无旁路湿法烟气脱硫技术分析与探讨.pdf

无旁路湿法烟气脱硫技术分析与探讨 郭长仕 1 王梦勤 2 1． 中环 中国 工程有限公司， 南京 210008;2． 国电环境保护研究院， 南京 210013 摘要 随着国家对火电厂环保要求的提高， 火电厂湿法脱硫装置取消旁路烟道已成为发展趋势。以大唐南京下关电厂 搬迁扩建 2 660 MW 机组烟气脱硫工程实践为例， 提出了提高无旁路湿法烟气脱硫装置可靠性的各项措施及建议， 为大型燃煤火电机组无烟气旁路 FGD 设计提供借鉴。 关键词 烟气脱硫; 烟气旁路;优化设计 INVESTIGATION ON WET DESULPHURIZATION TECHNOLOGY WITHOUT BYPASS IN LARGE- SCALE COAL- FIRED POWER PLANTS Guo Changshi1Wang Mengqin2 1． GCL Engineering Limited Company， Nanjing 210008， China; 2． State Power Environmental Protection Research Institute， Nanjing 210013， China AbstractFGD plants without bypass is an inevitable trend in large-scale coal-fired power plants，along with higher environmental demand for coal-fired power plants． Taking the WFGD system design of a 2 600 MW unit in Datang Nanjing Power Plant as an example，the corresponding s and suggestions of reliability for FGD without gas bypass are introduced． Measures are useful for FGD system design without bypass in large-scale coal-fired power plants． Keywordsflue gas desulphurization; gas bypass;optimal design 1概述 近年来， 随着国家环保要求提高以及环保政策的 日益严格， 国家环保机构已要求火电企业在建设烟气 净化装置时尽量不设旁路烟道， 并对取消烟气旁路的 项目优先审批 ［1］; 目前， 为进一步贯彻国务院节能 减排综合性工作方案 及节能减排统计监测及考核 实施方案和办法 有关精神， 环境保护部要求已运行 脱硫设施旁路挡板门进行铅封， 旁路挡板门铅封后相 当于旁路取消。取消烟气旁路， 已成为火电机组湿法 烟气脱硫的大势所趋。 虽然取消烟气旁路具有工艺流程简单、 运行故障 点少、 烟道布置简洁紧凑， 建设用地节省 ［2］、 节省基 建费用和运行费用、 利于环保监管等诸多优点。但 是， 取消烟气旁路后， 脱硫装置和主机组成为串联系 统， 脱硫装置不再作为电厂的辅机设备， 脱硫装置自 身的安全性和设备可用率要求甚至高于电厂主机， 否 则一旦脱硫装置故障， 则会造成电厂主机停机。 为提高脱硫装置的安全性和可靠性， 提高脱硫装 置的可用率， 在烟气系统设计、 脱硫吸收塔设计、 浆液 循环系统设计、 石灰石供浆和石膏脱水系统设计等方 面均需进行改进和优化。 2烟气系统设计优化 无旁路脱硫装置的工艺流程为 锅炉烟气→引风 机→吸收塔→浆液洗涤→除雾器→烟囱。即锅炉烟 气由引风机升压后直接进入脱硫吸收塔， 在塔内完成 烟气中二氧化硫的吸收， 净化后的烟气经除雾器除去 液滴后进入烟囱排放。 2. 1引风机、 增压风机合二为一 为简化工艺流程、 减少系统故障点、 减少建设用 地， 下关电厂将锅炉引风机与脱硫增压风机合二为 一， 每炉配置两台引风机， 引风机进出口设置隔离挡 板门。在锅炉低负荷运行时， 可只运行一台引风机， 节约运行成本; 在一台引风机故障时， 通过关闭挡板 门隔离烟气进行引风机的检修维护。 2. 2事故喷淋系统 在空预器跳闸或堵灰等故障情况下， 造成进入脱 47 环境工程 2011 年 8 月第 29 卷第 4 期 硫系统的烟气温度过高， 为防止此高温烟气直接进入 吸收塔损坏塔内件， 须在吸收塔入口烟道设置事故喷 淋系统对高温烟气进行喷淋降温。 在条件允许的情况下， 尽量增加吸收塔入口烟道 的长度， 以便于布置事故喷淋喷嘴， 保证事故喷淋水 有足够的蒸发、 降温时间， 同时避免吸收塔喷淋浆液 的倒灌; 下关项目入口烟道长度约 9 m。 事故喷淋系统设置两级冷却喷嘴， 喷嘴在烟道截 面内采取网格式布置， 喷嘴由高位水箱和除雾器冲洗 水泵 配保安电源 两路供水， 高位水箱设置除雾器 冲洗水和消防水两路补水。在浆液循环泵全停、 吸收 塔入口烟气超温 大于 160 ℃ 或者吸收塔出口烟气 超温 大于 60 ℃ 时， 事故喷淋系统启动进行喷水降 温， 在两台循环泵运行或者吸收塔出口烟气温度小于 55 ℃ 时， 事故喷淋系统停止喷水。在除雾器冲洗水 泵供电正常的情况下， 喷嘴由除雾器冲洗水泵进行供 水喷淋， 在除雾器冲洗水泵供电故障的情况下， 喷嘴 由高位水箱 高差约 10 m 进行供水喷淋， 待除雾器 冲洗水泵由保安电源供电启动后再由水泵供水喷淋。 为防止喷嘴堵塞， 通过氧化空气对喷嘴进行定期吹 扫， 保证喷嘴的畅通。事故喷淋系统流程见图 1。 1吸收塔; 2事故喷淋箱; 3除雾器冲洗水泵补水; 4消防水补水 图 1事故喷淋系统流程 高位水箱的补水通过超声波液位计控制， 在液位 低于最高液位的 70 时， 通过除雾器冲洗水泵进行 补水， 液位继续降低， 在液位低于最高液位的 50 时， 通过消防水进行补水以保证水箱的液位， 在水箱 达到最高液位时， 停止水箱的补水。 3吸收系统设计优化 吸收系统是湿法脱硫装置的核心， 其设计参数、 设计方案的选取对无旁路脱硫系统的安全性、 可靠性 尤为重要， 加之我国大部分发电厂实际燃用煤种与设 计煤种偏离较大， 尤其是燃煤的发热量、 灰分、 含硫量 有很大差异， 给吸收塔设计带来了不确定性因素， 根 据实际工程经验， 无旁路脱硫吸收塔设计应从以下几 个方面来提高系统的安全性、 可靠性。 3. 1吸收塔设计参数的选取 吸收塔设计参数的选取需充分考虑我国燃煤煤 质的实际情况， 尤其是烟气量、 SO2浓度等主要参数 的波动范围， 适当增加吸收塔整体尺寸的设计裕度， 包括吸收塔直径、 液气比、 塔内流速、 浆池容积、 烟气 停留时间等参数， 防止因锅炉燃用煤种含硫量增加造 成吸收塔 pH 值和密度无法控制， 机组降负荷运行或 者停炉。 一般情况下， 塔内的经济烟气流速为 3. 8 m/s 左 右， 一般不大于 4. 1 m/s［3］， 烟气与脱硫剂的接触时 间控制在 2 ～ 3 s［4］， 考虑到吸收塔入口烟气量、 入口 烟温以及入口 SO2浓度等参数波动的不利因素影响， 吸收塔内烟气流速按照 3. 5 m/s 设计吸收塔直径， 浆 池容积按照浆液塔内停留时间为 4 min 进行设计， 烟 气在吸收塔内的停留时间 SO2的吸收时间 按照 3. 5 s 进行设计。 3. 2吸收塔浆液循环系统设计 根据我国燃煤的实际情况， 吸收塔入口烟气 SO2 浓度波动范围较大， 实际运行浓度比设计浓度差异较 大， 下关电厂设计入口浓度为2 400 mg/m3， 实际运行 中长时间保持在3 000 mg/m3左右; 加之浆液循环泵 长期在高腐蚀、 高磨损的工况下运行， 设备检修在所 难免， 因此， 浆液循环泵及配套喷淋层可考虑备用， 可 避免因一台浆液循环泵故障检修而降负荷运行; 同 时， 也增加了运行调节手段， 可根据脱硫负荷进行各 层喷淋层之间的组合运行， 以节约运行成本。 喷淋层采用碳钢衬胶喷淋主管和 FRP 喷淋支管 相结合的设计方案， 碳钢衬胶主管与 FRP 支管之间 须采用合金螺栓法兰连接。采用碳钢内外衬胶的喷 淋主管， 既作为浆液流通的管道， 又作为各喷淋支管 的支撑梁， 解决了喷淋管支撑梁腐蚀、 磨损的问题。 各层喷淋层错开布置， 层与层之间相错 30， 保证浆 液 170 ～ 250 的重叠覆盖率， 最外层喷嘴与塔壁 保持合理的距离 约 800 mm ， 防止浆液喷穿塔壁， 浆液外流。无支撑梁喷淋层结构见图 2。 喷淋层喷嘴采用 SiC 材质的空心锥切线型喷嘴， 其自由畅通直径大， 不易堵塞， 具有自清洗功能， 应用 最为普遍 ［5］， 克服了螺旋型实心锥喷嘴易碎、 易堵 塞、 液滴均匀性相对较差的缺点。 57 环境工程 2011 年 8 月第 29 卷第 4 期 图 2无支撑梁喷淋层结构 3. 3除雾器设计 除雾器在运行过程中， 主要存在堵塞和“石膏 雨” 问题， 在无旁路脱硫装置除雾器设计中应特别注 意除雾器选型及吸收塔设计， 防止产生除雾器堵塞及 “石膏雨” 现象， 引起机组停机。 无旁路脱硫吸收塔除雾器优先选用除雾效率高、 流速适应性宽的屋脊式除雾器。为更好防止除雾器 堵塞， 在二级除雾器后加设第 4 层冲洗水系统， 对二 级除雾器后进行定期冲洗， 但在保证除雾器压差不超 限的情况下， 尽量减少第 4 层冲洗的冲洗频率， 以减 少由于除雾器冲洗引起的水雾二次携带， 造成吸收塔 出口烟气含水率超标。 为防止产生“石膏雨” 现象， 在吸收塔设计中应 对除雾器的布置进行优化， 适当加大除雾器底部与最 高层喷淋层的间距， 喷淋层距离除雾器足够远， 浆液 经喷嘴雾化后的细小雾滴就会有足够的时间聚集成 较大的雾滴颗粒， 从而通过重力沉降进入浆液池内。 屋脊式除雾器底部与最高层喷淋层中心线的距离一 般要求在 2 ～ 2. 5 m。除雾器内流场不均匀会造成局 部流速超限， 同样导致“二次携带” 严重， 因此， 吸收 塔出口底缘与除雾器顶部的距离根据厂家要求至少 大于 1 m［6］， 一般取 1. 5 m 左右。 3. 4石膏分析测量系统设计 石膏分析测量系统包括石膏浆液 pH 值和密度 测量， 以往分析测量系统设置在石膏排出管道上。由 于石膏浆液排出泵的扬程较高， 一般在 0. 5 MPa 左 右， 需在分析测量分支管道上设置孔板进行降压; 在 吸收塔石膏浆液密度不满足排浆脱水条件时， 由于需 测量浆液 pH 值和密度， 因此， 石膏浆液排出泵必须 连续运行， 增加了系统的电耗。 根据以往工程经验， 石膏分析测量系统宜设置在 浆液循环管道上。浆液循环泵的扬程较石膏浆液排 出泵较低， 在脱硫装置运行时， 必有一台浆液循环泵 运行， 且浆液循环系统的浆液更具有代表性， 能更好 地反映吸收塔内浆液的 pH 值和密度。大唐下关电 厂石膏分析测量系统按照此方案设计， 在四个月的运 行过程 中， 运 行 效 果 甚 佳。石 膏 分 析 测 量 系 统 见 图 3。 图 3石膏分析测量系统 3. 5吸收塔防腐设计 为提高吸收塔防腐材料的耐磨、 耐腐性能， 吸收 塔应优先采用内衬丁基橡胶防腐。丁基橡胶防腐具 有弹性和受力变形能力， 可吸收固体物料的冲刷力， 发生一定限度变形时可随基体一起变形而不产生 裂纹。 吸收塔底板、 吸收塔底板至搅拌器桨叶上端区域 和喷淋层段塔壁区域浆液对塔壁的磨损较重， 为加强 此区域的防腐、 耐磨性能， 一般采用双层衬胶防腐， 其 余部位采用单层衬胶防腐。吸收塔防腐过程中必须 严格按照相关标准和规程进行施工， 并保证合理的 工期。 4公用系统优化设计 脱硫公用系统一般包括石灰石制浆系统、 石膏脱 水系统、 工艺水系统、 压缩空气系统、 冷却水系统等， 公用系统作为脱硫装置的辅助系统为吸收系统提供 服务。脱硫公用系统的稳定运行为吸收系统的稳定 运行提供前提保障， 因此， 脱硫公用系统的设计应充 分考虑其系统的可靠性， 避免因设备故障、 管道堵塞 与磨损等因素影响吸收系统的正常运行。 4. 1石灰石制浆系统 在采用外购石灰石粉制浆方案中， 应设置两个石 67 环境工程 2011 年 8 月第 29 卷第 4 期 灰石浆液罐， 一运一备， 保障浆液制备的可靠性; 每塔 配置两台石灰石浆液泵供浆， 一运一备; 每塔设置两 路石灰石供浆管道， 一运一备， 以保证浆液供应的可 靠性。石灰石浆液泵的进出口阀门及排空阀、 冲洗阀 均应采用自动阀， 在泵及管道故障情况下， 备用泵和 备用管道能够自动切换投运、 自动冲洗， 实现完全自 动化控制。石灰石供浆系统如图 4 所示。 图 4石灰石供浆系统示意 4. 2石膏脱水系统 石膏脱水系统的设计应充分考虑设备的备用配 置， 杜绝因石膏脱水设备故障造成机组停运。石膏脱 水系统的设备出力应按照以下原则进行设计 石膏旋 流器出力为单套 FGD 系统 BMCR 工况下产生的石膏 浆液量， 一炉一台， 考虑设备的可靠性， 每台旋流器可 备用两个旋流子; 所有石膏旋流器底流均能进入所有 真空带式过滤机进行脱水; 真空带式过滤机出力为单 台 FGD 系统 BMCR 工况下产生石膏浆液的 200 ， 一炉一台， 或者真空带式过滤机出力为单台 FGD 系 统 BMCR 工况下产生石膏浆液的 100 ， 两炉三台， 真空带式过滤机为关键故障点， 采用一运一备或者两 运一备的配置方式， 以保证脱水系统的可靠性。 5结论 本文结合大唐南京下关电厂 2 660 MW 机组烟 气脱硫工程的经验， 对取消烟气旁路后， 针对提高脱 硫装置安全性和可靠性提供了烟气系统、 吸收系统、 公用系统等一系列设计优化解决措施及建议， 以保证 FGD 装置满足长期、 安全、 稳定、 经济运行的要求。 目前国内火电厂已运行的无烟气旁路的湿法脱硫工 程极少， 其系统设计的安全性和可靠性还需要工程运 行实践的进一步检验。 参考文献 ［ 1］黄涛． 大型燃煤火电机组取消脱硫旁路烟道的应对措施［J］． 电 力环境保护， 2009， 25 4 36- 37． ［ 2］谭学谦． 湿法脱硫系统 无 GGH 不设置烟气旁路方案探讨 ［J］． 电力建设， 2007， 28 4 40- 43． ［ 3］谭学谦． 浅谈 600MW 机组湿法脱硫吸收塔的设计［J］． 电力环 境保护， 2007， 23 3 32- 35． ［ 4］张三虎， 包俊江 湿法烟气脱硫系统中影响脱硫效率的关键参数 ［J］． 环境工程， 2009， 27 2 22- 24． ［ 5］姚丙东， 蒋金宝． 湿法脱硫用喷嘴的研究与进展［J］． 化工机械， 2006， 33 4 194- 197． ［ 6］徐华春． 660MW 机组脱硫吸收塔设计［J］． 发电设备， 2010 3 219- 223． 作者通信处郭长仕210008江苏省南京市玄武区珠江路 1 号 52 楼中环 中国 工程有限公司 电话 025 86969161 E- mailgcs gcl-eng． com 2010 － 10 － 18 收稿 77 环境工程 2011 年 8 月第 29 卷第 4 期