濕法煙氣脫硫系統(tǒng)煙氣換熱器結(jié)垢物分析

濕法煙氣脫硫系統(tǒng)煙氣換熱器結(jié)垢物分析

煤氣表（ngh）是大型發(fā)電裝置濕脫軌系統(tǒng)的重要設(shè)備之一。中國(guó)的蒸汽濕脫軌系統(tǒng)約占90%。從已投運(yùn)的濕法脫硫裝置實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看,大多GGH換熱面存在結(jié)垢、堵塞現(xiàn)象,嚴(yán)重影響到脫硫裝置的正常、安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。GGH結(jié)垢在國(guó)外也未能得到很好地解決,已經(jīng)成為大型火力發(fā)電廠脫硫設(shè)備普遍存在的一項(xiàng)技術(shù)難題。為此,以國(guó)產(chǎn)600MW燃煤機(jī)組濕法脫硫系統(tǒng)GGH換熱片沉積物(取自A、B兩電廠)為研究對(duì)象,分析GGH結(jié)垢成分,確定垢的來(lái)源和形成機(jī)理,再經(jīng)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)對(duì)清洗介質(zhì)進(jìn)行篩選。初步確定清洗介質(zhì)和工藝后,通過(guò)中間試驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證和方案優(yōu)化,最終對(duì)A、B兩電廠GGH進(jìn)行了化學(xué)清洗。1增加壓回收x-熒光光譜和x-衍射分析A電廠GGH換熱片結(jié)垢物(以下簡(jiǎn)稱結(jié)垢物)呈土黃色略發(fā)白,質(zhì)地堅(jiān)硬致密且和GGH換熱片表面搪瓷結(jié)合緊密,用機(jī)械方法不易清除。垢的分布極不均勻,但具有一定的規(guī)律性,換熱器冷端約5cm寬度范圍內(nèi)結(jié)垢嚴(yán)重,單面垢層厚度約3mm,其余部分結(jié)垢量較少。整個(gè)GGH換熱片的單面平均結(jié)垢量約為250g/m2,結(jié)垢最嚴(yán)重的部位單面平均結(jié)垢量約為760g/m2。B電廠GGH換熱片垢的分布狀況和A電廠基本相似,但不均勻性更加明顯,換熱器冷端邊沿垢層更厚,垢層薄的地方隱約露出搪瓷基體,垢的顏色更淺,質(zhì)地更加堅(jiān)硬。垢量最多的部位單面平均結(jié)垢量約為800g/m2,整個(gè)GGH換熱片的單面平均結(jié)垢量約為150g/m2。采用X-熒光光譜儀和X-衍射儀對(duì)A、B兩廠GGH垢樣進(jìn)行了元素分析和物相分析,結(jié)果見(jiàn)表1和表2。由表1可見(jiàn),A、B兩廠GGH換熱片結(jié)垢物的成分接近,主要為7種元素:Fe、Si、F、Al、S、Ca、O等;從表2可知,結(jié)垢物的成分接近,主要是石膏(屬酸不溶物),垢量越多的部位石膏含量越高。另外,還含有一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的化合物。GGH結(jié)垢物的表層及底層在電鏡下如圖1、圖2所示。由圖1、圖2可見(jiàn),表層結(jié)垢物主要為粒狀的硫酸鈣晶體,而底層結(jié)垢物除了硫酸鈣外,還有大量片狀(花瓣?duì)?的亞硫酸鈣晶體。2結(jié)垢的來(lái)源2.1脫硫漿液注射液流系統(tǒng)caso31/2對(duì)于石灰/石灰石濕法脫硫工藝來(lái)說(shuō),脫除SO2的反應(yīng)為:CaCO3+1/2H2O+SO2→CaSO3?1/2H2O+CaCΟ3+1/2Η2Ο+SΟ2→CaSΟ3?1/2Η2Ο+CO2(g)(1)CaCO3+2H2O+SO2+1/2O2→CaSO4?2H2O+CaCΟ3+2Η2Ο+SΟ2+1/2Ο2→CaSΟ4?2Η2Ο+CO2(g)(2)Ca(OH)2+SO2→CaSO3?1/2H2O+1/2H2O(3)Ca(ΟΗ)2+SΟ2→CaSΟ3?1/2Η2Ο+1/2Η2Ο(3)Ca(OH)2+SO2+1/2O2+H2O→CaSO4?2H2O(4)Ca(ΟΗ)2+SΟ2+1/2Ο2+Η2Ο→CaSΟ4?2Η2Ο(4)煙氣與脫硫漿液接觸后,不可避免地?cái)y帶大量的漿液液滴,這些液滴主要成分為CaSO3·1/2H2O及CaSO4·2H2O。煙氣雖經(jīng)除霧器除霧,但仍有少量液滴進(jìn)入下游系統(tǒng),而當(dāng)這些液滴經(jīng)過(guò)GGH時(shí),會(huì)吸附于換熱片表面。當(dāng)換熱片回轉(zhuǎn)至原煙氣側(cè)時(shí),高溫下吸附于換熱片表面的漿液水分快速蒸發(fā),CaSO4·2H2O析出并粘附于GGH換熱片上。漿液中的CaSO3·1/2H2O在煙氣中粘附于GGH表面后,會(huì)在凈煙氣氧的作用下部分或全部氧化形成CaSO4·2H2O。另外,CaSO4·2H2O在原煙氣的高溫下會(huì)部分失去結(jié)晶水形成CaSO4。2.2要成分3.3經(jīng)除塵處理的煙氣(原煙氣)仍含有少量飛灰,而飛灰的主要成分為SiO2、Al2O3、Fe2O3等。原煙氣經(jīng)過(guò)GGH時(shí)其中的飛灰會(huì)在換熱片上沉積,尤其在GGH從凈煙側(cè)回轉(zhuǎn)至原煙側(cè)時(shí),換熱片表面多處于濕潤(rùn)狀態(tài),更利于飛灰的沉積。3清洗介質(zhì)及工藝選擇不當(dāng)停機(jī)后通過(guò)高壓水沖洗雖能一定程度上緩解已嚴(yán)重結(jié)垢的GGH堵塞,但不能徹底清除結(jié)垢物,運(yùn)行不長(zhǎng)時(shí)間后垢又很快沉積,如此反復(fù)會(huì)造成換熱片表面搪瓷的物理?yè)p壞,影響其防腐性能。因此,GGH所結(jié)垢物無(wú)法用常規(guī)方法徹底去除,宜采用化學(xué)清洗。但是,化學(xué)清洗時(shí)若清洗介質(zhì)及工藝選擇不當(dāng),會(huì)損壞GGH換熱元件的搪瓷表面。所以,研究安全有效的清洗介質(zhì)及清洗工藝,是徹底去除GGH結(jié)垢物的有效途徑之一。A、B兩電廠GGH結(jié)垢成分基本相同,故對(duì)A電廠堵塞的換熱元件及垢樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室研究,得出系統(tǒng)、安全的清洗方案后,對(duì)A電廠GGH進(jìn)行了實(shí)際清洗。3.1樣品及其制備(1)毛刺的切割、制備在A電廠GGH換熱片垢層最厚處取樣,將其切割為大約60mm×50mm的小片,切割時(shí)盡量避免垢層脫落,加工邊沿打磨去掉毛刺后編號(hào)、稱重以備用。(2)水磨砂紙的制備碳鋼試片的尺寸為50mm×12mm×5mm,用400號(hào)水磨砂紙打磨至光亮,編號(hào),并用丙酮或乙醇清洗,冷風(fēng)吹干,稱重后備用。(3)除垢、除垢和封涂選取搪瓷表面垢含量少而薄且搪瓷沒(méi)有損壞的試樣切割成大約60mm×50mm的小片,打磨加工邊沿,用化學(xué)和物理方法除垢后再用丙酮或乙醇清洗,冷風(fēng)吹干,最后使用特殊防腐涂料封涂加工斷面,烘干后編號(hào)、稱重以備用。3.2清洗工藝的確定對(duì)GGH的化學(xué)清洗所采用的介質(zhì)及工藝不僅要能夠清除結(jié)垢物,而且要盡量保護(hù)換熱片表面搪瓷,使對(duì)其的損壞在允許范圍之內(nèi)。GGH表面防腐搪瓷的主要成分為硅的化合物,如SiO2,它不與酸(除氫氟酸)反應(yīng),但可與堿反應(yīng)。不同介質(zhì)對(duì)搪瓷的腐蝕速率見(jiàn)表3。將垢樣及腐蝕試片放入不同的介質(zhì)中,在特定條件下進(jìn)行清洗試驗(yàn),不同清洗工藝及介質(zhì)的除垢率見(jiàn)表4。由表3和表4可以看出,工藝13的除垢率較高,其所用酸、堿對(duì)搪瓷的腐蝕速度也較小,故確定其為后續(xù)試驗(yàn)的工藝基礎(chǔ)。其中:酸性介質(zhì)中包括酸5+緩蝕劑+滲透劑+表面活性劑;堿性介質(zhì)中包括堿4+清洗助劑+滲透劑+表面活性劑。清洗工藝為:酸性介質(zhì)與堿性介質(zhì)交替清洗。GGH換熱片清洗前后的對(duì)比見(jiàn)圖3。所采用的清洗工藝主要作用機(jī)理在于酸性介質(zhì)溶解酸可溶物,堿性介質(zhì)對(duì)酸不溶物進(jìn)行轉(zhuǎn)化或軟化,各種助劑可有效增強(qiáng)清洗液的滲透性及溶解性,因而可提高清洗效率。采用上述確定的介質(zhì)及工藝對(duì)GGH進(jìn)行清洗,除垢率可達(dá)98%以上。3.3堿液濃度對(duì)ffh表面質(zhì)量的影響以前期大量實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)篩選出的清洗介質(zhì)為基礎(chǔ),不斷增加堿濃度,比較搪瓷表面的損傷狀況,進(jìn)一步確定應(yīng)用中的最佳堿濃度。準(zhǔn)備4個(gè)500mL塑料杯并編號(hào)(1～4號(hào)),分別加入400mL不同濃度的堿液(1～4號(hào)堿液濃度分別為1.5%、3%、6%、8%)。攪拌均勻,于水浴中加熱至90℃,恒溫,將準(zhǔn)備好的GGH換熱片按編號(hào)分別浸泡于堿液中,5h后將試樣放入50℃的酸液中清洗5h,清洗結(jié)束后用自來(lái)水沖洗,冷風(fēng)吹干。清洗后的試樣表面形貌如圖4所示。由圖4可見(jiàn),4個(gè)試樣經(jīng)不同濃度的堿液清洗5h,再經(jīng)同一酸液清洗5h后,剩余垢量極少,1～4號(hào)堿液的除垢率分別為:97.6%、99.8%、100%、99.9%,即除垢率隨堿液濃度的增大而提高。試樣清洗后用肉眼觀察,GGH試片的光澤度則隨堿液濃度的增加而逐漸降低。為了進(jìn)一步考察清洗介質(zhì)對(duì)GGH試片表面搪瓷的損傷情況,對(duì)上述清洗后的試樣及用物理方法清除結(jié)垢物后的試樣(0號(hào)試樣)在電鏡下進(jìn)行觀察分析,其電鏡照片(×300)見(jiàn)圖5。從電鏡照片看,0號(hào)試樣及1號(hào)試樣表面完好,沒(méi)有微孔;2號(hào)試樣表面出現(xiàn)70μm的微孔;3號(hào)試樣表面出現(xiàn)140μm的微孔;4號(hào)試樣表面出現(xiàn)200μm的微孔。從以上結(jié)果可以看出,堿液濃度≤2%對(duì)GGH表面搪瓷沒(méi)有損傷,但清洗效果要差一些,除垢率為97.6%,在此濃度條件下要達(dá)到對(duì)垢的完全清除需要更長(zhǎng)的清洗時(shí)間。堿液濃度在≥4%時(shí),對(duì)GGH表面搪瓷會(huì)有一定程度的損傷,堿濃度越高,損傷程度越大,但除垢速度加快,清洗時(shí)間較短。3.4清洗介質(zhì)及工藝為了進(jìn)一步確認(rèn)清洗介質(zhì)的有效性和優(yōu)化清洗工藝,在所選擇的13號(hào)清洗工藝基礎(chǔ)上,確定了4種較為成熟的工業(yè)清洗方案。在小型試驗(yàn)的基礎(chǔ)上對(duì)這4種方案進(jìn)行了放大試驗(yàn),并選擇A、B兩電廠不同類(lèi)型的GGH換熱元件進(jìn)行整片換熱元件的清洗試驗(yàn)。4種清洗工藝清洗后的換熱片表面形貌見(jiàn)圖6。不同清洗工藝清洗后,除垢率及搪瓷、碳鋼的腐蝕速度如表5所示。通過(guò)試驗(yàn)得出適用于A電廠GGH換熱片清洗的介質(zhì)及工藝為:水沖洗→堿洗→水沖洗→酸洗→水沖洗(堿洗→水沖洗→酸洗→水沖洗,這一過(guò)程重復(fù)4次)→機(jī)械清理→水沖洗。堿洗介質(zhì)為2%～3%NaOH,1%滲透劑,1.5%復(fù)合助溶劑,0.5%表面活性劑,0.5%剝離劑;溫度70～80℃;堿洗時(shí)間5h。酸洗介質(zhì)為0.3%緩蝕劑,3%～5%HCl,1.0%滲透劑,0.5%助溶劑,0.5%剝離劑;溫度50～60℃;酸洗時(shí)間5h。通過(guò)試驗(yàn)得出適用于B電廠GGH換熱片清洗的介質(zhì)及工藝為:水沖洗→堿洗→水沖洗→酸洗→水沖洗(堿洗→水沖洗→酸洗→水沖洗,這一過(guò)程重復(fù)4次)→機(jī)械清理→水沖洗。堿洗介質(zhì)為2%～2.5%NaOH,1%滲透劑,1.5%～2.0%復(fù)合助溶劑,0.5%表面活性劑,0.5%剝離劑;溫度70～80℃;堿洗時(shí)間5h。酸洗介質(zhì)為0.3%緩蝕劑,3%～5%HCl,1.0%滲透劑,0.5%助溶劑,0.5%剝離劑;溫度50～60℃;酸洗時(shí)間5h。采用以上清洗介質(zhì)及清洗工藝既可以達(dá)到除垢的目的,又可以控制介質(zhì)對(duì)搪瓷的損壞。此清洗方案可以運(yùn)用于GGH清洗,其除垢率可達(dá)到95%以上。3.5化學(xué)清洗單元利用上述實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)及其研究結(jié)果,對(duì)A電廠GGH的48個(gè)扇區(qū)336個(gè)單元包進(jìn)行了化學(xué)清洗。經(jīng)清洗后的換熱片表面