燃煤電廠低溫?zé)煔庥酂崂玫膽?yīng)用研究

沈煜暉，陶愛平，鄧輝鵬

(中國華電工程(集團(tuán))有限公司，北京 100035)

0 引言

火力發(fā)電機(jī)組煙氣脫硫是我國環(huán)保設(shè)施建設(shè)的重要內(nèi)容之一，也是我國SO2減排最主要的措施，國內(nèi)大型火力發(fā)電機(jī)組煙氣脫硫多數(shù)采用石灰石－石膏濕法脫硫系統(tǒng)。石灰石－石膏濕法脫硫系統(tǒng)雖然大幅度減少了SO2的排放總量，但是投入的資本數(shù)以億計(jì)，同時(shí)也增加了發(fā)電標(biāo)準(zhǔn)煤能耗和水耗，因此，切實(shí)需要尋找一條脫硫低能耗的新思路，制訂新的工藝流程。

本文結(jié)合脫硫及發(fā)電系統(tǒng)的現(xiàn)狀，提出了降低水耗、節(jié)能減排的系統(tǒng)解決方案，優(yōu)化設(shè)計(jì)、技術(shù)創(chuàng)新，同時(shí)解決目前脫硫后“濕煙囪”不能安全、穩(wěn)定運(yùn)行的問題。

1 濕法脫硫存在的系統(tǒng)性問題

目前，脫硫系統(tǒng)基本都取消了煙氣換熱器(GGH)，脫硫后煙囪運(yùn)行在50℃與130℃變溫工況下，大部分濕煙囪運(yùn)行均出現(xiàn)了問題。脫硫系統(tǒng)不設(shè)置GGH后系統(tǒng)水耗大幅增加，引起了社會(huì)的關(guān)注;脫硫前煙氣溫度約為130℃，脫硫后煙氣溫度為50℃，巨大的溫差意味著巨大的能量浪費(fèi)。取消GGH后脫硫系統(tǒng)的壓差僅為1 600 Pa左右，需增設(shè)脫硫增壓風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)選型困難或選型偏大，不利于節(jié)能且降低了脫硫系統(tǒng)的可利用率。

1.1 濕煙囪的安全性

脫硫系統(tǒng)在不設(shè)置GGH的情況下，脫硫后煙囪屬于“濕煙囪”，煙囪必須防腐。由于旁路的存在，防腐后的煙囪運(yùn)行在50℃與130℃(甚至更高)2個(gè)溫度工況下，壓力運(yùn)行在“正壓”與“負(fù)壓”工況下，煙氣水分運(yùn)行在過飽和(干態(tài))與飽和(濕態(tài)，大量物理水析出)工況下。目前，主流的煙囪防腐工藝很難在上述工況下保證機(jī)組安全運(yùn)行。例如:發(fā)泡玻璃磚在50℃和180℃的溫變?cè)囼?yàn)中均出現(xiàn)了開裂;聚脲材料無法在130℃以上的工況運(yùn)行;耐酸膠泥無法解決水溶性問題;玻璃鱗片防腐材料不適應(yīng)干、濕2種工況，很容易起泡脫落。在實(shí)際工程中，很多電廠的濕煙囪在運(yùn)行一段時(shí)間后，煙氣中的酸液腐蝕煙囪的內(nèi)壁，酸液滲漏沿?zé)焽璞诹飨?，煙囪安全情況堪憂。

1.2 脫硫系統(tǒng)水耗問題

脫硫系統(tǒng)在不設(shè)置GGH的情況下，進(jìn)入脫硫系統(tǒng)的煙氣溫度由85～90℃提高到120～130℃，脫硫水耗大幅增加。以常規(guī)600 MW機(jī)組為例，設(shè)置GGH時(shí)脫硫系統(tǒng)水耗約為45 t/h(單臺(tái)機(jī)組)，不設(shè)置GGH時(shí)水耗約為70 t/h(單臺(tái)機(jī)組)，按照年運(yùn)行5500 h計(jì)算，年增加水耗約13.75萬t。在全國缺水、抗旱的大形式下，水耗問題很可能成為濕法脫硫系統(tǒng)的發(fā)展瓶頸。因此，有必要進(jìn)一步降低脫硫系統(tǒng)前的煙氣溫度，降低脫硫系統(tǒng)的水耗。

1.3 引風(fēng)機(jī)與脫硫增壓風(fēng)機(jī)合并的問題

由于安裝GGH對(duì)SO2地面散落濃度的達(dá)標(biāo)影響不大，且GGH故障率高、運(yùn)行成本大，所以，近幾年的脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)已不再設(shè)置GGH。取消GGH后，減少了系統(tǒng)阻力和故障點(diǎn)，使脫硫系統(tǒng)運(yùn)行可靠性提高，維護(hù)和檢修工作量也相應(yīng)減少。

取消GGH后，脫硫系統(tǒng)的煙道阻力僅約600 Pa(含煙囪自拔力補(bǔ)償)，吸收塔常規(guī)阻力為1 000 Pa左右，需設(shè)脫硫增壓風(fēng)機(jī)。脫硫增壓風(fēng)機(jī)屬于大流量、低揚(yáng)程風(fēng)機(jī)，多數(shù)的增壓風(fēng)機(jī)存在著選型偏高的問題，增壓風(fēng)機(jī)無法運(yùn)行在效率最高點(diǎn);在低負(fù)荷情況下，增壓風(fēng)機(jī)效率更低，不利于節(jié)能。

2 新工藝流程的解決方案

2.1 常規(guī)的脫硫系統(tǒng)流程

引風(fēng)機(jī)出口的全部煙氣(煙氣溫度約120℃)經(jīng)水平主煙道從原煙氣進(jìn)口擋板門進(jìn)入脫硫系統(tǒng)，匯流后經(jīng)脫硫增壓風(fēng)機(jī)(煙氣溫度增加約3℃)進(jìn)入吸收塔，在塔內(nèi)洗滌脫硫后的煙氣經(jīng)除霧器除去霧滴，然后從凈煙氣出口擋板門(煙氣溫度約50℃)進(jìn)入水平主煙道，最后經(jīng)煙囪排入大氣。在水平主煙道上裝設(shè)旁路擋板門，當(dāng)鍋爐啟動(dòng)和煙氣脫硫(FGD)裝置因故障停運(yùn)時(shí)，煙氣經(jīng)旁路進(jìn)入煙囪排放。在正常工況下，煙囪運(yùn)行溫度約為50℃，當(dāng)鍋爐啟動(dòng)和FGD裝置故障停運(yùn)時(shí)煙囪運(yùn)行溫度約為120℃。常規(guī)的脫硫系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 常規(guī)的脫硫系統(tǒng)流程

2.2 優(yōu)化后的新工藝流程

引風(fēng)機(jī)(與脫硫增壓風(fēng)機(jī)合并設(shè)置)出口的全部煙氣(煙氣溫度約120℃)進(jìn)入低溫?zé)煔鉄崮芑厥昭b置(煙氣溫度降低到90℃)，溫度降低后煙氣從原煙氣進(jìn)口擋板門進(jìn)入脫硫系統(tǒng)的吸收塔，在塔內(nèi)洗滌脫硫后的煙氣經(jīng)除霧器除去霧滴，然后從凈煙氣出口擋板門(煙氣溫度約50℃)進(jìn)入水平主煙道，最后經(jīng)煙囪排入大氣。在水平主煙道上裝設(shè)旁路擋板門，當(dāng)鍋爐啟動(dòng)和FGD裝置故障停運(yùn)時(shí)，煙氣經(jīng)旁路進(jìn)入煙囪排放。在正常工況下，煙囪運(yùn)行溫度約為50℃;當(dāng)鍋爐啟動(dòng)和FGD裝置故障停運(yùn)時(shí)，煙囪運(yùn)行溫度約為90℃。優(yōu)化后的脫硫系統(tǒng)流程如圖2所示。

圖2 優(yōu)化后的脫硫系統(tǒng)流程

2.3 節(jié)能分析

2.3.1 低溫?zé)崮芑厥昭b置

以某電廠2×660 MW機(jī)組為例進(jìn)行分析:引風(fēng)機(jī)與脫硫增壓風(fēng)機(jī)合并，引風(fēng)機(jī)后煙氣溫度約120℃，經(jīng)過低溫?zé)崮芑厥昭b置后煙氣溫度降至90℃;脫硫后煙氣溫度為50℃;低溫?zé)崮芑厥昭b置的冷卻水為凝結(jié)水，水溫為34.4℃;加熱后凝節(jié)水水溫為71.3℃。熱力計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 熱力計(jì)算結(jié)果

由表1可以看出，采用本文提出的系統(tǒng)解決方案可提高發(fā)電效率0.29%，節(jié)能效果顯著，值得在新建火力發(fā)電機(jī)組以及進(jìn)行脫硫技術(shù)改造的火力發(fā)電機(jī)組工程中推廣。

2.3.2 用于加熱凝結(jié)水的節(jié)能分析

(1)660 MW機(jī)組引風(fēng)機(jī)出口煙氣溫度為120℃，通過熱能回收裝置冷卻后，煙氣溫度為90℃，回收煙氣熱能約24 MW。

(2)煙氣熱能回收裝置入口凝結(jié)水溫度為34.4℃，加熱后凝結(jié)水溫度為71.3℃。循環(huán)水量約為總凝結(jié)水量的43.5%。

(3)節(jié)約低壓抽汽發(fā)電量約1985(kW·h)/h，相當(dāng)于發(fā)電量的0.3%。

結(jié)論:煙氣溫度每降低10℃，發(fā)電能耗降低0.1%。

2.3.3 用于加熱采暖熱水

(1)660 MW機(jī)組引風(fēng)機(jī)出口煙氣溫度為120℃，經(jīng)熱能回收裝置冷卻后煙氣溫度為90℃，回收煙氣熱能約24 MW。

(2)采暖供水溫度為110℃，回水溫度為70℃。

(3)采暖綜合熱指標(biāo)為54 W/m2。

(4)可供采暖面積40萬m2，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

2.3.4 節(jié)水分析

(1)設(shè)置低溫?zé)崮芑厥昭b置后單臺(tái)機(jī)組煙氣釋放出的熱流量為24785.16 kW，吸收塔內(nèi)漿液溫度為46.3℃，則2臺(tái)鍋爐減少水蒸氣蒸發(fā)量70.8m3/h。

(2)煙囪高度為240 m，凈煙道與煙囪出口高度差為220 m，脫硫后凈煙氣出口溫度為50℃。由于順著煙囪上升時(shí)壓力下降，絕熱線性膨脹使煙氣變冷，煙囪溫降按2.5℃/100 m考慮，凈煙氣經(jīng)過煙囪后溫度降為44.5℃，此時(shí)煙囪中凈煙氣析水量為60 m3/h，80%的水以液滴狀態(tài)隨煙氣進(jìn)入大氣，剩余20%的水以12 m3/h的速度附著在煙囪壁回流［1］。設(shè)置FRP疏水箱(水封)，將凈煙道和煙囪的疏水引入地坑，利用地坑泵將冷凝水打回吸收塔。2臺(tái)鍋爐每小時(shí)可回收約24 m3的水。

2.3.5 引風(fēng)機(jī)與脫硫增壓風(fēng)機(jī)合并

引風(fēng)機(jī)和增壓風(fēng)機(jī)合并后，由于減少了1臺(tái)風(fēng)機(jī)，調(diào)節(jié)對(duì)象單一，煙氣系統(tǒng)相應(yīng)負(fù)荷變化較分設(shè)方案迅速、準(zhǔn)確，不僅降低了故障率，還減少了運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用。此時(shí)引風(fēng)機(jī)的基本風(fēng)壓為鍋爐爐膛至煙囪出口的管道阻力、設(shè)備阻力、煙道阻力、漿液噴淋阻力、動(dòng)壓升損失和煙囪自拔力之和。由于脫硫裝置停運(yùn)或主機(jī)調(diào)試階段脫硫裝置未同步調(diào)試，該風(fēng)機(jī)的運(yùn)行靜壓升偏離設(shè)計(jì)值較大，因此，宜采用動(dòng)葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)。

對(duì)于600 MW機(jī)組，如分設(shè)方案的引風(fēng)機(jī)和脫硫增壓風(fēng)機(jī)都采用動(dòng)葉可調(diào)風(fēng)機(jī)，則2臺(tái)機(jī)組風(fēng)機(jī)合并方案比分設(shè)方案風(fēng)機(jī)的設(shè)備投資少200萬～385萬元;如合并方案采用動(dòng)葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)，分設(shè)方案都采用靜葉可調(diào)風(fēng)機(jī)，則2臺(tái)機(jī)組風(fēng)機(jī)合并方案比分設(shè)方案風(fēng)機(jī)的設(shè)備投資少100萬～295萬元。風(fēng)機(jī)安裝需要土地占用、土建、脫硫煙道材料、防腐材料等費(fèi)用，因此，風(fēng)機(jī)合并方案比分設(shè)方案初投資少50萬元。由于鍋爐引風(fēng)機(jī)與脫硫增壓風(fēng)機(jī)合并后引風(fēng)機(jī)需要采用較高的靜壓升，為防止?fàn)t膛出現(xiàn)內(nèi)爆，需要提高爐膛設(shè)計(jì)壓力，相對(duì)增加鍋爐構(gòu)架費(fèi)用30萬元。

經(jīng)過以上比較，風(fēng)機(jī)合并方案比風(fēng)機(jī)分設(shè)方案減少初投資120萬～405萬元。由于煙道阻力的減少，2臺(tái)600 MW機(jī)組如采用風(fēng)機(jī)合一方案，每年可省電2320 MW·h，節(jié)約電費(fèi)58萬元［2］。

引風(fēng)機(jī)與增壓風(fēng)機(jī)合并后，不僅減少了占地面積及工程總投資，而且減少了煙道彎頭，降低了脫硫系統(tǒng)阻力，有利于節(jié)能。

2.4 濕煙囪運(yùn)行解決方案

濕煙囪的運(yùn)行工況惡劣，旁路運(yùn)行時(shí)煙溫一般為130℃左右(沖擊煙溫甚至高達(dá)180℃)，因此，要求煙囪內(nèi)壁刷涂料并內(nèi)襯耐高溫材料。耐高溫材料應(yīng)與碳鋼的熱膨脹系數(shù)應(yīng)相近，以適應(yīng)停機(jī)、啟動(dòng)時(shí)的冷熱變化以及酸濕氣、液到干態(tài)高溫?zé)煔獾淖兓?/p>

煙氣脫硫運(yùn)行或旁路運(yùn)行時(shí)有70℃左右的溫差，干態(tài)高溫?zé)煔夂偷蜏厮釤煔猸h(huán)境的轉(zhuǎn)換，往往導(dǎo)致煙囪防腐內(nèi)襯開裂、脫落和酸液滲漏，濕煙囪運(yùn)行存在嚴(yán)重的安全問題。采用鈦鋼板或鈦鋼復(fù)合板的套筒式煙囪以及粘貼進(jìn)口賓高德泡沫玻化磚的煙囪，運(yùn)行情況較好，但價(jià)格昂貴。設(shè)置低溫?zé)煔饣厥昭b置后，溫差減小到40℃左右，同時(shí)使旁路運(yùn)行溫度降低了約30℃，大大改善了濕煙囪的運(yùn)行條件，延長了煙囪防腐內(nèi)襯的使用壽命。

3 結(jié)論

(1)引風(fēng)機(jī)與脫硫增壓風(fēng)機(jī)合并設(shè)置。

(2)在引風(fēng)機(jī)后主煙道前設(shè)置低溫(130℃左右)煙氣熱能回收裝置，進(jìn)一步回收尾部煙氣熱能，提高主機(jī)島發(fā)電效率或降低發(fā)電機(jī)組供熱能耗;同時(shí)，降低脫硫旁路運(yùn)行與非旁路運(yùn)行狀態(tài)間的溫度差，降低脫硫后濕煙囪防腐設(shè)計(jì)的難度，穩(wěn)定濕煙囪的運(yùn)行工況。

(3)在除塵器前設(shè)置低溫(約130℃左右)煙氣熱能回收裝置，提高主機(jī)島發(fā)電效率或降低發(fā)電機(jī)組供熱能耗，同時(shí)提高靜電除塵器的除塵效率，降低煙氣中SO3的生成量。

由以上分析可知，采用引風(fēng)機(jī)與脫硫增壓風(fēng)機(jī)合并和設(shè)置低溫?zé)煔鉄崮芑厥昭b置的新工藝流程，降低了水耗，節(jié)約了電能，減少了占地面積及工程總投資，同時(shí)減小了旁路運(yùn)行的溫差變化，改善了濕煙囪的運(yùn)行條件，可解決目前濕法脫硫的系統(tǒng)性問題。

隨著濕法脫硫運(yùn)行水平的逐步提高，“減排中節(jié)能”的觀念逐漸被電廠所接受，因此，迫切需要制訂新的、可靠的工藝流程。對(duì)于本文介紹的優(yōu)化后的脫硫工藝流程，國內(nèi)已經(jīng)有所探討并進(jìn)行了研究性的應(yīng)用。本文量化了該新工藝流程的節(jié)能、節(jié)水指標(biāo)，希望能引起業(yè)界的重視，在新建或脫硫技術(shù)改造工程中推廣使用。

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