石灰石/石膏湿法脱硫系统的节能优化设计与措施

王守春,赵强,冯想红

(1.西安航天源动力工程有限公司,陕西 西安 710100;2.西安航天动力研究所,陕西 西安 710100)

石灰石/石膏湿法脱硫作为世界上应用最广的脱硫技术,其主要优点有:1)脱硫效率高;2)技术成熟度高;3)运行安全可靠性高;4)脱硫剂廉价。目前我国大部分燃煤电厂采用石灰石/石膏湿法脱硫工艺进行烟气脱硫,约占国内工业烟气脱硫总量的90%以上[1]。

2020年9月,我国提出“二氧化碳排放力争2030年前达到峰值,2060年实现碳中和”的“双碳战略”。石灰石/石膏湿法脱硫系统转动设备较多,设备能耗较大,约占电厂用电的15%～20%。因此,石灰石/石膏湿法脱硫系统的节能降耗对“双碳战略”的实现具有重要的意义。

本文结合江苏徐州某2×350 MW“上大压小”超临界燃煤CFB锅炉配套烟气湿法脱硫工程设计过程中的实践与经验,对石灰石/石膏湿法脱硫系统节能设计及措施进行阐述。

1 脱硫系统概述及组成

本项目脱硫系统采用石灰石-石膏湿法单塔单循环脱硫工艺,采用一炉一塔,入口SO2质量浓度4 000 mg/m3,脱硫装置效率不小于99.3%,二氧化硫排放质量浓度≤35 mg/m3。

1.1 吸收系统

吸收系统包括逆流吸收塔、吸收塔浆液循环、吸收塔浆液搅拌系统、石膏浆液排出和氧化空气系统及放空、排净设施。

吸收塔设置5台浆液循环泵,每台浆液循环泵对应1层浆液喷淋层。

每座吸收塔设置4台侧入式搅拌器。

每套FGD配置2台单级高速离心氧化风机。

SO2吸收系统主要设备及参数(单塔):

吸收塔:吸收塔浆池直径为Ф12.4 m,浆池容积1 500 m3,正常液位12.4 m,喷淋区直径为Ф12.4 m。

浆液循环泵:每台塔设置五台浆液循环泵。吸收塔循环泵设计流量4 550 m3/h,设计扬程为:20.6/22.6/24.6/26.6/28.6 m。

吸收塔侧入式搅拌器:每台吸收塔设置四台侧入式搅拌器,用来防止浆液沉积,每台搅拌器电机功率37 kW。

氧化风机:每台塔设计2台单级高速离心氧化风机,设计风量9 500 m3/h,设计扬程86 kPa。

石膏排出泵:每台塔设置两台石膏排出泵,设计流量115 m3/h,设计扬程为60 m。

1.2 制浆系统

吸收剂浆液利用石灰石粉制备,石灰石粉由密封罐车运至脱硫岛的石灰石粉贮仓。石灰石粉由密封罐车运至脱硫岛,由管道输送至石灰石粉仓。石灰石粉伴随流化风经两台旋转给料阀进入石灰石浆液箱与工艺水或是石膏脱水系统产生的滤液混合制成30%浓度的石灰石浆液,由石灰石浆液泵补充至吸收塔。

石灰石粉仓有效贮粉容积按不小于设计工况下2台350 MW机组3 d的石灰石耗量,应不小于500 m3,底部锥形部分与水平面的夹角应不小于65°,顶部有3°的坡面。石灰石粉仓采用钢结构,并考虑合理的防磨措施。石灰石粉仓的设计运行压力保持微负压,以避免漏粉、冒粉现象发生。石灰石粉仓底部设2个卸粉口,每个卸粉口下都应装设手动插板门、电动插板门、旋转给料机。合理布置石灰石粉仓底部的卸粉设备,并应配备完整卸料、给料设备。为使卸粉顺畅,石灰石粉仓底部设置足够面积的气化装置,并且布置合理。为防止流化空气中的水分凝结,造成石灰石粉仓内石灰石粉结块,在流化风机出口母管上设有流化风机电加热器。石灰石粉仓顶部设有一套布袋除尘设施,用于去除石灰石粉仓进料和落料时产生的粉尘。同时设置真空释放阀。为了除尘器和料位计等的检修维护,设计有必需的楼梯平台及起吊设施。石灰石浆液箱的容量满足燃用设计煤种时不小于4 h的浆液消耗量。

本工程共设1座石灰石粉仓,石灰石粉仓有效贮粉容积按不小于设计工况下2台350 MW机组3 d的石灰石耗量。

系统主要设备及参数:

1个石灰石粉仓(含除尘设备),设计有效容积720 m3。配置两台流化风机及一台电加热器。

石灰石浆液箱:浆液制备系统设置一座石灰石浆液箱,浆液箱尺寸为Φ6 000×5 500 mm。同时,设置一台顶入式搅拌器。

石灰石浆液泵:浆液制备系统设置四台变频石灰石浆液泵(两用两备),每台泵设计流量27 m3/h,设计扬程40 m。

1.3 脱水系统

由石膏排出泵送来的石膏浆液输送到安装在石膏脱水车间顶部的石膏旋流站。浆液浓缩到浓度大约50%的底流浆液底流至真空皮带脱水机,溢流浆液进入滤液箱。

石膏旋流站底流浆液经过真空皮带脱水机脱水后,形成含固量大于90%,含水量小于10%的石膏。石膏经冲洗降低其中的Cl-浓度,冲洗水接自工业水。滤液回收进入滤液箱。

经过皮带脱水的脱水石膏,送入石膏堆料库,石膏库内的石膏通过铲车进行汽车装卸工作。

脱水系统设置两套真空皮带脱水系统,每台脱水皮带机的出力按照2×350 MW机组容量燃用校核煤种2时石膏产量的100%设计,共2台,1用1备。

系统主要设备及参数:

石膏旋流站:系统设置两台石膏旋流站,设计流量:115 m3/h。

真空皮带脱水机:石膏脱水系统设置两台真空皮带脱水机,每台脱水机设计出力为22 t/h。

水环式真空泵:每台皮带脱水机配置一台真空泵,一台气液分离器。

1.4 滤液系统

滤液回收系统设置一座滤液箱(含顶入式搅拌器)、两台滤液泵、两台废水旋流器给料泵和一台废水旋流器,滤液泵设计流量190 m3/h,设计扬程35 m,废水旋流器给料泵设计流量为20 m3/h,设计扬程45 m,废水旋流器设计流量为12 m3/h。

1.5 公用系统

脱硫公用系统包括工艺水系统和压缩空气系统。

1.5.1 工艺水系统

脱硫系统设置1座工艺水箱(Φ5 000×6 000 mm),2台工艺水泵(1用1备)(设计流量:100 m3/h,设计扬程55 m)。

同时设置1座工业水箱(Φ4 000×5 000 mm),2台工业水泵(1用1备)(设计流量:70 m3/h,设计扬程50 m)。

每台设置两台除雾器冲洗水泵和一台湿电冲洗水泵,除雾器冲洗水泵设计流量:150 m3/h,设计扬程70 m,湿电冲洗水泵设计流量:105 m3/h,设计扬程90 m。

1.5.2 压缩空气系统

厂区内配制有杂用压缩空气和仪用压缩空气系统,正常工作压力为0.4～0.8 MPa。

1.6 排放系统

排放系统设有1座事故浆液箱、2座吸收塔区排水坑、1座制浆脱水区排水坑。

1.7 废水处理系统

从脱硫装置出来的废水由水泵提升至中和箱,在中和箱内投加石灰乳经搅拌中和至pH值为7.5～9,中和箱溢流至反应箱,在反应箱内加15%的有机硫使一些重金属如汞和镉沉淀出来。反应箱溢流至絮凝箱,在絮凝箱内投加絮凝剂进行絮凝反应,同时在絮凝箱内加助凝剂进一步使悬浮物形成大的颗粒。然后重力流到澄清器内,经过澄清,废水中的固形物沉降分离出来。澄清器内水流的最佳上升速度为0.8 m/h。废水经重力流至出水池后,由废水泵外排。在废水处理过程中,澄清器内产生含固量10%的污泥,采用板框压滤机浓缩污泥得到含泥65%的泥饼。处理后的废水经出水泵排放。

2 系统能耗分析

石灰石/石膏湿法脱硫系统中,主要的能源介质为电、石灰石、工艺水等[2-3]。

2.1 电耗

湿法脱硫系统中电耗主要来源有:系统阻力带来的引风机电耗(增加值)、浆液循环泵电耗、氧化风机电耗以及其他系统转机电耗。本项目主要电耗如表1所示。

表1 脱硫系统主要设备电负荷统计

综合表1,脱硫系统总电耗约5 500 kW,其中循环泵电耗约占81%,氧化风机电耗约占9%,其余设备占10%左右。

2.2 石灰石耗量

两台机组总的石灰石耗量约为17.6 t/h。

2.3 水耗

脱硫系统中进入系统的水主要包括:制浆水、除雾器冲洗水、石膏冲洗水、烟气携带水(带入)、石灰石带出水等;脱硫系统带出系统的水主要包括:烟气蒸发水、烟气携带水(带出)、石膏结晶水、石膏携带水、废水等。系统的总水耗为带出系统总水量-带入系统总水量,其中,带出系统的总水量、制浆水、石膏冲洗水、烟气携带水(带入)、石灰石带出水等可以计算出来。

为保持系统水平衡,进入系统的水剩余部分由除雾器冲洗水补充,若剩余水量大于除雾器所需最小冲洗水量,系统水平衡可以通过增大除雾器冲洗水量保持平衡;若剩余水量小于除雾器所需最小冲洗水量,则需要通过其他方法达到系统水平衡。本项目系统总水耗约为100 t/h。

综合以上耗量的分析,石灰石/石膏湿法脱硫系统主要能耗为电耗和水耗,基于减少电耗和水耗的原则,可以从设计方面进行节能优化设计,同时,通过运行调节匹配系统实际运行情况。

3 优化设计

3.1 吸收系统

3.1.1 循环泵

1)循环泵采用联轴器连接形式,不设置减速机,减少减速机带来的能耗,通过采用八级电机及切削叶轮方法,使设计工况下泵效率维持在平缓区域,同时叶轮线速度控制在30 m/s以下,减少叶轮的磨损;

2)循环泵电机采用变频控制,在保证喷嘴雾化效果的前提下,根据系统负荷调节循环泵频率,达到节能的效果,根据经验,一般情况下,控制电机频率在42～50 Hz;同时,高压电机能效等级达到一级能耗;

3)优化吸收塔入口烟道倾斜度:通过模拟计算,吸收塔入口倾斜度为10°时,吸收塔入口烟气与浆液产生的扰动最小,气流分布更加均匀。

3.1.2 合金托盘

在吸收塔入口和第一层喷淋层之间增设一层合金托盘。增设合金托盘使得进入吸收塔的气体流速得到了很好的均布作用,提高了喷淋密度的均匀性[4-5]。

气液两相同时通过筛孔进行传质,主要机理是将液相作为捕尘体,在惯性、截留、扩散等作用下将粉尘捕集,并且控制气流流速在一定范围内时(与水层高度有关)可以在筛板上形成泡沫层。在泡沫层中的气泡不断地断裂、合并,又重新生成。气流在通过这层泡沫后,粉尘被捕集,气体得到净化。从而极大地提高吸收剂利用率;有效地降低液气比,从而降低了循环浆液泵的流量和功耗。

3.1.3 空塔流速

优化吸收塔烟气流速。烟气流速越大,吸收塔阻力越大,引风机电耗增加;但高流速下气液传质好,脱硫效果增强,可降低循环泵流量,降低循环泵电耗。烟气流速越小,吸收塔阻力越小,增压风机电耗减小;但气液传质变差,需增加循环泵流量,从而增加循环泵电耗。优化吸收塔烟气流速,可保证综合电耗最低。

一般情况下,吸收塔空塔流速不高于3.5 m/s[6],本项目空塔流速控制在3.2 m/s,既满足吸收塔传质要求,又降低了阻力,设计负荷下,吸收塔阻力约为1 900 Pa。

3.1.4 喷淋层

3.1.4.1 喷嘴差异化布置

通过对吸收塔内的流场进行数值模拟分析,一般情况下,吸收塔内部均存在流场不均匀的情况,但喷淋层喷嘴布置又基本采用均匀布置,使得吸收塔同一截面内液气比不均匀,高流速区液气比低,低流速区液气比高,降低吸收塔的脱硫效率的同时,使得高流速区域内的烟气夹带液滴的能力增强,如图1所示。

图1 吸收塔内流场分布示意图

采用喷淋层喷嘴差异化布置,在高流速区域增加喷嘴的密度,在低流速区减少喷嘴密度,以提高高流速区的喷淋阻力,降低低流速区的喷淋阻力,既可以均匀吸收塔内的流场,同时可以降低烟气携带液滴的能力,并提高脱硫效率。

通过喷淋层并交错布置设计,保证单层喷淋覆盖率达到280%以上,同时喷淋层喷嘴针对吸收塔内烟气分布特点以及壁面效应的特点布置,保证吸收塔内最佳的烟气与浆液接触,同时可降低液气比。

3.1.4.2 喷嘴型式

根据吸收塔内烟气分布的特点,吸收塔壁面处非常容易形成烟气的短路(壁面效应),从而造成烟气与浆液接触不充分,降低脱硫效率。喷淋层的设计针对此种情况,专门设计壁面区喷嘴布置以及喷嘴选型。壁面区喷嘴布置较中心区密,喷嘴选型也与中心区有所差别,可保证壁面区浆液喷淋均匀而严密,完全消除壁面效应,不会出现喷淋的死角,从而有效地达到脱硫效率。

根据以上原则,采用高效雾化喷嘴,可保证有效的浆液雾化效果,提高脱硫效率,降低液气比。同时采用无堵塞式的中空喷嘴设计,可保证喷嘴有最大的自由通畅直径,降低喷嘴堵塞的可能性。本项目喷淋层布置如下:

1)吸收塔共布置五层喷淋层,喷淋管采用FRP材质,每层喷淋层依次交错布置,角度为15°,喷淋层管道流速应控制在1.8～2.8 m/s。

2)每层喷淋层布置120只高效雾化喷嘴,每座吸收塔喷嘴总数为600只。

3)喷嘴对称布置。喷嘴布置分中心区和壁面区两部分,中心区喷嘴和壁面区喷嘴型式不一样,详见喷嘴参数表。

4)每层喷淋层中心区布置喷嘴76只,每座吸收塔共380只;每层喷淋层壁面区布置喷嘴44只,每座吸收塔共220只。所有喷嘴安装时出口必须垂直向下,不允许倾斜。

3.2 氧化风系统

1)氧化风机采用单级高速离心风机,整体效率保持在80%以上。

2)叶轮采用由锻造铝合金或更好材料整体加工而成的开式径向叶轮,按照“三元流动理论”设计,叶片采用“长短”结合,通过计算机模拟叶轮后倾角,保证叶轮的高效率。叶轮整体由“五轴加工中心”加工而成。

3)采用进口导叶和出口扩压器组合,实行联合进出口导叶的控制模式,能在鼓风机的调节范围(从100%到45%)内,当其偏离设计工况(低温或低压)运行时达到尽可能高的效率。

4)高速齿轮采用平行轴斜齿轮型式,轴向载荷通过止推环传递至低速轴轮缘上。小齿轮轴和转轴合为一体,保持较高的传动效率。

5)氧化风机电机采用变频控制,能效等级达到一级能耗。

3.3 制浆系统

制浆系统水源采用滤液和工艺水两路水源,正常情况下,采用皮带机滤液制浆,减少进入系统的水量[7-8]。

本项目所需制浆水约22 t/h,约占系统所需新水的40%,通过滤液制浆极大减少进入系统的新水量,为系统水平衡提供了有力保障。

3.4 工艺水系统

FGD水耗主要取决于烟气蒸发带走的水和废水排放。

1)在水质满足FGD装置要求的情况下,尽量采用循环排污水作为FGD装置工艺水,以降低电厂的工业水耗量;

2)设计连续运行的循环管线应尽量避免间断运行,以减少管道和设备冲洗水;

3)由于FGD装置废水排放对FGD装置的安全运行很重要,不能为了节水而减排或者不排废水,但废水排放量可根据现场调试运行情况进行调整。此时需要加强对吸收塔内浆液的成分进行化学分析监测,确定合理的废水排放量;

4)为避免增加FGD系统废水排放量,应保证引风机前的除尘器(电除尘或袋除尘)高效运行;

5)FGD装置的水平衡已经设计成循环使用的模式,运行过程中应按设计要求将管道冲洗水、密封水等收集循环使用,以减少系统水耗。循环泵机封水、小浆液泵机封水和氧化风机冷却水为保证泵类及风机正常运行的必须水,无法根据系统负荷进行调节,此部分水全部进入系统,无疑增加了系统的水平衡难度。鉴于此,本项目将以上机封水和冷却水收集起来,送入工艺水系统,减少进入脱硫系统新水的流量。

本项目机封水总量约为13 t/h,氧化风机冷却水约为7 t/h,合计总量为20 t/h。

4 结语

石灰石/石膏湿法脱硫系统中,泵类及风机类转动设备较多,系统相对复杂,系统电耗约占厂用电量的20%,因此,对石灰石/石膏湿法脱硫转动设备的节能优化设计至关重要。本文结合案例,对脱硫系统中较为重要的脱硫塔、循环泵、氧化风机等重要转动设备及系统用水量等方面的设计进行了阐述,通过以上优化设计,可以有效降低脱硫系统的能耗,产生一定的经济效益。