濕法脫硫系統(tǒng)的節(jié)能降耗優(yōu)化措施

程永新，胡玲玲

（中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院，武漢430071）

濕法脫硫系統(tǒng)的節(jié)能降耗優(yōu)化措施

程永新，胡玲玲

（中國(guó)電力工程顧問(wèn)集團(tuán)中南電力設(shè)計(jì)院，武漢430071）

從水耗、電耗、石灰石消耗等方面對(duì)火電機(jī)組脫硫系統(tǒng)能耗特性進(jìn)行分析，提出工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備選型及運(yùn)行調(diào)整的優(yōu)化措施，并結(jié)合某電廠660 MW機(jī)組濕法煙氣脫硫系統(tǒng)進(jìn)行案例分析及定量計(jì)算。同時(shí)提出其它節(jié)能降耗優(yōu)化設(shè)計(jì)措施，從而降低脫硫系統(tǒng)的投資和運(yùn)行成本，以最小的投入和消耗來(lái)滿(mǎn)足環(huán)保的要求，可供類(lèi)似工程設(shè)計(jì)參考。

濕法煙氣脫硫；石灰石；低溫省煤器；節(jié)能降耗；優(yōu)化措施

0 引言

為確保燃煤發(fā)電廠SO2排放指標(biāo)滿(mǎn)足GB 13223-2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的嚴(yán)格要求，大量濕法煙氣脫硫系統(tǒng)隨之投運(yùn)。目前，火電機(jī)組脫硫主要采用FGD（石灰石-石膏濕法煙氣脫硫）技術(shù)，在脫除SO2、改善環(huán)境的同時(shí)，也增加了能耗。因此，分析脫硫系統(tǒng)能耗特性、研究節(jié)能優(yōu)化方法意義重大，符合我國(guó)“十二五”規(guī)劃要求的節(jié)能降耗、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的政策方針。

目前，針對(duì)FGD系統(tǒng)的能耗特點(diǎn)及節(jié)能優(yōu)化的研究主要是基于現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)得出的部分定性結(jié)論。文獻(xiàn)1—5介紹了FGD系統(tǒng)的研究情況，定性分析了FGD系統(tǒng)中影響煙氣系統(tǒng)能耗的主要因素，并提出一些概括性的節(jié)能方法，但對(duì)FGD系統(tǒng)能耗特性的定量分析和詳細(xì)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案研究則較少。

本文以火電機(jī)組脫硫系統(tǒng)為研究對(duì)象，分析主要耗能設(shè)備的特性，從工藝設(shè)計(jì)、設(shè)備選型及運(yùn)行調(diào)整等方面進(jìn)行分析，提出相應(yīng)的優(yōu)化措施。同時(shí)，結(jié)合某發(fā)電廠660 MW火電機(jī)組的FGD系統(tǒng)，從節(jié)水、節(jié)電、節(jié)約石灰石等方面進(jìn)行案例分析及定量計(jì)算，力求降低脫硫系統(tǒng)的投資及運(yùn)行成本，對(duì)脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有一定參考意義。

1 工程案例設(shè)計(jì)參數(shù)

某工程建設(shè)2×660 MW超超臨界燃煤機(jī)組，采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝，吸收塔采用單塔雙循環(huán)技術(shù)，燃煤含硫量Sar為0.92%，設(shè)計(jì)脫硫效率為97.9%，滿(mǎn)足煙囪出口SO2排放濃度小于50 mg/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）的要求。脫硫吸收塔進(jìn)口的煙氣參數(shù)如表1所示。

表1 脫硫吸收塔進(jìn)口的煙氣參數(shù)

2 脫硫系統(tǒng)水耗特點(diǎn)及節(jié)水措施

2.1 脫硫系統(tǒng)水耗特點(diǎn)

濕法脫硫工藝的缺點(diǎn)是耗水量相對(duì)較大，尤其是在北方缺水地區(qū)，成為制約電廠建設(shè)規(guī)模的主要因素之一。在電廠用水指標(biāo)不斷降低的情況下，如何降低FGD系統(tǒng)的耗水量顯得至關(guān)重要。因此，有必要對(duì)FGD系統(tǒng)水量平衡進(jìn)行分析。

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，F(xiàn)GD系統(tǒng)的工藝水量加上煙氣帶入的水量應(yīng)等于煙氣帶出的水量、石膏副產(chǎn)品帶離系統(tǒng)的附著水和結(jié)晶水量、排放廢水量之和。當(dāng)原煙氣進(jìn)入吸收塔時(shí)，煙氣溫度被漿液冷卻到50℃左右，并釋放大量的熱量，同時(shí)脫硫反應(yīng)也是放熱反應(yīng)，這兩部分熱量將會(huì)導(dǎo)致吸收塔漿液中的水分蒸發(fā)變成水蒸汽，隨煙氣經(jīng)煙囪排入大氣，這是脫硫系統(tǒng)主要的水耗所在[6]。

因此，降低脫硫系統(tǒng)蒸發(fā)水耗主要是要降低吸收塔入口煙氣溫度。措施之一是在吸收塔入口設(shè)置低溫省煤器或脫硫系統(tǒng)安裝GGH（氣-氣換熱器）。有GGH的系統(tǒng)，其吸收塔蒸發(fā)水耗明顯低于無(wú)GGH的脫硫系統(tǒng)。根據(jù)已投運(yùn)脫硫系統(tǒng)的工程數(shù)據(jù)資料，單臺(tái)300 MW和600 MW機(jī)組的脫硫系統(tǒng)有GGH時(shí)，系統(tǒng)蒸發(fā)水耗分別會(huì)降低約20～25 t/h和50 t/h[7]。但是，GGH在運(yùn)行過(guò)程中也存在易堵塞、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較高等問(wèn)題，因此，在是否設(shè)置GGH的問(wèn)題上，必須綜合考慮降低水耗與脫硫系統(tǒng)穩(wěn)定及經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的需要。本工程案例采用了取消GGH、在吸收塔入口設(shè)置低溫省煤器的設(shè)計(jì)。

2.2 脫硫塔入口設(shè)置低溫省煤器

低溫省煤器布置在吸收塔入口，用凝結(jié)水冷卻煙氣溫度，將煙氣溫度從約128℃降低到85℃，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

經(jīng)計(jì)算，安裝低溫省煤器后，單臺(tái)機(jī)組可節(jié)水約49 t/h，按年利用5 500 h、水價(jià)3.1元/噸計(jì)，單臺(tái)機(jī)組全年可節(jié)水約27萬(wàn)t、節(jié)省水費(fèi)約83.7萬(wàn)元。

2.3 其它節(jié)水措施

通過(guò)對(duì)FGD系統(tǒng)的水平衡分析，要降低其水耗，降低吸收塔入口煙氣溫度是主要措施，但結(jié)合耗水量等其它影響因素，可同時(shí)考慮以下節(jié)水措施。

圖1 低溫省煤器方案系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.3.1 煙道和煙囪冷凝液的回收利用

攜帶飽和水蒸汽的凈煙氣經(jīng)過(guò)煙道和煙囪時(shí)，煙溫逐漸降低，煙氣中的水蒸汽冷凝析出，一部分隨煙氣帶出煙囪，另一部分則附著在煙道和煙囪壁上。飽和煙氣的凝結(jié)水量可根據(jù)熱平衡方法進(jìn)行計(jì)算，案例中單臺(tái)機(jī)組煙囪冷凝液水量約2.4 t/h?？稍跓焽鑳?nèi)筒設(shè)計(jì)液滴回收裝置回收冷凝液，從而節(jié)約脫硫系統(tǒng)工藝水補(bǔ)水量。

2.3.2 提高脫水機(jī)脫水性能，減少石膏含水率

石膏結(jié)晶水是生成石膏晶體所必需的，也是無(wú)法節(jié)省的。目前FGD系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行中，石膏的游離水含量約為10%，對(duì)于石膏中的游離水損失，可以通過(guò)提高真空皮帶的脫水效率進(jìn)一步降低。如案例中單臺(tái)機(jī)組石膏產(chǎn)量約為15.9 t/h，其中石膏結(jié)晶水損失約3.3 t/h，石膏中的游離水損失約為1.6 t/h。若游離水含量控制在5%以?xún)?nèi)，則單臺(tái)機(jī)組可節(jié)約水量約0.8 t/h。因此，當(dāng)石膏含水率超標(biāo)時(shí)，應(yīng)及時(shí)調(diào)整石膏脫水系統(tǒng)運(yùn)行情況[4]。

2.3.3 回收利用設(shè)備冷卻水及沖洗水

本工程案例中，設(shè)備冷卻水量約為2×30 t/h，可將設(shè)備冷卻水、機(jī)封沖洗水回收至脫硫工藝水箱，循環(huán)使用。在脫硫系統(tǒng)設(shè)置集水坑，用于回收臨時(shí)排放的漿液及管道沖洗水，并返回塔內(nèi)利用，達(dá)到節(jié)水目的。

2.3.4 脫硫廢水的綜合利用

為保證脫硫系統(tǒng)內(nèi)的漿液活性，控制氯離子和可溶性重金屬離子含量，脫硫廢水的排放是不可避免的。本工程脫硫系統(tǒng)最大廢水排放量約為2×6 t/h。為了減少水的浪費(fèi)，可考慮將處理后的脫硫廢水用于灰場(chǎng)噴淋[8]。

3 脫硫系統(tǒng)電耗特點(diǎn)及節(jié)電措施

電耗作為脫硫項(xiàng)目最大的運(yùn)行成本，是評(píng)價(jià)其系統(tǒng)是否經(jīng)濟(jì)合理的重要指標(biāo)之一。FGD系統(tǒng)工藝設(shè)備中，風(fēng)機(jī)、漿液循環(huán)泵、真空泵的能耗較大，其耗電量之和約占FGD系統(tǒng)總耗電量的80%。

3.1 取消脫硫增壓風(fēng)機(jī)，采用“二合一”風(fēng)機(jī)

煙氣系統(tǒng)設(shè)置脫硫增壓風(fēng)機(jī)一般有2種方案，方案一：增壓風(fēng)機(jī)與引風(fēng)機(jī)合設(shè)；方案二：?jiǎn)卧O(shè)增壓風(fēng)機(jī)。2種方案的經(jīng)濟(jì)性比較分析見(jiàn)表2。

表2 風(fēng)機(jī)優(yōu)化經(jīng)濟(jì)性比較（單臺(tái)機(jī)組）

從表2可知，方案一與方案二相比，單臺(tái)機(jī)組可節(jié)約設(shè)備初投資費(fèi)用110萬(wàn)元、年運(yùn)行費(fèi)用36萬(wàn)元。取消脫硫煙氣旁路后，方案一優(yōu)化了煙氣流場(chǎng)，降低煙道阻力，減少電耗，降低運(yùn)行費(fèi)用，系統(tǒng)投資較低，提高了節(jié)能效果及運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性。方案二煙道布置復(fù)雜，系統(tǒng)投資及年運(yùn)行費(fèi)用較高[9-10]。因此，方案一在節(jié)能和經(jīng)濟(jì)性上具有明顯優(yōu)勢(shì)。

3.2 降低漿液循環(huán)泵的運(yùn)行電耗

為了達(dá)到97.9%的脫硫效率，本工程案例采用單塔雙循環(huán)吸收塔，配3臺(tái)漿液循環(huán)泵、3臺(tái)塔外漿液循環(huán)泵。在進(jìn)行漿液循環(huán)泵選型時(shí)，主要考慮如下優(yōu)化措施：

（1）通過(guò)優(yōu)化吸收塔塔型，對(duì)塔內(nèi)漿液pH值、鈣硫比及煙氣流速等主要性能參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，使?jié){液循環(huán)泵選型最優(yōu)。當(dāng)采取降低吸收塔入口煙氣溫度措施后，在煙氣質(zhì)量流量不變的情況下，煙氣溫度越低，體積流量越小，在滿(mǎn)足同樣的脫硫效率的前提下，可減小液氣比，以減少漿液循環(huán)泵的電耗。

（2）合理選擇漿液循環(huán)管的管徑，使流速不致過(guò)高，減少管道水力損失；在漿液循環(huán)管道濾網(wǎng)的設(shè)計(jì)方面，取較低的過(guò)網(wǎng)流速，一方面避免停泵時(shí)對(duì)濾網(wǎng)的損壞，另一方面又減少過(guò)網(wǎng)水力損失，進(jìn)一步降低漿液循環(huán)泵揚(yáng)程，從而減少漿液循環(huán)泵的運(yùn)行電耗。

（3）根據(jù)不同煤種和負(fù)荷選擇經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的方式。根據(jù)不同的機(jī)組負(fù)荷和燃煤含硫量調(diào)節(jié)噴淋層投運(yùn)層數(shù)，在保證凈煙氣滿(mǎn)足SO2最大允許排放濃度要求的前提下，當(dāng)循環(huán)漿液裕量大于單臺(tái)泵額定流量時(shí)，即可停運(yùn)1臺(tái)循環(huán)泵，從而實(shí)現(xiàn)減泵運(yùn)行、降低循環(huán)泵能耗的目的。

通過(guò)上述優(yōu)化措施后，漿液循環(huán)泵節(jié)省的能耗見(jiàn)表3，從表中可知，對(duì)吸收塔、漿液循環(huán)泵進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及合理配置后，單臺(tái)機(jī)組漿液循環(huán)泵每年運(yùn)行費(fèi)用可以節(jié)省約68萬(wàn)元。

表3 漿液循環(huán)泵運(yùn)行費(fèi)用比較（單臺(tái)機(jī)組）

3.3 優(yōu)化石膏脫水系統(tǒng)設(shè)計(jì)

石膏脫水系統(tǒng)采用了2臺(tái)真空皮帶脫水機(jī)，每臺(tái)處理能力為2臺(tái)機(jī)組設(shè)計(jì)工況的100%容量。優(yōu)化方案為：在石膏旋流器前設(shè)置漿液切換管道，旋流器下游設(shè)置石膏漿液分配器。當(dāng)機(jī)組處于設(shè)計(jì)工況時(shí)，只需開(kāi)啟1臺(tái)脫水機(jī)就可以處理2臺(tái)機(jī)組的石膏量，省去了真空皮帶脫水機(jī)與石膏旋流器之間的石膏漿液緩沖箱，簡(jiǎn)化系統(tǒng)，降低了能耗。

對(duì)石膏脫水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及調(diào)整運(yùn)行措施后，對(duì)能耗的影響比較見(jiàn)表4，從表中可知，優(yōu)化后可節(jié)約年運(yùn)行費(fèi)用約39萬(wàn)元。

表4 石膏脫水系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)用比較（2臺(tái)機(jī)組）

3.4 優(yōu)化系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)，降低煙道阻力

在方案設(shè)計(jì)中優(yōu)化煙道截面尺寸、形式及煙道布置，合理選擇煙氣流速，盡量減少?gòu)濐^數(shù)量，降低煙道阻力，節(jié)省電耗。在流速不變、煙道截面積相同的情況下，圓形煙道比矩形煙道的阻力小約18.5%，與方形煙道相比可節(jié)約鋼材耗量50%。所以，在條件允許的前提下，采用圓形煙道是較為合理的節(jié)能降耗選擇。

煙道彎頭盡可能設(shè)計(jì)成緩轉(zhuǎn)彎頭，或者在急轉(zhuǎn)彎頭處加設(shè)導(dǎo)流板，這樣可以大大降低系統(tǒng)阻力。同時(shí)，對(duì)各系統(tǒng)設(shè)備及管線(xiàn)進(jìn)行優(yōu)化布置，使彎頭最少、管線(xiàn)最短，降低泵的揚(yáng)程，達(dá)到降低電耗的目的。

3.5 部分設(shè)備采用電機(jī)變頻控制

為了適應(yīng)鍋爐煙氣量波動(dòng)及SO2濃度變化，對(duì)石灰石供漿泵、石膏排出泵、除霧器沖洗水泵等設(shè)備建議采用變頻設(shè)計(jì)，當(dāng)系統(tǒng)低于設(shè)計(jì)負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，通過(guò)變頻控制可以降低系統(tǒng)運(yùn)行電耗。

4 脫硫系統(tǒng)石灰石消耗特點(diǎn)及節(jié)約措施

在濕法脫硫工藝中，石灰石和石灰被廣泛使用，其中采用石灰石的約占總數(shù)的80%。雖然石灰活性較高，但從運(yùn)行穩(wěn)定性及經(jīng)濟(jì)性考慮，石灰石是比較理想的脫硫劑，在濕法工藝中應(yīng)盡量采用石灰石作為脫硫劑[11]。

本工程案例漿液制備系統(tǒng)采用外購(gòu)石灰石塊，在廠內(nèi)濕磨制漿，結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況，提出以下優(yōu)化方案。

4.1 控制石灰石粒徑，提高石灰石純度

對(duì)于以石灰石為脫硫劑的脫硫工藝，要求石灰石顆粒度越小越好，但石灰石的顆粒度越小，碾磨制漿的能耗就越高。因此，對(duì)于本工程的濕磨制漿系統(tǒng)而言，石灰石粒徑按不大于20 mm考慮即可，從而可節(jié)約濕磨機(jī)電耗，降低運(yùn)行成本[12]。

另外，石灰石的品質(zhì)也是決定石灰石耗量的主要因素。在選用石灰石脫硫劑時(shí)，應(yīng)盡量選用純度不低于90%的石灰石，從根本上減少吸收劑的耗量。

4.2 優(yōu)化吸收塔漿液pH值，合理選擇鈣硫比

漿液pH值對(duì)脫硫效率有重要影響。pH值越高，SO2向液膜主體擴(kuò)散的速率越快，傳質(zhì)系數(shù)就越大，有利于促進(jìn)SO2的吸收，但是容易造成漿液沉淀、堵塞系統(tǒng)。同時(shí)，石膏中的CaCO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)也越高，相應(yīng)增大了鈣硫比，造成石灰石耗量的增加。pH值越小，漿液酸性越強(qiáng)，酸性氣體SO2就越難被吸收，造成脫硫率下降。因此，確定合理的pH值控制范圍就成為濕法脫硫系統(tǒng)工藝設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在[13]。

本工程案例中，脫硫吸收塔采用單塔雙循環(huán)技術(shù)方案，如圖2所示。煙氣經(jīng)過(guò)2級(jí)漿液循環(huán)，實(shí)現(xiàn)2次SO2脫除過(guò)程，2級(jí)循環(huán)分別設(shè)有獨(dú)立的循環(huán)漿池及噴淋層。根據(jù)不同的功能，每級(jí)循環(huán)具有不同的運(yùn)行參數(shù)。

圖2 單塔雙循環(huán)流程示意

煙氣首先經(jīng)過(guò)一級(jí)循環(huán)，該循環(huán)的脫硫效率一般在30%～70%，循環(huán)漿液pH值控制在4.6～5.0，漿液停留時(shí)間約5 min。此級(jí)循環(huán)的主要功能是保證亞硫酸鈣氧化效果和充足的石膏結(jié)晶時(shí)間。經(jīng)過(guò)一級(jí)循環(huán)的煙氣直接進(jìn)入二級(jí)循環(huán)，主要實(shí)現(xiàn)脫硫洗滌。由于不用考慮氧化結(jié)晶的問(wèn)題，所以pH值可以控制在較高值，達(dá)到5.8～6.4，這樣可以采用較低的液氣比，大幅降低循環(huán)漿液量，從而也可以節(jié)約循環(huán)泵的能耗[14]。

綜上所述，在保證脫硫系統(tǒng)出口SO2排放濃度在允許范圍內(nèi)的前提下，采取控制吸收塔漿液pH值、優(yōu)化鈣硫比、提高石灰石來(lái)料純度等措施，可以降低石灰石耗量。通過(guò)優(yōu)化調(diào)整后，經(jīng)初步計(jì)算，單臺(tái)機(jī)組石灰石平均消耗量減少0.86 t/h，石灰石按56元/噸計(jì)，則單臺(tái)機(jī)組石灰石年消耗量節(jié)約4 730 t，節(jié)省費(fèi)用約26.5萬(wàn)元。

5 結(jié)論

（1）吸收塔內(nèi)水分蒸發(fā)是造成脫硫系統(tǒng)水耗高的主要因素。為此，在吸收塔入口設(shè)置低溫省煤器降低煙溫，同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)脫硫系統(tǒng)節(jié)水，還可以采取其它節(jié)水措施，如：對(duì)冷凝液及設(shè)備冷卻水、沖洗水進(jìn)行系統(tǒng)內(nèi)回收利用，提高脫水機(jī)脫水性能，減少石膏含水率，脫硫廢水進(jìn)行綜合利用等。

（2）為節(jié)約脫硫系統(tǒng)電耗，可從風(fēng)機(jī)、漿液循環(huán)泵及優(yōu)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面采取措施，如：取消增壓風(fēng)機(jī)、采用“二合一”風(fēng)機(jī)方案，對(duì)吸收塔、漿液循環(huán)泵進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)及合理配置，對(duì)石膏脫水系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)部分脫硫設(shè)備采用變頻設(shè)計(jì)等。

（3）采取控制石灰石粒徑及提高石灰石純度、優(yōu)化吸收塔漿液pH值、合理選擇經(jīng)濟(jì)鈣硫比等優(yōu)化措施，節(jié)約石灰石消耗量，節(jié)省運(yùn)行費(fèi)用。

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（本文編輯：徐晗）

Optimization Design and Measures for Energy-saving and Consumption Reduction of Wet Flue Gas Desulphurization System

CHENG Yongxin，HU Lingling
（Central Southern China Electric Power Design Institute of China Power Engineering Consulting Group，Wuhan 430071，China）

This paper analyzes the energy consumption characteristics of desulphurization system in thermal power units in terms of consumption of water，energy，limestone etc；it puts forward design optimization measures for process design，equipment selection and adjustment of operation.Moreover，it combines the wet flue gas desulfurization system of 660 MW units in one power plant for case analysis and quantitative calculation. At the same time，the paper proposes other design optimization measures for energy-saving and consumption reduction so as to reduce investment and operation cost of desulfurization system to meet the requirement of environmental protection with minimum investment and consumption，providing references for similar engineering design.

wet flue gas desulfurization；limestone；low-temperature economizer；energy-saving and consumption reduction；optimization measures

TM621.27

：B

：1007-1881（2014）08-0035-05

2014-06-17

程永新（1981-），男，江西九江人，碩士，工程師，從事火力發(fā)電廠熱機(jī)設(shè)計(jì)工作。