脱硫塔无底板工艺技术分析

引言

以煤、焦炉煤气、高炉煤气、转炉煤气为燃料的锅炉进行发电或者供热的过程中,燃料直接燃烧会产生大量的二氧化硫,造成环境污染,并且燃料的品质不同,会产生不同浓度的二氧化硫。随着锅炉数量的增加,污染物的排放总量会持续递增。二氧化硫的控制方法主要分为燃烧前的控制、燃烧中的控制、燃烧后的控制,目前燃烧后的脱硫控制技术被公认为最成熟、应用占比最大的技术。在钢铁领域,铁矿粉烧结过程中需要混入适量的燃料、溶剂和水,也会产生大量的二氧化硫,其浓度通常在1000~2000mg/m3,由于烧结机烟气量通常比较大,加上我国属于钢铁大国,故烧结行业也是产生二氧化硫的主要源头之一。

大气中的二氧化硫不仅会引发公众的各种呼吸道疾病,影响身体健康,还会对动植物的生长造成影响。二氧化硫浓度较高时会形成硫酸雾或酸雨,腐蚀纸质、皮革和金属等物体的表面,同时对生态环境造成极大的破坏,因此减少二氧化硫的排放十分重要。随着国家对大气污染防治的管理更加严格,工业炉窑工艺装备、污染治理技术和环境管理水平需要满足更高的要求。在国家标准制定方面,截至目前,已制定发布的涉及工业炉窑的行业标准共有28个(包括钢铁、水泥、焦化、玻璃、有色、陶瓷、砖瓦、氯碱、石油炼制、再生有色金属等行业)。

近年来,上海、河北、天津、重庆、山东、江苏和浙江等地都相继制定发布了新的地方标准[2],都对二氧化硫的排放提出了更高的要求。

1常规石灰石一石膏法脱硫底板工艺存在的问题

石灰石一石膏法脱硫工艺是世界上应用最广泛的一种脱硫技术,日本、德国、美国、中国的火力发电厂烟气脱硫装置约90%采用此工艺,烧结机烟气脱硫装置约80%采用此工艺[3-6],另外工业生产工艺玻璃窑炉、化工冶炼等行业也会采用该工艺。该工艺的脱硫塔一般呈圆形或者方形布置,大小不一,顶部设计方式主要包括布置湿式电除尘器、烟道直接连接混凝土烟囱以及布置直排烟囱三种,脱硫塔底部一般均由块状钢板和型钢龙骨拼接而成,并在钢板上表面根据防腐工艺布置玻璃树脂、胶泥、玻璃丝布、碳化硅耐磨层等达到防腐的目的。

化石燃料和铁矿石等金属矿物质燃烧产生的二氧化硫和湿法脱硫塔内部的石灰浆液接触后会溶于石灰浆液中发生反应,进而生成亚硫酸。而吸收了二氧化硫的石灰浆液主要包含石膏晶体、CaCl2、Cas03·1/2H20、Cl-、飞灰粉尘等,其pH值为4~6,浆液的酸性会对钢制脱硫塔底板造成腐蚀,长时间使用后,脱硫塔底部钢板会不断腐蚀变薄,加大浆液泄漏风险,缩短脱硫塔的使用寿命。

目前主流的底板工艺是在脱硫塔底部的钢制底板涂刷玻璃鳞片＋玻璃树脂,钢制底板在制作安装过程中由于钢板的尺寸及脱硫塔的形状特殊,需要进行大量的钢板焊接操作。一方面,脱硫塔底部所使用的钢板一般选择厚度在10~16mm,此厚度范围的钢板在焊接过程中易产生大量的形变,同时会对已经安装完成的脱硫塔塔壁施加向外的焊接力:另一方面,钢板和混凝土之间热膨胀系数不同,在钢板受热后会产生拉应变,应变产生的应力在界面处释放,会造成界面处存在大量的缺陷,使得二者土建接触不牢靠。此外,脱硫塔运行温度一般可达到55C左右,而有些区域的环境温度比较低,产生了有温差的区域,由于玻璃树脂和钢板的比热差较大,底板上涂刷的树脂与钢制底板之间便会由于不同形变量产生相对位移,引起鳞片脱落,所以在安装过程中需特别注意钢制底板的变形问题。

以上问题均会导致常规脱硫工艺可靠性和脱硫塔使用寿命大幅降低,因此本文提出了一种石灰石一石膏法脱硫无底板工艺,该工艺可有效减少以上问题的出现,提高整个系统的长期稳定性。

2石灰石—石膏法脱硫无底板工艺

2.1无底板工艺流程

脱硫塔混凝土基础通常采用℃25钢筋混凝土进行一次灌浆,根据建设区域的地质情况、50年最大风力情况、50年最大降雨情况以及地震要求等环境因素,一次混凝土浇筑到相对脱硫塔底板下约0.3m处,接着制作安装脱硫塔底部的基础环板,基础环板采用钢筋和模板固定,完成后进行脱硫塔壁板的安装,通过调整垫铁来调平脱硫塔的安装面,保证脱硫塔的垂直度。在脱硫塔整体安装完成并验收合格后进行二次灌浆,采用无收缩的水泥砂浆灌注到脱硫塔底部上沿0.04m处,将钢筋和脱硫塔底板搭接焊接,脱硫塔中间与脱硫塔壁面呈0.003o坡度,以保证浆液能顺利从排空口排出。二次灌浆结束后,需要根据现场的环境情况对二次灌浆区域进行养护。待混凝土彻底凝固后进行下一步工序,即采用喷砂机对脱硫塔底部的混凝土进行打毛,使其达到一定的粗糙度,便于涂刷玻璃树脂,涂刷工作严格按照如下工序进行:表面净化二清理表面粉尘二涂刷底涂第一道二干燥二涂刷底涂找补漏点二乙烯基树脂和胶泥按比例混合二准备玻纤布多层二用树脂胶泥玻纤布贴衬二达到要求厚度干燥二清理表面涂装面漆二加耐磨层二电火花检查二最终检查二验收。

完成后的防腐部分如图1所示,无底板工艺整体结构如图2所示。

图1脱硫塔防腐工艺示意图

图2无底板工艺示意图

2.2无底板工艺应用

近年来,本项目组已经开始推进该工艺在实际项目中的应用。目前该工艺在多个石灰石—石膏法脱硫项目中已经投入使用,其中部分应用工况如表1所示。

脱硫塔直径从5~15m范围内均有使用,在石灰石一石膏法脱硫工程项目上的使用约30台(套)。

到目前为止,通过用户的反馈和本项目组的回访,所有项目整体运行效果反馈均为良好,说明该工艺经过实际工程的检验,能与钢制底板工艺达到同样的使用效果,保证脱硫塔的安全运行。后续本项目组会继续加强与各用户的沟通交流,根据用户反馈的问题,进一步优化改进当前方案,以满足二氧化硫排放更高要求的使用。

2.3无底板工艺优点

传统工艺一方面需要考虑钢板的焊接变形,另一方面需要考虑钢材、混凝土、玻璃树脂之间的膨胀系数,不同材料的热膨胀系数及温度范围数据如表2所示。从表中可以发现,钢材和玻璃树脂的热膨胀系数相差很大,两种材料的界面处存在应力释放引入的缺陷。钢材的焊接变形可以通过选择合适的焊接钢材厚度、焊接顺序和焊接工艺解决,而钢材和玻璃树脂之间的热失配问题目前无法找到合适方法去解决。

本文提出的无底板工艺不使用钢板,直接在混凝土上涂玻璃树脂。由表2可知,混凝土的热膨胀系数在(8~12)×10-6/℃之间变化,和玻璃树脂的7.6×10-6/℃比较接近,因此混凝土和玻璃树脂之间的热失配相对较小,两种材料的形变就会减小,进而会释放较小的界面应力,形成的界面缺陷也就会更小。同时,由于混凝土和玻璃树脂的热膨胀系数更为接近,因此同等温差下,产生的变形量更接近,相对位移更小,从而降低了浆液的泄漏率。

不仅如此,由于无底板工艺不使用钢板,工艺成本大大降低。以直径12m的脱硫塔底板为例进行成本计算,传统工艺与无底板工艺的成本比较如表3所示。

综合以上成本比较,无底板工艺7.7万元的成本远低于传统工艺13.5万元的成本。

除此之外,在制作安装过程中,无底板工艺相比传统工艺在时间上更为节省。传统工艺焊接工作量大,一般采用先完成脱硫塔上部施工,再完成底板施工的工艺流程,存在交叉施工的情况,且钢制底板的钢板焊接一般最少需要5天工期,在进行脱硫塔底板焊接的过程中脱硫塔上部区域无法进行施工。而采用无底板工艺,无收缩浇注料的准备工作和施工过程较快,1~2h即可完成二次浇筑,浇筑完成后对混凝土进行正常养护,该养护工作与脱硫塔上部施工可以同时进行。因此,脱硫塔无底板工艺相比传统的钢制底板工艺,在整个工期的控制上有巨大优势。

2.4无底板工艺存在的问题

虽然无底板工艺存在上述诸多优点,但采用混凝土和玻璃树脂作为底板仍然存在以下问题:

(1)因为混凝土和脱硫塔壁板之间无法采用焊接工艺来进行连接,只能使用玻璃树脂进行连接,在牢固性方面不及钢制底板和钢制壁板焊接,所以在后续使用过程中需要定期对脱硫塔的底板进行检查,若发现问题,需及时处理。

(2)在施工过程中需要注意脱硫塔底部环板上面的混凝土厚度,如厚度较薄,脱硫塔底部环板和混凝土易产生裂缝,引起表面的玻璃树脂产生裂纹,因此在进行工艺安装时,需要准确控制混凝土的厚度,防止玻璃树脂产生裂纹,避免脱硫效果降低。

(3)在混凝土表面进行玻璃树脂的防腐作业,是整个工艺中最重要的一个环节,在施工方前期工程经验不足时,必须严格按照防腐工艺流程进行,认真检查每个防腐工序,落实到具体的工序有专人进行跟踪和验收,防止在混凝土和玻璃树脂之间产生空洞,影响防腐质量,造成脱硫塔漏浆,影响整个系统的安全运行。

3结语

本文在常规石灰石一石膏法脱硫底板工艺的基础上优化,提出了无底板工艺。常规脱硫工艺主要存在的问题为混凝土、钢板和玻璃树脂之间的热失配较大,导致材料之间相对位移较大。使用本文提出的无底板工艺,由于混凝土和玻璃树脂之间热失配较小,界面处的缺陷和位移大大减少。该工艺已在多个项目中应用,并且经过实践检验,没有发现任何负面问题。同时,无底板工艺的使用可降低造价,节省资源与成本,间接降低了碳排放,响应了国家当前的"双碳"政策,进一步提高了企业竞争力。