某660 MW 機(jī)組串聯(lián)塔脫硫系統(tǒng)水平衡優(yōu)化

（華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030）

0 引言

石灰石-石膏濕法串聯(lián)塔脫硫工藝是我國燃煤機(jī)組超低排放改造中較為常見的技術(shù)，該工藝可以達(dá)到很高的脫硫效率，適用于高硫煤機(jī)組，但是由于其脫硫系統(tǒng)包含2 座吸收塔，運(yùn)行較為復(fù)雜，水平衡維持難度較大，如控制不當(dāng)，易引發(fā)吸收塔漿液溢流，以及除霧器結(jié)垢堵塞等問題，同時吸收塔液位不穩(wěn)定還會影響脫硫效率、漿液氧化效果以及石膏品質(zhì)，影響漿液池?cái)嚢杵鞯恼＿\(yùn)行[1-3]。

本文對某660 MW 機(jī)組串聯(lián)塔脫硫系統(tǒng)進(jìn)行水平衡分析，為該系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行提供建議，提高機(jī)組對低負(fù)荷的適應(yīng)性。

1 設(shè)備概況

某發(fā)電公司660 MW 超臨界燃煤空冷機(jī)組，配套建設(shè)石灰石-石膏濕法串聯(lián)塔脫硫裝置，設(shè)計(jì)入口SO2濃度為6 600 mg/m3，出口SO2濃度為35 mg/m3，出口液滴含量不高于20 mg/m3。該機(jī)組目前參與深度調(diào)峰，最低負(fù)荷為40%額定工況。其串聯(lián)塔脫硫系統(tǒng)運(yùn)行中多次出現(xiàn)除霧器結(jié)垢、吸收塔溢流以及石膏雨等問題，嚴(yán)重時導(dǎo)致機(jī)組限負(fù)荷運(yùn)行。脫硫系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)見表1。

2 串聯(lián)塔系統(tǒng)水平衡分析

2.1 串聯(lián)塔水平衡概述

水平衡是指進(jìn)入系統(tǒng)的水量等于帶出系統(tǒng)的水量。進(jìn)入系統(tǒng)的水量包括：原煙氣攜帶水、補(bǔ)漿攜帶水、氧化空氣攜帶水、除霧器沖洗水、其他各類沖洗及冷卻水等。帶出系統(tǒng)的水量主要包括：凈煙氣攜帶水、凈煙氣攜帶液滴、石膏帶水（含結(jié)晶水、附著水）、脫硫廢水等。由于氧化空氣減溫水量和凈煙氣中以液滴形式帶走的水量較小[4]，本文將忽略不計(jì)。將整個脫硫系統(tǒng)作為一個整體，水平衡模型如圖1 所示。

表1 脫硫系統(tǒng)主要設(shè)備參數(shù)

圖1 脫硫整體系統(tǒng)水平衡模型

2.2 不同負(fù)荷下的水平衡測算

本文提取660 MW，495 MW，330 MW 和264 MW 共4 個典型工況下的脫硫系統(tǒng)煙氣參數(shù)進(jìn)行水平衡計(jì)算。不同負(fù)荷下的煙氣數(shù)據(jù)見表2，水平衡計(jì)算結(jié)果見表3，其中除霧器沖洗水是指在該工況下保持水平衡時允許進(jìn)入系統(tǒng)的除霧器沖洗水量。

2.3 串聯(lián)塔系統(tǒng)總體水平衡分析

2.3.1 系統(tǒng)耗水量分析

煙氣經(jīng)過脫硫系統(tǒng)，狀態(tài)發(fā)生很大改變，由高溫不飽和煙氣變?yōu)榈蜏仫柡蜐駸煔猓瑫拇罅康恼舭l(fā)水，該部分蒸發(fā)水量占脫硫系統(tǒng)耗水量的80%以上，其水量大小主要與入口煙氣量以及來煙溫度有關(guān)[5-9]。該系統(tǒng)不同負(fù)荷下的蒸發(fā)水量見表4。在機(jī)組深度調(diào)峰期間，負(fù)荷264 MW 時，脫硫系統(tǒng)蒸發(fā)水量下降為48.86 t/h，僅為660 MW時的41.63%。

表2 不同負(fù)荷下脫硫系統(tǒng)煙氣數(shù)據(jù)

表3 不同負(fù)荷下脫硫系統(tǒng)水平衡計(jì)算結(jié)果

表4 脫硫系統(tǒng)蒸發(fā)水量

隨石膏帶走的結(jié)晶水和附著水量與系統(tǒng)脫除的SO2量及石膏含水率有關(guān)，與煙氣其他性質(zhì)無關(guān)。脫硫系統(tǒng)廢水量的確定對主要設(shè)備的材料選擇、石膏品質(zhì)都有很大影響[10-11]，一般是通過確定吸收塔漿液中氯離子的濃度來確定廢水量。本系統(tǒng)進(jìn)水氯離子平均含量為400 mg/L，按照20 000 mg/L 來確定廢水量。根據(jù)表3 可知，廢水量隨系統(tǒng)負(fù)荷降低而降低，對系統(tǒng)耗水量產(chǎn)生一定影響。同時工藝水源中氯離子的濃度增大，會使脫硫系統(tǒng)的廢水排放量增多[12]。

2.3.2 系統(tǒng)補(bǔ)水量分析

補(bǔ)水量方面，制漿系統(tǒng)用水會隨著吸收塔補(bǔ)漿進(jìn)入系統(tǒng)。本系統(tǒng)制漿主水源為濾液水，工藝水作為補(bǔ)充水源。采用濾液水制漿時其攜帶水量不計(jì)入系統(tǒng)補(bǔ)水量，經(jīng)統(tǒng)計(jì)不同負(fù)荷下的工藝水補(bǔ)充量見表3。

漿液循環(huán)泵等轉(zhuǎn)動設(shè)備的機(jī)械密封水直接排入地溝，再通過地坑泵回到吸收塔，水量與設(shè)備投運(yùn)情況有關(guān)。脫水機(jī)濾布、濾餅沖洗水以及真空泵密封水均進(jìn)入濾液系統(tǒng)，這兩部分水量與皮帶脫水機(jī)投運(yùn)時間有關(guān)。此外，循環(huán)泵、排漿泵等接觸漿液的設(shè)備停運(yùn)后需進(jìn)行沖洗，這部分沖洗水也通過地坑進(jìn)入脫硫系統(tǒng)，水量與設(shè)備的停運(yùn)及切換情況有關(guān)。

除霧器沖洗的作用一方面保證除霧器的清潔，另一方面調(diào)整吸收塔液位。一般以2 h 為周期進(jìn)行除霧器沖洗，且在低負(fù)荷運(yùn)行中，除霧器沖洗水量不可以等比例下降，除霧器需要定期沖洗，否則會發(fā)生結(jié)垢堵塞。

2.3.3 存在問題的分析

通過分析可知，在運(yùn)行工況、燃煤品質(zhì)、工藝水品質(zhì)等條件確定的情況下，脫硫系統(tǒng)的耗水量是固定的，因此可以進(jìn)入系統(tǒng)的總水量也是固定的，與脫硫塔的配置方式無關(guān)。而串聯(lián)塔系統(tǒng)由于增加了一套二級吸收塔子系統(tǒng)，配置的循環(huán)泵臺數(shù)增多，除霧器級數(shù)增多，需要的各類沖洗水、機(jī)封水量明顯增多，由此帶來了低負(fù)荷工況下需要的補(bǔ)水量大于耗水量的問題。另外，在當(dāng)前深度節(jié)能減排的背景下，部分機(jī)組在脫硫前端安裝煙氣換熱裝置，進(jìn)一步降低了脫硫塔入口煙溫，塔內(nèi)蒸發(fā)水量還會大幅降低，部分機(jī)組安裝漿液冷卻裝置進(jìn)行煙羽治理，冷凝液直接進(jìn)入脫硫塔，此類裝置均會明顯改變脫硫系統(tǒng)的水平衡[13-14]。

運(yùn)行中為了避免發(fā)生吸收塔溢流，一般會通過減少除霧器沖洗次數(shù)來減少沖洗水量需求。從表3 可見，在660 MW，495 MW，330 MW，264 MW 負(fù)荷下，可以用來進(jìn)行除霧器沖洗的水量分別為89.87 t/h，65.01 t/h，40.91 t/h，28.44 t/h。2座吸收塔除霧器設(shè)計(jì)沖洗水量合計(jì)為85 t/h，可見多數(shù)負(fù)荷情況下，可用于除霧器沖洗的水量均低于其設(shè)計(jì)沖洗水量，特別是264 MW 時，除霧器的沖洗周期延長為原周期的近3 倍以上，結(jié)垢堵塞風(fēng)險(xiǎn)極大[15-22]，因此必須對串聯(lián)塔系統(tǒng)進(jìn)行水平衡優(yōu)化。

2.4 串聯(lián)塔各級吸收塔水平衡分析

在串聯(lián)塔系統(tǒng)中，一級塔煙氣蒸發(fā)耗水量較大，而且通過一級塔進(jìn)行直接排漿，帶出系統(tǒng)的水量較大，因此一級塔漿池液位容易偏低，且受系統(tǒng)負(fù)荷波動影響較為明顯，進(jìn)入一級塔的水以漿液、濾液形式為主。二級塔煙氣蒸發(fā)水量幾乎為零，排水途徑主要是其漿液返回一級塔時的攜帶水。同時二級塔布置有3 層除霧器，需要的沖洗水量較大，因此二級塔漿池液位容易偏高，進(jìn)入二級塔的水以除霧器沖洗水形式為主。二級塔補(bǔ)充水量與處理煙氣量變化無關(guān)，不受系統(tǒng)負(fù)荷變化影響。串聯(lián)塔分系統(tǒng)水平衡模型如圖2 所示。可見，運(yùn)行中可通過連動調(diào)節(jié)2 座塔的除霧器沖洗水量和二級塔返回漿液量，從而調(diào)整2 座塔的液位。

圖2 串聯(lián)塔水平衡模型

3 串聯(lián)塔水平衡優(yōu)化改造

對于串聯(lián)塔脫硫系統(tǒng)來說，實(shí)現(xiàn)整體水平衡是保持2 座塔內(nèi)液位穩(wěn)定及水平衡的基礎(chǔ)，必須根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。

3.1 優(yōu)化工藝水進(jìn)入系統(tǒng)的方式

通過表3 可知，特定工況下，系統(tǒng)耗水量一定，總的可進(jìn)入系統(tǒng)的水量就是一定的，必須對這部分水量進(jìn)行合理分配，優(yōu)化工藝水進(jìn)入脫硫系統(tǒng)的方式。主要措施如下：

（1）采用濾液水制漿，盡量控制脫水和制漿系統(tǒng)同步運(yùn)行，同時增大濾液水箱的容積，提高系統(tǒng)的緩沖能力，確保制漿過程全部采用濾液水。

（2）對循環(huán)泵、氧化風(fēng)機(jī)等設(shè)備的冷卻水進(jìn)行回收，回收至工藝水箱再用。

（3）石膏脫水系統(tǒng)真空泵密封、濾布沖洗均采用工業(yè)水，使用后全部排入濾液水箱，導(dǎo)致系統(tǒng)濾液量較大。通過改造將真空泵密封水回收至濾布沖洗水箱，用作濾布沖洗水，脫水機(jī)運(yùn)行每小時可減少水量約18 t。

（4）加強(qiáng)系統(tǒng)閥門的日常維護(hù)工作，減少系統(tǒng)各個管路及閥門內(nèi)漏，禁止工藝水直接進(jìn)入吸收塔內(nèi)。

（5）禁止制漿區(qū)域、吸收塔區(qū)域的各種路面沖洗水進(jìn)入脫硫系統(tǒng)地坑內(nèi)。

經(jīng)過上述優(yōu)化，在外部條件不變的情況下，不同負(fù)荷時脫硫系統(tǒng)各部分補(bǔ)充水量見表5。

表5 優(yōu)化后的各部分補(bǔ)充水量t/h

3.2 運(yùn)行中動態(tài)調(diào)整吸收塔液位

系統(tǒng)在高負(fù)荷運(yùn)行過程中，耗水量較大，適當(dāng)控制液位低于設(shè)計(jì)液位，這樣在負(fù)荷降低時，吸收塔可容納較多的沖洗水量，不至于發(fā)生快速溢流。以本文所述660 MW 機(jī)組為例，優(yōu)化后機(jī)組負(fù)荷降低為264 MW 時，可進(jìn)入系統(tǒng)的除霧器沖洗水量降低為42.0 t/h，比設(shè)計(jì)沖洗水量下降了43.0 t/h。本系統(tǒng)2 座吸收塔液位波動1 m，可以容納的水量為465 m3，這樣在低負(fù)荷運(yùn)行時，可以緩沖10.8 h，在此期間可以進(jìn)行正常的除霧器沖洗，吸收塔液位逐步提高，不會出現(xiàn)溢流現(xiàn)象，提高了吸收塔對負(fù)荷波動的適應(yīng)性。

3.3 提高廢水系統(tǒng)投運(yùn)率

目前有部分脫硫系統(tǒng)存在廢水長期不外排情況，循環(huán)漿液中氯離子濃度高至30 000 mg/L 以上，對設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行極為不利，同時系統(tǒng)耗水量降低，特別是串聯(lián)塔系統(tǒng)，長期不排廢水會破壞系統(tǒng)水平衡。因此建議對廢水系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行定期維護(hù)，提高廢水系統(tǒng)投運(yùn)率，確保廢水定量外排。另外，在系統(tǒng)長期低負(fù)荷運(yùn)行、吸收塔溢流風(fēng)險(xiǎn)較高時，加大外排廢水量，可以提高系統(tǒng)水耗，同時降低漿液氯離子含量。

4 結(jié)語

與傳統(tǒng)單塔脫硫系統(tǒng)相比，串聯(lián)塔工藝進(jìn)入系統(tǒng)的水量較大，而排出系統(tǒng)的水量與單塔系統(tǒng)相比無明顯變化，水平衡難以維持帶來了一系列問題，影響機(jī)組的正常運(yùn)行，因此進(jìn)行水平衡分析和優(yōu)化極為重要，建議從以下幾方面進(jìn)行優(yōu)化：

（1）優(yōu)化工藝水進(jìn)入系統(tǒng)的方式，采用濾液水制漿，進(jìn)行冷卻水閉式回收，回收真空泵密封水用作濾布沖洗水，減少閥門內(nèi)漏等。

（2）運(yùn)行中動態(tài)調(diào)整吸收塔液位，提高系統(tǒng)對負(fù)荷波動的適應(yīng)性。

（3）提高廢水系統(tǒng)的投運(yùn)率，確保廢水定量外排。