惠来1000MW机组配套脱硫装置调试中几个问题浅析

目前,全世界投入实用且成熟的烟气脱硫（FGD）技术不下几十种,主要分为湿法、干法、半干法等几大类,其中湿式钙法（石灰石－石膏法）是当前世界上技术最成熟、实用业绩最多、运行状态最稳定的脱硫工艺,应用此类工艺的机组容量约占电站脱硫装机总容量的85%,应用的单机容量已超过1000MW,惠来1000MW机组配套脱硫装置即是一例。考察脱硫装置性能是否优良,可以从脱硫率、脱硫装置的安全可靠性、能耗方面来衡量。

1、系统概况

惠来电厂厂址位于广东惠来县靖海镇。广东惠来电厂规划总容量为2×600MW超临界燃煤发电机组+6×1000MW超超临界燃煤发电机组,分期建设,一期工程建设2×600MW+2×1000MW机组。第三台机组已于2011年4月投产,第四台机组已于2011年8月投产。惠来电厂一期3、4号2×1000MW机组烟气脱硫工程采用EP+C方式建造。

3、4号2×1000MW机组烟气脱硫装置采用石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺,在设计煤种、锅炉最大工况（BMCR）条件下,处理100%的烟气。本烟气脱硫装置主要包括:吸收塔系统、烟气系统、石灰石浆液制备系统、石膏脱水系统、工艺水系统、压缩空气系统、废水处理系统、热控系统和电气系统。

1.1 工艺简介

锅炉引风机后的烟气经过增压风机,通过喷淋式空塔的进口烟道,进入吸收塔,烟气在吸收塔中脱硫。净化后的烟气从吸收塔排出,然后从烟囱中排入大气。吸收塔能处理百分之百的烟气量。当出现故障时,烟气经旁路排入烟囱。

吸收塔采用先进可靠的喷淋空塔,烟气经过烟气换热器降温后进入吸收塔内,自下而上流动与喷淋层喷射向下的石灰石浆液滴发生反应,洗涤SO2、SO3、HF、HCl等有害气体。石灰石浆液制备系统制成的新石灰石浆液通过石灰石浆液泵送入吸收塔浆液池内,石灰石在浆液池中溶解并与浆液池中已经生成的石膏浆液混合,由吸收塔浆液循环泵将浆液向上输送到喷淋层。从高效螺旋型雾化喷嘴喷出的浆液在喷淋作用下形成很细的雾状液滴,在塔内产生高效充分的气-液接触。在吸收塔浆液池中部区域,氧化风机供给的空气通过布置在浆液池内的曝气管道与洗涤产物在搅拌器的协助下进一步反应生成石膏（CaSO4・2H2O）。

吸收塔的石膏浆液通过石膏浆液排出泵送入石膏旋流器浓缩,石膏旋流器底流液自流到石膏浆液分配器,再进入真空皮带脱水机,经脱水处理后的石膏表面含水率不超过10%,脱水后的石膏贮存在石膏仓内存放待运。石膏旋流器分离出来的溢流液一部分流入石膏溢流浆液箱再经泵返回吸收塔循环使用,一部分则进入废水箱。废水箱中的浆液经给料泵送入废水旋流器,底流返回石膏溢流浆液箱,溢流液自流进入FGD废水处理系统。在经过石膏旋流器浓缩后的石膏浆液经过真空皮带脱水机进行真空脱水。石膏在该部分经脱水后含水量降至10%以下,然后通过石膏皮带输送机送至石膏仓库。

1.2 脱硫系统化学反应

吸收塔里的浆液含有碳酸钙物质,吸收塔的主要作用就是用这种浆液除去烟气中的SO2。吸收塔反应池用于促进碳酸钙的溶解、强制氧化作用和固体析出。下面是吸收塔里进行的化学反应过程:

(1)SO2、SO3的吸收;

烟气中的SO2和SO3与浆液液滴中的水发生如下反应:

SO2+H2OHSO3-+H+`

SO3+H2OH2SO4

(2)与石灰石反应;

浆液水相中的石灰石首先发生溶解:

CaCO3+H2OCa2++HCO3-+OH-

SO2、SO3、HCl等与石灰石浆液发生以下离子反应:

Ca2++HCO3-+OH-+HSO3-+2H+Ca2++HSO3-+CO2+2H2O

Ca2++HCO3-+OH-+SO42―+2H+Ca2++SO42-+CO2+2H2O

Ca2++HCO3-+OH-+2H++2Cl-Ca2++2Cl-+CO2+2H2O

(3)氧化反应;

通入吸收塔浆液池内的氧气将亚硫酸氢根氧化成硫酸根:

2HSO3-+O22SO42-+2H+

石膏形成:

Ca2++SO42-+2H2OCaSO4 2H2O

石膏的结晶主要发生在吸收塔浆液池内,浆液在吸收塔内的停留时间、通入空气的体积和方式都经过专门的设计,可保证石膏的结晶生成。

(4)吸收塔不仅除去烟气中含有的SO2外,还包括除去氯化氢和氟化氢。如下是用碳酸钙中和酸性气体。

2HCl+CaCO3CaCl2+H2O+CO2

2HF+CaCO3CaF2+H2O+CO2

2、分析影响脱硫率的几个因素

2.1吸收液的PH值

烟气中SO2与吸收塔浆液接触后发生如下一些化学反应:

SO2+H2O=HSO3-+H+

CaCO3+H+=HCO3-+Ca2+

HSO3-+1/2O2=SO42-+H+

SO42-+Ca2++2H2O=CaSO4・2H2O

从以上反应历程不难发现,高PH值的浆液环境有利于SO2的吸收,而低PH值则有助于Ca2+的析出,二者互相对立。

PH值高于6时二氧化硫吸收效果最佳,但PH值太高会导致浆液中碳酸钙含量超标,此时吸收塔易发生结垢、堵塞现象。而低的PH值有利于亚硫酸钙的氧化,石灰石溶解度增加,却使二氧化硫的吸收几乎无法进行,且吸收液呈酸性,对设备也有腐蚀。所以最合适的PH值应该在5.6～5.8之间。

2.2 液气比及浆液循环量

液气比增大,代表气液接触几率增大。但二氧化硫与吸收液有一个气液平衡,液气比超过一定值后,脱硫率将不在增加。新鲜的石灰石浆液喷淋下来后与烟气接触后,SO2等气体与石灰石的反应并不完全,需要不断地循环反应,增加浆液的循环量,也就加大了CaCO3与SO2的接触反应机会,从而提高了SO2的去除率。

2.3 烟气与脱硫剂接触时间

烟气自GGH换热器进入吸收塔后,自下而上流动,与喷淋而下的石灰石浆液雾滴接触反应,接触时间越长,反应进行得越完全。因此长期投运对应高位喷淋盘的循环泵,有利于烟气和脱硫剂充分反应,相应的脱硫率也高。

2.4 石灰石粒度及纯度

石灰石颗粒越细,其表面积越大,反应越充分,吸收速率越快,石灰石的利用率越高。一般要求为:90%通过325目筛或250目筛,石灰石纯度一般要求为大于90%。

2.5 氧化空气量

O2参与烟气脱硫的化学过程,使HSO3-氧化为SO42-,随着烟气中O2含量的增加,CaSO4・2H2O的形成加快,脱硫率也呈上升趋势。多投运氧化风机可提高脱硫率。

2.6 烟尘

原烟气中的飞灰在一定程度上阻碍了SO2与脱硫剂的接触,降低了石灰石中Ca2+的溶解速率,同时飞灰中不断溶出的一些重金属会抑制Ca2+与HSO3-的反应。烟气中粉尘含量持续超过设计允许量,将使脱硫率大为下降,喷头堵塞。一般要求FGD入口粉尘含量小于200mg/m3。

2.7 烟气温度

进入吸收塔烟气温度越低,越利于SO2气体溶于浆液,形成HSO3-,即:低温有利于吸收,高温有利于解吸。通常,将烟气冷却到60℃左右再进行吸收操作最为适宜,较高的吸收操作温度,会使SO2的吸收效率降低。

2.8 Cl-含量

氯在系统中主要以氯化钙形式存在,去除困难,影响脱硫效率,后续处理工艺复杂,在运行中应严格控制系统中Cl-含量（一般控制在20000ppm以内）,确保其在设计（一般设计在40000ppm左右）允许范围内。

3、分析增压风机与旁路档板门保护动作对机组的影响

惠来3、4机组每台炉配置2×50%容量的动静结合可调轴流式风机,用于克服FGD装置及烟道、烟囱造成的烟气压降。增压风机的性能保证能适应锅炉30%BMCR～100%BMCR负荷工况下正常运行,并留有一定裕度。

风机导向叶片的执行机构接受DCS中增压风机入口压力调节回路的指令,调节叶片的开度从而改变所通过的烟气量;调节回路同时引入锅炉负荷信号作为前馈信号,使在调整过程中保持增压风机与引风机具有相同的动态特性;静态时维持增压风机入口压力为一定值。

增压风机启动时应先将增压风机入口挡板门、净烟气挡板门全开,风机的静叶叶片完全关闭,然后启动风机电机,当增压风机稳定运行后,打开增压风机出口挡板,逐渐增大静叶开度,此时若旁路挡板在打开位置时,则逐渐关闭旁路挡板。旁路挡板关闭到一定程度时,将增压风机入口压力调节回路投入自动,继续关闭旁路挡板直至完全关闭。

本工程设计的增压风机保护跳闸条件为:两台增压风机都在运行,当有一台增压风机保护跳闸条件来时,旁路挡板不开,这台增压风机跳闸,另一台增压风机保护跳闸条件触发后,快开旁路,旁路挡板开到90%,另一台增压风机跳闸。

这样的设计并不太合理,因为单台增压风机最大出力仅能满足机组满负荷60%的需要。假设机组负荷高于600MW,当有一台增压风机保护跳闸条件来时,旁路挡板不开,这台增压风机跳闸,另一台增压风机正常运行,可以想象一台增压风机既使出力调到最大,也很难维持炉膛正常压力,保持机组的稳定运行。假如机组负荷低于600MW,两台增压风机并列运行,其中一台增压风机保护跳闸条件来时,旁路挡板不开,这台增压风机跳闸,另一台增压风机保持运行,完全能满足机组出力的需要。

所以设计的增压风机保护跳闸条件可改为:机组负荷高于600MW,两台增压风机并列运行,其中一台增压风机保护预动作,旁路挡板快开,这台增压风机跳闸;机组负荷低于等于600MW,两台增压风机并列运行,其中一台增压风机保护预动作,旁路挡板不开,这台增压风机跳闸;两台增压风机并列运行,两台增压风机保护均预动作,旁路快开,两台增压风机均跳闸;仅单台增压风机运行,当保护预动作时,旁路快开,增压风机跳闸。

4、分析影响能耗的几个因素

4.1 吸收塔浆液循环流量

根据BMCR工况下烟气量以及烟气中SO2含量,本FGD装置设置4台浆液循环泵,采用4层浆液雾化喷淋方式。

为了提高脱硫率,往往会运行多台浆液循环泵,这样能耗自然会升高。脱硫装置运行时,实际投运的循环浆液喷淋层数根据烟气负荷以及出口SO2浓度决定。机组低负荷时,可以仅保持两台浆液循环泵运行,随着机组负荷的升高,逐渐增加运行浆液循环泵的台数。这样即保持了高的脱硫率,又降低了能耗。

4.2 烟气流量

每套脱硫烟气系统各设置两台50%容量的静叶可调轴流式增压风机,其性能应适应锅炉负荷变化的要求。

烟气流量随着机组负荷变化而变化,能耗随着烟气量的变化而变化,机组负荷低,烟气流量低,能耗低,机组负荷高,烟气流量高,能耗高。

机组负荷低于等于500MW时,可以仅保持单台增压风机运行;机组负荷高于500MW时,可以启动另一台增压风机,调整两台增压风机的静叶保持出力匹配,保持两台增压风机并列运行。

5、结语

(1)熟悉影响脱硫率的几个因素,有利于我们在脱硫率变化不正常时正确的分析其原因,并及时给出解决办法。

(2)通过对增压风机与旁路挡板保护逻辑修改的讨论,进一步完善了脱硫装置的安全可靠性。

(3)了解影响能耗的几个因素,有利于我们合理安排设备的启停顺序从而达到节能降耗的目的。

参考文献

[1]张忠峰著.广东惠来电厂3、4号2×1000MW机组烟气脱硫工程初步设计设计说明书,2009.02.

[2]吴渭林,镇竞新,伍宇鹏著.广东惠来电厂集控运行最新规程,2007.10.