技術(shù)文章

氣動乳化與噴淋技術(shù)對比

2016-01-20 17:21:24 來源：

兩種脫硫方案的技術(shù)分析

于香英¹，沙威¹, 張吉革²
¹天津市電力公司技術(shù)中心（天津， 300022）
²天津市靜海熱電廠（天津，301600）

【摘要】本文以某電廠為例，以技術(shù)可行、操作可控、經(jīng)濟合理為原則，結(jié)合機組參數(shù)及現(xiàn)場布局, 分析歸納了經(jīng)典的噴淋塔兩爐一塔與新穎的氣動乳化一爐一塔脫硫方案的優(yōu)缺點，并指出方案實施中存在的關(guān)鍵問題和相關(guān)的建議。
【關(guān)鍵詞】脫硫方案；技術(shù)分析；建議
Technical Analysis of Two Desulfurization projects
YU Xiang-Ying¹, SHA Wei¹, ZhANG Ji-Ge²
¹The Technology Center of Tianjin Electric Power Corporation （Tianjin, 300022）
²Jinghai Thermal Power Plant （Tianjin, 301600）
【Abstract】Taking one Power generating Plant as an example, one classical and one advanced desulfurization projects are analyzed and compared to make clear their advantages and disadvantages considering technical feasibility、operational control、economic rationality and units layout. Then Some problems are pointed out from projects and suggestions are also put forward.
【Key words】Desulfurization project; Technical Analysis; Suggestions

1. 概述

隨著天津市政府對環(huán)保工作要求的不斷提高，特別是北京申奧成功后我市藍天工程口號的提出，市環(huán)保局、市經(jīng)委對我市開展清潔生產(chǎn)和工業(yè)系統(tǒng)污染防治進行了重點部署，天津某熱電廠是今年首批開展清潔生產(chǎn)審核的60家企業(yè)之一，也是市經(jīng)委制定的今年力爭完成煙氣脫硫改造任務(wù)的四個電廠之一。某電廠現(xiàn)有2臺機組2×25MW，配2×130t/h煤粉鍋爐，需要進行脫硫改造。依據(jù)新的天津市地方標準中對于大氣污染物排放提出了更高的要求，2006年1月1日起執(zhí)行，二時段SO₂排放限值為100mg/Nm³。
本文結(jié)合現(xiàn)場實際情況及各*專家意見，以技術(shù)可行、操作可控、經(jīng)濟合理的原則，重點討論了經(jīng)典的噴淋空塔脫硫技術(shù)和具有自主知識產(chǎn)權(quán)的氣動乳化塔技術(shù)兩種脫硫方案，總結(jié)其優(yōu)點及缺點，并指出方案在實際應(yīng)用中存在的關(guān)鍵問題和相應(yīng)的解決措施。

2. 技術(shù)方案的設(shè)計原則和目標

1)     技術(shù)方案考慮一次性投資及運行成本和維修成本。
2)     力求占地面積小、設(shè)備系統(tǒng)相對簡單、便于運行維護、盡量符合電廠實際，具有較強的操作性。
3)     脫硫系統(tǒng)應(yīng)具有動態(tài)適應(yīng)能力，即脫硫系統(tǒng)可通過監(jiān)測煙氣進出口SO2濃度和煙氣量來調(diào)整系統(tǒng)的補漿量，以適應(yīng)各種鍋爐負荷下運行，保證系統(tǒng)的安全經(jīng)濟運行。
4)     脫硫系統(tǒng)應(yīng)具有無腐蝕、不結(jié)垢、不產(chǎn)生二次污染的運行控制技術(shù)。
5)   技術(shù)方案應(yīng)為高效脫硫技術(shù)方案，脫硫效率不低于95％，脫硫設(shè)備運行率不低于95％。
6)   運行工藝安全可靠,運行時間大于5000小時。
7)   粉塵排放濃度應(yīng)達到標準30mg/Nm³。
8)   SO₂排放濃度應(yīng)達到標準100mg/Nm³。
9)   論證方案要在方案可行、技術(shù)可靠、經(jīng)濟可比的條件下，選擇*優(yōu)方案。
10)   該方案論證過程不考慮GGH。

3. 脫硫方案的技術(shù)分析

靜海熱電廠現(xiàn)有2臺機組2×25MW，配2×130t/h煤粉鍋爐。為正確選擇脫硫工藝，廠方提出如下要求：脫硫方案擬采用兩臺鍋爐配一臺吸收塔或一臺鍋爐配一臺吸收塔方式；充分考慮將來燃燒煤種情況的變化，確保燃煤發(fā)生變化時仍能連續(xù)、穩(wěn)定的達標排放；本項目改造可提供的場地有限，因此脫硫設(shè)備的布置應(yīng)充分考慮現(xiàn)場的現(xiàn)有條件；方案中應(yīng)充分體現(xiàn)工程中所發(fā)生的全部投資費用、運行費用（折合成每度電的增加成本）、副產(chǎn)物處理、綜合利用情況及廢水處理等；硫的燃盡率應(yīng)遵循電力系統(tǒng)95%進行設(shè)計和計算。
通過調(diào)研對各方案的綜合分析，初步選擇了五種脫硫技術(shù)方案，作為環(huán)評、可研及評標的備選方案。經(jīng)過綜合分析及結(jié)合現(xiàn)場的實際情況，重點論證經(jīng)典的噴淋塔和新穎的氣動乳化塔技術(shù)。

3.1 方案特點分析

氣動乳化塔與噴淋塔方案均屬于濕法煙氣脫硫技術(shù)，脫硫原理基本相同，只是塔的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及配置方式不同，吸收劑同為氧化鎂粉。前者采用兩臺鍋爐配兩臺氣動乳化吸收塔且共用一套簡易的制漿系統(tǒng)；后者是兩臺鍋爐配一臺噴淋塔且共享一套經(jīng)典的制漿系統(tǒng)。兩套方案的區(qū)別簡單總結(jié)如表1。
脫硫工藝的核心部分為吸收塔，其內(nèi)部分為除霧區(qū)、吸收區(qū)、和漿液存儲區(qū)（脫硫產(chǎn)物氧化區(qū)）。氣動乳化塔和噴淋塔的結(jié)構(gòu)見圖1和圖2，其根本區(qū)別在于反應(yīng)塔吸收區(qū)設(shè)計不同，另外前者沒有設(shè)計漿液存儲區(qū)。

氣動乳化吸收塔吸收區(qū)的核心結(jié)構(gòu)是脫硫單元組（氣動乳化單元），加上預(yù)噴淋裝置。預(yù)先噴淋的作用是來自循環(huán)水泵的清水降低煙氣溫度，加大煙氣濕度，有利于二氧化硫的吸收，同時又起到除塵作用。煙氣從氣動脫硫單元組下方進入，在旋流器的吸收作用下，形成具有一定速度的向上的旋轉(zhuǎn)氣流,將來自噴淋層的漿液托住反復(fù)旋切，形成一段動態(tài)穩(wěn)定的液粒懸浮層，液相的聚散組合隨時發(fā)生，使氣體的滯留時間延長、氣液接觸面積增大、氣液比降低（與噴淋法相比），有利實現(xiàn)較高的脫硫效率及除塵效率。該塔是一種擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的新技術(shù)，目前現(xiàn)場應(yīng)用的例子不多。另外，氣動乳化塔的脫硫單元對煙氣流量比較敏感，較適合一爐一塔的配置。
噴淋塔是*早采用的脫硫吸收塔，其技術(shù)*成熟，實用業(yè)績*多，運行工況*穩(wěn)定。噴淋塔的吸收區(qū)一般是三層噴嘴層，內(nèi)部部件少，系統(tǒng)阻力相對較小。吸收塔含有氧化池可以實現(xiàn)強制氧化在脫硫塔的底部進行，這樣可使隨氣體逸出的二氧化硫在脫硫塔中再次被吸收，從而避免因強制氧化帶來的污染問題。該塔優(yōu)點是應(yīng)用煤種應(yīng)用范圍廣，對負荷的適應(yīng)性較好，可以適用一爐一塔或兩爐甚至三爐一塔的配置。
氣動乳化一爐一塔的工藝流程為鍋爐高溫?zé)煔膺M入脫硫塔后，先對其進行預(yù)噴淋處理，其作用是降溫加濕，提高脫硫效率及部分除塵功能。預(yù)噴淋后的煙氣進入氣動脫硫單元組進行脫硫除塵處理。脫硫后的煙氣經(jīng)塔內(nèi)兩層折板式除霧器及煙道內(nèi)旋風(fēng)除霧器除去游離水后進入煙囪排放。該吸收塔底不設(shè)儲漿段。脫硫除塵后的漿液及除霧器的沖洗水直接由排漿管排入灰溝流入沉淀池中沉淀。沉淀池中的溢流清夜直接進入制漿池制漿，并進行曝氣后（氧化）經(jīng)循環(huán)漿液泵打到吸收塔循環(huán)再用。
噴淋塔兩爐一塔方案的工藝流程為煙氣進入塔內(nèi)自下而上通過。脫硫劑漿液通過循環(huán)泵送到塔中不同高度的三層噴嘴，保證液氣的混合均勻。塔下部為循環(huán)漿液段（氧化池），裝有三只水平式攪拌機，保證漿液在不同的漿液濃度的良好混合和可靠運行。脫硫塔內(nèi)落下的吸收液與折流板脫水器脫除的水貯存在塔底。在塔底布設(shè)穿孔曝氣管，一方面以壓縮空氣攪動液相，促進新鮮Mg(OH)₂乳液與吸收液的混合，加速反應(yīng)；另一方面使吸收SO₂后的洗滌液中生成的MgSO₃氧化為易溶于水的更穩(wěn)定的*終產(chǎn)物MgSO₄。塔內(nèi)底部裝有的攪拌器將大氣泡打碎成小氣泡，加速氧化反應(yīng)。為避免吸收液鹽份及懸浮物濃度過高，系統(tǒng)自動外排廢水以保持液相濃度平衡,保證脫硫效率。
簡易的制漿系統(tǒng)流程如下：料倉內(nèi)的物料經(jīng)底部變頻式螺旋給料機，經(jīng)溜槽進入膏化機進行混合，然后排入制漿池，制漿池位于沉淀池后，沉淀池的上層清液溢流進入制漿池，每臺吸收塔設(shè)有一臺漿液泵及一臺清液泵。氧化鎂粉要成為氫氧化鎂吸收劑需要一定的溫度及熟化時間，此系統(tǒng)沒有熱源及熟化時間，會影響氧化鎂粉的活度，從而影響吸收劑的利用率。露天的漿液循環(huán)系統(tǒng)系統(tǒng)使雜質(zhì)較多，也影響氧化鎂粉的溶解度，造成吸收劑的浪費。另外PH值較高（堿性）的沖灰水的系統(tǒng)與循環(huán)漿液（酸性）使用同一灰溝，流入同一沉淀池，一方面加大了脫硫吸收劑的消耗量，另一方面使監(jiān)測PH失去了本質(zhì)意義。通常情況下，PH值是漿液氫氧化鎂濃度的體現(xiàn)，補漿量是根據(jù)系統(tǒng)PH的變化來調(diào)整的。循環(huán)漿液的PH對脫硫產(chǎn)物亞硫酸鹽的氧化率（氧化成正鹽）影響較大。實驗證明PH越低，亞硫酸鹽的氧化率越高。高的氧化率可以降低系統(tǒng)的堵塞、結(jié)垢、腐蝕等。但虛假的PH增加了運行監(jiān)控的難度。另外，此系統(tǒng)沒有事故漿液系統(tǒng)，一旦吸收塔停運，漿液將全部排放到沉淀池，結(jié)晶沉淀容易造成吸收劑的浪費。經(jīng)典的制漿系統(tǒng)在此不再做分析。
一爐一塔的配置可以提高運行的可控性及可靠性，但投資及運行費用高，占用的場地及空間較大，比較適合考慮以脫硫效率為*的大機組的改造和新裝機組的脫硫需求。另外其煙道旁路擋板采用雙擋板的形式，F(xiàn)GD裝置入口煙氣和出口凈煙氣采用單層擋板。
兩爐一塔的配置方式比較適合老廠的小機組改造，占用的場地和空間有限，投資較小。對某熱電廠來說，兩臺機組一般是85%負荷運行，冬天采暖期是滿負荷運行除非檢修。另外可供的場地和空間很小。負荷的相對穩(wěn)定為兩爐一塔的應(yīng)用提供了可行性。但鍋爐的啟停及負荷的變化容易造成煙氣流量的較大波動。當運行負荷較低時，吸收塔入口煙氣流速較低，不利于塔內(nèi)氣流分布，同時使細小噴淋液滴停留時間相對減少，在一定程度上影響脫硫效率。但為確保機組的安全運行，其煙道旁路擋板采用雙擋板的形式，具有100%的氣密性。旁路擋板具有快速開啟的功能，全開到全閉的開啟時間小于25秒。FGD裝置入口煙氣和出口凈煙氣亦采用雙層擋板。

3.2 方案技術(shù)參數(shù)

項目名稱		單位	氣動乳化和預(yù)噴淋兩爐兩塔			噴淋塔兩爐一塔
脫硫裝置入口煙氣參數(shù)
煙氣量		Nm³/h		750000
煙氣SO₂含量		mg/Nm³		3700
煙氣溫度		℃		140±5
脫硫裝置出口煙氣參數(shù)
煙氣粉塵含量		mg/Nm³		≤30
煙氣SO₂含量		mg/Nm³		≤100
主要設(shè)計參數(shù)
脫硫效率		％		ηso₂＞95	ηso₂≥97
脫塵效率		％		η塵＞98	η塵≥92
脫硫塔	尺寸	m		Φ5.5，H15	Φ8.5，H25
	阻力	Pa		≤1500	≤1100
	結(jié)構(gòu)	－		氣動乳化單元，無儲漿段	吸收塔漿池與塔體為一體結(jié)構(gòu)
	內(nèi)部結(jié)構(gòu)			一層預(yù)噴淋，一層漿液噴淋	三層漿液噴淋，噴嘴都采用進口
PH控制				5.5-6.5	5.5-6.5
制漿系統(tǒng)				簡易	經(jīng)典
引風(fēng)機		－		增容改造	增容改造，變頻
控制方式				DCS （無連鎖保護）	PLC+連鎖保護
去SO₂除量		噸/年		5303.205	6717.7
液氣比		l/m³		3	5
M/S比		Mol/	1.03		1.05
脫硫劑消耗量)		t/h		0.693	1.037

方案技術(shù)比較按照煙氣流量750000m³/h，燃料含硫量1.5%，煙氣SO₂含量3800mg/m³(標況)，脫硫效率95％，機組年運行5000小時計算，脫硫劑 (75% 氧化鎂)。

3.3 方案的經(jīng)濟參數(shù)

經(jīng)濟比較：工藝水1.3元/t，電0.35元/度，蒸汽90元/t，氧化鎂粉400元/t（脫硫劑選用氧化鎂粉,75%,200目），系統(tǒng)年運行小時按5000小時計算；SO₂排污費 0.6元/kg .SO₂

項目名稱	單位	氣動乳化塔	空塔噴淋
項目名稱	單位	兩爐兩塔	兩爐一塔
總費用	萬元	1546	1627
運行費（不含折舊）	萬元/年	316	388.35
增加負荷	KW	743.465	788
脫硫劑消耗	萬元/年	138.6	207.4
電耗	萬元/年	90.04	109.3
水耗	萬元/年	59.67	20.8
汽耗	萬元/年	0	42.75
人員工資	萬元/年	2*1.5	2.4*4
脫除每tSO₂的費用	元/tSO₂	0.613	0.578
少交SO₂排污費	萬元/年	318.2	403.1
凈增電價	元/kwh	0.0085	0.0095

4. 方案實施中應(yīng)注意問題

為保證整個脫硫裝置安全、經(jīng)濟、高效運行，重點考慮以下幾個關(guān)鍵性技術(shù)問題并予以解決。
噴淋空塔兩爐一塔方案
由于采用兩爐共用一塔，當脫硫系統(tǒng)啟停時，煙氣進行旁路和主路的切換，由于兩路煙道的阻力不同，將會對鍋爐的爐膛負壓產(chǎn)生明顯的影響，設(shè)計時需考慮旁路擋板的開啟速度和開度。通過對脫硫電廠的考察，發(fā)現(xiàn)旁路擋板必須選用好的材質(zhì)，*好選用進口旁路擋板。增壓風(fēng)機必須與煙氣的流量和壓力相匹配。
    如何合理布置煙道流速。由于FGD煙氣量變化時，系統(tǒng)內(nèi)煙道氣流速度波動很大，脫硫裝置在較低負荷條件下運行時，煙道底部很容易產(chǎn)生積灰，并在吸收塔入口煙道產(chǎn)生垢下腐蝕。
應(yīng)注意負荷變化引起的除霧器沖洗頻率的變化。FGD系統(tǒng)煙氣量變化導(dǎo)致吸收系統(tǒng)水蒸發(fā)量波動，應(yīng)不利于水平衡控制。
氣動乳化一爐一塔方案
1)     制漿系統(tǒng)
建議采用經(jīng)典的制漿系統(tǒng)，加裝漿液密度的監(jiān)測, 保證漿液的均勻性、穩(wěn)定性和可控性。漿液制備控制系統(tǒng)必須保證連續(xù)向吸收塔供應(yīng)濃度合適的足夠的漿液。設(shè)定恒定的脫硫劑供應(yīng)量，并按比例調(diào)節(jié)供水量。通過漿液密度測量的反饋信號修正進水量。*次制漿系統(tǒng)應(yīng)有加熱系統(tǒng)和清雜質(zhì)部分。
2)     漿液的循環(huán)系統(tǒng)應(yīng)與沖灰水系統(tǒng)分開
由于吸收液吸收SO₂后，pH值迅速降低，經(jīng)pH自動控制儀的檢測，乳液管路電動閥控制Mg(OH)₂乳液注入塔內(nèi)，經(jīng)混合、反應(yīng)，使吸收液pH值恢復(fù)到設(shè)定值，然后吸收液由耐腐蝕循環(huán)泵再打到脫硫塔噴淋布水，循環(huán)使用。虛假的PH不宜系統(tǒng)控制
3)     控制系統(tǒng)
為保證機組安全穩(wěn)定經(jīng)濟運行，控制系統(tǒng)*好應(yīng)增加連鎖保護。
4)     監(jiān)測部分
PH 應(yīng)監(jiān)測吸收塔排出漿液的PH替代監(jiān)測沉淀池的PH。加裝液位控制：漿液池漿液的供給量、漿液的排出量及煙氣進入量等因素的變化造成液位波動。根據(jù)測量的液位值，調(diào)節(jié)除霧器沖洗時間間隔，實現(xiàn)液位的穩(wěn)定
5)     煙氣系統(tǒng)
建議*少脫硫塔的入口煙道擋板門設(shè)置改為雙層密封。
6)     工藝水系統(tǒng)
建議增加工藝水箱及工藝水泵。
7)     排放系統(tǒng)
增加檢測硫酸鎂的濃度的排放標準以便增加脫硫效率。
8)     廢水處理系統(tǒng)
增加檢測富液中的重金屬離子的濃度，使其重金屬離子濃度達到污水排放標準。
為確保主機的安全生產(chǎn)，所有的擋板建議設(shè)置為雙層擋板。

5. 結(jié)論及建議

依據(jù)技術(shù)可靠、方案可行、經(jīng)濟可比的原則對經(jīng)典的噴淋塔兩爐一塔技術(shù)方案及擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的氣動乳化兩爐兩塔技術(shù)方案進行了分析。每種脫硫方案都基本能符合國家及天津市有關(guān)環(huán)保政策和法律、法規(guī)要求，電廠的SO₂ 及粉塵的排放濃度能達到*新的環(huán)保標準。經(jīng)典的空塔噴淋配兩爐一塔適合老廠改造的脫硫技術(shù)方案和具有自主知識產(chǎn)權(quán)的具有氣動乳化塔配一爐一塔技術(shù)方案各有優(yōu)勢，難分伯仲。從技術(shù)的成熟性、運行的可靠性（經(jīng)驗）及應(yīng)用的廣泛度，噴淋塔方案較優(yōu)。從制漿系統(tǒng)的運行可靠性來看，配置空塔噴淋的經(jīng)典制漿系統(tǒng)的*可靠，而氣動乳化兩爐兩塔的簡易制漿系統(tǒng)較差。在以上兩套技術(shù)方案都可行及可用的占地面積能夠布置開兩爐的前提下，結(jié)合靜海電廠的實際情況，推薦氣動乳化兩爐兩塔方案。氣動乳化塔方案脫硫及除塵效率都較高，較優(yōu)。且氣動乳化塔的尺寸大小能充分利用原有的空間布局。一爐一塔的方式在負荷調(diào)整時有很好的適應(yīng)特性，運行的靈活性及可操作性高，適合老廠機組調(diào)峰供暖的需要。
如果采用新穎的氣動乳化兩爐兩塔方案, 為保證脫硫的實際效率, 建議該熱電廠仔細考慮方案實施中應(yīng)注意的問題, 并考慮上文給出的確建議.

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