基于脱硫系统超低改造后水平衡控制研究

李振生

摘 要：火电厂锅炉提效改造和烟气超低排放改造是降低煤炭用量，提升烟气净化水平的重要手段，也是响应国家发改委号召，积极开展节能减排和环境保护的必要条件。本文对某石灰石-石膏湿法脱硫系统超低改造前后进行分析研究，找出水平衡控制的关键因素和解决思路。

关键词：燃煤锅炉；湿法脱硫系统；超低改造；水平衡控制

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.04.053

1 简介

北方某电厂四台1025t/h和两台2209t/h的亚临界自然循环燃煤汽包炉，均采用石灰石—石膏湿法烟气脱硫工艺（以下简称FGD），两级脱硫塔串联运行。每座脱硫塔配置三层或四层浆液循环单元，烟气流经脱硫塔时，烟气中的二氧化硫与塔内的石灰石浆液产生化学反应，脱除烟气中99%以上的二氧化硫，再经过除雾器除去烟气中的浆液雾滴后达标排放。全厂脱硫系统的设计水耗为450吨/小时，石灰石粉消耗量为77吨/小时。

2 燃煤锅炉脱硫系统超低改造方案

2.1 烟气余热回收利用

在燃煤锅炉的发电过程中，锅炉内部经过燃烧产生大量的热量用于发电生产，但也有部分热量直接排入大气而浪费，带来环境问题和经济损失两个方面的困扰。因此在进行脱硫超低改造时，首先进行了烟气余热的回收利用改造，通過在锅炉干式电除尘入口烟道增加烟水换热器的方式回收烟气余热，将锅炉尾部的排烟温度由约125℃降至95℃。回收的热量一方面用于加热凝结水，另一方面用于提升锅炉燃烧用的空气温度和空气预热器前的烟气温度，从而消除因锅炉脱硝氨逃逸带来的硫酸氢铵导致空预器堵塞的问题。干式电除尘入口温度降低还显著提高了灰尘的荷电性能，从而提高了电除尘效果，降低烟尘的排放量。通过这样的设计，锅炉燃煤消耗量下降2克/千瓦时以上，按一个年发电规模120亿度的大型发电厂计算，年可节约标准煤24万吨。

2.2 脱硫辅机设计

为了保证锅炉烟气的达标排放，取消烟气换热器（gas-gas heater）和实施引风机增压风机合一改造是必然结果。取消GGH的理由是因为烟气泄漏率较高（受热面回转式烟气换热器泄露率通常在12%以上），脱硫前的烟气泄漏到脱硫后的烟气中，导致脱硫后的烟气实际排放超出允许的水平。引增合一改造的目的是尽可能取消辅机设备，通过优化提高了引风机的运行效率，从而提高整体的运行可靠性和经济性。

为了实现烟气脱硫超低排放，采用的技术路线是增加吸收剂浆液循环单元的组数，这必然要增加相应的设备和冲洗系统。根据测算，一台300MW机组，实现脱硫超低排放后新增的转动设备冷却水和浆液的冲洗水量大约在35吨/小时以上，这些水最后将全部进入脱硫系统。

3 改造完成后的水平衡控制分析

脱硫系统用水平衡时，进入系统的水量和排出系统的水量是相等的，这样系统内的脱硫塔等容器保持液位的相对稳定。初始设计的边界条件是锅炉带100% 的额定负荷，工艺过程的各项参数都满足设计参数。实际上锅炉的负荷是根据发电机实际功率的需求而不断变化的，目前可以运行的的范围大约在35～100%之间。锅炉负荷降低时其烟气量会成比例下降，烟气温度下降使也会使吸收塔内的蒸发量下降很多。根据研究，锅炉增加烟气冷却器后，脱硫塔的蒸发量比没有烟气冷却器的时候下降17%以上，全厂脱硫系统大约会结余76.5吨/小时的水量无法带走，若机组负荷低于额定负荷时，这种情况更为显著。对于一座直径为17米的脱硫塔来说，76.5吨的水量相对于0.34米的容量。脱硫塔的液位是必须低于控制上限的，否则塔内的浆液会倒流进入烟道内造成设备的损坏。在排出系统的水量没有增加的情况下，系统内的存水会越来越多，以致于到了无法维持正常液位的程度，引起浆液溢流污染环境和设备损坏的事件。

各项因素对脱硫水平衡的影响数据如下表：

4 改造完成后的水平衡控制手段

4.1 吸收剂制浆用水优化

对于干粉制浆的脱硫系统来说，一般在容器内将石灰石粉加水配置成约30%左右浓度的石灰石浆液，然后再泵入脱硫塔吸收二氧化硫。为了保证石灰石浆液的流动性，一般要求浓度不能过高，否则会导致泵或者管道堵塞，但是浓度低需要消耗更多的水，这与用水平衡控制的思路是相反的。根据计算， 77吨干粉配置成30%浓度的浆液需要加水179.7吨；若配置成40%浓度的浆液则需要加水115.5吨，比30%浓度的浆液减少耗水64.2吨。如果浓度达到45%，则只需要94吨水，与30%浓度的浆液相比减少水量85.7吨。

一般石灰石浆液浓度允许的上限为45%，维持上限运行是控制水消耗的关键手段。如果将所有的制浆用水改成脱硫系统内循环的石膏滤液，那将减少净水耗179吨，脱硫水平衡控制就完全不是问题了。

4.2 系统冲洗和设备冷却用水优化

不论是石灰石浆液还是石膏浆液，浓度都比较高。在设备和系统停止运行时进行必要的冲洗，保持内部的洁净是下次投运的必要条件，否则浆液蒸发变干后沉积物结垢将很难清除，造成系统无法正常使用。

必要的系统冲洗和冷却水量是根据实验确定的维持系统安全运行的最小耗水量，通过实验调整可以减少以上两项用水45吨/小时以上，这对于维持系统的水平衡也是十分关键的。

4.3 水平衡优化控制结果

即使采取了较多的手段，仍然有149.1-130.7=18.4吨/小时的水量进入系统破坏原有的平衡，因此控制系统的稳定正常运行难度颇大。

5 结论

综上所述，火电厂在进行了脱硫超低排放改造后，燃煤和水的消耗减少，烟气排放更洁净。但因为增加了设备和回收了烟气余热，在低负荷条件下的脱硫水平衡控制问题十分突出，仍然需要通过制浆水源改造或冲洗水完全回收等方案彻底解决问题。

参考文献：

[1]李兴华，牛拥军，雷鸣等.火电机组脱硫系统超低排放改造节能优化[J/OL].热力发电，2017（11）：119-123.endprint