EFOR相比，EUF包括了计划停机时间，即或EUF=1-EAF(7)等效被迫停运率(EFOR)—EFOR表示装置事故停机、被迫减负荷和强制带负荷运行时间占装置要求投入运行时间的比率，即考核期总小时计划停机小时行小时减负荷和强制带负荷运事故停机小时EUF（8）事故（或故障）平均间隔时间（MTBF）—MFBF用来表示系统或系统中某一设备连续可运行或不发生故障的时间。%100装置要求投运小时带负荷运行小时强制减负荷运行和强制强迫停机EFOR上述评价指标用得较多的是可靠行（投运率）和利用率。应用这些指标可以从不同角度反映GFD装置的可靠性、稳定性以及设备的健康状态。我国投入商业运行的FGD系统相对还较少，多数运行时间还较短，目前还没有表示FGD装置可靠性的统一指标，但多数FGD系统用可靠性（或投运率）来表示系统的运行状况。随着我国环境保护有关法规、制度和标准日趋严格以及监测手段的逐步完善，FGD装置降低出力也将会纳入评价统计。在有些FGD工程招标书中，要求FGD装置在正式移交后一年内其可靠性不得低于95％～99％。影响FGD系统可靠性的因素和对策影响FGD系统可靠性的因素主要有：设计条件化学工艺过程机械设备设计条件对系统可靠性的影响影响FGD系统可靠性的设计条件主要是锅炉燃煤性质即烟气特性。燃烧褐煤产生的烟气温度通常比燃烟煤的高20～25℃，而且烟气含水量较高，因此对防腐内衬材料要求较高。德国1987年的调查表明，德国燃无烟煤FGD装置使机组的可利用率下降1％，而且燃褐煤机组降低了3％。另外，燃用高硫煤FGD系统的可靠性明显低于燃用低硫煤的FGD系统。这不仅因为高硫煤烟气的腐蚀性强，而且由于脱硫量大，脱硫率高，要求的化学工艺参数也较高，任何设计失误或设备容量、类型选择不当都将影响系统的可靠性。例如，强制氧化装置会由于设计不当造成氧化不充分，这不仅会发生结垢，还会影响脱硫效率和石膏纯度，使装置的出力下降。燃烧高硫煤时，烟囱的腐蚀将更严重。另外，产生大量脱硫固体产物，一方面需要增大设备容量，另一方面给固体副产物的处理带来困难。对于燃用高硫煤的FGD系统，特别要注意L/G，塔内烟气分布均匀性、反应罐体积(即浆液固体物停留时间)，氧化装置的选型、氧化风机容量等参数，防止供应商为片面追求经济利益、选取了裕度较小甚至偏低的参数。燃煤的灰分或氯化物含量高将使烟气中的飞灰含量和HCl含量增加，这些物质最终将进入循环吸收浆液。飞灰会增加浆液的磨损性，飞灰带入浆液中的Al3+与F-形成的络合物则会影响石灰石的活性。浆液中的高Cl-含量不仅会增加浆液的腐蚀性、影响废水排放量和材料选择，而且可能影响石灰石的溶解度，从而影响脱硫效率。这些因素在设计中稍有疏忽或处理不当都可能降低系统的可靠性。化学工艺因素对系统可靠性的影响影响FGD系统可靠性的主要化学工艺因素是,亚硫酸钙的氧化程度、除雾器冲洗水质量和浆液中氯化物浓度。（1）亚硫酸钙氧化程度对系统可靠性的影响第一代FGD系统可利用率低的主要原因之一就是吸收塔模块内部的构件表面迅速形成了大量黏附很牢的亚硫酸钙/硫酸钙硬垢，那时的FGD系统几乎都是采用自然氧化工艺，亚硫酸盐氧化率在15％～90％之间。随着抑制和强制氧化工艺的出现和不断改进，使结垢的形成得到控制，一般认为这两种工艺具有相同的可靠性。目前，强制氧化工艺已成为电厂广为选用的脱硫工艺，再加上普遍采用空塔，已基本消除了塔内结垢对装置稳定运行的威胁。但是亚硫酸盐氧化程度仍然是湿法石灰石强制氧化FGD工艺重要的控制参数。一个设计较好的FGD系统，强制氧化程度应接近100％。通常，对于低硫煤FGD系统，达到这一要求的难度不大。而对于燃用高硫煤、处理大烟气量的FGD系统，往往会由于氧化装置设计不合理，例如反应罐直径较大，氧化空气分布不均匀，或由于过于侧重降低投资成本而将氧化风机容量和氧化区的体积设计得偏小，或反应罐区域的设备布置不合理等原因使氧化不充分。如果出现这种情况，仍会发生大量结垢、垢块堵塞喷嘴、卡住蝶阀、堵塞小口径管道或结垢使流道面积减小的现象。这些将引起故障频发、事故停机或降低出力。此外，氧化不充分还将影响脱硫效率、石灰石利用率和石膏品质等系统性能。（2）除雾器冲洗水质量对系统可靠性的影响美国曾对111套FGD系统的可靠性进行了调查。调查结果表明，由于亚硫酸钙/硫酸钙垢堵塞除雾器对FGD系统可利用率下降起了主要作用。这在利用脱硫回收水冲洗除雾器的系统特别要引起重视，必须确保冲洗水中硫酸钙的相对饱和度低于50％，才能避免由于冲洗