燃煤電廠漿液冷卻消白系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文_袁素華 福建龍凈環(huán)保股份有限公司

燃煤機(jī)組濕法脫硫系統(tǒng)吸收塔出口凈煙氣為濕飽和或近飽和狀態(tài)，水蒸汽占10%～15%，煙氣中攜帶有一定的可過(guò)濾顆粒物、可凝結(jié)顆粒物以及溶解性固體等。飽和濕煙氣從煙囪直接排出大氣環(huán)境后，在與溫度較低的環(huán)境空氣混合過(guò)程中，煙氣中所含水蒸氣過(guò)飽和凝結(jié)，凝結(jié)水滴在光線作用下呈現(xiàn)出白色或者灰色，即煙囪“白煙”。

有研究表明，濕法脫硫后的濕煙氣攜帶的硫酸鹽、硝酸鹽等物質(zhì)，加重了霧霾的形成。2017年6月，上海市率先出臺(tái)濕煙羽治理政策，其他各省、市也陸續(xù)出臺(tái)了相關(guān)政策。

1 漿液冷卻消白技術(shù)選擇

針對(duì)白煙生成機(jī)理，目前主流消白技術(shù)路線有煙氣加熱技術(shù)、煙氣冷凝技術(shù)和煙氣冷凝再熱組合技術(shù)。煙氣加熱技術(shù)主要通過(guò)對(duì)脫硫后凈煙氣進(jìn)行加熱，降低煙氣的相對(duì)濕度，煙氣進(jìn)入大氣環(huán)境時(shí)主要以顯熱的形式放熱因而可實(shí)現(xiàn)無(wú)白煙或少白煙排放，但并未改變煙氣中污染物的含量。

煙氣冷凝技術(shù)消白原理在于通過(guò)煙氣冷凝直接降低脫硫出口凈煙氣的絕對(duì)含濕量。煙氣冷凝再熱組合技術(shù)是加熱技術(shù)和冷凝技術(shù)的組合技術(shù)，先通過(guò)冷凝技術(shù)減少煙氣絕對(duì)含濕量、脫除煙氣中部分污染物，再通過(guò)加熱降低煙氣相對(duì)含濕量，使煙氣消白更徹底，適用于冬季氣候寒冷的地區(qū)，缺點(diǎn)是投資成本較高。

漿液冷卻技術(shù)屬于煙氣冷凝消白技術(shù)之一，由于其工程實(shí)施簡(jiǎn)單、工程量小、運(yùn)行能耗低、可不停爐進(jìn)行工程改造和消缺維護(hù)等優(yōu)勢(shì)，目前在煙囪消白領(lǐng)域應(yīng)用數(shù)量?jī)H次于管殼式換熱器煙道冷凝技術(shù)。

2 漿液冷卻消白技術(shù)分析

2.1 漿液冷卻方式分析

在現(xiàn)有石灰石-石膏法濕法脫硫工藝中，吸收塔出口煙氣溫度和濕度主要影響因素有吸收塔入口煙氣溫度、入口煙氣濕度、脫硫系統(tǒng)設(shè)備散熱、脫硫反應(yīng)放熱、噴淋液氣比等，一般溫度范圍為48～55℃。

基于脫硫系統(tǒng)的熱平衡分析可知，進(jìn)口煙溫越高，出口煙溫也越高；進(jìn)口煙氣濕度越大，出口煙溫也越高。但在一個(gè)穩(wěn)定運(yùn)行的機(jī)組中，吸收塔進(jìn)口煙溫波動(dòng)不大，而濕度取決于所燃燒煤質(zhì)，也基本不會(huì)變化。

脫硫反應(yīng)熱受脫硫反應(yīng)控制，在滿足現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)的情況下基本變化不大。而液氣比主要決定出口煙氣的飽和度，當(dāng)液氣比較大的情況下（如大于10），出口煙氣基本接近飽和狀態(tài)。

因此若不采用塔后煙氣換熱的方式實(shí)現(xiàn)煙氣冷凝，則降低吸收塔出口煙氣含濕度一般只有進(jìn)一步采取相關(guān)措施以增加脫硫系統(tǒng)的對(duì)外熱量釋放。對(duì)于基本不加保溫的塔體而言，在固定季節(jié)的情況下，可以通過(guò)循環(huán)漿液的散熱降溫，然后再通過(guò)塔內(nèi)噴淋換熱作用以進(jìn)一步降低出口煙氣溫度。綜合考慮各種限制因素，這種方式可以滿足消白需求的同時(shí)，具有基本不影響原有脫硫工藝效果和改造工程量較少的特點(diǎn)。

2.2 漿液冷卻消白原理

在穩(wěn)定運(yùn)行的吸收塔內(nèi)，漿液溫度基本穩(wěn)定，一般比吸收塔出口煙氣溫度低1～3℃。降低漿液溫度，最簡(jiǎn)單有效的方法是在漿液循環(huán)泵出口漿液循環(huán)管道上設(shè)置漿液冷卻器，通過(guò)外界冷媒，間接降低漿液返回噴淋層的溫度。漿液噴淋層有3~4層，噴淋層間距通常為1～2m，一般按1.5～1.7m設(shè)計(jì)，以保證足夠的覆蓋率和充分的煙氣洗滌效果。機(jī)組低負(fù)荷時(shí)，在滿足脫硫效果情況下，可停運(yùn)高層噴淋層，這是選擇頂層或次頂層作為漿液冷卻層的原因之一；其次，吸收塔內(nèi)煙氣與漿液為逆流傳質(zhì)、傳熱，煙氣在次頂層或頂層時(shí)處于近飽和狀態(tài)，選擇頂層或次頂層噴淋層循環(huán)漿液作為煙氣冷源，冷卻效果最好。

漿液經(jīng)過(guò)漿液冷卻器降溫后，進(jìn)入吸收塔內(nèi)頂層或次頂層，通過(guò)噴頭霧化，霧化后的漿液液滴直徑在 900～3000μm。霧化后漿液與煙氣接觸，煙氣中水蒸氣發(fā)生低溫冷凝，最終在除霧器的作用下大部分被脫除，出口煙溫和含濕量滿足消白要求。對(duì)煙氣噴淋降溫后的漿液回落到塔池中，在漿液循環(huán)泵和漿液冷卻器的作用下循環(huán)冷卻煙氣。

冷卻漿液的冷卻水經(jīng)過(guò)漿液換熱器后升溫7～10℃，回到機(jī)組冷卻塔或新建機(jī)力通風(fēng)冷卻塔中進(jìn)行冷卻，循環(huán)使用。

3 漿液冷卻消白技術(shù)方案

天津地區(qū)某電廠300MW機(jī)組吸收塔塔后煙氣量為1173185 m3/h（標(biāo)態(tài)、濕基、實(shí)際O2），消白擬采用漿液冷卻方式，具體降溫幅度要求如下：非采暖季（4月至11月）吸收塔出口溫度由53℃降至47℃；采暖季（11月至次年3月）吸收塔出口溫度由51℃冷凝至44℃。

漿液冷卻器的冷卻水取自電廠冷卻水塔的集水池，夏冬季節(jié)冷卻器進(jìn)水水溫分別為32.5℃和20℃。

3.1 換熱系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1.1 漿液冷卻器

單臺(tái)機(jī)組在頂層和次頂層分別設(shè)置一臺(tái)漿液冷器，一備一用。漿液冷卻器采用直通道板式換熱器，單臺(tái)冷卻器滿足機(jī)組在100% BMCR工況下，保證吸收塔出口煙溫符合消白要求。漿液冷卻器參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 漿液冷卻器參數(shù)

規(guī)格 mm 1.2腐蝕裕量 mm 0.5板間距 mm 20年腐蝕率 mm 0.02使用壽命 年 30殼體截面 m 2.7×2.6殼體高度 m 8.2設(shè)備重量 t 37.5

換熱器底部與頂部設(shè)置漿液接口與原漿液管道連接；上部與下部側(cè)邊設(shè)置冷卻水接口，與冷卻水循環(huán)管路連接。漿液從循環(huán)泵出口自下而上流動(dòng)，冷卻水自上而下流動(dòng)，呈純逆流換熱。

由于漿液循環(huán)泵揚(yáng)程裕量有限，在設(shè)計(jì)漿液冷卻器時(shí)優(yōu)先考慮漿液側(cè)低阻結(jié)構(gòu)。漿液側(cè)采用直通道設(shè)計(jì)，具有阻力低、傳熱效率高、抗磨損、耐堵塞、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小等優(yōu)點(diǎn)。在漿液側(cè)和冷卻水側(cè)設(shè)置沖洗口，確保換熱器長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

在漿液冷卻器的循環(huán)水進(jìn)出口設(shè)置電導(dǎo)儀，監(jiān)測(cè)進(jìn)出口循環(huán)水的電導(dǎo)率變化以檢查是否出現(xiàn)漿液和循環(huán)水之間發(fā)生串漏。

3.1.2 冷卻水系統(tǒng)

漿液冷卻裝置的冷源來(lái)自機(jī)組循環(huán)水。循環(huán)水泵一用一備，變頻控制，通過(guò)管道將冷卻塔中的冷循環(huán)水輸送到漿液冷卻器，通過(guò)漿液冷卻器對(duì)煙氣進(jìn)行間接降溫。然后升溫后的循環(huán)水送回到機(jī)組循環(huán)水回水母管，再被輸送到冷卻塔內(nèi)淋水降溫。為滿足低負(fù)荷時(shí)的運(yùn)行要求，在泵出口管道與回水管道間設(shè)置了旁路管道，結(jié)合變頻器對(duì)進(jìn)入換熱器的水量進(jìn)行調(diào)節(jié)。

冷卻水回水水量、溫度根據(jù)現(xiàn)有機(jī)組冷卻塔冷卻負(fù)荷裕量選擇，不得影響機(jī)組冷卻塔對(duì)機(jī)組循環(huán)水的冷卻降溫性能。對(duì)于廠址附近有江湖河海的機(jī)組，可采用直流式的冷卻水，降低消白投資建設(shè)成本，如本案采用的是海水冷卻。

3.1.3 換熱系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計(jì)

漿液冷卻從換熱角度來(lái)說(shuō)有三次換熱，分別是漿液與冷卻水在漿液冷卻中的間接換熱、漿液與煙氣在吸收塔內(nèi)的直接接觸噴淋換熱、冷卻水與空氣在機(jī)組冷卻塔中的直接接觸噴淋換熱。

通過(guò)選型計(jì)算，漿液冷卻系統(tǒng)參數(shù)如表2。

3.2 漿液循環(huán)泵校核

本方案增加的漿液冷卻器不影響原漿液循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行，詳見(jiàn)表3。

表3 漿液循環(huán)泵沿程校核

3.3 脫硫水平衡校核

不管是煙道冷凝還是吸收塔內(nèi)冷凝，都面臨著煙氣冷凝水處理的問(wèn)題。對(duì)于漿液冷卻器，由于冷凝作用發(fā)生在吸收塔內(nèi)，煙氣中析出的大量冷凝水直接落入吸收塔池，破壞原有脫硫水平衡。為保證吸收塔安全穩(wěn)定運(yùn)行和保證脫硫效率，需要對(duì)吸收塔內(nèi)水平衡進(jìn)行調(diào)整。

經(jīng)過(guò)熱力計(jì)算，該機(jī)組夏季冷凝液37t/h，冬季冷凝液33.5t/h，水平衡計(jì)算按冷凝液37t/h考慮。經(jīng)過(guò)水平衡改造后，吸收塔實(shí)現(xiàn)零補(bǔ)水。脫硫水平衡詳見(jiàn)表4。

從現(xiàn)有漿液冷卻消白工程應(yīng)用來(lái)看，每個(gè)項(xiàng)目脫硫機(jī)組水平衡情況不同，并不是每個(gè)項(xiàng)目都能通過(guò)調(diào)整脫硫塔得水和失水來(lái)達(dá)到水平衡，有時(shí)還需增加脫硫廢水排放量，或者新增水處理設(shè)備凈化漿液以實(shí)現(xiàn)清水回用進(jìn)一步減少工藝輸入水。

4 結(jié)論與建議

對(duì)于有消白政策要求的地區(qū)用戶，如果有消白場(chǎng)地緊張、風(fēng)機(jī)裕量不足且風(fēng)機(jī)無(wú)法改造、改造資金匱乏和要求改造停機(jī)停爐時(shí)間短等條件限制，可選擇漿液冷卻消白技術(shù)，該技術(shù)能較好解決上述問(wèn)題。同時(shí)漿液冷卻技術(shù)不僅能達(dá)到消白政策要求，還能協(xié)同脫除煙氣其余污染物，達(dá)到煙氣深度治理效果。

表4 工藝水系統(tǒng)改造后水平衡計(jì)算表