石灰石/石膏濕法脫硫系統的節能優化設計與措施

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用最廣的脫硫技術,其主要優點有:1)脫硫效率高;2)技術成熟度高;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行煙氣脫硫,約占國內工業煙氣脫硫總量的90%以上[1]。

2020年9月,我國提出“二氧化碳排放力爭2030年前達到峰值,2060年實現碳中和”的“雙碳戰略”。石灰石/石膏濕法脫硫系統轉動設備較多,設備能耗較大,約占電廠用電的15%～20%。因此,石灰石/石膏濕法脫硫系統的節能降耗對“雙碳戰略”的實現具有重要的意義。

本文結合江蘇徐州某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計過程中的實踐與經驗,對石灰石/石膏濕法脫硫系統節能設計及措施進行闡述。

1 脫硫系統概述及組成

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

1.1 吸收系統

吸收系統包括逆流吸收塔、吸收塔漿液循環、吸收塔漿液攪拌系統、石膏漿液排出和氧化空氣系統及放空、排凈設施。

吸收塔設置5臺漿液循環泵,每臺漿液循環泵對應1層漿液噴淋層。

每座吸收塔設置4臺側入式攪拌器。

每套FGD配置2臺單級高速離心氧化風機。

SO2吸收系統主要設備及參數(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,噴淋區直徑為Ф12.4 m。

漿液循環泵:每臺塔設置五臺漿液循環泵。吸收塔循環泵設計流量4 550 m3/h,設計揚程為:20.6/22.6/24.6/26.6/28.6 m。

吸收塔側入式攪拌器:每臺吸收塔設置四臺側入式攪拌器,用來防止漿液沉積,每臺攪拌器電機功率37 kW。

氧化風機:每臺塔設計2臺單級高速離心氧化風機,設計風量9 500 m3/h,設計揚程86 kPa。

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

1.2 制漿系統

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經兩臺旋轉給料閥進入石灰石漿液箱與工藝水或是石膏脫水系統產生的濾液混合制成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計工況下2臺350 MW機組3 d的石灰石耗量,應不小于500 m3,底部錐形部分與水平面的夾角應不小于65°,頂部有3°的坡面。石灰石粉倉采用鋼結構,并考慮合理的防磨措施。石灰石粉倉的設計運行壓力保持微負壓,以避免漏粉、冒粉現象發生。石灰石粉倉底部設2個卸粉口,每個卸粉口下都應裝設手動插板門、電動插板門、旋轉給料機。合理布置石灰石粉倉底部的卸粉設備,并應配備完整卸料、給料設備。為使卸粉順暢,石灰石粉倉底部設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,造成石灰石粉倉內石灰石粉結塊,在流化風機出口母管上設有流化風機電加熱器。石灰石粉倉頂部設有一套布袋除塵設施,用于去除石灰石粉倉進料和落料時產生的粉塵。同時設置真空釋放閥。為了除塵器和料位計等的檢修維護,設計有必需的樓梯平臺及起吊設施。石灰石漿液箱的容量滿足燃用設計煤種時不小于4 h的漿液消耗量。

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

系統主要設備及參數:

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

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

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

1.3 脫水系統

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,溢流漿液進入濾液箱。

石膏旋流站底流漿液經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。石膏經沖洗降低其中的Cl-濃度,沖洗水接自工業水。濾液回收進入濾液箱。

經過皮帶脫水的脫水石膏,送入石膏堆料庫,石膏庫內的石膏通過鏟車進行汽車裝卸工作。

脫水系統設置兩套真空皮帶脫水系統,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時石膏產量的100%設計,共2臺,1用1備。

系統主要設備及參數:

石膏旋流站:系統設置兩臺石膏旋流站,設計流量:115 m3/h。

真空皮帶脫水機:石膏脫水系統設置兩臺真空皮帶脫水機,每臺脫水機設計出力為22 t/h。

水環式真空泵: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

濾液回收系統設置一座濾液箱(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,濾液泵設計流量190 m3/h,設計揚程35 m,廢水旋流器給料泵設計流量為20 m3/h,設計揚程45 m,廢水旋流器設計流量為12 m3/h。

1.5 公用系統

脫硫公用系統包括工藝水系統和壓縮空氣系統。

1.5.1 工藝水系統

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

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

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

1.5.2 壓縮空氣系統

廠區內配制有雜用壓縮空氣和儀用壓縮空氣系統,正常工作壓力為0.4～0.8 MPa。

1.6 排放系統

排放系統設有1座事故漿液箱、2座吸收塔區排水坑、1座制漿脫水區排水坑。

1.7 廢水處理系統

從脫硫裝置出來的廢水由水泵提升至中和箱,在中和箱內投加石灰乳經攪拌中和至pH值為7.5～9,中和箱溢流至反應箱,在反應箱內加15%的有機硫使一些重金屬如汞和鎘沉淀出來。反應箱溢流至絮凝箱,在絮凝箱內投加絮凝劑進行絮凝反應,同時在絮凝箱內加助凝劑進一步使懸浮物形成大的顆粒。然后重力流到澄清器內,經過澄清,廢水中的固形物沉降分離出來。澄清器內水流的最佳上升速度為0.8 m/h。廢水經重力流至出水池后,由廢水泵外排。在廢水處理過程中,澄清器內產生含固量10%的污泥,采用板框壓濾機濃縮污泥得到含泥65%的泥餅。處理后的廢水經出水泵排放。

2 系統能耗分析

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

2.1 電耗

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

表1 脫硫系統主要設備電負荷統計

綜合表1,脫硫系統總電耗約5 500 kW,其中循環泵電耗約占81%,氧化風機電耗約占9%,其余設備占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

脫硫系統中進入系統的水主要包括: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;脫硫系統帶出系統的水主要包括:煙氣蒸發水、煙氣攜帶水(帶出)、石膏結晶水、石膏攜帶水、廢水等。系統的總水耗為帶出系統總水量-帶入系統總水量,其中,帶出系統的總水量、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。

為保持系統水平衡,進入系統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到系統水平衡。本項目系統總水耗約為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,可以從設計方面進行節能優化設計,同時,通過運行調節匹配系統實際運行情況。

3 優化設計

3.1 吸收系統

3.1.1 循環泵

1)循環泵采用聯軸器連接形式,不設置減速機,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,使設計工況下泵效率維持在平緩區域,同時葉輪線速度控制在30 m/s以下,減少葉輪的磨損;

2)循環泵電機采用變頻控制,在保證噴嘴霧化效果的前提下,根據系統負荷調節循環泵頻率,達到節能的效果,根據經驗,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到一級能耗;

3)優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一層合金托盤。增設合金托盤使得進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行傳質,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時(與水層高度有關)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,從而降低了循環漿液泵的流量和功耗。

3.1.3 空塔流速

優化吸收塔煙氣流速。煙氣流速越大,吸收塔阻力越大,引風機電耗增加;但高流速下氣液傳質好,脫硫效果增強,可降低循環泵流量,降低循環泵電耗。煙氣流速越小,吸收塔阻力越小,增壓風機電耗減小;但氣液傳質變差,需增加循環泵流量,從而增加循環泵電耗。優化吸收塔煙氣流速,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,既滿足吸收塔傳質要求,又降低了阻力,設計負荷下,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

通過對吸收塔內的流場進行數值模擬分析,一般情況下,吸收塔內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液氣比不均勻,高流速區液氣比低,低流速區液氣比高,降低吸收塔的脫硫效率的同時,使得高流速區域內的煙氣夾帶液滴的能力增強,如圖1所示。

圖1 吸收塔內流場分布示意圖

采用噴淋層噴嘴差異化布置,在高流速區域增加噴嘴的密度,在低流速區減少噴嘴密度,以提高高流速區的噴淋阻力,降低低流速區的噴淋阻力,既可以均勻吸收塔內的流場,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計,保證單層噴淋覆蓋率達到280%以上,同時噴淋層噴嘴針對吸收塔內煙氣分布特點以及壁面效應的特點布置,保證吸收塔內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

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

根據以上原則,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,每層噴淋層依次交錯布置,角度為15°,噴淋層管道流速應控制在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為600只。

3)噴嘴對稱布置。噴嘴布置分中心區和壁面區兩部分,中心區噴嘴和壁面區噴嘴型式不一樣,詳見噴嘴參數表。

4)每層噴淋層中心區布置噴嘴76只,每座吸收塔共380只;每層噴淋層壁面區布置噴嘴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 氧化風系統

1)氧化風機采用單級高速離心風機,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”設計,葉片采用“長短”結合,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)采用進口導葉和出口擴壓器組合,實行聯合進出口導葉的控制模式,能在鼓風機的調節范圍(從100%到45%)內,當其偏離設計工況(低溫或低壓)運行時達到盡可能高的效率。

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

5)氧化風機電機采用變頻控制,能效等級達到一級能耗。

3.3 制漿系統

制漿系統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,減少進入系統的水量[7-8]。

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

3.4 工藝水系統

FGD水耗主要取決于煙氣蒸發帶走的水和廢水排放。

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

2)設計連續運行的循環管線應盡量避免間斷運行,以減少管道和設備沖洗水;

3)由于FGD裝置廢水排放對FGD裝置的安全運行很重要,不能為了節水而減排或者不排廢水,但廢水排放量可根據現場調試運行情況進行調整。此時需要加強對吸收塔內漿液的成分進行化學分析監測,確定合理的廢水排放量;

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

5)FGD裝置的水平衡已經設計成循環使用的模式,運行過程中應按設計要求將管道沖洗水、密封水等收集循環使用,以減少系統水耗。循環泵機封水、小漿液泵機封水和氧化風機冷卻水為保證泵類及風機正常運行的必須水,無法根據系統負荷進行調節,此部分水全部進入系統,無疑增加了系統的水平衡難度。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,減少進入脫硫系統新水的流量。

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

4 結語

石灰石/石膏濕法脫硫系統中,泵類及風機類轉動設備較多,系統相對復雜,系統電耗約占廠用電量的20%,因此,對石灰石/石膏濕法脫硫轉動設備的節能優化設計至關重要。本文結合案例,對脫硫系統中較為重要的脫硫塔、循環泵、氧化風機等重要轉動設備及系統用水量等方面的設計進行了闡述,通過以上優化設計,可以有效降低脫硫系統的能耗,產生一定的經濟效益。