摘要：闡述了單塔雙循環(huán)工藝的技術(shù)特點(diǎn),并結(jié)合330MW燃煤鍋爐脫硫系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行方式,通過(guò)對(duì)分區(qū)功能化的實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)安全性、吸收劑耗量和副產(chǎn)物品質(zhì)的分析,梳理了單塔雙循環(huán)工藝的控制要點(diǎn),提出了選擇運(yùn)行方式需要注意的問(wèn)題,為超低排放改造后脫硫單塔雙循環(huán)系統(tǒng)的運(yùn)行控制提供了有益的參考。

0引言

隨著環(huán)境形勢(shì)的日益嚴(yán)峻,國(guó)家加大了對(duì)燃煤電廠(chǎng)的SO2排放控制要求,相繼出臺(tái)了一系列政策,如《火電廠(chǎng)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》、《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014-2020年)》、《全面實(shí)施燃煤電廠(chǎng)超低排放和節(jié)能改造工作方案》等。其中,脫硫達(dá)到超低排放要求(6%O2條件下,SO2濃度<35mg/m3),主流的提效改造技術(shù)路線(xiàn)為單塔雙循環(huán)工藝和雙塔雙循環(huán)工藝。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),二者中又以單塔雙循環(huán)工藝居多。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,由于燃煤硫分的變化、混煤乃至煤泥摻燒、調(diào)峰導(dǎo)致的負(fù)荷驟變等,經(jīng)常需要改變運(yùn)行方式,這既關(guān)系到SO2的達(dá)標(biāo)排放,也關(guān)系到節(jié)能經(jīng)濟(jì),如何合理地運(yùn)行各層噴淋就顯得格外的重要。

1單塔雙循環(huán)技術(shù)的特點(diǎn)

單塔雙循環(huán)工藝最大的特點(diǎn)是在脫硫塔內(nèi)設(shè)置錐型收集碗和塔外設(shè)置AFT漿池。脫硫的噴淋系統(tǒng)被錐形碗分為上下兩部分,一級(jí)循環(huán)作為預(yù)洗滌、石灰石高效溶解區(qū),二級(jí)噴淋作為高效脫硫區(qū)。通過(guò)對(duì)兩套循環(huán)回路漿液的pH值和漿液密度等參數(shù)的調(diào)控,完成石灰石的溶解、SO2吸收和脫硫副產(chǎn)物的氧化分區(qū)控制。單塔雙循環(huán)工藝由于功能分區(qū)的設(shè)計(jì)理念,使其具有單循環(huán)工藝所無(wú)法比擬的技術(shù)優(yōu)勢(shì),主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面:

(1)兩個(gè)循環(huán)單獨(dú)控制,使溶解、吸收、氧化等不同的工藝過(guò)程,在不同的控制參數(shù)下進(jìn)行,互不干擾,使每個(gè)過(guò)程都處于最佳工況點(diǎn)。

(2)吸收劑先從二級(jí)循環(huán)進(jìn)入,再進(jìn)入一級(jí)循環(huán),增加了吸收劑漿液在系統(tǒng)中的停留時(shí)間,使吸收劑的溶解更充分,利用率更高。

(3)一級(jí)循環(huán)漿池中漿液pH值控制較低,一般設(shè)置在4.5～5,有利于亞硫酸鈣的氧化,增加石膏的可結(jié)晶時(shí)間,從一級(jí)循環(huán)漿池排出的漿液進(jìn)行脫水處理,使最終脫硫副產(chǎn)物的品質(zhì)更有保障。

(4)二級(jí)循環(huán)漿池中漿液pH值控制較高,一般設(shè)置在5.5～6,保證了較高的漿液堿度,更有利于快速吸收煙氣中殘留的SO2,使出口煙氣SO2濃度滿(mǎn)足超低排放的要求。

(5)一級(jí)循環(huán)漿池設(shè)計(jì)脫硫效率80%以上,煙氣經(jīng)過(guò)一次洗滌后,SO2含量已大幅度減小,在二級(jí)循環(huán)中,采用較小的液氣比,就能達(dá)到理想的洗滌效果,而且,由于二級(jí)循環(huán)漿液不輸送去脫水處理,對(duì)氧化的要求不高,可以減少氧化風(fēng)量的供應(yīng),這就降低了系統(tǒng)的電能消耗。

(6)一級(jí)循環(huán)和二級(jí)循環(huán)之間設(shè)置了錐型的收集碗,不僅避免了不同pH值和密度的漿液混流,而且對(duì)煙氣具有良好的分配、導(dǎo)流作用,達(dá)到了均布?xì)饬鞯哪康?有效地改善了傳質(zhì)效果,降低了煙氣SO2逃逸的可能性,進(jìn)一步保障出口排放達(dá)標(biāo)。

2運(yùn)行方式對(duì)性能的影響

單塔雙循環(huán)工藝涉及到兩級(jí)循環(huán),而每級(jí)循環(huán)都設(shè)置了多臺(tái)循環(huán)泵,在實(shí)際的生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中,由于燃煤煤質(zhì)、負(fù)荷等變化,在滿(mǎn)足出口煙氣SO2排放濃度達(dá)標(biāo)的前提下,可以靈活地采用多種循環(huán)泵組合方式來(lái)運(yùn)行,但不同的運(yùn)行方式,效果不同,有些運(yùn)行方式不僅效果不好,還存在環(huán)保、安全的隱患。

國(guó)內(nèi)某330MW鍋爐采用單塔雙循環(huán)脫硫工藝,一、二級(jí)循環(huán)泵各配置3臺(tái)(離心式),一級(jí)塔氧化風(fēng)機(jī)3臺(tái),二級(jí)塔氧化風(fēng)機(jī)2臺(tái)。脫硫設(shè)施的配置情況見(jiàn)表1,其運(yùn)行參數(shù)見(jiàn)表2。

煙氣脫硫吸收塔采用噴淋空塔,整個(gè)吸收塔系統(tǒng)漿液循環(huán)噴淋系統(tǒng)采用3+3布置,塔體上、下各設(shè)置三層噴淋,中間設(shè)置導(dǎo)流錐、收集碗,每套脫硫裝置設(shè)置配套的強(qiáng)制氧化系統(tǒng)。從表1可以看出,二級(jí)循環(huán)的配置情況,無(wú)論是循環(huán)泵流量,還是氧化風(fēng)量均小于一級(jí)循環(huán),設(shè)計(jì)的工藝處理過(guò)程,80%～90%的SO2脫除發(fā)生在一級(jí)循環(huán),只有10%～20%的SO2是在二級(jí)循環(huán)噴淋中脫除。

從表2可以看出,脫硫在實(shí)際運(yùn)行時(shí),與設(shè)計(jì)運(yùn)行參數(shù)偏差較大,一級(jí)循環(huán)泵只運(yùn)行了1臺(tái),而二級(jí)循環(huán)泵運(yùn)行了2臺(tái);一、二級(jí)循環(huán)漿液的pH值均偏高;二級(jí)塔漿液密度高于設(shè)計(jì)值;二級(jí)氧化風(fēng)量較大。之所以采用這種運(yùn)行方式主要基于兩點(diǎn),一是考慮到節(jié)能,盡可能運(yùn)行更低功率的設(shè)備;二是由于認(rèn)識(shí)偏差,避免脫除效率達(dá)到100%,出口排放濃度降到0,造成外界質(zhì)疑數(shù)據(jù)的真實(shí)性。

通過(guò)對(duì)運(yùn)行期間DCS各項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,結(jié)合吸收劑耗量的計(jì)算,漿液、副產(chǎn)物品質(zhì)化驗(yàn)分析,發(fā)現(xiàn)此時(shí)二級(jí)循環(huán)已經(jīng)成了主脫硫區(qū)域,脫除SO2占比約70%,而一級(jí)循環(huán)只占比約30%。采用這種運(yùn)行方式,在燃煤硫分較低時(shí),短期內(nèi)不會(huì)影響脫硫的處理能力,仍然可以保證35mg/m3的排放指標(biāo),但長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,將會(huì)對(duì)設(shè)施的安全穩(wěn)定運(yùn)行和最終的煙氣達(dá)標(biāo)排放帶來(lái)一系列的問(wèn)題。

2.1 安全性的影響

(1)高溫?zé)煔獾挠绊?/p>

脫硫系統(tǒng)運(yùn)行規(guī)程要求,在正常生產(chǎn)過(guò)程中,循環(huán)泵運(yùn)行不小于2臺(tái),并采用邏輯保護(hù),小于2臺(tái)時(shí)會(huì)啟動(dòng)保護(hù)。這一設(shè)計(jì)理念主要是考慮到,當(dāng)唯一運(yùn)行的循環(huán)泵故障跳機(jī)時(shí),備用循環(huán)泵因電動(dòng)閥門(mén)開(kāi)啟時(shí)間較長(zhǎng),難以及時(shí)投運(yùn),高溫?zé)煔馊菀讓?duì)噴淋系統(tǒng)造成嚴(yán)重的破壞。顯然,電廠(chǎng)雖然運(yùn)行了3臺(tái)循環(huán)泵,但一級(jí)循環(huán)泵只運(yùn)行了1臺(tái),2臺(tái)二級(jí)循環(huán)泵因處于隔離狀態(tài),并不能及時(shí)對(duì)高溫?zé)煔膺M(jìn)行降溫,當(dāng)一級(jí)循環(huán)泵出現(xiàn)故障跳機(jī)時(shí),高溫?zé)煔馊匀粫?huì)對(duì)一級(jí)噴淋系統(tǒng)造成損壞,這為系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行留下了較大的隱患。

(2)結(jié)垢的影響

SO2的吸收以二級(jí)循環(huán)為主,在二級(jí)循環(huán)漿液高pH值運(yùn)行的情況下,含高濃度SO2的煙氣與石灰石漿液反應(yīng),瞬間生成了大量難以氧化的亞硫酸鈣,吸收塔存在結(jié)垢的問(wèn)題,當(dāng)結(jié)垢塊掉落時(shí)容易損毀噴淋層的噴嘴等部件,對(duì)后續(xù)設(shè)備的正常運(yùn)行造成負(fù)面影響。

2.2 吸收劑耗量的影響

按照單塔雙循環(huán)工藝的設(shè)計(jì),AFT塔是新鮮漿液的主要供漿點(diǎn),為了保證煙氣出脫硫吸收塔前,殘余SO2能被高效地吸收,漿液pH值一般控制較高,此時(shí)漿液中有大量未完全溶解的石灰石顆粒,而CaSO4·2H2O和CaSO3·1/2H2O含量并不高,未反應(yīng)的石灰石會(huì)通過(guò)AFT旋流器的底流進(jìn)入一級(jí)循環(huán)系統(tǒng)使用。

把二級(jí)循環(huán)作為主脫硫區(qū)后,由于煙氣中SO2含量高,與漿液中的石灰石反應(yīng)后會(huì)瞬時(shí)產(chǎn)生大量的CaSO3·1/2H2O和部分CaSO4·2H2O,這些副產(chǎn)物會(huì)包裹在未溶解的石灰石顆粒表面,造成石灰石被屏蔽,從而導(dǎo)致吸收劑的耗量增加。在生產(chǎn)中,一般采用石灰石單耗來(lái)衡量吸收劑用量情況,即去除單位SO2所消耗的石灰石量:

式中:A石灰石消耗量,kg;ESO2脫SO2脫除量,kg。

式中:ESO2產(chǎn)為發(fā)電機(jī)組SO2產(chǎn)生量,t;M為機(jī)組發(fā)電煤炭消耗量,t;α為SO2產(chǎn)污系數(shù);ESO2排為SO2排放量,t。

根據(jù)連續(xù)5m實(shí)際運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),吸收劑單耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于理論的計(jì)算值,見(jiàn)圖1。

從圖1可以看出,SO2去除單耗實(shí)際值達(dá)到了2.04,遠(yuǎn)高于理論計(jì)算值1.76,經(jīng)過(guò)調(diào)整后,SO2去除單耗下降至1.83。按照全年計(jì)算,每年的石灰石耗量將比理論用量多出約9200t�？梢�(jiàn),石灰石的利用率非常低。

2.3 漿液與副產(chǎn)物品質(zhì)的影響

按照單塔雙循環(huán)工藝的設(shè)計(jì),一級(jí)循環(huán)漿池作為主要的氧化區(qū)域,CaSO3·1/2H2O被充分氧化為CaSO4·2H2O,漿液通過(guò)一級(jí)塔排漿泵輸送至脫水處理系統(tǒng),出產(chǎn)的石膏完全達(dá)到商業(yè)品質(zhì),石膏成分設(shè)計(jì)值見(jiàn)表3。

實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,一級(jí)循環(huán)漿液量很小,吸收的SO2較少,CaSO4·2H2O的生成量很低,漿液中的固體物質(zhì)主要來(lái)自AFT塔旋流器的底流,而底流含有大量CaSO3·1/2H2O和被屏蔽的石灰石顆粒,副產(chǎn)物的品質(zhì)完全達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,CaSO4·2H2O和CaSO3·1/2H2O的含量波動(dòng)很大,而CaCO3含量和含水率均超過(guò)設(shè)計(jì)值。

根據(jù)連續(xù)5m的石膏化驗(yàn)分析數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),石膏含水率和CaCO3含量的情況見(jiàn)圖2。

從圖2可知,石膏含水率最低14.09%(一月),最高16.13%(五月),平均值達(dá)到15%以上,比設(shè)計(jì)值高了約5%。石膏中的CaCO3含量平均值為3%以上,也比設(shè)計(jì)值高了1%。

3運(yùn)行優(yōu)化需注意的問(wèn)題

單塔雙循環(huán)工藝因自身分區(qū)控制的特點(diǎn),比單塔單循環(huán)工藝的控制方式更細(xì)化,使運(yùn)行人員有了更多的運(yùn)行調(diào)整空間,但由于各地環(huán)保要求、機(jī)組負(fù)荷特性、脫硫設(shè)備選型等的差異,所以在選擇運(yùn)行方式時(shí)既要根據(jù)實(shí)際情況靈活處理,也要充分發(fā)揮單塔雙循環(huán)的技術(shù)優(yōu)勢(shì),主要有以下幾點(diǎn):

(1)在生產(chǎn)過(guò)程中,應(yīng)按照設(shè)計(jì)要求,以一級(jí)循環(huán)為主脫硫區(qū)域,二級(jí)循環(huán)為輔脫硫區(qū)域,一級(jí)循環(huán)脫除率應(yīng)達(dá)到總脫除率的80%～90%為宜。

(2)充分利用分區(qū)控制的優(yōu)勢(shì),嚴(yán)格控制不同區(qū)域漿液的pH值和密度,使各功能區(qū)都處于最佳運(yùn)行工況。

(3)不同負(fù)荷,不同硫分下,系統(tǒng)均應(yīng)在“2+n”或“3+n”的模式下運(yùn)行,即一級(jí)循環(huán)泵不應(yīng)小于2臺(tái),根據(jù)負(fù)荷和燃煤硫分的情況,選擇二級(jí)循環(huán)泵的運(yùn)行臺(tái)數(shù),如設(shè)計(jì)硫分下,低負(fù)荷時(shí),采用“2+1”方式,中負(fù)荷時(shí)采用“2+2”方式,高負(fù)荷時(shí)采用“3+1”或“3+2”方式。

(4)對(duì)于調(diào)峰機(jī)組,出現(xiàn)既是低負(fù)荷、又是低硫分的工況時(shí),如果需要控制出口濃度值不接近0,應(yīng)通過(guò)調(diào)節(jié)一級(jí)循環(huán)漿液的pH值來(lái)控制,不應(yīng)通過(guò)停運(yùn)部分一級(jí)循環(huán)泵來(lái)控制。

(5)確定節(jié)能措施應(yīng)以整個(gè)系統(tǒng)的能耗核算為基礎(chǔ),并結(jié)合所有相關(guān)設(shè)備的安全性、健康性等指標(biāo)通盤(pán)考慮,不應(yīng)只局限于大型設(shè)備的能耗比較。

4結(jié)語(yǔ)

綜上所述,單塔雙循環(huán)脫硫工藝是近幾年發(fā)展起來(lái)的高效脫硫技術(shù),在執(zhí)行超低排放后,無(wú)論是在新建還是原有機(jī)組的提效改造過(guò)程中,都已成為主流的選用技術(shù)。由于工藝本身的特殊性,以及不同電廠(chǎng)改造的差異性,使每個(gè)電廠(chǎng)的控制方式都不盡相同,只有根據(jù)自身實(shí)際情況,合理選擇運(yùn)行方式,才能真正發(fā)揮出單塔雙循環(huán)工藝的技術(shù)優(yōu)勢(shì),使脫硫系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

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