3×135MW循環(huán)流化床鍋爐濕法脫硫工程改造設(shè)計(jì)研究

＊蔡金勵(lì) 何秀錦

（1.黔西南州元豪投資有限公司 貴州 562409 2.桂林航天工業(yè)學(xué)院 廣西 541000）

3×135MW循環(huán)流化床鍋爐發(fā)電機(jī)組作為自備電廠對(duì)鋁業(yè)公司做出了重要貢獻(xiàn)。電解鋁行業(yè)是高耗能行業(yè)，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)，每噸鋁錠的耗電量可達(dá)1.33萬kW·h[1]。對(duì)于年產(chǎn)15萬噸鋁錠的中型電解鋁廠而言，年耗電量接近20億kW·h。相比從電力公司購電，自備電廠供電可以降低約20%的電力成本，每年節(jié)省超過1億元的用電成本，顯著增強(qiáng)鋁業(yè)公司的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

三臺(tái)鍋爐于2003年投入運(yùn)行，電站鍋爐的大氣污染物排放濃度執(zhí)行GB 13223—2003，即SO2的排放濃度不大于400mg/m3（O2體積分?jǐn)?shù)為6%的干煙氣）[2]。此外，2003年的煤炭價(jià)格相對(duì)較低，動(dòng)力用煤的價(jià)格不足300元/tce，因此可以采用含硫量低于1.0%，低位發(fā)熱量大于18.5MJ/kg質(zhì)量較好的動(dòng)力煤作為鍋爐燃料[3]。通過采用脫硫成本較低的爐內(nèi)脫硫的方法就可以達(dá)到當(dāng)時(shí)的環(huán)保排放要求。然而，中國經(jīng)過20年的經(jīng)濟(jì)發(fā)展導(dǎo)致能源需求和能源價(jià)格大幅提升。中國的煤炭消耗量從2003年的不足14億噸標(biāo)煤增長到了2022年的超過30億噸標(biāo)煤[4]。期間，中國動(dòng)力用煤的價(jià)格也發(fā)生了大幅攀升，2023年12月秦皇島動(dòng)力煤（5500kCla/kg，平倉）CCTD綜合交易價(jià)格已經(jīng)高達(dá)955元/tce，比2003年增長了3倍多[5]。為了降低自備電廠的燃料成本，鍋爐被迫采用熱值低于15MJ/kg、含硫量大于1.5%的劣質(zhì)高硫煤作為燃料。此外，中國電站鍋爐大氣污染物的排放要求也發(fā)生了變化。2012年1月1日實(shí)施的GB 13223—2011要求該三臺(tái)電站鍋爐的SO2排放濃度執(zhí)行限值50mg/m3（O2濃度為6%的干煙氣），2003版排放標(biāo)準(zhǔn)為12.5%[6]。鑒于諸多不利因素，原有的成本相對(duì)較低爐內(nèi)脫硫系統(tǒng)不能滿足脫硫要求，需要對(duì)三臺(tái)電站鍋爐進(jìn)行脫硫改造，采用脫硫效率較高的石灰石-石膏濕法脫硫系統(tǒng)[7]，本文介紹該脫硫系統(tǒng)的改造設(shè)計(jì)。

1.初始條件

(1)鍋爐特點(diǎn)及設(shè)計(jì)參數(shù)

該循環(huán)流化床鍋爐采用單布風(fēng)板、單爐膛和M型布置。在爐膛和尾氣道之間設(shè)置兩個(gè)旋風(fēng)分離器，下面連接兩個(gè)回料器。旋風(fēng)分離器捕集的物料將通過回料器從爐膛后部下方的四個(gè)回灰口返回到爐膛中。整個(gè)鍋爐被支吊在鋼架上。鍋爐工質(zhì)采用超高壓一次中間再熱的設(shè)計(jì)方式，主要參數(shù)見表1。鍋爐的最大連續(xù)蒸發(fā)量為440.0t/h，主蒸汽壓力為13.7MPa，主蒸汽溫度為540.0℃，鍋爐的給水溫度為248.3℃；鍋爐的再熱蒸汽流量為361.0t/h，進(jìn)出口壓力分別為2.9MPa和2.7MPa，進(jìn)出口溫度分別為322.9℃和540.0℃。

表1 鍋爐設(shè)計(jì)參數(shù)

鍋爐采用爐內(nèi)添加石灰石粉脫硫方式，直接脫除燃料在燃燒過程中生成的SO2，脫硫產(chǎn)物硫酸鈣處于干燥狀態(tài)，大部分經(jīng)除塵器進(jìn)入到鍋爐飛灰中。這種脫硫方式?jīng)]有龐大的脫硫塔，也沒有脫硫廢水的產(chǎn)生，投資成本、運(yùn)營維護(hù)成本低。

(2)鍋爐燃料及SO2排放要求

與設(shè)計(jì)煤種相比，鍋爐實(shí)際使用煤種的含硫量和熱值發(fā)生了巨大變化，導(dǎo)致鍋爐SO2的原始排放濃度大幅度上升。對(duì)于低位發(fā)熱量為18.5MJ/kg，收到基含硫量低于1%的設(shè)計(jì)煤種，SO2的原始排放濃度一般低于3000mg/m3。而對(duì)于實(shí)際使用煤種，低位發(fā)熱量為15MJ/kg，收到基含硫量高于1.5%的劣質(zhì)煤，煙氣中SO2的原始排放濃度不低于5500mg/m3。此外，環(huán)保排放要求更加嚴(yán)苛，對(duì)于GB 13223—2003，脫硫效率達(dá)到90%時(shí)SO2的排放濃度就可以滿足環(huán)保要求，但是對(duì)于GB 13223—2011，脫硫效率高達(dá)99.1%以上時(shí)SO2的排放濃度才可以滿足環(huán)保要求?；谶@種狀況進(jìn)行脫硫工程改造設(shè)計(jì)。

(3)脫硫工藝流程及設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

①脫硫工藝流程簡(jiǎn)介

該脫硫改造工程的工藝流程，如圖1所示。離開鍋爐尾部受熱面的煙氣進(jìn)入布袋除塵器除塵凈化后，經(jīng)鍋爐引風(fēng)機(jī)進(jìn)入脫硫塔，煙氣在脫硫塔內(nèi)與脫硫漿液充分接觸并脫除煙氣中的大部分SO2，脫硫后的煙氣經(jīng)煙囪排入到大氣當(dāng)中。

圖1 脫硫工藝流程

②脫硫設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

脫硫工藝設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)見表2。

表2 脫硫工藝設(shè)計(jì)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

在煙氣中還含有少量SO3、NOx、CO、H2O、O2、N2、HF、HCl等氣體，煙塵含有少量重金屬污染物，在脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)中應(yīng)該考慮這些成分對(duì)系統(tǒng)可能造成的不利影響。

2.石灰石-石膏濕法脫硫改造工程設(shè)計(jì)

（1）概述。為了實(shí)現(xiàn)鍋爐煙氣中SO2連續(xù)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放，本改造設(shè)計(jì)使用石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝。該工藝基于現(xiàn)有設(shè)備和場(chǎng)地條件進(jìn)行優(yōu)化。在設(shè)計(jì)方案中，采用先進(jìn)的噴淋塔技術(shù)對(duì)3×135MW鍋爐靜電除塵器出口處的煙氣進(jìn)行脫硫處理。塔的上部裝有四個(gè)噴淋層，并在噴淋層上方安裝三個(gè)除霧器，以最大程度減少煙氣中泥漿和水分的帶走。由于其強(qiáng)化學(xué)活性和經(jīng)濟(jì)性，選擇石灰石作為脫硫劑。

本設(shè)計(jì)鈣/硫比為1.03；系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，主裝置原料含硫量變化適應(yīng)性廣；采用DCS控制，自動(dòng)化程度高；脫硫副產(chǎn)品石膏可以實(shí)現(xiàn)綜合利用。

（2）脫硫工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本脫硫系統(tǒng)改造設(shè)計(jì)由多個(gè)相互聯(lián)系的系統(tǒng)組成，主要包括：煙氣系統(tǒng)、吸收系統(tǒng)、石膏脫水系統(tǒng)、石灰石粉漿液制備系統(tǒng)等組成。下面是對(duì)這些組成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹。

①煙氣系統(tǒng)。來自1#、2#、3#機(jī)組鍋爐煙氣經(jīng)引風(fēng)機(jī)增壓進(jìn)入吸收塔進(jìn)行煙氣凈化處理，處理后的煙氣從塔頂臨時(shí)煙囪排放。引風(fēng)機(jī)用于克服煙氣從機(jī)組到脫硫裝置流動(dòng)中的壓力損失。

當(dāng)脫硫系統(tǒng)由于各種原因，出現(xiàn)長時(shí)間煙氣溫度高于160℃，開啟事故水噴淋系統(tǒng)，對(duì)原煙氣進(jìn)行降溫，保護(hù)吸收塔內(nèi)件不受損壞。

②吸收系統(tǒng)。吸收系統(tǒng)采用帶就地強(qiáng)制氧化的噴淋空塔。在吸收塔內(nèi)，漿液中的CaCO3與煙氣中SO2、SO3等發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成CaSO3，脫硫和除塵后的凈煙氣通過三級(jí)除霧器除去氣流中夾帶的霧滴后排出吸收塔。

向吸收塔的下半部漿池中注入空氣，將亞硫酸鈣氧化為CaSO4，并生成石膏晶體。為保持石膏漿液不沉積，吸收塔漿池配有四臺(tái)側(cè)進(jìn)式攪拌器。

吸收塔的設(shè)計(jì)盡量使煙氣壓力損失小，且吸收塔內(nèi)部表面無結(jié)垢、堵塞問題。吸收塔的運(yùn)行采用自動(dòng)控制，以便連續(xù)運(yùn)行。

吸收系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

A.吸收塔。吸收塔進(jìn)口煙氣量：600000m3/h（濕基）；循環(huán)漿液停留時(shí)間：4min；液氣比：20.4l/m3；Ca/S（mol）：1.03；吸收塔漿池直徑：φ12500mm；吸收塔直徑：φ8800mm；吸收塔總高度：60m（包括塔頂煙囪）；漿液池容積：1030m3；噴淋層數(shù)量：4層。

B.吸收塔漿液循環(huán)泵。漿液循環(huán)泵的技術(shù)參數(shù)如下，泵的型式：離心式；數(shù)量：3×4臺(tái)；流量：4000m3/h；排出側(cè)壓頭：分別為20m/22m/24m/26m；電機(jī)功率：355kW/400kW/400kW/450kW。

C.吸收塔氧化風(fēng)機(jī)。氧化空氣系統(tǒng)配有2臺(tái)容量為吸收塔氧化空氣需要量2.2倍的羅茨式氧化風(fēng)機(jī)，在正常情況下，一臺(tái)運(yùn)行一臺(tái)備用。

其技術(shù)參數(shù)如下：

風(fēng)量：4895m3/h（濕基、工況）；壓升：980kPa。

③石膏脫水系統(tǒng)。質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15%左右的石膏漿液由吸收塔排出泵送到石膏旋流箱，由石膏旋流泵送入石膏漿液旋流器，濃縮到50%左右的旋流器底流漿液送到真空皮帶脫水機(jī)，石膏漿液旋流器的溢流一部分經(jīng)廢水旋流器后，溢流送入廢水處理系統(tǒng)，底流和石膏漿液旋流器的其他溢流進(jìn)入濾液箱，本系統(tǒng)設(shè)置1個(gè)濾液箱，同時(shí)進(jìn)入濾液箱的還有脫水機(jī)的濾液和濾布沖洗水，濾液箱內(nèi)的混合液由濾液水泵輸送至系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)利用。脫水機(jī)的石膏餅自動(dòng)落入石膏庫，石膏成品含水率≤10%。真空皮帶脫水機(jī)的濾液自流進(jìn)入濾液箱。進(jìn)入濾液箱的混合液，一部分返回吸收塔漿池，一部分用于配制石灰石漿液。

④石灰石粉漿液制備系統(tǒng)。本工程脫硫系統(tǒng)工藝以石灰石粉配漿后作為二氧化硫吸收劑。

吸收劑制備采用石灰石粉制漿工藝，用槽車將石灰石粉送入石灰石粉倉后，經(jīng)給料閥放入石灰石漿液箱中，配制合格的石灰石漿液由石灰石漿液泵送至吸收塔。

（3）主要原材料及動(dòng)力消耗。本工程主要原材料和動(dòng)力消耗見表3。

表3 本工程主要原材料和動(dòng)力消耗

3.結(jié)論

針對(duì)3×135MW循環(huán)流化床鍋爐燃煤特性和現(xiàn)場(chǎng)特點(diǎn)，完成了鍋爐煙氣脫硫改造設(shè)計(jì)。采用技術(shù)成熟，脫硫效率高的石灰石-石膏濕法脫硫工藝。提供了關(guān)鍵系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)參數(shù)。吸收塔的設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括進(jìn)口煙氣量、循環(huán)漿液停留時(shí)間、液氣比、鈣硫摩爾比、吸收塔的關(guān)鍵尺寸、噴淋層的數(shù)量等。吸收塔漿液循環(huán)泵的設(shè)計(jì)內(nèi)容和選型包括：循環(huán)泵的形式和數(shù)量，循環(huán)泵的壓頭和電機(jī)功率等。

本脫硫系統(tǒng)改造工程為電力、化工、鋼鐵行業(yè)煙氣脫硫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)和價(jià)值。