提高無旁路脫硫塔可靠性的措施

徐華春

(中環(huán)(中國)工程有限公司，南京市，210008)

0 引言

火力發(fā)電廠煙氣脫硫系統(tǒng)（flue gas desulfurization，F(xiàn)GD）中的旁路煙道是為了在鍋爐點火、FGD故障停運或臨時檢修時，煙氣可以通過旁路煙道直接排入煙囪，保證主體發(fā)電機組正常安全運行。國內(nèi)已投運或在建的濕法脫硫裝置一般都設(shè)有100%旁路煙道。但是，設(shè)有旁路的脫硫裝置在運行中也出現(xiàn)了一些問題，如部分脫硫設(shè)施難以高效穩(wěn)定運行。已建成投產(chǎn)的煙氣脫硫設(shè)施實際投運率不足，減排二氧化硫的作用沒有完全發(fā)揮[1]。為嚴格保證火力發(fā)電廠煙氣污染物達標排放，HJ/T 179—2005《火電廠煙氣脫硫工程技術(shù)規(guī)范石灰石/石灰—石膏法》[2]中5.3.2.5在2008年修改為“新建發(fā)電機組建設(shè)脫硫設(shè)施或已運行機組增設(shè)脫硫設(shè)施，不宜設(shè)置煙氣旁路”。

取消旁路后，F(xiàn)GD成為主體機組不可解列的一部分，只要鍋爐煙氣系統(tǒng)運行，F(xiàn)GD就必須同步運行。為了減少故障點，提高脫硫系統(tǒng)的可用率，取消旁路后一般不再設(shè)增壓風(fēng)機和煙氣加熱器，這樣整個脫硫系統(tǒng)中的設(shè)備故障點集中在吸收塔上，吸收塔安全可靠運行直接影響到主體發(fā)電機組的連續(xù)運行，因此，吸收塔設(shè)計時必須從各個方面提高其運行后的可靠性。以下結(jié)合某電廠無旁路脫硫塔在設(shè)計過程中，對提高吸收塔運行可靠性方面所采取的措施，探討提高無旁路脫硫塔可靠性的方法。

1 吸收塔本體結(jié)構(gòu)設(shè)計

脫硫吸收塔的本體結(jié)構(gòu)尺寸主要包括塔體直徑、吸收及除霧區(qū)域高度和氧化漿池容積。這些結(jié)構(gòu)尺寸由煙氣量、煙氣流速、液氣比等參數(shù)確定，而這些參數(shù)的確定又直接由廠燃用的煤種決定，與煤中含硫量密切相關(guān)。當(dāng)電廠燃用煤含硫量超出吸收塔設(shè)計值時，會導(dǎo)致吸收塔超負荷運行，塔內(nèi)件及其附屬設(shè)備就會受到破壞。目前國內(nèi)燃煤電廠設(shè)計燃煤硫分還得不到充分保證，無旁路脫硫塔結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計一定要考慮燃用煤含硫量的增加。吸收塔整體尺寸設(shè)計裕度比常規(guī)設(shè)計要大一些，其中包括吸收塔直徑、塔內(nèi)煙速、液氣比、漿池容積、煙氣停留時間等參數(shù)，防止因鍋爐燃用煤種的含硫量增加造成吸收塔內(nèi)漿液pH值無法控制，機組降負荷運行或停爐。特別是吸收塔漿液池容積增大后，可增加SO2吸收、氧化、石膏結(jié)晶可靠性，提高對煙氣量、SO2濃度增加、石灰石品質(zhì)變差時運行工況的適應(yīng)性，對石灰石漿液供應(yīng)和石膏排出、廢水排放出現(xiàn)臨時故障也有緩沖作用。

吸收塔每層噴淋層采用單獨漿液循環(huán)泵供漿。漿液循環(huán)泵長期運行不可避免會有磨損，在數(shù)量上可備用1臺，防止?jié){液循環(huán)泵磨損后檢修時間較長，循環(huán)泵因檢修停運而使主體機組降低負荷，減少發(fā)電量。增加備用循環(huán)泵后相應(yīng)增加1層噴淋層，塔體高度也相應(yīng)增加。

當(dāng)鍋爐點火用油槍助燃時，會有未燃盡的油滴隨煙氣一起進入吸收塔，污染塔內(nèi)漿液，加速吸收塔內(nèi)壁橡膠襯里老化[3]，因此在吸收塔內(nèi)最高液位處專設(shè)觀察孔和排油口。

吸收塔液位在運行中的監(jiān)視是非常重要的。溢流管堵塞時，漿液會倒流到吸風(fēng)機出口，嚴重時會造成設(shè)備損壞和停機事故，吸收塔的溢流管在設(shè)計時，要做到液位低時不跑煙氣，液位高時能及時排放漿液。

吸收塔入口煙道處設(shè)置事故冷卻系統(tǒng)，防止故障時高溫?zé)煔鈱ξ账?nèi)件（如除霧器、噴淋層、防腐內(nèi)襯等）的損壞。

2 塔內(nèi)件選型及設(shè)計

吸收塔內(nèi)件主要包括除霧器、噴淋層及噴嘴、攪拌器及氧化空氣管、濾網(wǎng)。這些內(nèi)件在塔內(nèi)布置要有合理的高度，同時其選型和選材要充分考慮其運行使用環(huán)境。

2.1 除霧器

除霧器的作用是將經(jīng)過噴漿吸收SO2后的煙氣中夾帶的液滴和水霧分離下來，以控制和防止亞硫酸鹽在后續(xù)塔壁、煙道、煙囪腐蝕結(jié)垢。

常用除霧器有2種結(jié)構(gòu)型式：平板式和屋脊式。屋脊式除霧器設(shè)計流速大，經(jīng)波紋板碰撞下來的霧滴可集中流下，減輕產(chǎn)生煙氣夾帶霧滴現(xiàn)象，煙氣通路面積亦即除霧面積比水平式面積相應(yīng)增大,因此，除霧效率高,出口排放的液滴濃度不大于50 mg/m3，但其盲區(qū)占面積的比例較大，從結(jié)構(gòu)來看，塔徑在φ13 m以上才能適用[4]。

一般常規(guī)設(shè)計要求除霧器出口排放的液滴濃度不大于75 mg/m3，對于無旁路脫硫吸收塔可要求高一些,設(shè)計時選擇除霧效果相對好的屋脊式除霧器。

除霧器由本體和沖洗系統(tǒng)組成。沖洗系統(tǒng)的作用是定期清除除霧器葉片捕集的液滴、粉塵，保持葉片表面清潔，防止葉片結(jié)垢和堵塞。除霧器結(jié)垢嚴重時會導(dǎo)致除霧器變形、坍塌和折斷。正常的二級除霧器沖洗方式是對第1級粗除霧器前后兩個端面，第二級細除霧器前端面進行沖洗，第2級除霧器后端面僅在必要時才進行沖洗，以避免煙氣攜帶太多液滴。旁路取消后，為避免漿液在第2級除霧器上部沉積引起堵塞，增加二級除霧器后端面手動沖洗系統(tǒng)，防止除霧器堵塞時無法進行清除。

除霧器沖洗水閥門是動作十分頻繁的閥門，質(zhì)量要可靠。取消旁路后，除霧器沖洗水宜用干凈的工藝水。

2.2 噴淋層及噴嘴

噴淋層中噴淋管的材料目前大致有2種∶玻璃鋼（FRP）和鋼管內(nèi)外襯橡膠。全玻璃鋼噴淋層根據(jù)玻璃鋼的材料特性，一般需要在噴淋管底部設(shè)置支撐梁。在實際工程運行中，這些支撐梁存在被上部噴嘴噴出的漿液擊穿破壞的可能。為避免由此帶來的隱患，取消旁路后，吸收塔噴淋層底部不設(shè)支撐梁。采用1根碳鋼主管兩側(cè)連接FRP噴淋支管的形式（圖1），噴淋支管兩端分別連接在主管和塔壁上，當(dāng)吸收塔塔徑較大時，噴淋支管長度相應(yīng)較長，可以通過增加噴淋支管的厚度或在支管上加肋，提高噴淋支管的強度和剛度。

塔徑更大時，噴淋層也可以采用雙主管形式（圖2），通過降低FRP支管的長度來滿足噴淋支管強度和剛度要求。圖2中，雙主管之間的噴淋支管一端與主管上法蘭貫通連接，一端封閉放置在另一噴淋主管上的支座上。由于噴淋支管底部無支撐梁，它的設(shè)計要充分利用受力分析軟件（如有限元分析軟件ANSYS等）進行模擬分析，在制造過程中，必須對各個生產(chǎn)環(huán)節(jié)進行認真監(jiān)督檢驗。

噴淋管中的大量石灰石漿液通過噴嘴轉(zhuǎn)化為與煙氣有足夠接觸面積的霧化細小液滴，脫除煙氣中的SO2。噴嘴的性能對脫硫率有重要影響。常用的脫硫噴嘴有2種形式：螺旋型實心錐噴嘴（圖3）和空心錐切線型噴嘴（圖4）。

螺旋型實心錐噴嘴是隨著連續(xù)變小的螺旋線體，石灰石漿液不斷地經(jīng)螺旋線相切后改變方向呈片狀噴射成同心軸狀錐體?？招腻F切線型噴嘴是石灰石漿液從切線方向進入噴嘴的旋渦室內(nèi),然后從與入口方向成直角的噴孔噴出,形成無數(shù)霧滴組成的空心錐噴霧群。螺旋型實心錐噴嘴結(jié)構(gòu)易碎,且液滴均勻性也有待提高[5]?？招腻F切線型噴嘴,自由暢通直徑大，具有自清洗功能，應(yīng)用最為普遍[6]。

脫硫噴嘴采用的材料主要有反應(yīng)燒結(jié)碳化硅（RBSC）和氮化硅結(jié)合碳化硅（SNBSC）。反應(yīng)燒結(jié)碳化硅屬于精細陶瓷，氣孔率小，彎曲強度大，適用于制作精細的螺旋型噴嘴。氮化硅結(jié)合碳化硅主要用于制造空心錐類噴嘴。目前，脫硫噴嘴的國產(chǎn)化率仍然很低，國內(nèi)已有一些原生產(chǎn)金屬冶煉用的耐溫耐磨碳化硅產(chǎn)品的廠家正在開拓脫硫噴嘴業(yè)務(wù)，但是，目前的制作還處于模型仿制階段[7]。從國外公司的供貨情況看，SNBSC是噴嘴的主導(dǎo)材料。

在噴淋層布置噴嘴時，最外層噴嘴與塔壁要保持合理距離，防止塔壁穿孔漏漿。

2.3 攪拌器及氧化空氣管

吸收塔側(cè)進式攪拌器是為避免漿液在漿液池中沉淀結(jié)垢，保證氧化空氣與亞硫酸鹽充分接觸與反應(yīng)，讓漿液處于不停的流動狀態(tài)。攪拌器應(yīng)選擇質(zhì)量可靠、性能優(yōu)良的產(chǎn)品。

氧化空氣管一般設(shè)置在攪拌器槳葉的前方,氧化空氣通過此管道噴入到漿液池中。氧化空氣管向塔內(nèi)噴出氧化空氣時，管道會有顫振現(xiàn)象，而且塔內(nèi)漿液一直在被攪拌，采用1.4529合金的氧化空氣管容易折斷。吸收塔內(nèi)壁有防腐層，氧化空氣管的固定支架與塔壁的連接要牢靠。

2.4 濾網(wǎng)

為保護吸收塔漿液循環(huán)泵，防止吸收塔漿液池內(nèi)大直徑固體顆粒進入泵體，引起泵體的磨損及噴嘴和旋流子的堵塞，吸收塔內(nèi)漿液循環(huán)泵吸入口設(shè)置過濾網(wǎng)。濾網(wǎng)網(wǎng)孔面積應(yīng)為泵吸入口面積的3倍以上[8],網(wǎng)孔在篩網(wǎng)上按比例布置，濾網(wǎng)材料選用1.4529合金。

3 吸收塔防腐

吸收塔本體不同部位及零部件，因承受多種化學(xué)品、溫度、濕度的腐蝕和煙塵、漿液的沖刷、磨損等苛刻的工況條件，防腐材料應(yīng)滿足較高的力學(xué)性能、良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性、優(yōu)良的抗?jié)B透性和耐磨性等要求，同時應(yīng)結(jié)合降低成本、施工可靠、安全運行時間長等因素綜合考慮[9]。目前，用于吸收塔的防腐材料有橡膠、玻璃鱗片和鎳基合金3種，其中鎳基合金價格昂貴，主要用在吸收塔入口干濕界面處比較惡劣的工況。

在歐洲，塔體的防腐主要使用橡膠襯里，在日本幾乎全部采用玻璃鱗片涂層，在美國則均有使用。玻璃鱗片具有優(yōu)良的防滲透性和結(jié)合良好的機械強度，即使在180℃條件下，短時間里仍能集良好的化學(xué)穩(wěn)定性和抗?jié)B透性于一體，施工維修方便，但不能承受較大的溫差。橡膠襯里具有彈性和受力變形能力，可吸收固體物料的沖刷力，耐一定程度的溫度變化，發(fā)生一定限度變形時隨著基體一起變形而不產(chǎn)生裂紋，并具有良好的耐磨性能。其缺點是當(dāng)襯層起層開裂時，會產(chǎn)生擴散性腐蝕，施工要求高，維修不易。

丁基橡膠防腐在國內(nèi)外獲得了廣泛的應(yīng)用，能很好地滿足對漿液和煙氣抗?jié)B透性與耐磨要求。吸收塔采用內(nèi)襯丁基橡膠防腐時，從吸收塔底板到攪拌器槳葉上端和噴淋層段塔內(nèi)壁的區(qū)域內(nèi)有漿液運動或沖刷，對襯膠有著很大的磨損，因此，此區(qū)域采用雙層襯膠，其他部位采用單層襯膠。防腐的施工應(yīng)嚴格按照相關(guān)標準和規(guī)程進行，特別是要保證合理的工期。

吸收塔入口處為高溫原煙氣，吸收塔入口上方塔壁設(shè)有擋液板，但仍然不可避免會有噴淋漿液落到上面，造成入口段表面的防腐材料經(jīng)常處于熱脹和冷縮兩種狀態(tài)間不斷變化，時間一長，防腐材料會出現(xiàn)龜裂。同時，吸收塔入口處在干濕界面，容易結(jié)露，漿液也容易富集、結(jié)垢，腐蝕條件惡劣。因此，該區(qū)域全部襯C-276合金。

4 結(jié)論

取消旁路后，脫硫系統(tǒng)的安全性要求遠高于傳統(tǒng)有旁路的脫硫系統(tǒng)，對電廠機組能否長期、安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟運行產(chǎn)生直接影響。無旁路脫硫塔設(shè)計時，選材需要提高材質(zhì)等級，塔內(nèi)件必須選擇質(zhì)量可靠，性能優(yōu)良的產(chǎn)品，對它在運行后可能出現(xiàn)的各種問題，必須在設(shè)計中消除或在以后的運行中有應(yīng)對措施，以保障電廠主發(fā)電機組安全運行。

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[7]傅文玲，劉鵬.煙氣脫硫用碳化硅噴嘴的國產(chǎn)化探討[J].電力設(shè)備，2007，8（2）：50-52.

[8]孫琦明.濕法脫硫工藝吸收塔及內(nèi)件的設(shè)計選型[J].中國環(huán)保產(chǎn)業(yè)，2007（4）：18-22.

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