0引言
我国推行绿色发展方式，资源化利用固废是促进清洁生产和循环经济发展的方式之一。我国燃煤电厂90%左右采用石灰石-石膏湿法技术处理含硫烟气，在生产经营过程中会产生大宗工业固废—脱硫石膏，即二水合硫酸钙（CaSO4·2H2O）。脱硫石膏可作为原材料广泛应用于建筑材料、改良土壤、路面基层处理等，能够产生极大的经济和社会效益。我国作为世界最大的能源消耗国，脱硫石膏的产量达到每年1.0亿吨，但是，我国电厂脱硫石膏综合利用率仍较低，脱硫石膏的品质不达标，存在氯离子含量高、含水率高、纯度低、重金属超标等品质差问题。年7月实施的CB/T-《烟气脱硫石膏》对综合利用的石膏进行了详细分级，其中一级标准要求脱硫石膏含水率≤10%，二水硫酸钙≥95%，氯离子≤mg/kg，半水亚硫酸钙≤0.5%，水溶性氧化镁≤0.1%，水溶性氧化钠≤0.06%。脱硫石膏品质是限制其资源化利用的关键，因此，对影响石膏品质的因素进行详细分析，并提出相应对策，为实现燃煤电厂脱硫石膏有效资源化利用提供了参考。
1物料的影响
脱硫过程中脱硫石膏的形成可分为四个阶段，第一阶段是SO2吸收，通过浆液充分吸收烟气中的SO2气体，与浆液反应生成亚硫酸根离子；第二阶段是石灰石溶解，将加入石灰浆液中的碳酸钙溶解生成Ca2+离子；第三阶段是亚硫酸钙的氧化，主要是把前两个阶段形成的亚硫酸钙氧化为硫酸钙；第四阶段是硫酸钙形成石膏结晶。
1.1入口SO2浓度
石膏晶体的产生和形成是一个动态平衡的过程，当吸收塔入口SO2浓度远超设计值时，SO2吸收阻力增大，不仅会导致吸收塔浆液难以满足对过量SO2的吸收，直接影响脱硫第一阶段—SO2吸收，还会因氧化风量的不足导致吸收塔浆液中的CaSO3·1/2H2O氧化不充分，影响脱硫第三阶段—亚硫酸钙的氧化，使得浆液中亚硫酸钙浓度升高，从而导致石膏黏稠、品质变差且脱水困难。另外，过量的SO2势必导致石灰石浆液供给量增大，吸收塔密度升高，吸收塔浆液停滞时间和石膏晶体的诱导结晶时间均缩短，不能生成大颗粒的石膏晶体，从而导致脱水困难。
因此脱硫系统实际运行时，燃煤混烧和掺配过程中要严格确保吸收塔入口SO2在设计范围内，控制高硫份燃煤量，避免超设计煤质的燃煤长时间集中燃用，若出现入口SO2浓度远超设计值，应尽快降低入口SO2浓度、增大氧化风量以保证脱硫石膏品质。
1.2入口烟尘含量
烟气的粉尘、飞灰等进入吸收塔浆液，在一定程度上以“封闭”“包裹”石灰石的方式阻碍SO2与石灰石的接触，降低石灰石中钙离子的溶解速率，间接影响吸收塔浆液及石膏品质。这些直接进入石膏的粉尘、飞灰已成为石膏中含量第3的杂质，且粒径远小于良好的石膏粒径，会导致真空皮带机滤布堵塞、通透性降低、石膏自由水难以脱除，严重影响石膏品质。
保证吸收塔入口粉尘在设计范围内是确保脱硫石膏品质合格的重要因素之一，应从两方面进行控制。一是脱硫系统正常运行时应严格控制入炉煤灰分在设计范围内。二是要保证除尘设施的正常运行，针对燃煤电厂除尘设备的缺陷，如电除尘末级振打引起的扬尘，要及时消除，确保其除尘效率达标，使吸收塔入口粉尘含量在设计范围内。火电厂为了从运行经济方面考虑经常将电除尘设置在节能模式下运行，干式电除尘效率不高，导致吸收塔入口粉尘含量超过设计值，这种运行方式会加剧石膏品质的恶化，应尽量避免。
1.3石灰石品质
石灰石品质主要包括石灰石的纯度、粒径、表面积、活性等。石灰石有效成分CaCO3的含量对吸收剂的利用率和活性有重要影响。天然石灰石矿石一般都含有少量的SiO2、MgCO3、Fe2O3、A12O3等杂质，杂质含量过高将影响脱硫效果，因此湿法脱硫工艺要求石灰石中CaCO3不低于91wt%，SiO2不高于4wt%，MgCO3不高于2wt%，铁铝氧化物不高于1.5wt%。另外，石灰石粒径过大，不易溶解，在接触反应过程中，需要的pH值低，但低pH值既降低脱硫效率，又影响石膏浆液质量。石灰石粒径越小，其比表面积越大，它在液相中的溶解和反应更快，吸收剂利用率和脱硫效率将更高。但是，若要求更细的石灰石粉，则研磨系统功耗和设备投资都将增加，目前，石灰石粉一般有目90%通过和目90%通过两种产品细度。应通过分析检测从源头控制石灰石品质，尽量选用CaO含量高、活性高、硬度小、细度符合要求的优质石灰石，使用中低硫煤时石灰石的细度应保证目，使用中高硫煤时石灰石应保证目，提高石灰石的利用率减少石膏中石灰石的残余。
1.4工艺水品质
进入脱硫系统的工艺水主要有除雾器冲洗水、各设备机械密封水、补给水、制浆用水等。工艺水中的COD、氨氮、Cl-、硬度等超标会对脱硫系统及石膏品质产生负面影响，尤其是COD和Cl-严重超标时，COD含量超标将会导致吸收塔浆液起泡，不仅影响脱硫系统的正常调整，而且严重影响石膏品质；工艺水中的Cl-超标会导致吸收塔浆液中Cl-居高不下，降低脱硫效率、增加管道腐蚀，同时导致石膏中Cl-含量增大。因而，直接进入脱硫系统的工艺水必须满足要求，一般情况要求不能含油类物质，总硬度≤mg/L，氯离子≤mg/L，COD≤mg/L，氨氮≤10mg/L；阴离子表面活性剂≤0.5mg/L。
1.5物料杂质含量
脱硫系统中的杂质主要来源于烟气和石灰石，这些杂质部分进入脱硫石膏，会对脱硫石膏的品质造成影响。
未完全燃烧形成煤和油污等物质会在石灰石和亚硫酸钙颗粒表面形成油膜，阻碍了石灰石溶解，抑制吸收反应，并阻止亚硫酸钙的氧化，很难形成晶体。目前在机组启停或低负荷稳燃投油时，常采用轻柴油，机械雾化油枪，雾化颗粒大、柴油燃烧不充分，造成脱硫塔浆液被污染。针对此问题，一方面进行点火油枪系统改造，将点火方式改用空气气泡雾化油枪，减少燃油对脱硫塔运行的影响。另一方面通过浆液置换和在投油过程中可酌情加入消泡剂等方式减轻对浆液品质的影响，提高石膏品质。
杂质中的Na+、K+和Mg2+离子减缓甚至阻止石灰石的溶解，当溶解变慢时为抑制，当溶解明显变慢甚至停止时为闭塞。例如高浓度的Mg2+会由于“共离子”效应而抑制石灰石溶解。此外，杂质离子还可能影响石膏晶格结构。Na+、K+和Mg2+会进入石膏晶格，影响的石膏的结晶和生长。
杂质中的MgO等活性物质会产生大量稳定泡沫并引发“虚假液位”的现象。活性物质分布在水中，降低其表面张力，固体杂质又增加了流体的黏度，致使产生的气泡稳定持久，随着气泡不断的聚集，液位抬升，产生溢流。此外，当氧化风机鼓入空气量远大于需求量时，浆液上层空气量增加，容易形成泡沫层。因此，根据入口SO2量合理控制氧化风机开度，避免氧化风机的频繁启停。此外，必要时可酌情加入消泡剂减轻浆液起泡。
杂质中的F-与Al3+反应生成的氟化铝络合物对石灰石有包裹作用，会屏蔽石灰石的溶解，引起石灰石闭塞，阻碍Ca的离子化，降低脱硫效率，不利于石膏生成，从而影响石膏中硫酸钙含量。此外石膏浆液中存在大量的Fe3+和Al3+，易与Cl-形成直径为l~nm的胶体化合物，胶体浓度越大粘度越大，直接影响石膏的脱水性能。
大量Cl-的存在会影响石膏结晶过程，产生更多的晶核，并使晶体多样化且不易长大，不利于后续脱水；Cl-与Ca2+结合成稳定的带有6个结晶水的氯化钙，增加了石膏晶体内部的结晶水，造成石膏含水率的上升；氯化钙留在石膏晶体之间，堵塞了结晶之间的通道，使游离水脱除变得困难。
2运行条件的影响
2.1浆液pH值
吸收塔浆液pH值是影响石灰石－石膏湿法脱硫系统最重要的运行参数之一，对石膏纯度有最明显、最直接的影响。当吸收塔入口烟气参数不变时，降低运行pH值即可降低浆液中过剩的CaCO3含量，有利于提高石膏纯度，但过低的pH值可能会增加浆液中的有害离子浓度，使浆液形成F-Al络合物，“封闭”石灰石活性，造成浆液品质变差，直接对石膏产生负面影响。提高浆液的pH值在一定范围内能够迅速增大脱硫效率，有利于SO2的吸收，但会导致设备结垢程度增加，石灰石利用率降低，钙硫比升高，影响石膏品质。实际运行时，吸收塔浆液pH值宜控制在5.2~5.8，在确保环保达标的情况下，根据SO2进出口浓度和运行状况合理调控pH值。
2.2浆液密度与相对过饱和度
吸收塔浆液密度和相对过饱和度是影响石膏旋流效果和石膏结晶的重要参数，且密不可分。当浆液密度和相对过饱和度在最佳范围内时，浆液固体物中CaCO3和CaSO2·2H2O存在一定的质量比，石膏纯度相对稳定，结晶形成的新晶体只在现有晶体上长大，能够保证生产大颗粒石膏晶体。浆液密度过大或相对过饱和度过大时，石膏晶体趋于生产针状或层状结构，难以脱水、堵塞滤布。总体而言，保证合适的吸收塔浆液密度和相对过饱和度有利于稳定石膏品质。实际生产中可以通过石膏密度计来测量石膏浆液密度，及时了解石膏浆液含固量的具体情况。当石膏浆液密度达到~kg/m3及含固量约为18%时，及时开启排出泵进行石膏脱水。同时石膏浆液的相对过饱和度宜控制在0.25~0.30。
2.3吸收塔内液位
吸收塔液位在运行中可根据设计要求进行调整。吸收塔液位长时间在低极限液位下或低液位运行时，会导致浆液中氧化空气的停留时间变短，氧化不充分，石膏浆液中CaSO3·1/2H2O的含量将会增加，不利于石膏脱水。吸收塔保持高位运行，石膏排出时间长，亚硫酸盐更易氧化，有利于石膏晶体长大。但石膏排出时间过长，会增大浆液循环泵对已有晶体的破坏。
因此生产中通常以石膏浆液密度作为检测参数，通过吸收塔内相对恒定液位来调节控制石膏的结晶时间。石膏结晶时间过短，则生成的石膏颗粒过小；结晶时间过长，则会生成针状或者层状的晶体，且进一步向片状、簇状或花瓣形发展。因此，结晶时间过长或过短均不利于生成易脱水的块状或棱柱状石膏晶体
2.4氧化风量
氧化风量不足或氧化效果较差会导致吸收塔浆液中的可溶性亚硫酸盐浓度增大，石膏中CaSO3·1/2H2O浓度增大，不仅导致石膏难以脱水，产生“拉稀”现象，而且会严重抑制CaCO3的溶解，使浆液中未反应的CaCO3浓度增加，导致石膏纯度下降，通常氧化率每下降1.4%，石膏纯度下降1%。此外，亚硫酸盐氧化不充分，还会生产大量的亚硫酸钙/硫酸钙混合物（CCS），也会造成系统严重结垢且影响石膏品质。氧化空气量太多则会增加能耗，提高运行成本。
实际运行过程中，在吸收塔入口参数、钙硫比等基本恒定的情况下，要做好浆液中CaSO3·1/2H2O的化验检测，含量大于0.5%时及时增大氧化风量。
2.5废水排放
目前大多数脱硫系统的废水来自石膏旋流器和废水旋流器溢流，也有部分脱硫系统废水来自真空皮带脱水机真空罐。废水的主要成分为飞灰、石灰石和工艺中携带的杂质等，由于这些杂质大部分密度较小，当石膏浆液进入真空皮带机时，常常漂浮在浆液的上部，甚至黏在石膏滤饼表面，呈现深褐色且很快析出水分的特点，严重影响石膏品质。废水的正常排放也是控制吸收塔浆液Cl-含量的主要方式，如果脱硫废水不能正常排放，脱硫系统中的Cl-及杂质就会逐渐积累，在影响浆液品质、增大设备腐蚀的同时也会导致石膏脱水越来越困难。
在实际运行过程中，检测吸收塔浆液Cl-质量浓度，必要时加大废水排放量，降低系统中的杂质和氯离子含量，保证塔内化学反应的正常进行及石膏晶体的生成和长大，一般控制吸收塔内氯离子质量浓度小于00mg/L。
3智能化控制系统
在电厂运行方面，往往以出口烟气环保达标和锅炉稳定燃烧为优先原则，操作人员对于脱硫参数的调控基于现场工况和经验数据，对于脱硫系统和脱硫石膏品质的调节往往缺乏可预见性和可靠性。当电厂操作人员发现吸收塔出口烟气不达标、浆液pH急剧变化或者石膏品质较差等不正常情况时，脱硫系统内部已经紊乱。由于系统工况复杂，如果不能做出正确判断而采取错误操作，势必造成问题恶化。另外，一些问题诸如结垢、腐蚀以及磨损无法避免，但脱硫系统良好的设计、健康的运行可以减缓装置损坏的速度，提高脱硫石膏的品质。因此，在信息技术快速发展的今天，借助人工智能技术、工业物联网技术可以维持系统健康持续运行，实现故障的提前预警与精细化控制，为燃煤电厂增效提质作出重要贡献。
3.1可行性分析
建立一套智能化控制系统适用于工况复杂多变、问题交互繁多的脱硫系统，下面对人工智能应用于脱硫系统的可行性从四个方面进行分析。
（1）目前，大多数电厂已经可以实现脱硫系统关键数据的实时采集与存储。多年来，学者对脱硫塔内部反应机理进行了深入研究，根据电厂的观测数据可以确定脱硫系统物料平衡关系、特定条件下浆液中的离子浓度，即建立脱硫系统的数学仿真模型。一方面，以现有的数学模型为框架，以电厂长期积累的运行维护数据作为补充，人工智能技术能够识别脱硫系统运作中重要指标的内在联系（图1），汲取有效知识；另一方面，实时数据反应脱硫系统运行状况，智能系统可以通过其进行分析决策及人机交互。
图1脱硫系统中重要指标参数的内在联系图
（2）神经元控制系统对运行环境变化具有自调整能力，能够提高系统的环境适应性。目前，物料平衡关系和离子浓度的算法均有较大的裕量，偏差不利于精细化的分析与决策。运用神经元智能控制技术，无论机组负荷、燃煤条件和运行环境如何变化，脱硫控制系统均能根据实时数据测量与物料算法的偏差量进行闭环修正调节，系统应对复杂环境的能力可以得到根本保证。
（3）人工智能技术自学习与自寻优的功能可以与脱硫系统有效结合。通过自学习，能进一步增强神经元控制系统的优化算法和事故处理能力，使智能系统获取有效知识。基于泛在感知和智能融合获取脱硫系统运行数据、核心物料算法、自学习掌握的知识体系，通过神经算法优化控制模块，最终制订最佳运行方式、最优处理步骤、最好事故处理结果等，保障系统安全、经济和环保的运行状态。
（4）智能脱硫系统开发的最终目的是服务于电厂工作人员，因此必须实现系统的自我决策和人机交互。根据目前条件，可以通过对多源数据的检测、关联、组合、分析和预测等处理，利用智能设备的自学习、数据挖掘、流程优化等能力，智能系统能为管理者提供科学决策。结合网络通信、互联网和设备智能化的发展，可采用设备与设备、设备与系统、系统与系统、人与设备系统间的互动性和互操性，实现协同工作。
综合以上四方面的分析，结合电厂目前已经具备的条件、当前的研究基础以及可以实现的技术手段，智能化控制系统应用于脱硫系统诊断与决策切实可行。
3.2思路与对策
目前，大多数参考资料均是对脱硫系统出现的一类问题单独分析或就电厂出现的某一具体问题进行分析，缺少对脱硫系统整体全面的研究与挖掘。部分对脱硫系统故障诊断的数学建模由于技术及思路的问题，效果并不理想，需要进一步的创新与优化。综合前文的分析，建立了基于智能化控制系统的脱硫系统概念模型（图2），即通过对脱硫系统整体分析，建立吸收塔反应的仿真模型并确定系统正常运行的参数范围，同时借助系统特征数据的上传与采集，通过机器的自学习、自寻优、自适应等智能化技术实现脱硫系统的自我诊断、提前预警及自动化调节，达到少人值守甚至是无人值守的目的。
图2智能化控制系统的脱硫系统概念模型
智能脱硫系统模型是解决脱硫系统典型问题的理想模型与最终目标，而人工智能作为一种技术手段并不能仅通过自学习、自寻优等实现脱硫系统的故障诊断，实现脱硫塔的仿真以及问题的诊断在建立智能脱硫系统中必不可少，具体实施方案如图3所示。
图3建立智能脱硫系统模型流程
脱硫系统模型中包括脱硫仿真模型和故障诊断模型。脱硫仿真模型是智能脱硫系统的基础模型，其主要目的是实现脱硫塔内各组分的数值模拟，建议采用分布式参数模型，其充分考虑脱硫塔内各组分分区，可以有效实现脱硫塔空间及时间方向上组分变化的预测，再运用大数据的方式对模型进行修正，以保证仿真模型的准确性及环境适应性。故障诊断模型则是智能脱硫系统的核心模型，建立自我诊断模型需要借助仿真模型和模拟实验对脱硫塔内各影响因素之间的关系、各影响因素与典型问题之间的关系进行具体研究，从而得到脱硫系统的特征因素的范围及健康运行的判据，最终建立一个完整反映脱硫系统运行的评价体系。
4小结
燃煤电厂烟气脱硫石膏的品质是限制其资源化利用的关键，通过改善脱硫石膏品质，能够拓宽其综合利用领域，从而创造更高的市场价值，让企业获得更好的经济效益和环保效益。由于脱硫石膏在产生过程中受到许多因素的影响，且各因素之间存在相互干扰，其品质控制是公认的难点问题。为此，需要将整个脱硫系统看作一个有机整体，从化学物质、运行条件等方面着手，在结合运行实践的基础上，依托信息化人工智能技术，对人工智能应用于脱硫系统从数据获取、环境适应性、自学习与自寻优和决策与实现人机交互四个方面进行了可行性分析。最后，从整体角度出发，提出了基于智能化控制系统的脱硫系统概念模型，并给出了研发思路和方向。建立基于神经元算法的智能化脱硫系统有利于优化脱硫系统运行，降低烟气污染物处理成本，提高固废资源化利用率，使火电厂脱硫系统向精细化和智能化发展。
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