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湿法脱硫系统设计无旁路相关问题的探讨 李 庆 1 毛永清 1 陈志良 2 黄 杰 2 1.华北电力科学研究院有限责任公司, 北京 100045; 2.国华三河发电厂, 河北 燕郊 065201 摘要 介绍国内电厂首次投运的无旁路脱硫系统 , 其具有无 GGH、引风机和增压风机合并、 “ 烟塔合一”的特点。 通过 与其他脱硫系统的比较, 讨论了无旁路脱硫系统吸收塔、烟道、公用系统以及除尘器的设计和选型特点, 总结了其易出 现的问题及运行中的控制方法。 根据调试经验, 给出了无脱硫旁路系统的运行步序原则。 关键词 脱硫系统;无旁路设计; 烟塔合一 DISCUSSION ON INVOLVED ISSUES OF WET DESULFURATION SYSTEM WITHOUT BYPASS DESIGN Li Qing1 Mao Yongqing1 Chen Zhiliang2 Huang Jie2 1.North China Electric Power Research Institute Co. , Ltd. , Beijing 100045, China; 2.Guohua Sanhe Power Plant, Yanjiao 065201, China Abstract The desulfuration system, which is introduced as the first one without bypass design in domestic power plants, has the characteristics of no GGH design, integrating induceddraft fanwith booster fan and integrating chimney with cooling tower. The design and choices of absorber tower, duct, common system and dust collector are discussed and compared with other desulfuration systems. The possible issues during running are analyzed and the relative solutions are provided. According to the commissioning experiences, the running steps are suggested for the desulfuration system without bypass design. Keywordsdesulfuration system; without bypass design; integrating chimney with cooling tower 1 概述 随着人们对环境保护的日益重视, 燃煤火电厂的 污染物排放更受到人们的关注 ,国家和地方制订的环 保标准对电厂污染物的排放有较严格的限制 ,其中北 京市 、 天津市的地方污染物排放标准比国家标准要求 更高。如北京市 DB11 139- 2007锅炉大气污染物排 放标准中规定新建 、 扩建 、 改建的电站锅炉排放的烟 尘浓度≤ 10 mg m 3 、 二氧化硫浓度 ≤ 20 mg m 3 、氮氧化 物浓度≤100 mg m 3 。由此可见 , 随着社会经济及文 明的发展, 以后污染物排放标准更加严格 ,并加大环 保监察力度 ,因此需要电厂安装高效、长期运行稳定 的环保设备 。目前袋式除尘、电袋复合除尘 、 烟气脱 硝、 烟气脱硫装置已应用 ,其中火电厂的烟气脱硫装 置应用最为广泛 ,现在电厂烟气脱硫装置普遍采用的 是有旁路烟道石灰石 - 石膏湿法烟气脱硫技术。 由于我国脱硫设计水平和脱硫设备的质量不断 提高, 以及目前我国脱硫系统的投入率偏低 、 环保部 门要求脱硫系统 100全烟气脱硫 ,并且脱硫无旁路 的设计可相对减少投资和占地面积 ,基于以上几个因 素,脱硫无旁路的工艺应用在我国开始逐渐使用。 脱硫系统无旁路设计在国外已经发展比较成熟, 在国内才刚刚起步 。国华三河发电厂二期工程 2 300 MW 机组 3 、 4 炉 为国内首次投入运行的无旁 路设计的脱硫系统 。三河电厂二期烟气脱硫工程以 一期烟气脱硫改造为依托 ,公用系统设在一期烟气脱 硫区域,二期工程脱硫系统采用的增压风机和引风机 合二为一、无旁路、 无 GGH 的“烟塔合一”技术 。二期 工程 3 、 4 机组已于 2007 年 9 月和 11 月完成168 h 投入运行。从目前运行情况来看,机组和脱硫系统运 行正常,满足设计的要求 ,达到环保排放标准 ,国华三 河发电厂成为脱硫 、脱硝 、烟塔合一 、 灰渣综合利用、 中水利用的绿色电站 。但国华三河发电厂燃煤的来 源稳定及燃煤的含硫量和灰分比较低,其燃煤对脱硫 系统影响比较少。对其他新建机组如设计无旁路的 脱硫系统需要考虑全面和复杂一些 。 虽然在DL T5196-2004火力发电厂烟气脱硫设 84 环 境 工 程 2009年 10 月第 27卷第 5 期 计技术规程和 HJ T179-2005火电厂烟气脱硫工程 技术规范 石灰石 石灰- 石膏法中对脱硫系统的相关 设备的设计提出了比较明确的要求。但脱硫系统无旁 路的设计,对可靠性、 裕度、 备用考虑应充分一些。 无旁路的脱硫系统在设计 、 施工、 调试、 运行控制 等方面与常规有旁路脱硫系统有较大不同 。我们只 针对无旁路脱硫系统在相关设计比较突出问题进行 分析探讨 。 2 脱硫无旁路的吸收塔设计问题 有旁路烟道脱硫系统工艺流程为 烟气 ※引风 机※ FGD原烟气挡板 ※增压风机 ※GGH ※吸收塔 ※ 除雾器※ GGH ※ FGD 净烟气挡板 ※烟囱。即锅炉烟 气由引风机引出 ,通过增压风机升压 、 GGH 降温后进 入吸收塔, 在吸收塔内完成烟气中二氧化硫吸收脱 除,处理后的烟气经除雾器除去雾滴后 ,又经 GGH 升 温至 80℃ 左右通过烟囱排放。旁路挡板设计在原烟 道上 ,在脱硫系统故障跳闸和检修时,出 、 入口挡板关 闭、 旁路挡板打开,烟气经由旁路烟道从烟囱排放 ,从 而保证脱硫系统安全及机组稳定运行。 无旁路烟道的脱硫系统工艺流程为 烟气 ※ 引风 机 增压风机 ※吸收塔 ※除雾器 ※冷却塔 烟囱 。 即锅炉烟气由引风机引出进入吸收塔, 在吸收塔内完 成烟气中二氧化硫吸收脱除, 处理后的烟气经除雾器 除去雾滴后,再送入冷却塔 烟囱 排放 。因无旁路挡 板及吸收塔出、入口挡板 ,当吸收塔系统故障跳闸和 检修时,需要机组停运以保证机组和吸收塔安全。 设计无旁路烟道的脱硫系统, 对脱硫系统的安全 性、 可靠性 、 以及控制保护要求非常高, 结合目前我国 发电厂锅炉的燃用煤质、脱硫的运行情况等因素, 对 无旁路脱硫系统设计考虑要比有旁路烟道脱硫系统 设计要复杂和全面, 通过我国燃煤电厂脱硫系统出现 的普遍问题,对准备设计无旁路的脱硫系统的发电厂 应重点考虑以下几个问题 2. 1 吸收塔的入口烟气参数的选取 吸收塔的入口烟气参数主要是指吸收塔入口的 烟气量 、 温度、 粉尘浓度、SO2浓度等。我国大部分燃 煤电厂实际燃用煤种与设计煤种偏离, 尤其是燃煤的 发热量、 灰分、 含硫量有很大差异, 有些电厂锅炉燃用 煤含硫量超出脱硫系统的设计值, 造成脱硫系统不能 全烟气脱硫 ,只能开旁路进行部分烟气的脱硫 ,并且 煤中灰分的增加造成原有除尘器效率下降,高浓度粉 尘对脱硫系统的运行造成一定影响。因此对无旁路 的脱硫系统的入口烟气参数的确定 ,如 SO2浓度等主 要参数要考虑锅炉采购燃用煤种的含硫量的趋势或 年运行平均值基础上增加 30～ 50的裕度设计, 吸收塔的整体尺寸设计裕度比常规设计要大一些 ,其 中包括液气比、烟气停留时间、吸收塔直径 、塔内烟 速、 浆池容积等参数 , 防止因锅炉燃用煤种的含硫量 增加造成吸收塔的 pH 值无法控制, 机组降负荷运行 或停炉。 为了吸收塔浆液充分与烟气接触,以及锅炉不可 避免产生烟风系统漏风、烟温高等因素而不影响塔内 流速 。塔内流速尽量考虑设计 3. 5 m s左右的低 流速 。 2. 2 除雾器的设计问题 烟气从吸收塔直接排入湿烟囱 冷却塔 ,要求除 雾器的去除烟气中液滴性能高。除雾器有平板式和 屋脊式两种 ,设计时优先选择除雾效果相对好的屋脊 式除雾器, 一般常规设计要求除雾器出口排放的液滴 浓度 ≤75 mg m 3 , 对于无旁路脱硫系统可要求高一 些, 国 华 三 河 发电 厂 设 计 要 求 的 液 滴 含 量 ≤ 60 mg m 3 。 在除雾器最上层应设计手动冲洗喷淋层 ,进行人 工手动冲洗 ,否则除雾器堵塞无法进行清除。 对于采用“烟塔合一”的系统,吸收塔出口的玻璃 钢烟道直接进入冷却塔内部中心,玻璃钢烟道设计有 一定斜度, 运行时会有烟气冷凝液回流吸收塔的情 况,凝结水流可能会造成对除雾器有局部冲击及固体 的堆积,在设计吸收塔出口烟道时应给予考虑 。 2. 3 吸收塔入口烟道的设计问题 无旁路烟道的吸收塔是锅炉烟风系统的一个组 成部分,吸收塔的出入口无挡板。在冷态试运吸收塔 浆液循环泵时, 在塔内喷淋产生的空气压力将塔内的 湿气推向引风机 、 除尘器 ,造成引风机和除尘器内部 产生凝结水 ,除尘器极线 、 极板 、 灰斗及干除灰系统管 道内的粉尘易结垢板结, 影响除尘除灰的运行, 湿气 对引风机和除尘器也产生腐蚀作用 。针对以上情况 引风机出口单挡板应按脱硫系统的入口挡板的设计 考虑, 设计选择双百叶窗型挡板, 双叶片之间设有密 封风 ,这样在冷态停炉期间试运浆液循环泵时可阻断 吸收塔湿气窜入引风机和除尘器。 对于吸收塔入口段不仅在干湿界面处的设计防 腐合金 ,并在吸收塔入口内烟道上部设遮雨罩, 罩深 入塔内长度300 mm左右, 避免喷淋的浆液直接喷射 85 环 境 工 程 2009年 10 月第 27卷第 5 期 在入口烟道内。在引风机与吸收塔之间的烟道内壁 也要进行防腐处理, 烟道的防腐材料的设计最高温度 应在170 ℃以上, 烟道底部设计斜坡及集中排水 管道 。 脱硫系统没有特殊要求一般不设计事故喷淋系 统,因为事故喷淋系统长期不用反而容易自身出现问 题,另外如果出现锅炉烟气温度高时, 开旁路挡板进 行吸收塔的保护。但没有旁路烟道的脱硫吸收塔入 口应设计事故喷淋系统, 一般设计事故喷淋类型有三 种,第一种 如大港发电厂脱硫系统设计的事故喷淋 存水罐为压力容器, 为高位布置容器,容器下部存水, 上部为压缩空气, 其设计考虑脱硫系统电源全部失 去,喷淋水依靠压缩空气的压力将水喷入吸收塔入 口; 第二种 如国华三河发电厂设计的高位布置存水 罐,通过水的自重压力进行喷淋; 第三种 事故喷淋系 统通过与工艺水或除雾器水泵进行冷却喷淋 ,或单独 设计泵供应,电源需要接保安段上 。可以说 ,吸收塔 入口的事故喷淋是无 GGH 、无旁路烟道脱硫系统的 重要保护措施。 2. 4 吸收塔浆池容积和循环泵的流量设计 前面谈到吸收塔设计要有较大的裕度,因此设计 相对较大的吸收塔浆液容积可增加 SO2吸收、氧化、 石膏结晶可靠性 ,以及提高对烟气量 、 SO2浓度增加、 石灰石品质变差时的运行工况适应性, 对石灰石供应 和石膏排出、 废水排放出现临时故障也有缓冲作用 。 考虑锅炉燃用煤种含硫量的波动, 因此在设计吸 收塔循环泵的流量和数量时要与选择较大裕度的液 气比相匹配。浆液循环泵长期运行造成的磨损是不 可避免的, 因此在数量上可备用一台, 如二用一备或 三用一备 。这样设计考虑是因浆液循环泵磨损后检 修的时间较长, 防止其中一台浆液循环泵因检修而使 机组降负荷,减少发电量 。同时也相对增加了裕度 。 2. 5 石膏排出泵及事故返回泵的设计问题 脱硫系统吸收塔内部因其磨损 、 腐蚀 、 防腐材料 及防腐工艺等在运行中出现问题时 ,吸收塔内部需要 停炉检修 ,检修期间需将吸收塔内浆液排出。一般吸 收塔浆液排出时间在15 h左右 。为了缩短脱硫系统 检修的时间 ,应将石膏排出泵设计流量增加 ,排出时 间在8 h左右 。对石膏排出泵采取连续运行方式及 pH 计安装在石膏排出管道上的设计形式, 需要考虑 经济运行问题。对于事故浆液箱的事故返回泵流量 也考虑同样设计 。 2. 6 吸收塔地坑系统的设计问题 在设计吸收塔地坑系统时管道应考虑与其相邻 的吸收塔地坑及吸收塔事故浆液箱相连 。适度增加 地坑泵的流量, 地坑泵可设一用一备, 以便安全有效 迅速将地坑内浆液排出 。一般吸收塔地坑有效容积 为一台浆液循环泵停运时循环泵内容积 、 管道容积及 工艺水冲洗排放量的 1. 5 倍, 因考虑吸收塔快速排 放,地坑的有效容积也应考虑适度增加。 地坑的设计要考虑因石灰石浆液供给系统临时 出现故障, 不能给吸收塔提供新鲜浆液时 ,通过向地 坑倒入石灰石粉 、石灰粉来保证吸收塔内的 pH 值, 给石灰石供给系统提供检修时间。 总之, 吸收塔的整体设计如浆池容积 、 氧化风机 流量 、 循环泵流量、 塔径、塔高 、 石灰石给料、 石膏排出 等设计参数要考虑煤的含硫量的增加,否则设计裕度 不足限制机组带满负荷。 为避免脱硫系统的重要运转设备的电源失电造 成停炉,因此对浆液循环泵、 搅拌器 扰动泵 、 氧化风 机、 工艺水泵等需要在不同的工作段连接 ,重要保护 性设备连接保安段。 3 脱硫公用系统的设计问题 脱硫公用系统一般包括压缩空气系统、 工艺水系 统、 石灰石浆液制备系统 、 石灰石浆液供给系统、 石膏 排出及脱水系统等, 它是为电厂内所有吸收塔提供服 务。无旁路烟道的吸收塔是锅炉烟风系统的组成部 分,吸收塔维持稳定运行的前提条件是脱硫公用系统 的稳定运行作为保障 ,因此在设计脱硫公用系统时对 泵、 管道、 运转设备等要有可靠备用 ,避免公用系统因 管道堵塞、磨损及设备停运而造成吸收塔的 pH 值、 液位及浆液浓度等无法控制。 工艺水系统是整套脱硫装置的最根本、 最重要的 系统, 结合其他电厂的脱硫系统运行经验 ,针对无旁 路的脱硫系统的工艺水供给应双路水源设计 ,工艺水 来源稳定及充足 。工艺水泵、除雾器水泵设计应二用 一备, 工艺水管道至各个设备用水负荷尽量分布均 匀,避免集中使用造成的管道压力降低。对于运转设 备的冷却水采用闭式循环水系统,如增压风机的稀油 站、 湿磨油站等 。浆液循环泵 、 滤液水泵 、 石灰石供应 泵、 石膏排出泵等的机械密封冷却水应设计单独管 道,以保证机封冷却水的压力恒定, 避免因密封冷却 水压力低使浆液窜入工艺水管道,近而造成运转设备 的损坏。 86 环 境 工 程 2009年 10 月第 27卷第 5 期 石灰石浆液供给系统对每个吸收塔应是双管道 输送, 浆液给料泵一用一备 ,不宜采用给所有吸收塔 的母管制管道, 以避免浆液给料泵、浆液管道及阀门 故障影响电厂内所有吸收塔的石灰石浆液供应。石 灰石浆液箱宜设计为 2 个, 互为备用 ,存储石灰石浆 液量应是所有吸收塔10 h的耗量 。 石膏浆液输送系统的设计不仅考虑向真空脱水 系统输送石膏浆液, 也考虑向事故浆液箱及相邻的吸 收塔的输送石膏浆液 ,可避免因真空脱水系统故障使 吸收塔浆液无法排放, 相对给检修提供了时间 ,起到 一定缓冲作用, 避免影响机组运行 。 4 锅炉配套除尘器的设计选型 锅炉目前配套的除尘器有电除尘器 、 电袋复合式 除尘器及袋式除尘器 。其中电除尘器受烟尘成分 、 烟 气成分、 本体设备、 控制电源等因素影响 ,并且电除尘 器一般运行一段时间除尘效率是逐渐下降的 ,出口烟 尘排放浓度长期稳定难度较大。虽然一般设计要求 吸收塔入口烟尘浓度 ≤ 150 mg m 3 , 如有若干个电场 故障退出运行, 粉尘浓度难以保证 。在锅炉启停、低 负荷期间的煤油混烧 、 等离子点火等工况时电除尘器 的效率也是比较低的, 吸收塔内浆液极易污染 ,现在 的脱硫 CEMS 系统粉尘检测的准确度不是很高, 给运 行人员的判断增加难度。 由于无旁路脱硫系统的锅炉在冷态通风前需要 投电除尘器,有些除尘整流变压器的控制系统在冷态 升压时比较困难 ,易跳闸 。而电袋复合式除尘器或袋 式除尘器, 因其除尘效率高 ,并且不受煤种变化的影 响。因此为使脱硫系统长期稳定运行, 减少吸收塔浆 液的因粉尘造成的慢性中毒, 不影响机组运行 ,应优 先选择电袋复合一体式除尘器或袋式除尘器 。 5 无旁路脱硫系统的运行步序原则 在脱硫系统无旁路的运行操作中, 要树立吸收塔 是锅炉烟风系统的重要组成设备, 其运行与锅炉运行 是密不可分的, 因此其运行是需要条件的 ,对于吸收 塔的投入主要按以下原则进行 1 在锅炉冷态通风时, 对吸收塔入口粉尘浓度进 行控制, 避免污染塔内浆液 。必须将除尘器先期投 入,避免通风携带的粉尘进入吸收塔内 。电除尘器在 投入T R前 12 ～ 24 h将放电极振打系统的绝缘联轴 器、 灰斗及放电极框架绝缘套管的加热全部投入。采 用袋式除尘器通风前应进行预喷涂 。 2 在锅炉准备点火前期 ,首先确认脱硫装置及公 用系统已具备投入条件 ,吸收塔内液位及 pH 值满足 运行要求, 石灰石浆液制备完毕并存储 , 工艺水系统 已开始运行 ,事故喷淋系统可投入。 3 在锅炉燃油点火、等离子点火 、 煤油混烧等开 始之前,首先确认进入吸收塔的烟气温度及吸收塔出 口温度 玻璃钢烟道 ≤65 ℃ , 吸收塔浆液循环泵应 至少开一台 ,事故喷淋系统逻辑保护投入 。 4 在锅炉运行期间 ,不可避免会出现烟气温度超 过吸收塔入口的设计温度情况 ,吸收塔防腐和除雾器 材料耐温一般不超过90 ℃。在没有设计 GGH 的情 况下 ,进入吸收塔的烟气温度必须加以严格控制。如 烟气温度超过吸收塔设计温度时应进行事故喷淋 ,设 计事故喷淋的喷雾量为锅炉满负荷情况下能使烟温 降低 50℃ 左右。如烟温达到吸收塔防腐材料耐温最 高限值,则停炉保护吸收塔并事故喷淋开启。 事故喷淋时间是有限度的 , 并加以严格控制, 否 则喷淋水量的过多会造成吸收塔溢流,严重时会使浆 液进入引风机 增压风机 。 5 锅炉运行期间吸收塔的浆液循环泵全部跳闸, 应必须启动事故喷淋系统对进入吸收塔的烟气降温 及停炉。当浆液循环泵处理完毕运行后以及烟温低 于吸收塔的温度保护设计值 , 才能进行通风及锅炉 点火 。 6 对于锅炉出现的机组跳闸 、 RB 等故障时 ,脱硫 系统的吸收塔浆液循环泵一直运转 ,等待机组运行恢 复正常。 以上的操作原则有些需要进行 DCS 逻辑控制保 护加以实现 ,目前脱硫无旁路的机组运行的不多, 对 于出现的异常情况还需进一步摸索完善 。 6 结语 1 对于设计无旁路烟道的脱硫系统要充分考虑 吸收塔及设备的裕度, 因每个电厂具体情况不同, 裕 度确定多少需具体问题具体分析,虽然脱硫系统考虑 以上因素增加了投资 ,但因脱硫系统问题造成降负荷 或停炉而减少的发电量相比, 是比较划算的。 2 脱硫公司这几年通过引进国外的先进技术 ,并 与中国的电厂实际情况相结合 ,电厂脱硫的设计技术 水平、安装水平及设备质量有不断提高 , 电力行业大 量的使用脱硫装置也对脱硫运行 、故障处理 、 检修等 技术有比较全面的消化吸收, 目前电厂基本具备推广 无旁路烟道脱硫系统的条件。 下转第 98 页 87 环 境 工 程 2009年 10 月第 27卷第 5 期 来的大气污染物容易在此堆积 ,形成高污染。因此, 使得蓝田和长安近年来灰霾日数较多, 成为灰霾出现 的中心区域。 3 西安市灰霾天气与主要气象要素相关性分析 通过分析19962005年近10 年逐月平均灰霾日 数与近10 年逐月平均气温、降水量、 气压、日照时数、 风速和空气相对湿度等相关性 ,确定形成灰霾天气的 主要气象条件, 见表 3。 表 3 西安近 10 年逐月平均灰霾日数 与主要气象条件相关系数 项目1月2 月3 月4 月5月6 月7 月8月9 月10 月11 月 12 月相关系数 灰霾日 数 d 3. 41. 61. 10. 60. 20. 20. 00. 00. 11. 02. 24. 4 气温 ℃0. 84. 710. 216. 321. 226. 327. 725. 421. 014. 57. 62. 0- 0. 891 9 降水 量 mm 7. 29. 417. 834. 753. 566. 991. 485. 490. 367. 823. 57. 8- 0. 792 3 气压 hPa 978. 9 976. 5971. 8 967. 6 964. 4959. 5958. 1 962. 0 968. 4974. 6 977. 5 981. 20. 863 5 日照时 数 h 78. 895. 0120. 6 148. 2 181. 5195. 1184. 0 167. 3 133. 8106. 793. 870. 9- 0. 855 4 风速 m s- 1 1. 11. 31. 51. 51. 61. 71. 71. 61. 40. 90. 91. 0- 0. 736 8 相对湿 度 62. 158. 657. 759. 860. 256. 066. 173. 174. 775. 172. 066. 0- 0. 043 7 由表 3 看, 西安近 10 年逐月平均灰霾日数与气 温、 降水量 、 日照时数和风速相关系数均在 0. 7 以上, 呈显著负相关, 与气压呈显著正相关, 与空气相对湿 度相关性较差。表明气温越低, 降水量和风速越小, 日照时数越少, 气压越高 ,越有利于灰霾天气的形成, 而空气相对湿度对灰霾天气的形成影响很小。这是 因为气温越低, 风速越小, 日照时数越少 ,气压越高, 大气层结越稳定 ,越不利于污染物的扩散 ,降水量少 则不利于污染物的稀释和沉降 ,对灰霾天气的形成影 响显著。而本区属于半干型大陆气候,四季空气均较 干燥 ,故空气相对湿度对灰霾天气的形成影响很小 。 4 结语 综上分析, 西安市 20 世纪 70 年代是灰霾日出现 的高峰时期 ,随着近年来环保力度的不断加大, 各种 节能减排措施的逐步实施 ,以及城市布局的优化和生 态建设的发展, 灰霾日数呈逐年减少趋势 ,灰霾发生 的中心区域也在向郊区东南部转移。本区基本以 11 月至次年 3 月采暖季节灰霾日数较多, 约占全年的 50以上 ,以 1月最多 ,其次是 12月 ,610 月相对较 少。从影响灰霾天气形成的气象条件来看 , 气温越 低,降水量和风速越小 , 日照时数越少 ,气压越高, 越 有利于灰霾天气的形成。 参考文献 [ 1] 刘爱君, 杜尧东, 王惠英. 广州灰霾天气的气候特征分析[ J] . 气象, 2004, 30 12 68 -71. 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