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气动乳化与喷淋技术对比
2016-01-20 17:21:24 来源：两种脱硫方案的技术分析于香英1，沙威1, 张吉革2
1天津市电力公司技术中心 （天津， 300022）
2天津市静海热电厂（天津，301600）
【摘要】本文以某电厂为例，以技术可行、操作可控、经济合理为原则，结合机组参数及现场布局, 分析归纳了经典的喷淋塔两炉一塔与新颖的气动乳化一炉一塔脱硫方案的优缺点，并指出方案实施中存在的关键问题和相关的建议。
【关键词】脱硫方案；技术分析；建议
Technical Analysis of Two Desulfurization projects
YU Xiang-Ying1, SHA Wei1, ZhANG Ji-Ge2
1The Technology Center of Tianjin Electric Power Corporation （Tianjin, 300022）
2Jinghai Thermal Power Plant （Tianjin, 301600）
【Abstract】Taking one Power generating Plant as an example, one classical and one advanced desulfurization projects are analyzed and compared to make clear their advantages and disadvantages considering technical feasibility、operational control、economic rationality and units layout. Then Some problems are pointed out from projects and suggestions are also put forward.
【Key words】Desulfurization project; Technical Analysis; Suggestions
1. 概述
随着天津市政府对环保工作要求的不断提高，特别是北京申奥成功后我市蓝天工程口号的提出，市环保局、市经委对我市开展清洁生产和工业系统污染防治进行了重点部署，天津某热电厂是今年首批开展清洁生产审核的60家企业之一，也是市经委制定的今年力争完成烟气脱硫改造任务的四个电厂之一。某电厂现有2台机组2×25MW，配2×130t/h煤粉锅炉，需要进行脱硫改造。依据新的天津市地方标准中对于大气污染物排放提出了更高的要求，2006年1月1日起执行，二时段SO2排放限值为100mg/Nm3。
本文结合现场实际情况及各*专家意见，以技术可行、操作可控、经济合理的原则，重点讨论了经典的喷淋空塔脱硫技术和具有自主知识产权的气动乳化塔技术两种脱硫方案，总结其优点及缺点，并指出方案在实际应用中存在的关键问题和相应的解决措施。
2. 技术方案的设计原则和目标
1) 技术方案考虑一次性投资及运行成本和维修成本。
2) 力求占地面积小、设备系统相对简单、便于运行维护、尽量符合电厂实际，具有较强的操作性。
3) 脱硫系统应具有动态适应能力，即脱硫系统可通过监测烟气进出口SO2浓度和烟气量来调整系统的补浆量，以适应各种锅炉负荷下运行，保证系统的安全经济运行。
4) 脱硫系统应具有无腐蚀、不结垢、不产生二次污染的运行控制技术。
5) 技术方案应为高效脱硫技术方案，脱硫效率不低于95％，脱硫设备运行率不低于95％。
6) 运行工艺安全可靠,运行时间大于5000小时。
7) 粉尘排放浓度应达到标准30mg/Nm3。
8) SO2排放浓度应达到标准100mg/Nm3。
9) 论证方案要在方案可行、技术可靠、经济可比的条件下，选择*优方案。
10) 该方案论证过程不考虑GGH。
3. 脱硫方案的技术分析
静海热电厂现有2台机组2×25MW，配2×130t/h煤粉锅炉。为正确选择脱硫工艺，厂方提出如下要求：脱硫方案拟采用两台锅炉配一台吸收塔或一台锅炉配一台吸收塔方式；充分考虑将来燃烧煤种情况的变化，确保燃煤发生变化时仍能连续、稳定的达标排放；本项目改造可提供的场地有限，因此脱硫设备的布置应充分考虑现场的现有条件；方案中应充分体现工程中所发生的全部投资费用、运行费用（折合成每度电的增加成本）、副产物处理、综合利用情况及废水处理等；硫的燃尽率应遵循电力系统95%进行设计和计算。
通过调研对各方案的综合分析，初步选择了五种脱硫技术方案，作为环评、可研及评标的备选方案。经过综合分析及结合现场的实际情况，重点论证经典的喷淋塔和新颖的气动乳化塔技术。
3.1 方案特点分析
气动乳化塔与喷淋塔方案均属于湿法烟气脱硫技术，脱硫原理基本相同，只是塔的内部结构及配置方式不同，吸收剂同为氧化镁粉。前者采用两台锅炉配两台气动乳化吸收塔且共用一套简易的制浆系统；后者是两台锅炉配一台喷淋塔且共享一套经典的制浆系统。两套方案的区别简单总结如表1。
脱硫工艺的核心部分为吸收塔，其内部分为除雾区、吸收区、和 浆液存储区（脱硫产物氧化区）。气动乳化塔和喷淋塔的结构见图1和图2，其根本区别在于反应塔吸收区设计不同，另外前者没有设计浆液存储区。
气动乳化吸收塔吸收区的核心结构是脱硫单元组（气动乳化单元），加上预喷淋装置。预先喷淋的作用是来自循环水泵的清水降低烟气温度，加大烟气湿度，有利于二氧化硫的吸收，同时又起到除尘作用。烟气从气动脱硫单元组下方进入，在旋流器的吸收作用下，形成具有一定速度的向上的旋转气流,将来自喷淋层的浆液托住反复旋切，形成一段动态稳定的液粒悬浮层，液相的聚散组合随时发生，使气体的滞留时间延长、气液接触面积增大、气液比降低（与喷淋法相比），有利实现较高的脱硫效率及除尘效率。该塔是一种拥有自主知识产权的新技术，目前现场应用的例子不多。另外，气动乳化塔的脱硫单元对烟气流量比较敏感，较适合一炉一塔的配置。
喷淋塔是*早采用的脱硫吸收塔，其技术*成熟，实用业绩*多，运行工况*稳定。喷淋塔的吸收区一般是三层喷嘴层，内部部件少，系统阻力相对较小。吸收塔含有氧化池可以实现强制氧化在脱硫塔的底部进行，这样可使随气体逸出的二氧化硫在脱硫塔中再次被吸收，从而避免因强制氧化带来的污染问题。该塔优点是应用煤种应用范围广，对负荷的适应性较好，可以适用一炉一塔或两炉甚至三炉一塔的配置。
气动乳化一炉一塔的工艺流程为锅炉高温烟气进入脱硫塔后，先对其进行预喷淋处理，其作用是降温加湿，提高脱硫效率及部分除尘功能。预喷淋后的烟气进入气动脱硫单元组进行脱硫除尘处理。脱硫后的烟气经塔内两层折板式除雾器及烟道内旋风除雾器除去游离水后进入烟囱排放。该吸收塔底不设储浆段。脱硫除尘后的浆液及除雾器的冲洗水直接由排浆管排入灰沟流入沉淀池中沉淀。沉淀池中的溢流清夜直接进入制浆池制浆，并进行曝气后（氧化）经循环浆液泵打到吸收塔循环再用。
喷淋塔两炉一塔方案的工艺流程为烟气进入塔内自下而上通过。 脱硫剂浆液通过循环泵送到塔中不同高度的三层喷嘴，保证液气的混合均匀。塔下部为循环浆液段（氧化池），装有三只水平式搅拌机，保证浆液在不同的浆液浓度的良好混合和可靠运行。脱硫塔内落下的吸收液与折流板脱水器脱除的水贮存在塔底。在塔底布设穿孔曝气管，一方面以压缩空气搅动液相，促进新鲜Mg(OH)2乳液与吸收液的混合，加速反应；另一方面使吸收SO2后的洗涤液中生成的MgSO3氧化为易溶于水的更稳定的*终产物MgSO4。塔内底部装有的搅拌器将大气泡打碎成小气泡，加速氧化反应。为避免吸收液盐份及悬浮物浓度过高，系统自动外排废水以保持液相浓度平衡,保证脱硫效率。
简易的制浆系统流程如下：料仓内的物料经底部变频式螺旋给料机，经溜槽进入膏化机进行混合，然后排入制浆池，制浆池位于沉淀池后，沉淀池的上层清液溢流进入制浆池，每台吸收塔设有一台浆液泵及一台清液泵。氧化镁粉要成为氢氧化镁吸收剂需要一定的温度及熟化时间，此系统没有热源及熟化时间，会影响氧化镁粉的活度，从而影响吸收剂的利用率。露天的浆液循环系统系统使杂质较多，也影响氧化镁粉的溶解度，造成吸收剂的浪费。另外PH值较高（碱性）的冲灰水的系统与循环浆液（酸性）使用同一灰沟，流入同一沉淀池，一方面加大了脱硫吸收剂的消耗量，另一方面使监测PH失去了本质意义。通常情况下，PH值是浆液氢氧化镁浓度的体现，补浆量是根据系统PH的变化来调整的。循环浆液的PH对脱硫产物亚硫酸盐的氧化率（氧化成正盐）影响较大。实验证明PH越低，亚硫酸盐的氧化率越高。高的氧化率可以降低系统的堵塞、结垢、腐蚀等。但虚假的PH增加了运行监控的难度。另外，此系统没有事故浆液系统，一旦吸收塔停运，浆液将全部排放到沉淀池，结晶沉淀容易造成吸收剂的浪费。经典的制浆系统在此不再做分析。
一炉一塔的配置可以提高运行的可控性及可靠性，但投资及运行费用高，占用的场地及空间较大，比较适合考虑以脱硫效率为*的大机组的改造和新装机组的脱硫需求。另外其烟道旁路挡板采用双挡板的形式，FGD装置入口烟气和出口净烟气采用单层挡板。
两炉一塔的配置方式比较适合老厂的小机组改造，占用的场地和空间有限，投资较小。对某热电厂来说，两台机组一般是85%负荷运行，冬天采暖期是满负荷运行除非检修。另外可供的场地和空间很小。负荷的相对稳定为两炉一塔的应用提供了可行性。但锅炉的启停及负荷的变化容易造成烟气流量的较大波动。当运行负荷较低时，吸收塔入口烟气流速较低，不利于塔内气流分布，同时使细小喷淋液滴停留时间相对减少，在一定程度上影响脱硫效率。但为确保机组的安全运行，其烟道旁路挡板采用双挡板的形式，具有100%的气密性。旁路挡板具有快速开启的功能，全开到全闭的开启时间小于25秒。FGD装置入口烟气和出口净烟气亦采用双层挡板。
3.2 方案技术参数
项目名称 单位 气动乳化和预喷淋
两炉两塔喷淋塔
两炉一塔脱硫装置入口烟气参数 烟气量 Nm3/h 750000 烟气SO2含量 mg/Nm3 3700 烟气温度 ℃ 140±5 脱硫装置出口烟气参数 烟气粉尘含量 mg/Nm3 ≤30 烟气SO2含量 mg/Nm3 ≤100 主要设计参数 脱硫效率 ％ ηso2＞95 ηso2≥97 脱尘效率 ％ η尘＞98 η尘≥92 脱
硫
塔尺寸 m Φ5.5，H15 Φ8.5，H25 阻力 Pa ≤1500 ≤1100 结构 － 气动乳化单元，无储浆段 吸收塔浆池与塔体为一体结构 内部结构 一层预喷淋，一层浆液喷淋 三层浆液喷淋，喷嘴都采用进口 PH控制 5.5-6.5 5.5-6.5 制浆系统 简易 经典 引风机 － 增容改造 增容改造，变频 控制方式 DCS （无连锁保护） PLC+连锁保护 去SO2除量 吨/年 5303.205 6717.7 液气比 l/m3 3 5 M/S比 Mol/ 1.03 1.05 脱硫剂消耗量) t/h 0.693 1.037
方案技术比较按照烟气流量750000m3/h，燃料含硫量1.5%，烟气SO2含量3800mg/m3(标况)，脱硫效率95％，机组年运行5000小时计算，脱硫剂 (75% 氧化镁)。
3.3 方案的经济参数
经济比较：工艺水1.3元/t，电0.35元/度，蒸汽90元/t，氧化镁粉400元/t（脱硫剂选用氧化镁粉,75%,200目），系统年运行小时按5000小时计算；SO2排污费 0.6元/kg .SO2
项目名称 单位 气动乳化塔 空塔喷淋 两炉两塔 两炉一塔 总费用 万元 1546 1627 运行费（不含折旧） 万元/年 316 388.35 增加负荷 KW 743.465 788 脱硫剂消耗 万元/年 138.6 207.4 电耗 万元/年 90.04 109.3 水耗 万元/年 59.67 20.8 汽耗 万元/年 0 42.75 人员工资 万元/年 2*1.5 2.4*4 脱除每tSO2的费用 元/tSO2 0.613 0.578 少交SO2排污费 万元/年 318.2 403.1 净增电价 元/kwh 0.0085 0.0095
4. 方案实施中应注意问题
为保证整个脱硫装置安全、经济、高效运行，重点考虑以下几个关键性技术问题并予以解决。
喷淋空塔两炉一塔方案
由于采用两炉共用一塔，当脱硫系统启停时，烟气进行旁路和主路的切换，由于两路烟道的阻力不同，将会对锅炉的炉膛负压产生明显的影响，设计时需考虑旁路挡板的开启速度和开度。通过对脱硫电厂的考察 ，发现旁路挡板必须选用好的材质，*好选用进口旁路挡板。增压风机必须与烟气的流量和压力相匹配。
如何合理布置烟道流速。由于FGD烟气量变化时，系统内烟道气流速度波动很大，脱硫装置在较低负荷条件下运行时，烟道底部很容易产生积灰，并在吸收塔入口烟道产生垢下腐蚀。
应注意负荷变化引起的除雾器冲洗频率的变化。FGD系统烟气量变化导致吸收系统水蒸发量波动，应不利于水平衡控制。
气动乳化一炉一塔方案
1) 制浆系统
建议采用经典的制浆系统，加装浆液密度的监测, 保证浆液的均匀性、稳定性和可控性。浆液制备控制系统必须保证连续向吸收塔供应浓度合适的足够的浆液。设定恒定的脱硫剂供应量，并按比例调节供水量。通过浆液密度测量的反馈信号修正进水量。*次制浆系统应有加热系统和清杂质部分。
2) 浆液的循环系统应与冲灰水系统分开
由于吸收液吸收SO2后，pH值迅速降低，经pH自动控制仪的检测，乳液管路电动阀控制Mg(OH)2乳液注入塔内，经混合、反应，使吸收液pH值恢复到设定值，然后吸收液由耐腐蚀循环泵再打到脱硫塔喷淋布水，循环使用。虚假的PH不宜系统控制
3) 控制系统
为保证机组安全稳定经济运行，控制系统*好应增加连锁保护。
4) 监测部分
PH 应监测吸收塔排出浆液的PH替代监测沉淀池的PH。加装液位控制：浆液池浆液的供给量、浆液的排出量及烟气进入量等因素的变化造成液位波动。根据测量的液位值，调节除雾器冲洗时间间隔，实现液位的稳定
5) 烟气系统
建议*少脱硫塔的入口烟道挡板门设置改为双层密封。
6) 工艺水系统
建议增加工艺水箱及工艺水泵。
7) 排放系统
增加检测硫酸镁的浓度的排放标准以便增加脱硫效率。
8) 废水处理系统
增加检测富液中的重金属离子的浓度，使其重金属离子浓度达到污水排放标准。
为确保主机的安全生产，所有的挡板建议设置为双层挡板。
5. 结论及建议
依据技术可靠、方案可行、经济可比的原则对经典的喷淋塔两炉一塔技术方案及拥有自主知识产权的气动乳化两炉两塔技术方案进行了分析。每种脱硫方案都基本能符合国家及天津市有关环保政策和法律、法规要求，电厂的SO2 及粉尘的排放浓度能达到*新的环保标准。经典的空塔喷淋配两炉一塔适合老厂改造的脱硫技术方案和具有自主知识产权的具有气动乳化塔配一炉一塔技术方案各有优势，难分伯仲。从技术的成熟性、运行的可靠性（经验）及应用的广泛度，喷淋塔方案较优。从制浆系统的运行可靠性来看，配置空塔喷淋的经典制浆系统的*可靠，而气动乳化两炉两塔的简易制浆系统较差。在以上两套技术方案都可行及可用的占地面积能够布置开两炉的前提下，结合静海电厂的实际情况，推荐气动乳化两炉两塔方案。气动乳化塔方案脱硫及除尘效率都较高，较优。且气动乳化塔的尺寸大小能充分利用原有的空间布局。一炉一塔的方式在负荷调整时有很好的适应特性，运行的灵活性及可操作性高，适合老厂机组调峰供暖的需要。
如果采用新颖的气动乳化两炉两塔方案, 为保证脱硫的实际效率, 建议该热电厂仔细考虑方案实施中应注意的问题, 并考虑上文给出的确建议.
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