發(fā)電廠脫硫系統(tǒng)串聯(lián)塔的水平衡及液位控制

魏 新，寧 翔，茹 宇，漆 聰，肖海平

1.大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團股份有限公司，北京 100097

2.華北電力大學(xué)能源動力與機械工程學(xué)院，北京 102206

0 引言

污染物超低排放背景下，很多發(fā)電集團要求燃煤電廠煙氣中SO2排放濃度不高于35 mg/m3（標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下 6%O2， 以下同）[1－2]。實現(xiàn)超低排放的脫硫新技術(shù)主要有串聯(lián)塔技術(shù)、托盤塔技術(shù)（包括單托盤、雙托盤）、增加噴淋層、添加脫硫增效劑等[3－8]。對于燃用中高硫分煤的地區(qū)，超低排放標(biāo)準(zhǔn)往往要求脫硫效率要超過99%，即超出常規(guī)單塔脫硫極限效率，因此串聯(lián)塔脫硫技術(shù)得到了廣泛應(yīng)用[9－13]。

在超低排放和靈活性發(fā)電背景下，脫硫系統(tǒng)串聯(lián)塔吸收塔液位波動大，難以有效控制。脫硫系統(tǒng)串聯(lián)一二級吸收塔的入口煙溫差別非常大，進入一級吸收塔的煙溫高，水的蒸發(fā)量、除霧器沖洗水量相對較小，液位容易偏低；二級塔入口煙溫低，且除霧器沖洗水耗量大，補水量過多，導(dǎo)致液位容易偏高，因此出現(xiàn)了一二級吸收塔液位不平衡的現(xiàn)象[12－16]。研究和解決脫硫系統(tǒng)串聯(lián)塔液位不平衡的問題，可以節(jié)約大量電廠用水，提高燃煤機組對低負(fù)荷運行的適應(yīng)性。以大唐集團某發(fā)電廠脫硫系統(tǒng)串聯(lián)塔為例，通過現(xiàn)場性能試驗數(shù)據(jù)及水平衡計算，研究脫硫系統(tǒng)串聯(lián)塔一級塔和二級塔的水平衡規(guī)律，探討影響水耗量的運行因素。

1 串塔脫硫系統(tǒng)水分布

1.1 脫硫系統(tǒng)整體水平衡

大唐集團某發(fā)電廠2×600 MW 燃煤機組，脫硫系統(tǒng)采用一爐兩塔布置，其中一級為預(yù)洗塔，二級塔為吸收塔，2個吸收塔串聯(lián)運行。該廠一二級吸收塔安裝了不同類型除霧器，分別為屋脊除霧器和管束除霧器，控制壓差分別為150 Pa和300 Pa。

該機組脫硫設(shè)施水系統(tǒng)包括工業(yè)水系統(tǒng)和工藝水系統(tǒng)，其中工業(yè)水由廠工業(yè)水補水，主要用于系統(tǒng)中除霧器沖洗、石灰石制漿用水、真空皮帶脫水機濾布沖洗、漿液管道沖洗、氧化風(fēng)增濕冷卻、事故噴淋等。脫硫系統(tǒng)水平衡如圖1所示。

圖1 脫硫系統(tǒng)水平衡流程

脫硫系統(tǒng)進出水量相等，即達到了水平衡。在脫硫系統(tǒng)的水損耗中，煙氣帶走水量占到最大比例，通過煙氣平衡可以計算煙氣攜帶的水蒸氣量。煙氣流過脫硫塔除霧器會攜帶部分小粒徑液態(tài)水，該廠一二級吸收塔分別采用屋脊除霧器和管束除霧器，可以保證煙氣攜帶液滴不超過50 mg/m3。石膏脫水系統(tǒng)在對石膏進行脫水后，石膏本身會攜帶兩部分水，一部分是石膏含有的游離水，一般不超過10%；另一部分是石膏的結(jié)合水，可以通過固平衡計算得出。通過氯平衡計算得到脫硫廢水量。

通過工藝水來彌補系統(tǒng)蒸發(fā)導(dǎo)致的水損失量，保持塔內(nèi)液位平衡。而除霧器沖洗水是脫硫系統(tǒng)補充的主要形式，除霧器沖洗水量與除霧器的類型及吸收塔內(nèi)液位有關(guān)。

計算基準(zhǔn)工況參數(shù)如下：100%負(fù)荷，原煙氣溫度155.1℃，出口煙氣溫度為54.8℃，煙氣中SO2濃度為2 416 mg/m3，煙氣量為2 124.9 km3/h，脫硫效率為99.2%。

1.2 一二級塔的液位平衡

脫硫系統(tǒng)串聯(lián)一二級吸收塔的煙溫分布不同（如表1所示），進入一級吸收塔的煙溫高，煙溫降低幅度較大，一般在70～100℃，蒸發(fā)放熱大，導(dǎo)致水量損失大，液位容易偏低；二級塔入口煙溫低，出口煙溫一般僅僅降低0.2～2℃，且除霧器沖洗水耗量大，補水量過多，導(dǎo)致液位容易偏高。而且，在靈活性發(fā)電背景下，低負(fù)荷工況下二級塔液位將更加難以控制。

表1 脫硫系統(tǒng)煙氣溫度（試驗期間平均值，且折算為6%O2含量）

2 影響液位的運行因素

2.1 煙氣量變化

發(fā)電廠運行過程中即使發(fā)電負(fù)荷穩(wěn)定，在煤質(zhì)波動的情況下，煙氣量也隨之波動。以該發(fā)電廠為例，按設(shè)計工況煙氣量為100%計，煙氣量變化引起蒸發(fā)水量的變化如表2所示。可見，當(dāng)煙氣量下降時，脫硫塔整體蒸發(fā)水量也隨之降低，100%煙氣量時蒸發(fā)水量為144.73 t/h，60%煙氣量時蒸發(fā)水量已經(jīng)下降到85.63 t/h，下降約41%。其中，一級塔蒸發(fā)水量下降明顯，由于塔內(nèi)蒸發(fā)量一級塔占極大比例（大于99%），下降幅度與總蒸發(fā)量相近，而二級塔下降較少，從1.42 t/h下降到0.54 t/h。這表明實際運行中，隨著煙氣量的降低，在除霧器沖洗水量一定的條件下，低負(fù)荷時二級塔蒸發(fā)水量太小，很容易出現(xiàn)液位上升的現(xiàn)象；當(dāng)煙氣量降低時，系統(tǒng)總體補水量與耗水量的平衡也會被打破，出現(xiàn)吸收塔溢流等問題。

表2 煙氣量與蒸發(fā)水量的關(guān)系

2.2 煙氣溫度

脫硫塔入口煙氣溫度與脫硫系統(tǒng)運行性能密切相關(guān)。脫硫塔入口煙氣溫度取決于鍋爐的運行情況，一般鍋爐排煙溫度設(shè)計在酸露點以上，運行過程中受熱面的積灰結(jié)渣容易導(dǎo)致脫硫塔入口煙氣溫度升高。脫硫塔入口煙氣溫度對脫硫系統(tǒng)水平衡也有重要影響，煙氣溫度導(dǎo)致耗水量的變化如表3所示。

表3 隨入口煙溫變化耗水量分布

從表3可以看出，隨著煙氣溫度從110℃升高到150℃，一二級塔出口溫度也隨之升高，但是溫度變化幅度較小。與此相比，吸收塔內(nèi)水的蒸發(fā)量改變較為明顯，但由于二級塔內(nèi)蒸發(fā)量變化較小，吸收塔內(nèi)蒸發(fā)量的增加主要是由于一級塔蒸發(fā)量的大幅度升高。這一結(jié)果與前文的分析一致。一級塔出口溫度變化不大，但是進入一級塔的煙氣溫度大幅度改變會導(dǎo)致塔大量消耗。一級塔蒸發(fā)量由110℃下的92.29 t/h上升到了150℃下的141.63 t/h，為原來的1.53倍。二級塔入口和出口溫度相差較小，因此塔內(nèi)蒸發(fā)量變化較小，且二級塔蒸發(fā)量隨溫度的變化趨勢與一級塔相反。這是由于一級塔入口煙氣溫度高時，塔內(nèi)蒸發(fā)量較大，導(dǎo)致二級塔出口煙氣的水蒸氣分壓也較大，對應(yīng)二級塔內(nèi)漿液溫度也較高，因此塔內(nèi)漿液攜帶能量在高煙溫條件下較高。根據(jù)能量平衡來看，塔內(nèi)漿液攜帶能量高，這部分漿液造成的能量損失較大，必會導(dǎo)致用于蒸發(fā)潛熱的能量減少，這樣就會使得二級塔內(nèi)蒸發(fā)水量反而會隨著入口煙溫的升高而降低。就串塔系統(tǒng)總的蒸發(fā)量來說，由于二級塔蒸發(fā)量所占比例較小，因此總蒸發(fā)量隨煙溫升高而明顯升高，150℃下的總蒸發(fā)量與110℃下總蒸發(fā)量相比，升高了52%。一二級塔的蒸發(fā)量的較大差異，也使得脫硫系統(tǒng)串聯(lián)塔運行時兩塔的液位及水平衡較難控制。

2.3 負(fù)荷變化

FGD（煙氣脫硫系統(tǒng)）運行負(fù)荷降低時，煙氣量與煙氣溫度都會有所降低，尤其是煙氣量會大幅度減小。吸收塔消耗的水分主要是煙氣流過吸收塔時蒸發(fā)的漿液水量，如果煙氣量和煙氣溫度降低，蒸發(fā)帶走的水量也會大量減少，然而吸收塔內(nèi)主要補水來源是除霧器沖洗水。根據(jù)調(diào)研，除霧器沖洗水的控制主要是針對除霧器前后壓差以及沖洗頻率來進行，低負(fù)荷下除霧器沖洗水量并不會隨之減少，這樣就會導(dǎo)致吸收塔內(nèi)液位的不易控制。因此，吸收塔的水平衡也會被影響，因此，隨負(fù)荷銳減的是吸收塔補水量。

除霧器沖洗水量較大，沖洗后的水直接進入吸收塔內(nèi)作為脫硫系統(tǒng)補水。在BMCR（鍋爐最大蒸發(fā)量）工況下一級塔沖洗水為70 t/h，二級塔沖洗水水量為40～50 t/h。在不同工況下除霧器沖洗系統(tǒng)運行參數(shù)見表4。

對該機組的FGD的進出水和設(shè)備耗水情況進行測試，建立FGD水系統(tǒng)輸入、輸出間的平衡關(guān)系，經(jīng)過分析計算得到該工程在不同負(fù)荷下的水平衡見表5。

表4 除霧器沖洗系統(tǒng)運行參數(shù)

表5 水平衡分布

根據(jù)表5可以看到，系統(tǒng)總體的水平衡控制較容易實現(xiàn)。在不同負(fù)荷下系統(tǒng)的工藝補加水量均相當(dāng)可觀，總體的蒸發(fā)水量遠大于系統(tǒng)沖洗水量，因此總體的水平衡容易保持。但是可以看到，系統(tǒng)總的蒸發(fā)量主要來自于一級塔的蒸發(fā)，一級塔的蒸發(fā)量遠遠大于其補水量，因此一級塔的液位控制較容易；而二級塔由于入口煙溫較低，其蒸發(fā)量在全負(fù)荷下均低于該塔的除霧器沖洗水量，因此，在運行過程中一直存在著補水與蒸發(fā)水量的矛盾。盡管隨著負(fù)荷的降低，二級塔的蒸發(fā)水量也隨之降低，但是除霧器沖洗水量依然大于二級塔的蒸發(fā)水量，在低負(fù)荷下，由于一級塔蒸發(fā)水量降低，補水量也會隨之降低，此時如果通過倒?jié){泵等措施將二級塔漿液導(dǎo)至一級塔時，可能會引起一級塔液位的失控，所以低負(fù)荷下二級塔的液位更加難以控制。值得注意的是，文中的除霧器沖洗水量是通過理論得到的，實際運行過程中，為了保證除霧器不被堵塞、正常運行，實際的除霧器沖洗水量勢必要高于該理論水量，這樣，二級塔除霧器補水量和蒸發(fā)量之間的矛盾將更為突出。由此可以預(yù)測，當(dāng)負(fù)荷持續(xù)降低時，勢必會導(dǎo)致吸收塔補水量大于耗水量。這就會導(dǎo)致二級塔液位升高，出現(xiàn)吸收塔溢流等問題，也必然會導(dǎo)致一二級塔的液位不平衡，從而影響脫硫系統(tǒng)的安全運行。這與前文的討論結(jié)果一致。

因此，針對此問題，該廠通過保持較低的吸收塔液位進行工作，同時設(shè)置倒?jié){泵和溢流管。倒?jié){泵間斷性工作將液位較高的二級塔內(nèi)漿液打到耗水較快的一級塔內(nèi)，保持液位平衡。溢流管則是避免二級塔液位過高而采取的備用措施。

3 結(jié)論與建議

（1）當(dāng)煙氣量下降時，脫硫塔整體蒸發(fā)水量也隨之降低。在除霧器沖洗水量一定的條件下，低負(fù)荷時一二級塔由于各自蒸發(fā)水量差別較大，很容易出現(xiàn)液位不平衡的現(xiàn)象；當(dāng)煙氣量降低時，系統(tǒng)總體補水量與耗水量的平衡也會被打破。

（2）隨著煙氣溫度從110℃升高到150℃，一級塔蒸發(fā)量大幅度升高，二級塔內(nèi)蒸發(fā)量變化較小，系統(tǒng)總蒸發(fā)量明顯升高。

（3）較高負(fù)荷下系統(tǒng)水平衡控制較容易實現(xiàn)。但隨著負(fù)荷降低，系統(tǒng)工藝補水量降低。當(dāng)負(fù)荷持續(xù)降低，勢必會導(dǎo)致吸收塔補水量大于耗水量。

（4）低負(fù)荷下脫硫系統(tǒng)串聯(lián)塔液位控制困難，考慮運行因素，為保證低負(fù)荷下的水平衡，系統(tǒng)低負(fù)荷（30%）時延長除霧器沖洗間隔，通過試驗和理論計算，認(rèn)為可以在滿足除霧器差壓條件下進一步延長低負(fù)荷下的除霧器沖洗周期，同時設(shè)置倒?jié){泵和溢流管，將液位較高的二級塔內(nèi)漿液導(dǎo)入耗水較快的一級塔內(nèi)，保持液位平衡。

參考文獻：

[1]潘軍濤，屠士鳳，倪仲俊.超低排放改造后CEMS測量準(zhǔn)確性的提高[J].浙江電力，2017，36（7）∶43－45.

[2]肖麗，王剛，金禮方.600 MW級火電機組超低排放改造后的運行成效分析[J].浙江電力，2016，35（7）∶37－40.

[3]朱法華，王臨清.煤電超低排放的技術(shù)經(jīng)濟與環(huán)境效益分析[J].環(huán)境保護，2014，42（21）∶28－33.

[4]吳優(yōu)福.循環(huán)流化床鍋爐SO2超低排放技術(shù)研究[J].潔凈煤技術(shù)，2017，23（2）∶108－113.

[5]張偉，陳民，邢浩，等.脫硫超低排放技術(shù)改造及經(jīng)濟性分析[J].東北電力技術(shù)，2017，38（3）∶28－31.

[6]姚勝威.脫硫超低排放技術(shù)在電廠中的應(yīng)用探討[J].機電信息，2016（15）∶84－85.

[7]薛方明，邵媛.雙塔雙循環(huán)脫硫技術(shù)在執(zhí)行污染物超低排放火電機組中的應(yīng)用[J].山東化工，2015，44（20）∶147－150.

[8]李興華，何育.燃煤火電機組SO2超低排放改造方案研究[J].中國電力，2015，48（10）∶148－151.

[9]汪作勝，殷雅丹.論大唐國際盤山燃煤機組串塔脫硫除塵一體化超低排放改造技術(shù)[J].價值工程，2016，35（30）∶62－63.

[10]王仁雷，蔡傳鈺，張楊，等.不同漿液循環(huán)泵運行方式下串聯(lián)吸收塔脫硫效果評價及優(yōu)化[J].電站系統(tǒng)工程，2016，32（2）∶19－21.

[11]徐國祥.吸收塔串聯(lián)在高硫煤種煙氣脫硫中的節(jié)能應(yīng)用[C]//火電廠污染物凈化與節(jié)能技術(shù)研討會論文集,2013.

[12]余昭，何育東，李興華，等.石灰石－石膏法串聯(lián)脫硫塔系統(tǒng)[J].熱力發(fā)電，2016，45（2）∶91－95.

[13]蔡子嘉.脫硫串聯(lián)塔優(yōu)化運行研究[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2016，13（19）∶60－61.

[14]程立華，張立權(quán)，李付寧.330 MW機組脫硫系統(tǒng)串塔技術(shù)改造[J].山東工業(yè)技術(shù)，2015（3）∶84－85.

[15]林朝扶，蘭建輝，梁國柱，等.串聯(lián)吸收塔脫硫技術(shù)在燃超高硫煤火電廠的應(yīng)用[J].廣西電力，2013，36（5）∶11－15.

[16]梁國柱，林朝扶，李國暉.330 MW機組脫硫系統(tǒng)串聯(lián)塔改造[J].廣西電力，2012，35（5）∶44－46.

[17]張宗來.燃煤電廠SO2超低排放技術(shù)研究及其應(yīng)用[J].電網(wǎng)與清潔能源，2017，33（7）∶116－122.

[18]武紀(jì)原.漿液品質(zhì)及性能對濕法脫硫系統(tǒng)脫硫率影響[J].江蘇電機工程，2016，35（1）∶92－94.