大型燃煤机组脱硫设备运行能耗特性分析.pdf

声明尸明 本人郑重声明。此处所提交的硕士学位论文{ 大型燃煤机组脱硫设备运 行能耗特性分析，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导 下进行的研究工作和取得的研究成果．据本人所知，除了文中特别加以标注 和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包 含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料．与我 一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意． 学位论文作者签名 玉蝎 日期皇丝曼f 2 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即①学 校有权保管、并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；②学校可以采用 影印、缩印或其它复制手段复制并保存学位论文；③学校可允许学位论文被 查阅或借阅，④学校可以学术交流为目的，复制赠送和交换学位论文i ⑤同意 学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容。 涉密的学位论文在解密后遵守此规定 作者签名。一垂幽． 日期t ．上笾 址． 导师签名1 日期t 华北电力人学硕一1 学位论文 摘要 石灰石．石膏湿法烟气脱硫技术 F G D 是广泛应用于大型燃煤机组尾部烟气脱 除S 0 2 的技术。在F G D 系统内部，增压风机、循环浆液泵和氧化风机是主要的耗 能设备，并且其运行情况亦会影响系统脱硫效率的高低。本文利用数学建模和数据 拟合的方法对三个主要耗能设备进行分析，建立起设备运行能耗、脱硫效率和机组 负荷三者之间的数学关系式，并绘制出设备运行能耗特性曲线图。依据研究结果， 从理论上提出在维持高效率脱硫的前提下降低设备运行能耗，优化F G D 运行方式的 方法。 关键词F G D 系统，脱硫效率，能耗分析，优化运行 A b s t r a c t L i m e s t o n e - g y p s u mw e tf l u eg a sd e s u l f u r i z a t i o n F G D s y s t e mi sw i d e l yu s e di n c o a l - f i r e dp o w e rp l a n tf o r8 0 2r e m o v a l ．I nt h eF G Ds y s t e m ，b o o s t e rf a n ；c i r c u l a t i n g s l u r r yp u m pa n do x i d a t i o nf a na r et h r e em a j o re n e r g yc o n s u m i n gd e v i c e s ，a n dt h e i r o p e r a t i o nw a y sw i l la f f e c tt h ed e s u l f u r i z a t i o ne f f i c i e n c y ．T h i sp a p e ra n a l y z e dt h et h r e e d e v i c e sb ym a t h e m a t i c a l m o d e l i n g a n dd a t e f i t t i n gw a y s ，w ee s t a b l i s h e d t h e m a t h e m a t i c a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e ne n e r g yc o n s u m p t i o na n dd e s u l f u r i z a t i o ne f f i c i e n c y a n du n i tl o a d ．T h e nw eo b t a i n e dt h ep e r f o r m a n c ec u r v eo ft h e s ee q u i p m e n t s ．O nt h i s b a s i s ，w ep r o p o s e dt h eo p t i m a lo p e r a t i o nw a y so ft h eF G Ds y s t e m ，w h i c hd e c l i n e dt h e e n e r g yc o n s u m p t i o na n dm a i n t a i n e dt h eh i g hd e s u l f u r i z a t i o ne f f i c i e n c y ． K E YW O R D S F G Ds y s t e m ，d e s u l f u r i z a t i o ne f f i c i e n c y ，e n e r g yc o n s u m p t i o n ，o p t i m a l o p e r a t i o n 哪9 删0肼0肌7，㈣9 舢7iiii■I啪Y 华北电力人学顾I 学位论文 中文摘要 英文摘要 目录 第一章我国电力工业发展与S 0 2 的排放⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 1 ．1 绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 1 ．2 国内外脱硫形势综述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 1 ．2 ．1 国外燃煤电厂烟气脱硫进程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 1 ．2 ．2 我国电厂脱硫概况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 1 ．3 本文的主要工作⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 第二章火电厂实用脱硫技术概述⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．1 燃烧前脱硫技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯7 2 ．1 ．1 化学选洗技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．1 ．2 物理选洗技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．7 2 ．2 燃烧中脱硫⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8 2 ．2 ．1 煤粉炉直接喷钙脱硫技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．2 ．2 循环流化床燃烧脱硫技术⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯8 2 ．3 燃烧后脱硫⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．9 2 ．3 ．1F G D 技术的分类⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．3 ．2F G D 的发展历史⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．3 ．2 ．1 第一代F G D ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．9 2 ．3 ．2 ．2 第二代F G D ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 2 ．3 ．2 ．3 第三代F G D ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 0 第三章石灰石一石膏湿法F G D 流程及主要耗能设备分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 4 3 ．l 典型石灰石一石膏湿法F G D 系统构成⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 4 3 ．1 ．1 烟气系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯．．1 4 3 ．1 ．2S 0 2 吸收系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 5 3 ．1 ．3 石灰石浆液制备系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 3 ．1 ．4 石膏脱水系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 6 3 ．1 ．5 其他系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．1 7 3 ．2 石狄石一石膏湿法F G D 基本原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 8 3 ．2 ．1S 0 2 的吸收过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 8 3 ．2 ．2 石狄石的溶解过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．1 9 3 ．2 ．3 亚硫酸盐的氧化过程⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯1 9 华北电力人学硕{ 学位论文 3 ．2 ．4 石膏的结晶⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 0 3 ．3 主要耗能设备介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 0 3 ．3 ．1 增压风机⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 3 ．3 ．1 ．1 增压风机的布置⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 0 3 ．3 ．1 ．2 增压风机的选型⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 1 3 ．3 ．1 ．3 增压风机的运行特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 2 3 ．3 ．2 循环浆液泵⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 3 3 ．3 ．3 氧化风机⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．3 ．3 ．1 氧化风机的作用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 4 3 ．3 ．3 ．2 罗茨风机原理⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 4 3 ．4 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 5 第四章主要能耗设备建模及运行能耗特性分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．2 7 4 ．1 影响脱硫效率的因素⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 7 4 ．1 ．1 烟气特征的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 4 ．1 ．1 ．1 烟气流量⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 4 ．1 ．1 ．2 烟气中S 0 2 浓度⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 8 4 ．1 ．1 ．3 烟气流速⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．2 9 4 ．1 ．1 ．4 烟气中的杂质⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯2 9 4 ．1 ．1 ．5 锅炉投油助燃⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 0 4 ．1 ．2 系统设备运行特征⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 4 ．1 ．2 ．1 浆液p H 值⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 0 4 ．1 ．2 ．2 液气比 L ／G ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 l 4 ．1 ．2 ．3 钙硫比 C “S ⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 2 4 ．1 ．2 ．4 强制氧化系统⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 2 4 ．2 大型能耗设备数学建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3h ．- ．”L 4 ．2 ．1 增压风机数据拟合⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．3 3 4 ．2 ．2 循环浆液泵建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．3 4 4 ．2 ．3 氧化风机建模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 7 4 ．3 小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯3 9 第五章案例分析和优化运行方案的提出⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 1 5 ．1 电厂基本数据⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 5 ．1 。lF G D 系统入口烟气参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 1 5 ．1 ．2F G D 系统出口烟气参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 华1 0 t ．i 力大学硕f 学位论文 5 ．1 ．3F G D 系统脱硫设备参数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．4 2 5 ．2 增压风机能耗特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 5 ．2 ．1 风压与流量拟合关系式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯4 3 5 ．2 ．2 增压风机能耗特性曲线图⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．4 4 5 ．3 ．3 循环浆液泵优化运行小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．5 0 5 ．4 氧化风机能耗特性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 0 5 ．4 ．3 氧化风机优化运行小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．5 4 第六章结论与展望⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．⋯⋯⋯⋯⋯．．5 5 参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯5 7 致谢⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 0 在学期间发表的学术论文和参加科研情况⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯6 l 华北电力大学硕．1 二学位论文 1 ．1 绪论 第一章我国电力工业发展与S 0 2 的排放 电力能源是国民经济发展中重要的生产资料之一，也是人民日常生活中必不可 少的生活资料，由此决定了电力与经济发展的紧密相关性及电力在宏观经济中的重 要作用。电力需求与经济增长成正比，经济增长高，电力需求增长强劲；经济增长 低，电力需求增长乏力。电力的发展与建设必须与经济增长相协调。伴随着近年来 我国经济的迅速发展，面对强大的电力需求及对未来电力需求增长的预期，电力投 资出现了前所未有的“爆发式”高增长。截止至2 0 0 9 年底，我国电力装机总量累 计达到8 7 4 G W ，同比增长1 0 ．2 3 ％。在中长期规划方面，到2 0 2 0 年，我国发电装机 总量预计突破1 2 0 0 G W 。有关专家预测，即使在未来相当长的一段时间内，煤炭在 我国的一次能源中所占的比例仍将在5 0 ％以上。可以看到，由于我国的特殊国情， 我国的能源资源以煤炭为主，在电源结构方面，今后相当长的时间内以燃煤机组为 主的基本格局不会发生改变。我国是世界上最大的煤炭生产和消费国家，燃煤机组 在总装机容量中所占的比例能够达到7 5 ％左右【2 J 。2 0 0 4 年6 月3 0 日，我国能源 中长期发展规划纲要 2 0 0 4 ．2 0 2 0 年 草案 提出了“以煤炭为主体，电力为中 心，油气和新能源全面发展“ 的战略。这都充分表明在今后相当长的一段时间内， 我国一次能源以煤为主的格局不会发生改变。 然而大量煤炭的利用在满足我们对能源需求的同时，也严重的影响到了我们生 活的环境p J 。煤中C 元素占绝大多数，其次是H 、N 、S 、O 等元素。煤的燃烧过程 实质上就是煤中的这些元素发生剧烈的氧化反应的过程，它首先产生大量的热量和 燃烧产物C 0 2 和H 2 0 ，其次是产生S 0 2 、N O x 等污染物。其中S 0 2 是对大气环境造 成严重污染的最为有害的物质之一，它是产生酸雨的罪魁祸首，酸性的S 0 2 气体过 量的排放到大气中，会形成“酸沉降“ 现象，导致土壤、河流酸化，腐蚀金属，损 害土地健康，破坏动植物生长，严重的破坏了人类生存的环境。在我国的降水中， 硫酸根与硝酸根的当量浓度之比大致在1 0 1 1 4 J 。我国的酸雨危害现象增长十分迅 速，目前是世界上三大酸雨区之一，有l ／3 的国土面积出现了酸雨现象【5 ’6 J 。此外， S 0 2 对人的身体也有很大的危害，它主要是通过呼吸道进入人体，引起或加重呼吸 器官的疾病。而且S 0 2 还会被飘尘吸附，S 0 2 和飘尘系统作用对人和牲畜都有很大 危害【7 1 。 究其原因，燃煤电厂的大量煤炭不清洁燃烧和燃烧含硫量较高的煤种是引起我 国S 0 2 污染现象严重的根本原因。根据G B ／T1 5 2 2 4 ．2 一1 9 9 4 煤炭质量分类．煤炭硫 华北电力人学硕十学位论文 硫量的规定来看 如表1 ．1 所示 ，总体而言我国的煤炭质量较好， 低硫煤约占6 5 ％，含硫量为1 ％～2 ％的煤约占1 5 ％～2 0 ％，含硫量 1 0 ％～2 0 ％。尤其是东北三省的煤中硫分最低，在0 ．2 1 ％～0 ．7 8 ％之 间。但是我国幅员辽阔，人口众多，使得我们对能源的需求量非常大。因此即使是 煤质相对优异，还是会由于在绝对数量上的大规模燃煤产生难以预计的严重硫污 染。1 9 9 5 年我国S 0 2 排放量达到2 3 7 0 万t ，首次超过了欧洲和美国，成为世界S 0 2 排放第一的大国，并且在之后的几年里，排放量都超过了2 0 0 0 万t ，居高不下峭J 。 虽然我国政府积极采取了应对措施，并在一定程度上控制了S 0 2 的排放量，但是近 年来电力的发展又达到了一个新的顶峰，S 0 2 的排放量又开始显著提升，2 0 0 6 年达 到了历史新高2 5 9 4 ．4 j - 吨。然而这样的“新高”，又每每令人感到忧虑。 表1 ．1 煤炭硫分分级 G B ／T1 5 2 2 4 ．2 一】9 9 4 序级别名称代口． 硫分S t ，d ％ 序级别名称代号 硫分S t ，d ％ 号弓 l 特低硫煤 S L S≤O ．5 04 中硫分煤M S 1 ．5 1 ．2 ．O O 2 低硫分煤 L SO ．5 1 1 ．0 05 中高硫煤M H S 2 ．0 l 一3 ．0 0 3 低中硫煤 L M S1 ．0 1 ．1 ．5 06 高硫分煤 H S 3 ．0 0 随着人们对S 0 2 污染的认识程度越来越深刻，以及人们环保意识的逐步提升， 我国也积极开展了减少S 0 2 排放的减排工程。特别是针对S 0 2 排放严重的大型燃煤 火电机组，国家环保总局对1 9 9 6 年发布的G B l 3 2 2 3 ．1 9 9 6 火电厂大气污染物排放 标准进行了修订，于2 0 0 3 年1 2 月3 0 日联合发布了新修订的国家污染物排放标 准G B l 3 2 2 3 ．2 0 0 3 火电厂大气污染物排放标准。新标准分三个时段，对不同时期 的火电厂建设项目分别规定了对应的大气污染物排放控制要求。除了提高环保标准 外，国家也逐步提高了排污的收费水平，使企业排污成本增加，从而使得排污变得 “不经济”，利用经济上的制裁约束企业做好环境保护工作。在当前的科技条件下， 能够实现减少燃煤电厂S 0 2 排放量的技术众多，总体来看，。适合我国大规模采用燃 煤电厂提供电力资源这一国情的减排方法，就是要依靠加装烟气脱硫装置。2 0 0 7 年 5 月，国务院同意发展改革委员会同有关部门制定的节能减排综合性工作方案 中指出推动燃煤电厂二氧化硫治理。“十一五”期l ’日J 投运脱硫机组3 ．5 5 亿k W 。其 中，新建燃煤电厂同步投运脱硫机组1 ．8 8 亿k W ；现有燃煤电厂投运脱硫机组1 ．6 7 亿k W ，形成削减二氧化硫能力5 9 0 万t 。脱硫机组的建设和投运为我国S 0 2 的污染 控制发挥了积极的作用。 1 ．2 国内外脱硫形势综述 2 华北I 乜力火学硕上学位论文 1 ．2 ．1 国外燃煤电厂烟气脱硫进程 随着经济全球化步伐的加快，环境污染问题，特别是S 0 2 的排放及酸沉降问题 已经不单单是某一个国家或者某一个地区的问题了，而是引起全世界范围内各国普 遍关注的重大环境问题。近年来，世界各发达国家在脱硫方面均取得了不同程度的 进展。在众多被开发出来的脱硫方法中，各国都纷纷依据自己国家特有的国情选择 适合自己的方式来开展S 0 2 减排工作。 目前国际上已经实现工业化利用的燃煤电厂烟气脱硫技术中，湿法脱硫技术无 疑是最普遍的脱硫技术，应用比例能够占到8 5 ％左右。比较典型的以湿法脱硫为主 的国家有日本、美国和德国等。 美国作为全球第一超级大国，在脱硫方面也体现出先驱的作用。在1 9 8 6 ．1 9 9 5 年之间，美国计划新安装燃煤发电机组3 2 8 15 M W ，这些新增机组大多数安装了烟 气脱硫装置共2 0 6 套，烟气脱硫装机总量从1 8 ．7 7 ％上升到2 7 ％。在美国的烟气脱硫 装置中，湿式石灰石法占9 0 ％以上。与此同时，为了降低基本投资和运行费用，美 国还积极研究和开发了喷雾干燥烟气脱硫和炉内直接喷射石灰石烟气脱硫技术。德 国环保事业的开展是从严格的立法开始的，1 9 8 3 年7 月1 日生效的联邦防污染法 的第l3 条大型燃烧装置法规G F A V O 规定，自1 9 9 8 年7 月1 日起，热功率3 0 0 M W 相当于电功率1 2 0 M W 的电厂 以上的大型燃烧装置释放的烟气中S 0 2 含量不得 超过4 0 0 m g ／m 3 ，烟气中的硫含量须低于燃料含硫量的1 5 ％。此外，德国的L u r g i 公 司还进行了循环流化床烟气脱硫系统工艺的示范试验和推广，该方法缩短了脱硫设 备的高度和占地面积，降低了材料的耐腐蚀要求，从而大大降低了设备造价和运行 维护费用。日本的脱硫工作在亚洲范围内也具有一定的代表性，并与我国建立了良 好的合作关系。日本的三菱重工、川崎重工、巴威．日立等公司先后向中国介绍了多 种脱硫工艺，我国的诸多电厂采用其技术实现了良好的脱硫效果，例如华能珞璜电 0 ．厂一期工程2 x 3 6 0 M W 机组配套引进日本三菱重工的湿法石灰石一石膏脱硫系统。除 了上述这些以石灰石一石膏湿法脱硫工艺作为主力脱硫方式的国家之外，其他众多 脱硫方法也分别在一些国家有其用武之地。挪威、西班牙、印度尼西亚、委内瑞拉 和瑞典等国，因为其天然的地理环境优势，采用了海水烟气脱硫技术，这是一种投 资省、运行费用低、易管理的脱硫工艺，适用于燃煤含硫量不高并以海水作为循环 冷却水的电厂。喷雾干燥烟气脱硫技术在西欧的奥地利、意大利、丹麦、芬兰等国 应用比较多，该方法优势在于投资低于湿法工艺【9 】。 1 ．2 ．2 我国电厂脱硫概况 相比于国际诸国脱硫工业的迅速发展，我国脱硫事业的进程相对落后并且面临 华北电力大学硕j 学位论文 多困难。 首先，我国控制S 0 2 排放的工作起步比较晚。我国的经济条件和技术条件一度 允许我们像发达国家那样投入大量的人力和物力进行脱硫方面的研究。在1 9 9 8 年之前，我国政府对燃煤电厂配备脱硫设施没有严格的规定。这就导致了我国S 0 2 排放量随着燃煤电厂发电量的增长相应增加，继而出现了许多地区的酸沉降超过了 生态系统所能承受的临界负荷，也是造成我国成为世界排硫大国的最主要诱因之 一。直到2 0 0 3 年，国家才丌始要求燃煤含硫量0 ．7 ％以上的新建电厂必须安装烟气 脱硫设施。据有关部门统计，2 0 0 5 年底，我国安装了脱硫设施的装机容量仅占火电 总装机容量的1 4 ％，然而真正能够稳定健康运行的还要低于此数。与此同时日本的 电厂已经全部安装了烟气脱硫装置，德国已有9 0 ％以上的机组安装了烟气脱硫装置。 按照我国“十一五“ 规划，到2 0 10 年全国主要污染物排放总量要比“十五”末期 减少10 ％。为了能够实现这一目标，作为国家能够有效控制的国有企业燃煤电厂， 将成为承担这一任务的主要力量。但是我们不情愿的看到，在2 0 0 6 年上半年，我 国的节能减排出现了“不降反升”的局面，绝大多数省份没有完成预期的目标。2 0 0 7 年是我国脱硫事业实现大跨步进步的一年。在这一年中，节能减排是电力行业的主 旋律，加大火电厂脱硫力度、改进发电调度方式和关停小火电机组成为了节能减排 的三大主要任务【1 0 】。我们欣喜的看到，在有关部门的管理下，全部新建电厂都按规 定安装了脱硫设施，数以百万千瓦计的小火电机组的关停，我国开始加速保护环境 减少S 0 2 排放的步伐。 为什么我国的电厂脱硫滞后于世界发达国家 又为什么我国的电厂脱硫要面 临种种困难呢 最根本的原因就在于技术问题和经济问题上。我国近年来加大力度 发展电厂脱硫技术，而且取得了一定的成效。目前，我国已经基本具备独立完成 3 0 0 M W 及以下机组脱硫工程的设计、施工、设备成套、调试等总承包能力，但是 从工艺技术方面看，我国没有2 0 0 M W 及以上机组脱硫工艺技术方面的自主知识产 权⋯】。这就使得我们的每项脱硫工程的运作都要向国外的公司支付技术引进费，而 且每承包一套脱硫设施还需要支付一定的技术使用费，这些金额达到数百万之多。 特别是对于一些特别的原件，例如典型的湿法烟气脱硫工艺中使用的除雾器、搅拌 器、高性能阀门、重要的检测、采样一次原件等一些关键设备仍需要从国外进口。 如此一来就大幅度的增加了电厂发“脱硫电”的成本。再算上脱硫系统的运行及维 护费用，发电厂的利润空间被大幅缩减，甚至有出现亏损的可能，这使得很多电厂 对“脱硫电”望而却步。近年来，电厂烟气脱硫行业的发展吸引了不少企业参与其 中，继而出现了行业保护，乃至恶性竞争的不良现象l l 引。缺乏公平、公正、公丌的 烟气脱硫工程市场环境也是制约我国减排工程发展的原因之一。 正因为如此，国家发改委提出要继续大力支持烟气脱硫关键技术的研发，提高 我国烟气脱硫的自主工艺水平和设备生产装备能力。目前，3 0 0 M W 机组的烟气脱 4 华北电力大学硕{ 学位论文 硫装置国产化率已达到8 5 ％，6 0 0 M W 机组的烟气脱硫装置国产化率也能够达到 8 0 ％。我们可喜的看到，在一段不长的时间里，我国的电厂烟气脱硫国产化水平就 产生了质的飞跃，相信我们在不久的将来一定能够实现具有烟气脱硫工艺的自主知 识产权。除此之外，政府部门应该通过经济的杠杆调动起电厂脱硫的积极性，补贴 给脱硫企业一定的脱硫经费，适当的提高脱硫电价，弥补“脱硫电“ 的成本损失， 运用科学调度的方式激励脱硫清洁电能上网。坚持“工程减硫“ 一即新建电厂必须 配套建设脱硫设施，老电厂必须限时加装脱硫设备，而其中的重点是在老机组的改 造上；发展“结构减硫“ 一即关停小火电机组和发展核电、风电、太阳能等新型能 源，新能源的开发对于结构减硫有着举足轻重的作用；推行“管理减硫“ 一即改变 调度方式，让脱硫机组多发电，以及采取在线监控和实行经济倾斜政策等管理方式 实现减硫，从这三个基本方针出发，实现削减S 0 2 排放的最终目标。 1 ．3 本文的主要工作 经历了多年的发展，我国的火电厂烟气脱硫情况已经有了很大的发展。众多大 型燃煤机组都配套设置了尾部烟气脱硫系统。在当今环境污染问题被提升为全世界 焦点问题的大背景下，我国政府和各企业也必将会把脱硫工程建设继续下去。在下 一步减排工程的发展中，我们关注的重点已经发生了转移。我们现在所要讨论的重 点已经不再是是否需要强制规定火电厂必须加装脱硫装置，而是关心如何根据目标 电厂的实际情况选择更合理更优化的脱硫方式，在达到预期的脱硫效果的同时付出 最小的代价。节能是人类实现可持续发展的根本所在，对电厂脱硫设备节能运行的 研究，也是降低厂用电，减少电厂能耗的手段之一。 因此本文以减少脱硫设备运行能耗，优化脱硫系统运行方式为研究中心，重点 讨论在我国普遍应用的石灰石一石膏湿法烟气脱硫技术。深入分析石灰石一石膏脱硫 系统内的主要大型耗能设备以及脱硫效率影响因素，并找到设备运行能耗与脱硫效 果之间的联系，寻求达到满意的脱硫效果的同时又节省系统能耗的优化运行办法。 为火电厂脱硫系统节能降耗提供理论方法。 全文一共分为以下四个部分 1 ．全面了解当今世界主流脱硫方式，并着重介绍在我国应用最为广泛的石灰石 一石膏湿法烟气脱硫技术。 2 ．重点讨论主要能耗设备的运行特性。以典型的石狄石一石膏烟气脱硫系统为 研究对象，脱硫设备脱除锅炉尾部烟气中S 0 2 有害物质的过程必然是要以消耗一部 分电能为代价的。在该系统内部，增压风机、循环浆液泵、氧化风机等大型耗能设 备的耗能量约占到全系统耗能总量的8 0 ％左右，并且这些重要的设备还会从诸多方 面直接或问接的影响到脱硫效果。因此了解这些大型设备的运行情况不仅有利于我 华北I 乜力大学硕十学位论文 们把握脱硫系统能耗量的多少，也有利于我们追求高效的脱硫率。 3 ．主要耗能设备数学建模。根据各个主要耗能设备自身的特点和在系统内所承 担的角色，我们采用数学建模和数据拟合相结合的方法对主要耗能设备进行能耗特 性分析。定量分析设备运行能耗与脱硫效率之间的数学关系，寻找能够同时满足高 效脱硫和节能降耗的优化运行方式。 4 ．模型的应用与分析。将一组在役机组脱硫系统运行数据代入建立的数学模型 之中，应用所建立的数学模型对数据进行分析，根据计算结果绘制出主要耗能设备 的运行能耗特性曲线图。从曲线图上能够更直观的反应出设备运行的特性，并且使 得我们可以方便的归纳出系统节约能耗优化运行的方式。 6 华北电力火学硕士学位论文 第二章火电厂实用脱硫技术概述 关于S 0 2 控制技术的研究从2 0 世纪初至今已有9 0 多年的历史了。自2 0 世纪 6 0 年代起，一些工业化国家率先制定了严格的法规和标准，限制煤炭燃烧过程中 S 0 2 等污染物的排放，这一措施极大的促进了S 0 2 控制技术的发展。随后的十年旱， S 0 2 控制技术又一次发生了革命性的飞跃，逐渐的由实验室研究阶段转向实际应用 性阶段。据美国环保署 E P A 19 8 4 年统计，世界各国丌发、研制、使用的S 0 2 控 制技术己达1 8 4 种，时至今同此数据已经超过2 0 0 种【1 3 l 。这些脱硫技术总体上概括 起来可分为三大类燃烧前脱硫、燃烧中脱硫及燃烧后脱硫。 2 ．1 燃烧前脱硫技术 燃烧前脱硫技术主要是指煤炭选洗技术， 去除或减少原煤中所含的硫分或灰分等杂质， 2 ．1 ．1 化学选洗技术 应用物理方法、化学方法或微生物法 净化煤种，从而达到脱硫的目的。 化学法脱硫技术有数十种。该方法主要是针对煤中的有机硫，利用不同的化学 方法将煤中的硫分转化为不同形态的硫而使其分离脱除。目前主要的化学净化方法 有B H C 法 碱水液法 、M e y e r s F e 2 S 0 4 3 氧化法 、L O L 氧化法 0 2 ／空气氧化 法 、P E T C 法 空气氧化 、K V B N 0 2 选择氧化 、氯解法 C 1 2 分解 、微波法、 超临界醇抽提法等。但是由于化学法普遍存在操作过程复杂、化学添加剂成本高等 缺点使得该方法尚且无法与其它脱硫技术竞争。‘ 2 ．1 ．2 物理选洗技术 ‘ 物理选洗因投资少、运行费用低而成为广泛采用的煤炭选沈技术。该法可以从 原煤中除去泥土，页岩和黄铁矿硫。通过煤的粉碎，使非化学键结合的不纯物质与 煤脱离，继而利用构成煤的有机物质 煤的基本微观结构 与密度较大的矿物不纯 物之问比重的不同，或利用二者表面润湿性，磁性，导电性的不同将它们分离。主 要方法有重力法、浮选法、重液体富集法、磁性分离法、静电分离法、凝聚法、 细煤粒．重介质旋风分离法等。我国煤炭入洗率一直较低，约为3 0 ％，是主要产煤国 家中最低的，美国为4 0 ％以上，英国为9 4 ．9 ％，法国为8 8 ．7 ％，同本最高为9 8 ．2 ％。 提高煤炭的入沈率有望显著减轻燃煤S 0 2 的污染。然而物理选洗法仅能去除煤中无 机硫的8 0 ％，而无机硫又仅占煤种总硫量的1 5 ％一3 0 ％，无法满足燃煤S 0 2 污染控 制要求，因此这种方法只能作为燃煤脱硫的一种辅助手段【‘4 J 。 7 华北电力大学硕一} 学位论文 硫 燃烧中脱硫是在煤粉燃烧的过程中同时投入一定量的脱硫剂，在燃烧时脱硫剂 进行自身煅烧，煅烧产物 C a O ，M g O 等 与煤燃烧过程中产生的S 0 2 、S 0 3 反应， 生成硫酸盐和亚硫酸盐，以灰的形式排出炉外，减少硫化物的排放，达到脱硫的目 的。 燃烧中脱硫的代表技术就是煤粉炉直接喷钙脱硫技术和循环流化床锅炉技术。 2 ．2 ．1 煤粉炉直接喷钙脱硫技术 煤粉炉直接喷钙脱硫技术就是将脱硫剂选择煤粉炉内温度较低的区域喷入进 行脱硫。这种脱硫技术的脱硫效率没有湿法烟气脱硫高，因此在一段时间内并没有 被广泛应用f l5 1 。但由于目f j { 『～些国家，特别是发展中国家，有关环保法令针对燃煤 排放S 0 2 只有中等程度的减排要求，这一方法所具有的投资省，装置简单，便于改 造和能够满足一般环保要求的特点越来越受到人们的关注。 2 ．2 ．2 循环流化床燃烧脱硫技术 循环流化床燃烧中脱硫技术以石灰石为脱硫吸收剂，燃煤和石灰石自锅炉燃烧 室下部送入，一次风从布风板下部送入，二次风从燃烧室中部送入。石灰石受热分 解为氧化钙和二氧化碳。气流使燃煤、石灰石颗粒在燃烧室内强烈扰动形成流化床， 燃煤烟气中的二氧化硫与石狄接触发生化学反应被脱除。为了提高吸收剂的利用 率，将未反应的氧化钙、脱硫产物及飞灰送回燃烧室参与循环利用。当钙硫比达到 2 时，脱硫效率可以达到9 0 ％以上。 循环流化床锅炉脱硫过程主要化学反应为 C a C 0 3 C a O C 0 2 1 。～ 。’ ’ S 0 2 C a 0 C a S 0 3 C a S 0 3 1 ／20 2 C a S 0 4 循环流化床锅炉独特的流体动力特性和结构使其具备许多独特的优点，主要优 点有燃烧适应性广、燃烧效率高、脱硫效果好、氮氧化物排放低、燃烧强度高、炉 膛截面积小、燃料预处理系统简单、负荷调节范围大、负荷调节快、投资和运行费 用低。循环流化床锅炉独特的优点使其比常规煤粉炉配烟气脱硫具有优势，但是该 技术是一项正在发展的新技术，在许多方面还需要完善。如循环物料的分离，循环 流化床内固体颗粒浓度的选取，炉内受热面布置及温度的控制，锅炉部件的磨损等。 另外，该技术目前只能用于较小容量机组，这也是它很大的一个局限【l 引。 8 华北I 【l 力火学硕．1 二学位论文 2 ．3 燃烧后脱硫 燃烧后脱硫即烟气脱硫 F l u eG a sD e s u l f u r i z a t i o n ，F G D ，是在烟道处加装脱 硫设备，对烟气进行脱硫的方法，它是世界上唯一大规模商业化应用的脱硫方法， 是控制酸雨和S 0 2 污染的最为有效和主要的技术手段。 2 ．3 ．1 F G D 技术的分类 F G D 技术种类众多，其分类方法和命名方式也有很多。例如根据脱硫原理可 为吸收．吸附法和氧化．还原法按脱硫产物的用途来分类的话，可分为抛弃法和回 收法；按照脱硫剂是否能够被循环使用的情况可分为再生法和非再生法；按脱硫剂 的种类进行划分可分为钙法、镁法、钠法、氨法、海水法、活性炭吸附法等；根据 吸收剂及脱硫产物在脱硫过程中的干湿状态分为湿法、干法和半干法【1 7 , 1 8 】，此种分 类方式也是被电厂广泛应用的。 2 ．3 ．2F G D 的发展历史 从上世纪7 0 年代起至今，F G D 脱硫工艺从实验室理论研究发展到广泛工程应 用于实际大型火电厂烟气脱硫项目，其间历经了3 0 余年的时间。这3 0 多年的发展 历程大致可以分为3 个阶段①2 0 世纪7 0 年代初～7 0 年代末为第一代F G D ，属于 起步阶段；②2 0 世纪8 0 年代初～8 0 年代术为第二代F G D ，是发展阶段；③2 0 世 纪9 0 年代至今是第三代F G D ，该脱硫方法逐步被完善并发展成熟。 4 。 2 ．3 ．2 ．1 第一代F G D． 1 9 7 0 年，美国率先颁布了洁净空气法，第一次对燃煤电厂排放烟气中S 0 2 的含 有量提出控制要求。为此，以石灰石湿法为代表的第一代F G D 技术开始研究和应用， 主要技术包括石灰石湿法、M g O 湿法、双碱法、- W e l l m a n ．L o r d 工艺等。第一代 F G D 装置大多安装在美国和同本，由于当时烟气脱硫技术处于刚刚起步的阶段，因 此在工程应用中遇到了很多的问题 ①基本建设投资和运行成本很高。以大幅度牺牲经济性为代价换取环境的净 化。 ②设备的可靠性和系统可用率较低。在当时，脱硫系统内设备的结垢、堵塞和 材料腐蚀以及机械故障问题是直接影响脱硫系统安全稳定运行的最主要问题。 ③脱硫率不高，通常在7 0 ％一8 5 ％左右。 ④大多数F G D 工艺产生的副产品无法继续被应用，无奈的选择抛弃法。但也 有少数的工艺，如双碱法和W e l l m a n L o r d 法可以产生副产品硫磺或硫酸，但是这 9 华l k d l 力人学硕上学位论文 产品若要达到商业应用的标准，还需要继续投入较大资金进行加工，这样只会 步加重当时F G D 系统的成本。 2 ．2 第二代F G D 经历了十年的起步阶段，F G D 进入了第二代发展阶段。该阶段始发于2 0 世纪 8 0 年代初，这是由于北欧和西欧国家先后制定了非常严格的S 0 2 排放标准。在当时 全球工业经济飞速发展的历史背景下，发达国家也率先认识到了控制环境污染，保 护生态环境的重要性。在联合国、欧洲经委会空气污染控制协议的约束下，欧洲的 大部分国家都先后加入了“3 0 ％削减俱乐部”，批准广泛推行S 0 2 削减计划。以德国 为代表的工业国家的