提高無旁路脫硫塔可靠性的措施

徐華春

(中環(中國)工程有限公司，南京市，210008)

0 引言

火力發電廠煙氣脫硫系統（flue gas desulfurization，FGD）中的旁路煙道是為了在鍋爐點火、FGD故障停運或臨時檢修時，煙氣可以通過旁路煙道直接排入煙囪，保證主體發電機組正常安全運行。國內已投運或在建的濕法脫硫裝置一般都設有100%旁路煙道。但是，設有旁路的脫硫裝置在運行中也出現了一些問題，如部分脫硫設施難以高效穩定運行。已建成投產的煙氣脫硫設施實際投運率不足，減排二氧化硫的作用沒有完全發揮[1]。為嚴格保證火力發電廠煙氣污染物達標排放，HJ/T 179—2005《火電廠煙氣脫硫工程技術規范石灰石/石灰—石膏法》[2]中5.3.2.5在2008年修改為“新建發電機組建設脫硫設施或已運行機組增設脫硫設施，不宜設置煙氣旁路”。

取消旁路后，FGD成為主體機組不可解列的一部分，只要鍋爐煙氣系統運行，FGD就必須同步運行。為了減少故障點，提高脫硫系統的可用率，取消旁路后一般不再設增壓風機和煙氣加熱器，這樣整個脫硫系統中的設備故障點集中在吸收塔上，吸收塔安全可靠運行直接影響到主體發電機組的連續運行，因此，吸收塔設計時必須從各個方面提高其運行后的可靠性。以下結合某電廠無旁路脫硫塔在設計過程中，對提高吸收塔運行可靠性方面所采取的措施，探討提高無旁路脫硫塔可靠性的方法。

1 吸收塔本體結構設計

脫硫吸收塔的本體結構尺寸主要包括塔體直徑、吸收及除霧區域高度和氧化漿池容積。這些結構尺寸由煙氣量、煙氣流速、液氣比等參數確定，而這些參數的確定又直接由廠燃用的煤種決定，與煤中含硫量密切相關。當電廠燃用煤含硫量超出吸收塔設計值時，會導致吸收塔超負荷運行，塔內件及其附屬設備就會受到破壞。目前國內燃煤電廠設計燃煤硫分還得不到充分保證，無旁路脫硫塔結構尺寸設計一定要考慮燃用煤含硫量的增加。吸收塔整體尺寸設計裕度比常規設計要大一些，其中包括吸收塔直徑、塔內煙速、液氣比、漿池容積、煙氣停留時間等參數，防止因鍋爐燃用煤種的含硫量增加造成吸收塔內漿液pH值無法控制，機組降負荷運行或停爐。特別是吸收塔漿液池容積增大后，可增加SO2吸收、氧化、石膏結晶可靠性，提高對煙氣量、SO2濃度增加、石灰石品質變差時運行工況的適應性，對石灰石漿液供應和石膏排出、廢水排放出現臨時故障也有緩沖作用。

吸收塔每層噴淋層采用單獨漿液循環泵供漿。漿液循環泵長期運行不可避免會有磨損，在數量上可備用1臺，防止漿液循環泵磨損后檢修時間較長，循環泵因檢修停運而使主體機組降低負荷，減少發電量。增加備用循環泵后相應增加1層噴淋層，塔體高度也相應增加。

當鍋爐點火用油槍助燃時，會有未燃盡的油滴隨煙氣一起進入吸收塔，污染塔內漿液，加速吸收塔內壁橡膠襯里老化[3]，因此在吸收塔內最高液位處專設觀察孔和排油口。

吸收塔液位在運行中的監視是非常重要的。溢流管堵塞時，漿液會倒流到吸風機出口，嚴重時會造成設備損壞和停機事故，吸收塔的溢流管在設計時，要做到液位低時不跑煙氣，液位高時能及時排放漿液。

吸收塔入口煙道處設置事故冷卻系統，防止故障時高溫煙氣對吸收塔內件（如除霧器、噴淋層、防腐內襯等）的損壞。

2 塔內件選型及設計

吸收塔內件主要包括除霧器、噴淋層及噴嘴、攪拌器及氧化空氣管、濾網。這些內件在塔內布置要有合理的高度，同時其選型和選材要充分考慮其運行使用環境。

2.1 除霧器

除霧器的作用是將經過噴漿吸收SO2后的煙氣中夾帶的液滴和水霧分離下來，以控制和防止亞硫酸鹽在后續塔壁、煙道、煙囪腐蝕結垢。

常用除霧器有2種結構型式：平板式和屋脊式。屋脊式除霧器設計流速大，經波紋板碰撞下來的霧滴可集中流下，減輕產生煙氣夾帶霧滴現象，煙氣通路面積亦即除霧面積比水平式面積相應增大,因此，除霧效率高,出口排放的液滴濃度不大于50 mg/m3，但其盲區占面積的比例較大，從結構來看，塔徑在φ13 m以上才能適用[4]。

一般常規設計要求除霧器出口排放的液滴濃度不大于75 mg/m3，對于無旁路脫硫吸收塔可要求高一些,設計時選擇除霧效果相對好的屋脊式除霧器。

除霧器由本體和沖洗系統組成。沖洗系統的作用是定期清除除霧器葉片捕集的液滴、粉塵，保持葉片表面清潔，防止葉片結垢和堵塞。除霧器結垢嚴重時會導致除霧器變形、坍塌和折斷。正常的二級除霧器沖洗方式是對第1級粗除霧器前后兩個端面，第二級細除霧器前端面進行沖洗，第2級除霧器后端面僅在必要時才進行沖洗，以避免煙氣攜帶太多液滴。旁路取消后，為避免漿液在第2級除霧器上部沉積引起堵塞，增加二級除霧器后端面手動沖洗系統，防止除霧器堵塞時無法進行清除。

除霧器沖洗水閥門是動作十分頻繁的閥門，質量要可靠。取消旁路后，除霧器沖洗水宜用干凈的工藝水。

2.2 噴淋層及噴嘴

噴淋層中噴淋管的材料目前大致有2種∶玻璃鋼（FRP）和鋼管內外襯橡膠。全玻璃鋼噴淋層根據玻璃鋼的材料特性，一般需要在噴淋管底部設置支撐梁。在實際工程運行中，這些支撐梁存在被上部噴嘴噴出的漿液擊穿破壞的可能。為避免由此帶來的隱患，取消旁路后，吸收塔噴淋層底部不設支撐梁。采用1根碳鋼主管兩側連接FRP噴淋支管的形式（圖1），噴淋支管兩端分別連接在主管和塔壁上，當吸收塔塔徑較大時，噴淋支管長度相應較長，可以通過增加噴淋支管的厚度或在支管上加肋，提高噴淋支管的強度和剛度。

塔徑更大時，噴淋層也可以采用雙主管形式（圖2），通過降低FRP支管的長度來滿足噴淋支管強度和剛度要求。圖2中，雙主管之間的噴淋支管一端與主管上法蘭貫通連接，一端封閉放置在另一噴淋主管上的支座上。由于噴淋支管底部無支撐梁，它的設計要充分利用受力分析軟件（如有限元分析軟件ANSYS等）進行模擬分析，在制造過程中，必須對各個生產環節進行認真監督檢驗。

噴淋管中的大量石灰石漿液通過噴嘴轉化為與煙氣有足夠接觸面積的霧化細小液滴，脫除煙氣中的SO2。噴嘴的性能對脫硫率有重要影響。常用的脫硫噴嘴有2種形式：螺旋型實心錐噴嘴（圖3）和空心錐切線型噴嘴（圖4）。

螺旋型實心錐噴嘴是隨著連續變小的螺旋線體，石灰石漿液不斷地經螺旋線相切后改變方向呈片狀噴射成同心軸狀錐體。空心錐切線型噴嘴是石灰石漿液從切線方向進入噴嘴的旋渦室內,然后從與入口方向成直角的噴孔噴出,形成無數霧滴組成的空心錐噴霧群。螺旋型實心錐噴嘴結構易碎,且液滴均勻性也有待提高[5]。空心錐切線型噴嘴,自由暢通直徑大，具有自清洗功能，應用最為普遍[6]。

脫硫噴嘴采用的材料主要有反應燒結碳化硅（RBSC）和氮化硅結合碳化硅（SNBSC）。反應燒結碳化硅屬于精細陶瓷，氣孔率小，彎曲強度大，適用于制作精細的螺旋型噴嘴。氮化硅結合碳化硅主要用于制造空心錐類噴嘴。目前，脫硫噴嘴的國產化率仍然很低，國內已有一些原生產金屬冶煉用的耐溫耐磨碳化硅產品的廠家正在開拓脫硫噴嘴業務，但是，目前的制作還處于模型仿制階段[7]。從國外公司的供貨情況看，SNBSC是噴嘴的主導材料。

在噴淋層布置噴嘴時，最外層噴嘴與塔壁要保持合理距離，防止塔壁穿孔漏漿。

2.3 攪拌器及氧化空氣管

吸收塔側進式攪拌器是為避免漿液在漿液池中沉淀結垢，保證氧化空氣與亞硫酸鹽充分接觸與反應，讓漿液處于不停的流動狀態。攪拌器應選擇質量可靠、性能優良的產品。

氧化空氣管一般設置在攪拌器槳葉的前方,氧化空氣通過此管道噴入到漿液池中。氧化空氣管向塔內噴出氧化空氣時，管道會有顫振現象，而且塔內漿液一直在被攪拌，采用1.4529合金的氧化空氣管容易折斷。吸收塔內壁有防腐層，氧化空氣管的固定支架與塔壁的連接要牢靠。

2.4 濾網

為保護吸收塔漿液循環泵，防止吸收塔漿液池內大直徑固體顆粒進入泵體，引起泵體的磨損及噴嘴和旋流子的堵塞，吸收塔內漿液循環泵吸入口設置過濾網。濾網網孔面積應為泵吸入口面積的3倍以上[8],網孔在篩網上按比例布置，濾網材料選用1.4529合金。

3 吸收塔防腐

吸收塔本體不同部位及零部件，因承受多種化學品、溫度、濕度的腐蝕和煙塵、漿液的沖刷、磨損等苛刻的工況條件，防腐材料應滿足較高的力學性能、良好的化學穩定性和熱穩定性、優良的抗滲透性和耐磨性等要求，同時應結合降低成本、施工可靠、安全運行時間長等因素綜合考慮[9]。目前，用于吸收塔的防腐材料有橡膠、玻璃鱗片和鎳基合金3種，其中鎳基合金價格昂貴，主要用在吸收塔入口干濕界面處比較惡劣的工況。

在歐洲，塔體的防腐主要使用橡膠襯里，在日本幾乎全部采用玻璃鱗片涂層，在美國則均有使用。玻璃鱗片具有優良的防滲透性和結合良好的機械強度，即使在180℃條件下，短時間里仍能集良好的化學穩定性和抗滲透性于一體，施工維修方便，但不能承受較大的溫差。橡膠襯里具有彈性和受力變形能力，可吸收固體物料的沖刷力，耐一定程度的溫度變化，發生一定限度變形時隨著基體一起變形而不產生裂紋，并具有良好的耐磨性能。其缺點是當襯層起層開裂時，會產生擴散性腐蝕，施工要求高，維修不易。

丁基橡膠防腐在國內外獲得了廣泛的應用，能很好地滿足對漿液和煙氣抗滲透性與耐磨要求。吸收塔采用內襯丁基橡膠防腐時，從吸收塔底板到攪拌器槳葉上端和噴淋層段塔內壁的區域內有漿液運動或沖刷，對襯膠有著很大的磨損，因此，此區域采用雙層襯膠，其他部位采用單層襯膠。防腐的施工應嚴格按照相關標準和規程進行，特別是要保證合理的工期。

吸收塔入口處為高溫原煙氣，吸收塔入口上方塔壁設有擋液板，但仍然不可避免會有噴淋漿液落到上面，造成入口段表面的防腐材料經常處于熱脹和冷縮兩種狀態間不斷變化，時間一長，防腐材料會出現龜裂。同時，吸收塔入口處在干濕界面，容易結露，漿液也容易富集、結垢，腐蝕條件惡劣。因此，該區域全部襯C-276合金。

4 結論

取消旁路后，脫硫系統的安全性要求遠高于傳統有旁路的脫硫系統，對電廠機組能否長期、安全、穩定、經濟運行產生直接影響。無旁路脫硫塔設計時，選材需要提高材質等級，塔內件必須選擇質量可靠，性能優良的產品，對它在運行后可能出現的各種問題，必須在設計中消除或在以后的運行中有應對措施，以保障電廠主發電機組安全運行。

[1]陳創社，赫向輝，王軍平.無旁路煙氣脫硫裝置運行可靠性探討華[J].電技術，2009，31（7）：6-8.

[2]HJ/T 179—2005火電廠煙氣脫硫工程技術規范石灰石/石灰—石膏法[S].北京：國家環境保護總局，2005.

[3]蔣叢進，封乾君.國華三河電廠脫硫裝置取消煙氣旁路的研究[J].電力建設，2008，29（2）：61-63.

[4]王祖培.火電廠煙氣濕法脫硫裝置吸收塔的設計[J].煤化工，2002（5）：44-48.

[5]姚丙東，蔣金寶，蘭清敏，等.濕法脫硫用噴嘴的研究與進展[J].化工機械，2006，33（4）：194-197.

[6]孫克勤.電廠煙氣脫硫設備及運行[M].北京：中國電力出版社，2007.

[7]傅文玲，劉鵬.煙氣脫硫用碳化硅噴嘴的國產化探討[J].電力設備，2007，8（2）：50-52.

[8]孫琦明.濕法脫硫工藝吸收塔及內件的設計選型[J].中國環保產業，2007（4）：18-22.

[9]游春桃，林海波，黃海濤，等.石灰石-石膏法脫硫裝置吸收塔襯里橡膠的應用[J].壓力容器，2006，23（7）：19-23.