石灰石/石膏濕法脫硫系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計與措施

王守春,趙強,馮想紅

(1.西安航天源動力工程有限公司,陜西 西安 710100;2.西安航天動力研究所,陜西 西安 710100)

石灰石/石膏濕法脫硫作為世界上應(yīng)用最廣的脫硫技術(shù),其主要優(yōu)點有:1)脫硫效率高;2)技術(shù)成熟度高;3)運行安全可靠性高;4)脫硫劑廉價。目前我國大部分燃煤電廠采用石灰石/石膏濕法脫硫工藝進(jìn)行煙氣脫硫,約占國內(nèi)工業(yè)煙氣脫硫總量的90%以上[1]。

2020年9月,我國提出“二氧化碳排放力爭2030年前達(dá)到峰值,2060年實現(xiàn)碳中和”的“雙碳戰(zhàn)略”。石灰石/石膏濕法脫硫系統(tǒng)轉(zhuǎn)動設(shè)備較多,設(shè)備能耗較大,約占電廠用電的15%～20%。因此,石灰石/石膏濕法脫硫系統(tǒng)的節(jié)能降耗對“雙碳戰(zhàn)略”的實現(xiàn)具有重要的意義。

本文結(jié)合江蘇徐州某2×350 MW“上大壓小”超臨界燃煤CFB鍋爐配套煙氣濕法脫硫工程設(shè)計過程中的實踐與經(jīng)驗,對石灰石/石膏濕法脫硫系統(tǒng)節(jié)能設(shè)計及措施進(jìn)行闡述。

1 脫硫系統(tǒng)概述及組成

本項目脫硫系統(tǒng)采用石灰石-石膏濕法單塔單循環(huán)脫硫工藝,采用一爐一塔,入口SO2質(zhì)量濃度4 000 mg/m3,脫硫裝置效率不小于99.3%,二氧化硫排放質(zhì)量濃度≤35 mg/m3。

1.1 吸收系統(tǒng)

吸收系統(tǒng)包括逆流吸收塔、吸收塔漿液循環(huán)、吸收塔漿液攪拌系統(tǒng)、石膏漿液排出和氧化空氣系統(tǒng)及放空、排凈設(shè)施。

吸收塔設(shè)置5臺漿液循環(huán)泵,每臺漿液循環(huán)泵對應(yīng)1層漿液噴淋層。

每座吸收塔設(shè)置4臺側(cè)入式攪拌器。

每套FGD配置2臺單級高速離心氧化風(fēng)機。

SO2吸收系統(tǒng)主要設(shè)備及參數(shù)(單塔):

吸收塔:吸收塔漿池直徑為Ф12.4 m,漿池容積1 500 m3,正常液位12.4 m,噴淋區(qū)直徑為Ф12.4 m。

漿液循環(huán)泵:每臺塔設(shè)置五臺漿液循環(huán)泵。吸收塔循環(huán)泵設(shè)計流量4 550 m3/h,設(shè)計揚程為:20.6/22.6/24.6/26.6/28.6 m。

吸收塔側(cè)入式攪拌器:每臺吸收塔設(shè)置四臺側(cè)入式攪拌器,用來防止?jié){液沉積,每臺攪拌器電機功率37 kW。

氧化風(fēng)機:每臺塔設(shè)計2臺單級高速離心氧化風(fēng)機,設(shè)計風(fēng)量9 500 m3/h,設(shè)計揚程86 kPa。

石膏排出泵:每臺塔設(shè)置兩臺石膏排出泵,設(shè)計流量115 m3/h,設(shè)計揚程為60 m。

1.2 制漿系統(tǒng)

吸收劑漿液利用石灰石粉制備,石灰石粉由密封罐車運至脫硫島的石灰石粉貯倉。石灰石粉由密封罐車運至脫硫島,由管道輸送至石灰石粉倉。石灰石粉伴隨流化風(fēng)經(jīng)兩臺旋轉(zhuǎn)給料閥進(jìn)入石灰石漿液箱與工藝水或是石膏脫水系統(tǒng)產(chǎn)生的濾液混合制成30%濃度的石灰石漿液,由石灰石漿液泵補充至吸收塔。

石灰石粉倉有效貯粉容積按不小于設(shè)計工況下2臺350 MW機組3 d的石灰石耗量,應(yīng)不小于500 m3,底部錐形部分與水平面的夾角應(yīng)不小于65°,頂部有3°的坡面。石灰石粉倉采用鋼結(jié)構(gòu),并考慮合理的防磨措施。石灰石粉倉的設(shè)計運行壓力保持微負(fù)壓,以避免漏粉、冒粉現(xiàn)象發(fā)生。石灰石粉倉底部設(shè)2個卸粉口,每個卸粉口下都應(yīng)裝設(shè)手動插板門、電動插板門、旋轉(zhuǎn)給料機。合理布置石灰石粉倉底部的卸粉設(shè)備,并應(yīng)配備完整卸料、給料設(shè)備。為使卸粉順暢,石灰石粉倉底部設(shè)置足夠面積的氣化裝置,并且布置合理。為防止流化空氣中的水分凝結(jié),造成石灰石粉倉內(nèi)石灰石粉結(jié)塊,在流化風(fēng)機出口母管上設(shè)有流化風(fēng)機電加熱器。石灰石粉倉頂部設(shè)有一套布袋除塵設(shè)施,用于去除石灰石粉倉進(jìn)料和落料時產(chǎn)生的粉塵。同時設(shè)置真空釋放閥。為了除塵器和料位計等的檢修維護(hù),設(shè)計有必需的樓梯平臺及起吊設(shè)施。石灰石漿液箱的容量滿足燃用設(shè)計煤種時不小于4 h的漿液消耗量。

本工程共設(shè)1座石灰石粉倉,石灰石粉倉有效貯粉容積按不小于設(shè)計工況下2臺350 MW機組3 d的石灰石耗量。

系統(tǒng)主要設(shè)備及參數(shù):

1個石灰石粉倉(含除塵設(shè)備),設(shè)計有效容積720 m3。配置兩臺流化風(fēng)機及一臺電加熱器。

石灰石漿液箱:漿液制備系統(tǒng)設(shè)置一座石灰石漿液箱,漿液箱尺寸為Φ6 000×5 500 mm。同時,設(shè)置一臺頂入式攪拌器。

石灰石漿液泵:漿液制備系統(tǒng)設(shè)置四臺變頻石灰石漿液泵(兩用兩備),每臺泵設(shè)計流量27 m3/h,設(shè)計揚程40 m。

1.3 脫水系統(tǒng)

由石膏排出泵送來的石膏漿液輸送到安裝在石膏脫水車間頂部的石膏旋流站。漿液濃縮到濃度大約50%的底流漿液底流至真空皮帶脫水機,溢流漿液進(jìn)入濾液箱。

石膏旋流站底流漿液經(jīng)過真空皮帶脫水機脫水后,形成含固量大于90%,含水量小于10%的石膏。石膏經(jīng)沖洗降低其中的Cl-濃度,沖洗水接自工業(yè)水。濾液回收進(jìn)入濾液箱。

經(jīng)過皮帶脫水的脫水石膏,送入石膏堆料庫,石膏庫內(nèi)的石膏通過鏟車進(jìn)行汽車裝卸工作。

脫水系統(tǒng)設(shè)置兩套真空皮帶脫水系統(tǒng),每臺脫水皮帶機的出力按照2×350 MW機組容量燃用校核煤種2時石膏產(chǎn)量的100%設(shè)計,共2臺,1用1備。

系統(tǒng)主要設(shè)備及參數(shù):

石膏旋流站:系統(tǒng)設(shè)置兩臺石膏旋流站,設(shè)計流量:115 m3/h。

真空皮帶脫水機:石膏脫水系統(tǒng)設(shè)置兩臺真空皮帶脫水機,每臺脫水機設(shè)計出力為22 t/h。

水環(huán)式真空泵:每臺皮帶脫水機配置一臺真空泵,一臺氣液分離器。

1.4 濾液系統(tǒng)

濾液回收系統(tǒng)設(shè)置一座濾液箱(含頂入式攪拌器)、兩臺濾液泵、兩臺廢水旋流器給料泵和一臺廢水旋流器,濾液泵設(shè)計流量190 m3/h,設(shè)計揚程35 m,廢水旋流器給料泵設(shè)計流量為20 m3/h,設(shè)計揚程45 m,廢水旋流器設(shè)計流量為12 m3/h。

1.5 公用系統(tǒng)

脫硫公用系統(tǒng)包括工藝水系統(tǒng)和壓縮空氣系統(tǒng)。

1.5.1 工藝水系統(tǒng)

脫硫系統(tǒng)設(shè)置1座工藝水箱(Φ5 000×6 000 mm),2臺工藝水泵(1用1備)(設(shè)計流量:100 m3/h,設(shè)計揚程55 m)。

同時設(shè)置1座工業(yè)水箱(Φ4 000×5 000 mm),2臺工業(yè)水泵(1用1備)(設(shè)計流量:70 m3/h,設(shè)計揚程50 m)。

每臺設(shè)置兩臺除霧器沖洗水泵和一臺濕電沖洗水泵,除霧器沖洗水泵設(shè)計流量:150 m3/h,設(shè)計揚程70 m,濕電沖洗水泵設(shè)計流量:105 m3/h,設(shè)計揚程90 m。

1.5.2 壓縮空氣系統(tǒng)

廠區(qū)內(nèi)配制有雜用壓縮空氣和儀用壓縮空氣系統(tǒng),正常工作壓力為0.4～0.8 MPa。

1.6 排放系統(tǒng)

排放系統(tǒng)設(shè)有1座事故漿液箱、2座吸收塔區(qū)排水坑、1座制漿脫水區(qū)排水坑。

1.7 廢水處理系統(tǒng)

從脫硫裝置出來的廢水由水泵提升至中和箱,在中和箱內(nèi)投加石灰乳經(jīng)攪拌中和至pH值為7.5～9,中和箱溢流至反應(yīng)箱,在反應(yīng)箱內(nèi)加15%的有機硫使一些重金屬如汞和鎘沉淀出來。反應(yīng)箱溢流至絮凝箱,在絮凝箱內(nèi)投加絮凝劑進(jìn)行絮凝反應(yīng),同時在絮凝箱內(nèi)加助凝劑進(jìn)一步使懸浮物形成大的顆粒。然后重力流到澄清器內(nèi),經(jīng)過澄清,廢水中的固形物沉降分離出來。澄清器內(nèi)水流的最佳上升速度為0.8 m/h。廢水經(jīng)重力流至出水池后,由廢水泵外排。在廢水處理過程中,澄清器內(nèi)產(chǎn)生含固量10%的污泥,采用板框壓濾機濃縮污泥得到含泥65%的泥餅。處理后的廢水經(jīng)出水泵排放。

2 系統(tǒng)能耗分析

石灰石/石膏濕法脫硫系統(tǒng)中,主要的能源介質(zhì)為電、石灰石、工藝水等[2-3]。

2.1 電耗

濕法脫硫系統(tǒng)中電耗主要來源有:系統(tǒng)阻力帶來的引風(fēng)機電耗(增加值)、漿液循環(huán)泵電耗、氧化風(fēng)機電耗以及其他系統(tǒng)轉(zhuǎn)機電耗。本項目主要電耗如表1所示。

表1 脫硫系統(tǒng)主要設(shè)備電負(fù)荷統(tǒng)計

綜合表1,脫硫系統(tǒng)總電耗約5 500 kW,其中循環(huán)泵電耗約占81%,氧化風(fēng)機電耗約占9%,其余設(shè)備占10%左右。

2.2 石灰石耗量

兩臺機組總的石灰石耗量約為17.6 t/h。

2.3 水耗

脫硫系統(tǒng)中進(jìn)入系統(tǒng)的水主要包括:制漿水、除霧器沖洗水、石膏沖洗水、煙氣攜帶水(帶入)、石灰石帶出水等;脫硫系統(tǒng)帶出系統(tǒng)的水主要包括:煙氣蒸發(fā)水、煙氣攜帶水(帶出)、石膏結(jié)晶水、石膏攜帶水、廢水等。系統(tǒng)的總水耗為帶出系統(tǒng)總水量-帶入系統(tǒng)總水量,其中,帶出系統(tǒng)的總水量、制漿水、石膏沖洗水、煙氣攜帶水(帶入)、石灰石帶出水等可以計算出來。

為保持系統(tǒng)水平衡,進(jìn)入系統(tǒng)的水剩余部分由除霧器沖洗水補充,若剩余水量大于除霧器所需最小沖洗水量,系統(tǒng)水平衡可以通過增大除霧器沖洗水量保持平衡;若剩余水量小于除霧器所需最小沖洗水量,則需要通過其他方法達(dá)到系統(tǒng)水平衡。本項目系統(tǒng)總水耗約為100 t/h。

綜合以上耗量的分析,石灰石/石膏濕法脫硫系統(tǒng)主要能耗為電耗和水耗,基于減少電耗和水耗的原則,可以從設(shè)計方面進(jìn)行節(jié)能優(yōu)化設(shè)計,同時,通過運行調(diào)節(jié)匹配系統(tǒng)實際運行情況。

3 優(yōu)化設(shè)計

3.1 吸收系統(tǒng)

3.1.1 循環(huán)泵

1)循環(huán)泵采用聯(lián)軸器連接形式,不設(shè)置減速機,減少減速機帶來的能耗,通過采用八級電機及切削葉輪方法,使設(shè)計工況下泵效率維持在平緩區(qū)域,同時葉輪線速度控制在30 m/s以下,減少葉輪的磨損;

2)循環(huán)泵電機采用變頻控制,在保證噴嘴霧化效果的前提下,根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷調(diào)節(jié)循環(huán)泵頻率,達(dá)到節(jié)能的效果,根據(jù)經(jīng)驗,一般情況下,控制電機頻率在42～50 Hz;同時,高壓電機能效等級達(dá)到一級能耗;

3)優(yōu)化吸收塔入口煙道傾斜度:通過模擬計算,吸收塔入口傾斜度為10°時,吸收塔入口煙氣與漿液產(chǎn)生的擾動最小,氣流分布更加均勻。

3.1.2 合金托盤

在吸收塔入口和第一層噴淋層之間增設(shè)一層合金托盤。增設(shè)合金托盤使得進(jìn)入吸收塔的氣體流速得到了很好的均布作用,提高了噴淋密度的均勻性[4-5]。

氣液兩相同時通過篩孔進(jìn)行傳質(zhì),主要機理是將液相作為捕塵體,在慣性、截留、擴散等作用下將粉塵捕集,并且控制氣流流速在一定范圍內(nèi)時(與水層高度有關(guān))可以在篩板上形成泡沫層。在泡沫層中的氣泡不斷地斷裂、合并,又重新生成。氣流在通過這層泡沫后,粉塵被捕集,氣體得到凈化。從而極大地提高吸收劑利用率;有效地降低液氣比,從而降低了循環(huán)漿液泵的流量和功耗。

3.1.3 空塔流速

優(yōu)化吸收塔煙氣流速。煙氣流速越大,吸收塔阻力越大,引風(fēng)機電耗增加;但高流速下氣液傳質(zhì)好,脫硫效果增強,可降低循環(huán)泵流量,降低循環(huán)泵電耗。煙氣流速越小,吸收塔阻力越小,增壓風(fēng)機電耗減小;但氣液傳質(zhì)變差,需增加循環(huán)泵流量,從而增加循環(huán)泵電耗。優(yōu)化吸收塔煙氣流速,可保證綜合電耗最低。

一般情況下,吸收塔空塔流速不高于3.5 m/s[6],本項目空塔流速控制在3.2 m/s,既滿足吸收塔傳質(zhì)要求,又降低了阻力,設(shè)計負(fù)荷下,吸收塔阻力約為1 900 Pa。

3.1.4 噴淋層

3.1.4.1 噴嘴差異化布置

通過對吸收塔內(nèi)的流場進(jìn)行數(shù)值模擬分析,一般情況下,吸收塔內(nèi)部均存在流場不均勻的情況,但噴淋層噴嘴布置又基本采用均勻布置,使得吸收塔同一截面內(nèi)液氣比不均勻,高流速區(qū)液氣比低,低流速區(qū)液氣比高,降低吸收塔的脫硫效率的同時,使得高流速區(qū)域內(nèi)的煙氣夾帶液滴的能力增強,如圖1所示。

圖1 吸收塔內(nèi)流場分布示意圖

采用噴淋層噴嘴差異化布置,在高流速區(qū)域增加噴嘴的密度,在低流速區(qū)減少噴嘴密度,以提高高流速區(qū)的噴淋阻力,降低低流速區(qū)的噴淋阻力,既可以均勻吸收塔內(nèi)的流場,同時可以降低煙氣攜帶液滴的能力,并提高脫硫效率。

通過噴淋層并交錯布置設(shè)計,保證單層噴淋覆蓋率達(dá)到280%以上,同時噴淋層噴嘴針對吸收塔內(nèi)煙氣分布特點以及壁面效應(yīng)的特點布置,保證吸收塔內(nèi)最佳的煙氣與漿液接觸,同時可降低液氣比。

3.1.4.2 噴嘴型式

根據(jù)吸收塔內(nèi)煙氣分布的特點,吸收塔壁面處非常容易形成煙氣的短路(壁面效應(yīng)),從而造成煙氣與漿液接觸不充分,降低脫硫效率。噴淋層的設(shè)計針對此種情況,專門設(shè)計壁面區(qū)噴嘴布置以及噴嘴選型。壁面區(qū)噴嘴布置較中心區(qū)密,噴嘴選型也與中心區(qū)有所差別,可保證壁面區(qū)漿液噴淋均勻而嚴(yán)密,完全消除壁面效應(yīng),不會出現(xiàn)噴淋的死角,從而有效地達(dá)到脫硫效率。

根據(jù)以上原則,采用高效霧化噴嘴,可保證有效的漿液霧化效果,提高脫硫效率,降低液氣比。同時采用無堵塞式的中空噴嘴設(shè)計,可保證噴嘴有最大的自由通暢直徑,降低噴嘴堵塞的可能性。本項目噴淋層布置如下:

1)吸收塔共布置五層噴淋層,噴淋管采用FRP材質(zhì),每層噴淋層依次交錯布置,角度為15°,噴淋層管道流速應(yīng)控制在1.8～2.8 m/s。

2)每層噴淋層布置120只高效霧化噴嘴,每座吸收塔噴嘴總數(shù)為600只。

3)噴嘴對稱布置。噴嘴布置分中心區(qū)和壁面區(qū)兩部分,中心區(qū)噴嘴和壁面區(qū)噴嘴型式不一樣,詳見噴嘴參數(shù)表。

4)每層噴淋層中心區(qū)布置噴嘴76只,每座吸收塔共380只;每層噴淋層壁面區(qū)布置噴嘴44只,每座吸收塔共220只。所有噴嘴安裝時出口必須垂直向下,不允許傾斜。

3.2 氧化風(fēng)系統(tǒng)

1)氧化風(fēng)機采用單級高速離心風(fēng)機,整體效率保持在80%以上。

2)葉輪采用由鍛造鋁合金或更好材料整體加工而成的開式徑向葉輪,按照“三元流動理論”設(shè)計,葉片采用“長短”結(jié)合,通過計算機模擬葉輪后傾角,保證葉輪的高效率。葉輪整體由“五軸加工中心”加工而成。

3)采用進(jìn)口導(dǎo)葉和出口擴壓器組合,實行聯(lián)合進(jìn)出口導(dǎo)葉的控制模式,能在鼓風(fēng)機的調(diào)節(jié)范圍(從100%到45%)內(nèi),當(dāng)其偏離設(shè)計工況(低溫或低壓)運行時達(dá)到盡可能高的效率。

4)高速齒輪采用平行軸斜齒輪型式,軸向載荷通過止推環(huán)傳遞至低速軸輪緣上。小齒輪軸和轉(zhuǎn)軸合為一體,保持較高的傳動效率。

5)氧化風(fēng)機電機采用變頻控制,能效等級達(dá)到一級能耗。

3.3 制漿系統(tǒng)

制漿系統(tǒng)水源采用濾液和工藝水兩路水源,正常情況下,采用皮帶機濾液制漿,減少進(jìn)入系統(tǒng)的水量[7-8]。

本項目所需制漿水約22 t/h,約占系統(tǒng)所需新水的40%,通過濾液制漿極大減少進(jìn)入系統(tǒng)的新水量,為系統(tǒng)水平衡提供了有力保障。

3.4 工藝水系統(tǒng)

FGD水耗主要取決于煙氣蒸發(fā)帶走的水和廢水排放。

1)在水質(zhì)滿足FGD裝置要求的情況下,盡量采用循環(huán)排污水作為FGD裝置工藝水,以降低電廠的工業(yè)水耗量;

2)設(shè)計連續(xù)運行的循環(huán)管線應(yīng)盡量避免間斷運行,以減少管道和設(shè)備沖洗水;

3)由于FGD裝置廢水排放對FGD裝置的安全運行很重要,不能為了節(jié)水而減排或者不排廢水,但廢水排放量可根據(jù)現(xiàn)場調(diào)試運行情況進(jìn)行調(diào)整。此時需要加強對吸收塔內(nèi)漿液的成分進(jìn)行化學(xué)分析監(jiān)測,確定合理的廢水排放量;

4)為避免增加FGD系統(tǒng)廢水排放量,應(yīng)保證引風(fēng)機前的除塵器(電除塵或袋除塵)高效運行;

5)FGD裝置的水平衡已經(jīng)設(shè)計成循環(huán)使用的模式,運行過程中應(yīng)按設(shè)計要求將管道沖洗水、密封水等收集循環(huán)使用,以減少系統(tǒng)水耗。循環(huán)泵機封水、小漿液泵機封水和氧化風(fēng)機冷卻水為保證泵類及風(fēng)機正常運行的必須水,無法根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷進(jìn)行調(diào)節(jié),此部分水全部進(jìn)入系統(tǒng),無疑增加了系統(tǒng)的水平衡難度。鑒于此,本項目將以上機封水和冷卻水收集起來,送入工藝水系統(tǒng),減少進(jìn)入脫硫系統(tǒng)新水的流量。

本項目機封水總量約為13 t/h,氧化風(fēng)機冷卻水約為7 t/h,合計總量為20 t/h。

4 結(jié)語

石灰石/石膏濕法脫硫系統(tǒng)中,泵類及風(fēng)機類轉(zhuǎn)動設(shè)備較多,系統(tǒng)相對復(fù)雜,系統(tǒng)電耗約占廠用電量的20%,因此,對石灰石/石膏濕法脫硫轉(zhuǎn)動設(shè)備的節(jié)能優(yōu)化設(shè)計至關(guān)重要。本文結(jié)合案例,對脫硫系統(tǒng)中較為重要的脫硫塔、循環(huán)泵、氧化風(fēng)機等重要轉(zhuǎn)動設(shè)備及系統(tǒng)用水量等方面的設(shè)計進(jìn)行了闡述,通過以上優(yōu)化設(shè)計,可以有效降低脫硫系統(tǒng)的能耗,產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益。