脱硫系统改造方案设计与应用

刘红蕾，李广华，王智奇

（1.山东省电力学校，山东 泰安 271000；2.中国博奇环保科技股份公司，北京 100010）

1 火电厂脱硫系统改造的政策性要求

2011年初，国家环境保护部发布了《火电厂大气污染物排放标准》（二次征求意见稿）（以下简称新标准）。与2009年发布的一次征求意见稿（以下简称2009年初稿）相比，其中的脱硫规定，无论是完成时间要求，还是减排力度，都有明显提高。新标准将于2011年内颁布，2012年1月1日起开始执行。

2009年初稿和旧标准对不同时期的火电厂建设项目划分成 3个时段［1］，涉及的时间节点包括1996年12月31日、2010年和2015年，分别规定了排放控制要求；而新标准对现役机组采用了“一刀切”的方式，仅以2012年1月1日为界划分为现有及新建机组2个时段，更加简析明了：2012年1月1日前获得环评批复的为现役机组，否则为新建机组。现役机组的标准执行时间为2014年1月1日，留给现役机组进行改造的时间只有2年。

新标准规定新建燃煤电厂二氧化硫的排放限值为100Mg/m3。现有电厂分为两类，燃煤硫分较高地区的电厂执行400Mg/m3，其他现有燃煤电厂执行200Mg/m3，重点地区的燃煤电厂执行50Mg/m3。对比新标准、2009年初稿和旧标准可以看出，新标准调整了SO2污染物排放浓度限值，采取了更为严格的排放限制：

现役机组从旧标准执行的最高2 100Mg/m3降至2009年初稿的800Mg/m3后再降至新标准的200～400mg/m3；新建机组从旧标准执行的400mg/m3降至2009年初稿的200Mg/m3再降至新标准的50～100Mg/m3。新标准脱硫限值大幅下降，远远超出旧标准和2009年初稿，甚至超越欧美现用标准。

2 脱硫改造项目状况

技改项目中的机组于2001年投产，机组容量为300MW。2007年应国家环保要求增加脱硫系统，根据对烟气脱硫装置投运近三年来的实际运行情况分析，其适用燃煤硫分、脱硫效率、出口二氧化硫排放浓度均难以满足新规定的要求。近期电厂所在省环保厅和省电监办出台了脱硫装置设计燃煤硫份大于1%、综合脱硫效率大于93%、净烟气二氧化硫排放浓度小于200Mg/m3的政策规定，加之燃煤电厂的电煤复杂多变，难以保证低硫煤的长期供应，这就为机组系统及脱硫系统的安全环保运行带来压力。考虑到国家十二五期间节能减排和环保政策的趋严，该机组所在的发电有限责任公司对机组脱硫装置必须进行增容改造，以提高系统脱硫效率，使整套脱硫装置达到环保要求。

3 脱硫系统项目改造方案

3.1 脱硫系统改造的可研范围

烟气脱硫工艺增容改造方案的选择、工艺流程及布置；

石膏脱水及贮存系统及布置改造方案；

仪表控制及电气系统改造方案；

土建工程；

投资及经济分析。

3.2 主要设计原则

设计内容深度满足 《火力发电厂可行性研究报告内容深度规定》［2］和《火力发电厂可行性研究报告内容深度规定烟气脱硫部分暂行规定》［3］的要求。

大气污染物排放应满足 《火电厂大气污染物排放标准》［4］。

脱硫工程产生的废水、废渣、噪音等环境污染物应满足国家现行标准的要求，脱硫工程设计中应考虑防尘、防腐蚀、防噪音等措施。

脱硫工艺的选择应遵照 “工艺成熟、运行稳定、脱硫效率高、投资省、无二次污染”的原则；脱硫装置采用一炉一塔，每套脱硫装置的烟气处理能力为一台锅炉100%BMCR工况时的烟气量。

依据国家最新规定，火电厂脱硫系统不设置旁路。

脱硫烟气入口含硫量按照设计燃煤硫分1.2%、校核燃煤硫分1.5%、出口二氧化硫浓度小于150Mg/m3。

3.3 改造条件

制备和供应方式。工程采用石灰石粉方案，原石灰石粉制浆系统全部利旧，无须改造。

脱硫场地条件。此次机组烟气脱硫增容改造，基本上是在原来的脱硫岛内设备布置位置进行调整，总体来说，脱硫场地对于工艺系统布置难度不大。新增循环泵出口管道布置相对较困难，要根据现场实际情况进行改造。新增真空皮带脱水机处理能力较大，项目实施过程中，要根据现有场地确定，将真空皮带脱水机尽量做宽，做短。项目暂按新增工艺水系统设计，在原机组工艺水箱位置原地建设工艺水箱、工艺水泵以及除雾器冲洗水泵。

3.4 脱硫系统改造设想

3.4.1 脱硫工艺用水、汽、气

脱硫装置用水量约43M3/h，工程用压缩空气从主体引接，为FGD装置提供检修、吹扫用气，不需要使用蒸汽。脱硫的工艺水水源由业主提供，工艺水系统满足FGD装置正常运行和事故工况下脱硫工艺系统的用水。

3.4.2 废水处理

废水的排放量经计算为12.8 t/h，原有的脱硫废水系统的出力为13 t/h，通过对原有脱硫废水设备选型的核算，能满足改造后废水量要求，且鉴于原有脱硫废水系统的投运时间较短，综合考虑技术和经济各指标，建议本次改造脱硫废水不进行增容。

改造方要求工艺专业废水的含固量由1.2%提高至2.2%，依据以往脱硫废水改造经验，采用以下方案：在污泥输送泵出口母管增加回路，将污泥引至皮带脱水机的滤饼冲洗盒，使其分布在脱水石膏的上部，保证了不因污泥的粒径过细导致滤布的空隙被污泥填塞。而污泥引入量仅10M3/h，含固量5%～7%，对石膏品质影响较小。 这样既利用脱水机的出力余量，在不影响皮带的正常运行又解决了过量废水污泥的处理。

3.4.3 电气部分

由于燃煤含硫量增大，原设备容量无法满足现在运行条件所需，故对原来脱硫系统进行相应改造，电气设计范围为相应的脱硫电气部分的改造。由于原有电气设备利旧困难，故本次改造电气设备、材料原则上均为新增。

（1）初步设计思路。

电源：脱硫项目6 kV电动机及低压脱硫变均由主厂6 kV工作段供电，脱硫保安负荷由主厂保安PC段供电。其电源与脱硫岛的分界点在主体6 kV脱硫电源馈线柜及其380 V脱硫保安电源馈线柜出线端子处，此端子以后的供、配电设计与供货均包含在本期脱硫改造工程中。

电缆：脱硫岛区域内的电缆、主体6 kV脱硫电源馈线柜至脱硫岛的电缆及主体380 V脱硫保安电源馈线柜至脱硫岛的电缆设计与供货均包含在本期脱硫改造工程中。

电缆敷设设施和照明：电缆敷设设施如桥架、电缆沟、电缆防火设施、照明设施（道路照明）等与主体分界点为脱硫岛区域外1M。

（2）主要电气设备选择及布置。

0.4 kV低压配电装置。0.4 kV低压开关柜选用MNS型抽屉开关柜，380/220 V系统采用PC（动力中心）、MCC（电动机控制中心）两级供电方式。烟气吸收系统、额定功率75 kW及以上的电动机、100 kW及以上的馈线回路和MCC电源回路由380 V动力中心供电，浆液制备、石膏脱水及废水处理系统由公用MCC段供电。

电力及控制电缆。工程6 kV电缆采用ZRC-YJV22-6/6 kV，0.4 kV动力电缆采用ZRC-YJV22-0.6/1 kV，控制电缆选用铜芯ZRC-KVVP22-0.45/0.75 kV。

项目新增低压开关柜均并接在原有脱硫380V PC段及公用MCC段上。3.4.4 仪表和控制部分改造

根据工艺专业增加1台循环泵、增加1台氧化风机（含排气电动阀），增加事故喷淋系统，新增1台工艺水箱；新增2台工艺水泵；新增2台除雾器冲洗水泵；拆除原真空皮带脱水机B、C及其相应辅助设备，新增1台处理能力较大的真空皮带脱水机 （每套皮带脱水机含DI：16点；DO：2点；AI：2 点；AO：2点）。DCS 需增加如下 I/O 点：DI点25个，DO点14个，RTD点7个，相应增加计算机及其控制电缆。

循环泵系统：增加就地隔膜压力表1块。

事故喷淋系统：增加电动执行机构1台，气动执行机构1台，隔膜压力液位计1台。

氧化风机系统：增加1台电动执行机构。

水箱系统：增加就地弹簧压力表4块。 压力液位计1台。

增加1套CEMS系统，对烟囱入口的烟气进行连续在线监测，包括 SO2、O2、NOx、烟尘量、烟气流量、压力、温度、湿度等。

3.4.5 土建部分改造

针对工艺新布置，土建需要新增部分设备基础，改造石膏脱水楼、GGH支架结构，扩建浆液循环泵支架及需改造部分设备基础，对改造的原有建（构）筑物进行复核计算。

1）新建（构）筑物结构。新增设备基础采用大块式钢筋混凝土结构。

2）改造新建（构）筑物结构。

原有石膏脱水楼标高9M真空皮带层设备更换，按新布置的真空泵及真空皮带布置，进行核算。按核算结果对原有梁板进行改造或加固处理等；原没有荷载点的位置需新增钢梁。原有石膏脱水楼标高12.6M旋流器钢平台需要外扩2.5M，按要求新增钢柱等，按核算结果对原有梁板进行改造或加固处理等。

原有GGH支架，按新的烟道布置，局部加高7.4M，需新增部分梁柱，按新荷载重新核算原GGH支架结构，根据核算结果对原结构进行改造或加固处理等。

浆液循环泵支架原为钢筋混凝土框架结构，现需要将泵支架按工艺要求外扩5M，需要新增2个混凝土柱及相关梁、轨道等，基础和结构形式按原有不变，大小按计算确定。对新的吸收塔荷载，土建进行了原有吸收塔桩基础复核计算。经核算原有吸收塔桩基础满足新荷载要求，不需要加固。

3.5 工艺方案设计改造

3.5.1 烟气系统

增压风机：根据厂家反馈意见需要更换叶轮、电机，电机功率由原来的2 300 kW增到到2 800 kW。

GGH：GGH全部利旧，无须改造。

挡板门：挡板门全部利旧，无须改造。

烟道：由于吸收塔出入口接口高度抬高，所以连接吸收塔与GGH的烟道也要增高，故烟道量有所增加。

膨胀节：由于有拆除烟道，故吸收塔出入口烟道膨胀节需要更换。

增压风机检修起吊：由于增压风机电机增大，故须对原有检修轨道以及检修设施进行更换。

3.5.2 吸收塔（SO2吸收）系统

1）保证吸收塔出入口烟道尺寸不变，原吸收塔整体抬高7.4M，吸收塔浆池区增加5.4M，增加一层喷淋层（2M），吸收塔浆池高度由原来的7.7M加高到13.1M，浆池容积增大到1 383M3。 从吸收塔底板往上加高，原循环泵入口、吸收塔搅拌器开孔、石膏排放泵入口等管口需要重新开孔。吸收塔基础的承载能力满足改造后要求。

2）原氧化空气管设计为喷枪结构，由于含硫量增加，吸收塔浆池增大，故如果继续采用氧化喷枪形式，原氧化风机压力不能满足单层搅拌器要求，故本次设计为氧化空气管网式，同时氧化空气管线进行相应改造。

3）除雾器：利用原有除雾器。

4）循环泵改造方案。

原最高层循环泵电机和减速机挪至原次高层循环泵位置，次高层循环泵参数可从5 400M3/h×15.2M提高到5 740M3/h×16.5M。

原次高层循环泵电机和减速机挪至原最低层循环泵位置，最低层循环泵参数可从5 400M3/h×13.2M提高到5 740M3/h×14.4M。

原最高层循环泵重新设计和采购，参数为：流量 6 860M3/h，压头 23.7M；配套电机 800 kW；泵和电机基础重做；循环泵进出口管路接口局部调整，主管路不变；对应喷淋层需重新设计采购。

增加1层喷淋层，新增循环泵规格型号为：流量6 980M3/h，压头25.7M；配套电机900 kW。

（5）喷淋层该改造方案：利旧两层喷淋层，更换原最高层喷淋层，增加1层喷淋层。

（6）氧化风机：增加1台氧化风机，规格型号与原氧化风机相同，最终配置为3台氧化风机，运行模式为一运一备。

（7）循环泵检修起吊：由于循环泵规格型号增大，故须对原有检修轨道以及检修设施进行更换。

3.5.3 石灰石浆液制备系统

全部利旧，设备容量可以满足含硫量增加后系统所需容量要求。

3.5.4 石膏脱水系统

原石膏脱水系统处理能力为改造后石膏产量106%左右，余量过小，故本次可研方案对原石膏脱水系统进行了改造，改造后石膏脱水系统满足另外2台机组公用1套脱水系统的总容量150%设计。

1）拆除原真空皮带脱水机及其相应辅助设备，新增1台处理能力较大的真空皮带脱水机。

2）拆除原石膏旋流器，新增1台处理能力较大的石膏旋流器。

3）更换原两台废水泵，废水箱需要重新开孔。

4）原废水旋流器不更换，加大入口压力。

4 环境及社会效益预计

改造后，出口污染物浓度不超过150Mg/Nm3，二氧化硫排放量满足 《火力发电厂大气污染物排放标准》的要求。另外，由于脱硫吸收塔的洗涤除尘作用，脱硫系统还可取得70%以上的除尘效果，保证烟囱出口烟尘浓度满足《火力发电厂大气污染物排放标准》的要求。脱硫副产物石膏纯度可达90%以上，具有综合利用价值。脱硫废水产生总量为11 t/h，废水中的主要污染因子为盐类、重金属、水中悬浮物SS等，经过废水处理系统处理后各项指标均能达到国家污水综合排放标准要求的一级标准［5］。