3×135MW循環流化床鍋爐濕法脫硫工程改造設計研究

＊蔡金勵 何秀錦

（1.黔西南州元豪投資有限公司 貴州 562409 2.桂林航天工業學院 廣西 541000）

3×135MW循環流化床鍋爐發電機組作為自備電廠對鋁業公司做出了重要貢獻。電解鋁行業是高耗能行業，根據國家標準，每噸鋁錠的耗電量可達1.33萬kW·h[1]。對于年產15萬噸鋁錠的中型電解鋁廠而言，年耗電量接近20億kW·h。相比從電力公司購電，自備電廠供電可以降低約20%的電力成本，每年節省超過1億元的用電成本，顯著增強鋁業公司的市場競爭力。

三臺鍋爐于2003年投入運行，電站鍋爐的大氣污染物排放濃度執行GB 13223—2003，即SO2的排放濃度不大于400mg/m3（O2體積分數為6%的干煙氣）[2]。此外，2003年的煤炭價格相對較低，動力用煤的價格不足300元/tce，因此可以采用含硫量低于1.0%，低位發熱量大于18.5MJ/kg質量較好的動力煤作為鍋爐燃料[3]。通過采用脫硫成本較低的爐內脫硫的方法就可以達到當時的環保排放要求。然而，中國經過20年的經濟發展導致能源需求和能源價格大幅提升。中國的煤炭消耗量從2003年的不足14億噸標煤增長到了2022年的超過30億噸標煤[4]。期間，中國動力用煤的價格也發生了大幅攀升，2023年12月秦皇島動力煤（5500kCla/kg，平倉）CCTD綜合交易價格已經高達955元/tce，比2003年增長了3倍多[5]。為了降低自備電廠的燃料成本，鍋爐被迫采用熱值低于15MJ/kg、含硫量大于1.5%的劣質高硫煤作為燃料。此外，中國電站鍋爐大氣污染物的排放要求也發生了變化。2012年1月1日實施的GB 13223—2011要求該三臺電站鍋爐的SO2排放濃度執行限值50mg/m3（O2濃度為6%的干煙氣），2003版排放標準為12.5%[6]。鑒于諸多不利因素，原有的成本相對較低爐內脫硫系統不能滿足脫硫要求，需要對三臺電站鍋爐進行脫硫改造，采用脫硫效率較高的石灰石-石膏濕法脫硫系統[7]，本文介紹該脫硫系統的改造設計。

1.初始條件

(1)鍋爐特點及設計參數

該循環流化床鍋爐采用單布風板、單爐膛和M型布置。在爐膛和尾氣道之間設置兩個旋風分離器，下面連接兩個回料器。旋風分離器捕集的物料將通過回料器從爐膛后部下方的四個回灰口返回到爐膛中。整個鍋爐被支吊在鋼架上。鍋爐工質采用超高壓一次中間再熱的設計方式，主要參數見表1。鍋爐的最大連續蒸發量為440.0t/h，主蒸汽壓力為13.7MPa，主蒸汽溫度為540.0℃，鍋爐的給水溫度為248.3℃；鍋爐的再熱蒸汽流量為361.0t/h，進出口壓力分別為2.9MPa和2.7MPa，進出口溫度分別為322.9℃和540.0℃。

表1 鍋爐設計參數

鍋爐采用爐內添加石灰石粉脫硫方式，直接脫除燃料在燃燒過程中生成的SO2，脫硫產物硫酸鈣處于干燥狀態，大部分經除塵器進入到鍋爐飛灰中。這種脫硫方式沒有龐大的脫硫塔，也沒有脫硫廢水的產生，投資成本、運營維護成本低。

(2)鍋爐燃料及SO2排放要求

與設計煤種相比，鍋爐實際使用煤種的含硫量和熱值發生了巨大變化，導致鍋爐SO2的原始排放濃度大幅度上升。對于低位發熱量為18.5MJ/kg，收到基含硫量低于1%的設計煤種，SO2的原始排放濃度一般低于3000mg/m3。而對于實際使用煤種，低位發熱量為15MJ/kg，收到基含硫量高于1.5%的劣質煤，煙氣中SO2的原始排放濃度不低于5500mg/m3。此外，環保排放要求更加嚴苛，對于GB 13223—2003，脫硫效率達到90%時SO2的排放濃度就可以滿足環保要求，但是對于GB 13223—2011，脫硫效率高達99.1%以上時SO2的排放濃度才可以滿足環保要求。基于這種狀況進行脫硫工程改造設計。

(3)脫硫工藝流程及設計基礎數據

①脫硫工藝流程簡介

該脫硫改造工程的工藝流程，如圖1所示。離開鍋爐尾部受熱面的煙氣進入布袋除塵器除塵凈化后，經鍋爐引風機進入脫硫塔，煙氣在脫硫塔內與脫硫漿液充分接觸并脫除煙氣中的大部分SO2，脫硫后的煙氣經煙囪排入到大氣當中。

圖1 脫硫工藝流程

②脫硫設計基礎數據

脫硫工藝設計的基礎數據見表2。

表2 脫硫工藝設計基礎數據

在煙氣中還含有少量SO3、NOx、CO、H2O、O2、N2、HF、HCl等氣體，煙塵含有少量重金屬污染物，在脫硫系統設計中應該考慮這些成分對系統可能造成的不利影響。

2.石灰石-石膏濕法脫硫改造工程設計

（1）概述。為了實現鍋爐煙氣中SO2連續穩定達標排放，本改造設計使用石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝。該工藝基于現有設備和場地條件進行優化。在設計方案中，采用先進的噴淋塔技術對3×135MW鍋爐靜電除塵器出口處的煙氣進行脫硫處理。塔的上部裝有四個噴淋層，并在噴淋層上方安裝三個除霧器，以最大程度減少煙氣中泥漿和水分的帶走。由于其強化學活性和經濟性，選擇石灰石作為脫硫劑。

本設計鈣/硫比為1.03；系統運行穩定，主裝置原料含硫量變化適應性廣；采用DCS控制，自動化程度高；脫硫副產品石膏可以實現綜合利用。

（2）脫硫工藝系統設計。本脫硫系統改造設計由多個相互聯系的系統組成，主要包括：煙氣系統、吸收系統、石膏脫水系統、石灰石粉漿液制備系統等組成。下面是對這些組成系統的設計進行介紹。

①煙氣系統。來自1#、2#、3#機組鍋爐煙氣經引風機增壓進入吸收塔進行煙氣凈化處理，處理后的煙氣從塔頂臨時煙囪排放。引風機用于克服煙氣從機組到脫硫裝置流動中的壓力損失。

當脫硫系統由于各種原因，出現長時間煙氣溫度高于160℃，開啟事故水噴淋系統，對原煙氣進行降溫，保護吸收塔內件不受損壞。

②吸收系統。吸收系統采用帶就地強制氧化的噴淋空塔。在吸收塔內，漿液中的CaCO3與煙氣中SO2、SO3等發生化學反應，生成CaSO3，脫硫和除塵后的凈煙氣通過三級除霧器除去氣流中夾帶的霧滴后排出吸收塔。

向吸收塔的下半部漿池中注入空氣，將亞硫酸鈣氧化為CaSO4，并生成石膏晶體。為保持石膏漿液不沉積，吸收塔漿池配有四臺側進式攪拌器。

吸收塔的設計盡量使煙氣壓力損失小，且吸收塔內部表面無結垢、堵塞問題。吸收塔的運行采用自動控制，以便連續運行。

吸收系統的主要設計參數如下：

A.吸收塔。吸收塔進口煙氣量：600000m3/h（濕基）；循環漿液停留時間：4min；液氣比：20.4l/m3；Ca/S（mol）：1.03；吸收塔漿池直徑：φ12500mm；吸收塔直徑：φ8800mm；吸收塔總高度：60m（包括塔頂煙囪）；漿液池容積：1030m3；噴淋層數量：4層。

B.吸收塔漿液循環泵。漿液循環泵的技術參數如下，泵的型式：離心式；數量：3×4臺；流量：4000m3/h；排出側壓頭：分別為20m/22m/24m/26m；電機功率：355kW/400kW/400kW/450kW。

C.吸收塔氧化風機。氧化空氣系統配有2臺容量為吸收塔氧化空氣需要量2.2倍的羅茨式氧化風機，在正常情況下，一臺運行一臺備用。

其技術參數如下：

風量：4895m3/h（濕基、工況）；壓升：980kPa。

③石膏脫水系統。質量分數為15%左右的石膏漿液由吸收塔排出泵送到石膏旋流箱，由石膏旋流泵送入石膏漿液旋流器，濃縮到50%左右的旋流器底流漿液送到真空皮帶脫水機，石膏漿液旋流器的溢流一部分經廢水旋流器后，溢流送入廢水處理系統，底流和石膏漿液旋流器的其他溢流進入濾液箱，本系統設置1個濾液箱，同時進入濾液箱的還有脫水機的濾液和濾布沖洗水，濾液箱內的混合液由濾液水泵輸送至系統內循環利用。脫水機的石膏餅自動落入石膏庫，石膏成品含水率≤10%。真空皮帶脫水機的濾液自流進入濾液箱。進入濾液箱的混合液，一部分返回吸收塔漿池，一部分用于配制石灰石漿液。

④石灰石粉漿液制備系統。本工程脫硫系統工藝以石灰石粉配漿后作為二氧化硫吸收劑。

吸收劑制備采用石灰石粉制漿工藝，用槽車將石灰石粉送入石灰石粉倉后，經給料閥放入石灰石漿液箱中，配制合格的石灰石漿液由石灰石漿液泵送至吸收塔。

（3）主要原材料及動力消耗。本工程主要原材料和動力消耗見表3。

表3 本工程主要原材料和動力消耗

3.結論

針對3×135MW循環流化床鍋爐燃煤特性和現場特點，完成了鍋爐煙氣脫硫改造設計。采用技術成熟，脫硫效率高的石灰石-石膏濕法脫硫工藝。提供了關鍵系統的詳細設計參數。吸收塔的設計參數主要包括進口煙氣量、循環漿液停留時間、液氣比、鈣硫摩爾比、吸收塔的關鍵尺寸、噴淋層的數量等。吸收塔漿液循環泵的設計內容和選型包括：循環泵的形式和數量，循環泵的壓頭和電機功率等。

本脫硫系統改造工程為電力、化工、鋼鐵行業煙氣脫硫系統的設計提供參考依據和價值。