濕法煙氣脫硫裝置噴水降溫方案設(shè)計(jì)

朱國(guó)宇

(平頂山姚孟發(fā)電有限責(zé)任公司，河南平頂山 467031)

1 概況

由于濕法煙氣脫硫裝置技術(shù)成熟，脫硫劑石灰石價(jià)格低廉，得到了廣泛應(yīng)用。但是隨著國(guó)家環(huán)保政策日趨嚴(yán)格，《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223－2011)已頒布實(shí)施，經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)省份已開(kāi)始要求取消脫硫旁路煙道，新核準(zhǔn)批復(fù)的大型火電機(jī)組也要求不設(shè)脫硫煙氣旁路。對(duì)于脫硫裝置的設(shè)備可靠性提出更加嚴(yán)格的要求，為了保證機(jī)組的長(zhǎng)周期運(yùn)行，在脫硫裝置出現(xiàn)系統(tǒng)失電、漿液循環(huán)泵跳閘等異常工況時(shí)，為在恢復(fù)脫硫裝置的正常運(yùn)行期間，保護(hù)脫硫設(shè)備避免受到高溫?zé)煔獾挠绊?，需在脫硫吸收塔入口煙道設(shè)置煙氣降溫系統(tǒng)，使煙氣溫度降至吸收塔許可溫度。

2 設(shè)置高溫?zé)煔饫鋮s降溫系統(tǒng)的必要性

火電廠鍋爐引風(fēng)機(jī)出口煙氣溫度一般在120℃～160℃，而濕法煙氣脫硫裝置吸收塔內(nèi)壁防腐材料、玻璃鋼噴淋層和聚丙烯(PP)除霧器等塔內(nèi)件，耐溫許可溫度要求＜80℃，而吸收塔正常運(yùn)行溫度在50℃左右，滿足工況要求。當(dāng)發(fā)生脫硫島系統(tǒng)失電，漿液循環(huán)泵全停時(shí)，旁路煙道擋板門聯(lián)鎖打開(kāi)，高溫?zé)煔饨?jīng)旁路煙道、煙囪排放，起到保護(hù)吸收塔的作用，但煙囪的內(nèi)壁防腐材料卻受到高溫侵襲而發(fā)生破壞。當(dāng)旁路擋板門故障打不開(kāi)或者不設(shè)煙氣旁路時(shí)，就會(huì)對(duì)吸收塔和煙囪產(chǎn)生熱沖擊，破壞，機(jī)組也會(huì)因此聯(lián)鎖跳閘。為了保障脫硫裝置設(shè)備和煙囪安全，在脫硫裝置入口煙道設(shè)置高溫?zé)煔饫鋮s降溫措施是必要的。

3 高溫?zé)煔饫鋮s降溫的方式選擇

冷卻高溫?zé)煔獾慕橘|(zhì)可以采取溫度較低的空氣或水，稱之為風(fēng)冷或水冷。不論是風(fēng)冷或水冷，都可以采取直接冷卻方式或間接冷卻方式。

目前，在濕法煙氣脫硫裝置采用較多的冷卻方式是噴水降溫直接冷卻方式，通過(guò)安裝在吸收塔入口煙道斷截面的噴水降溫系統(tǒng)向高溫?zé)煔庵苯訃娙肜鋮s水，用水霧的蒸發(fā)吸熱，使煙氣冷卻。系統(tǒng)設(shè)備相對(duì)簡(jiǎn)單，投資較省，水和動(dòng)力消耗不大。

4 煙氣降溫?zé)崞胶庥?jì)算

煙氣噴水降溫是利用熱平衡原理，即高溫?zé)煔忉尫诺臒崃亢屠鋮s介質(zhì)(水或空氣)吸收的熱量相等。高溫?zé)煔忉尫诺臒崃?

式中:Q1為煙氣釋放的熱量，kJ/h;Qg為煙氣量，m3/h;Cpm1、Cpm2為煙氣為0～tg1及0～tg2時(shí)的平均定壓摩爾熱容，kJ/(kmol·K);tg1、tg2為煙氣冷卻前后的溫度，℃。

對(duì)于多種氣體混合的煙氣平均摩爾熱容應(yīng)按下式計(jì)算:

式中:Cp平均定壓摩爾熱容，kJ/(kmol·℃);Yi混合氣體某一成分所占體積百分比，%;Cpi混合氣體某一成分定壓摩爾熱容，kJ/(kmol·℃)。

冷卻介質(zhì)噴入到高溫?zé)煔庵形盏臒崃繛?

式中:Q2為冷卻介質(zhì)吸收的熱量;G0為冷卻介質(zhì)的質(zhì)量，kg/h;Cp1、Cp2為冷卻介質(zhì)在溫度為0～tc1及0～ tc2的質(zhì)量熱容，kJ/(kg·K);tc1、tc2為冷卻介質(zhì)在噴水冷卻前、后的溫度，℃;hc1、hc2為冷卻介質(zhì)在tc1、tc2時(shí)的比焓，kJ/kg。

熱量平衡公式為:

5 煙氣噴水降溫在實(shí)際工程中的應(yīng)用

5.1 煙氣參數(shù)

平頂山姚孟發(fā)電有限責(zé)任公司3、4號(hào)機(jī)組煙氣脫硫裝置入口煙氣參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 3、4號(hào)機(jī)組煙氣脫硫裝置入口煙氣參數(shù)

5.2 物性數(shù)據(jù)

在脫硫裝置入口煙道上布置安裝煙氣噴水降溫系統(tǒng)，冷卻水溫取25℃，需要將煙氣溫度降至60℃以下，以保證脫硫設(shè)備的安全。所有物性數(shù)據(jù)查《化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè)無(wú)機(jī)卷》。

5.3 進(jìn)出口溫度下比熱計(jì)算

內(nèi)插法計(jì)算進(jìn)出口溫度下氣體比熱見(jiàn)表2。

表2 進(jìn)出口溫度下的氣體比熱 kJ/kmol·K

5.4 能量平衡計(jì)算

根據(jù)上述公式，計(jì)算噴水降溫前、后煙氣平均摩爾熱容 30.68、30.45kJ/(kmol·K);煙氣釋放的熱量 Q1=106256564.2kJ，Q2=G0× 2504.82kJ;冷卻介質(zhì)的質(zhì)量G0=42420.84kg/h。

考慮到負(fù)荷、煙氣量變化和水源壓力波動(dòng)，噴水取20%裕量，即所需冷卻水流量為50905kg/h。

5.5 管徑選擇

根據(jù)《火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》(DL/T 5054－1996)中“離心泵出口管道及其他壓力管道”推薦的管道介質(zhì)流速為2～3m/s，對(duì)于直徑小，介質(zhì)參數(shù)低的管道，宜采用較低值，且為開(kāi)式系統(tǒng)，流速選取為2m/s。單相流體的管道，根據(jù)推薦的介質(zhì)流速，計(jì)算管子內(nèi)徑:

式中:Di為管子內(nèi)徑，mm;Q介質(zhì)容積流量，t/h;ω為介質(zhì)流速，m/s。計(jì)算得管子內(nèi)徑為95.9mm。

5.6 噴嘴選擇

工業(yè)噴嘴的類型主要有以下幾種類型:螺旋型、渦旋型、扇形、沖擊型、空氣霧化型。煙氣脫硫裝置入口降溫對(duì)噴嘴的要求是溫度降低后熱煙氣的體積收縮，噴嘴需要細(xì)密的霧化效果。保證煙氣與液體最充分的接觸，這樣對(duì)于噴嘴的霧化效果以及霧化特征要求較高，一般地可以選用螺旋型噴嘴。

根據(jù)噴嘴選型手冊(cè)，選用3/8"空心錐螺旋噴嘴，材質(zhì)為316L，最大噴孔直徑 φ7.94mm，最大顆粒直徑φ3.18mm，噴嘴流量為:

式中:Q為噴嘴流量，L/min;K為噴嘴系數(shù);P為水源壓力，bar。根據(jù)公式(6)計(jì)算噴嘴流量，查噴嘴選型手冊(cè)，噴嘴系數(shù)K為37.6，在水源壓力為3bar工況下，計(jì)算噴嘴數(shù)量至少為13只。

5.7 煙氣冷卻系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

噴嘴布置原則要求覆蓋率至少為100%，不留死角，保證煙氣與液體最充分的接觸和在旁路擋板門關(guān)閉和開(kāi)啟狀態(tài)下均能正常使用事故噴淋系統(tǒng)。

(1)水源選擇。電廠內(nèi)設(shè)備的冷卻水、補(bǔ)充水和沖洗水等工藝用水水源主要取自工業(yè)水或循環(huán)水，消防水一般不做其他水源使用，且由穩(wěn)定可靠的電源供給，消防水泵電源是專用電源，更加穩(wěn)定可靠。鑒于此，事故冷卻水源宜選用消防水，正常工作壓力不低于3bar，滿足噴嘴選型要求。

(2)噴嘴布置位置。結(jié)合3號(hào)機(jī)組煙氣脫硫裝置實(shí)際情況，噴嘴位置布置在旁路煙道聯(lián)箱內(nèi)，吸風(fēng)機(jī)出口彎頭上平面處，彎頭直徑4050mm。

(3)內(nèi)部噴淋管布置。由于有兩個(gè)吸風(fēng)機(jī)出口彎頭，每個(gè)出口彎頭內(nèi)布置7只噴嘴，共14只，中心布置一個(gè)，直徑=2500mm水平環(huán)向布置噴嘴6個(gè)，每個(gè)噴嘴的覆蓋面積為直徑2000mm。噴嘴安裝方向垂直布置且與煙氣流向一致，內(nèi)部噴淋管固定。

(4)閥門選擇。電動(dòng)調(diào)節(jié)球閥(DN100 PN16)和手動(dòng)閘閥各一只，快速開(kāi)啟，啟?？刂撇僮饕撩摿蚩刂剖也僮鲉T站，電源宜選擇為不間斷電源或保安電源。事故冷卻水箱一般宜在吸收塔頂部布置不小于10min的冷卻水量的水箱。

(5)吸風(fēng)機(jī)出口彎頭底部分別安裝 PN16 DN100排污閘閥一臺(tái)，用于在事故噴淋投入后排放不能完全霧化的冷卻水，防止冷卻水倒流至吸風(fēng)機(jī)內(nèi)部，引起吸風(fēng)機(jī)振動(dòng)、損壞葉片。利用現(xiàn)有在線監(jiān)測(cè)(CEMS)系統(tǒng)溫度測(cè)點(diǎn)，對(duì)噴淋效果進(jìn)行監(jiān)測(cè)，及時(shí)調(diào)節(jié)冷卻水量。

(6)啟動(dòng)噴淋。脫硫系統(tǒng)故障時(shí)，原煙氣溫度≥80℃時(shí)，聯(lián)鎖開(kāi)啟噴水裝置電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，脫硫運(yùn)行值班員立即到就地打開(kāi)吸風(fēng)機(jī)出口彎頭事故排污門。旁路擋板門關(guān)閉時(shí)，冷卻后濕煙氣經(jīng)脫硫裝置進(jìn)入煙囪;旁路擋板門打開(kāi)時(shí)，冷卻后濕煙氣經(jīng)旁路煙道進(jìn)入煙囪。

(7)施工時(shí)注意事項(xiàng)。噴嘴安裝前，應(yīng)使用壓縮空氣清除管道內(nèi)雜物，防止堵塞噴頭;水源與噴淋母管接通前，應(yīng)進(jìn)行沖洗;煙道內(nèi)部結(jié)束后，清理內(nèi)部雜物，疏通事故排污管道。

6 煙氣冷卻降溫裝置效果檢查

2010年7月，在3號(hào)機(jī)組A級(jí)檢修期間對(duì)3號(hào)脫硫裝置實(shí)施安裝了煙氣冷卻降溫系統(tǒng)。在機(jī)組300MW負(fù)荷工況下試驗(yàn)，調(diào)節(jié)煙氣冷卻裝置電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，原煙氣溫度從130℃逐步降低到50℃，煙氣達(dá)到濕飽和狀態(tài)。隨著煙氣溫度的降低，吸風(fēng)機(jī)出口彎頭底部排污閘閥有少量冷卻水流出。

2010年10月，3號(hào)機(jī)組在運(yùn)行期間發(fā)生一次脫硫島失電事故，由于煙囪在施工防腐期間，旁路擋板門處于封閉狀態(tài)完全隔離狀態(tài)，3號(hào)脫硫裝置失電，漿液循環(huán)泵全停，工藝水中斷，高溫?zé)煔饨?jīng)脫硫裝置進(jìn)入煙氣，煙氣冷卻裝置電動(dòng)調(diào)節(jié)閥聯(lián)鎖打開(kāi)，煙氣溫度降至60℃以下，達(dá)到了在3號(hào)脫硫裝置恢復(fù)投運(yùn)期間有效地保護(hù)吸收塔內(nèi)設(shè)備安全的目的。

7 結(jié)論與建議

隨著環(huán)保政策日益嚴(yán)格，取消脫硫裝置煙氣旁路是必然趨勢(shì)，提高脫硫裝置設(shè)備可靠性的同時(shí)，安裝事故煙氣冷卻系統(tǒng)是必不可少的保護(hù)措施。實(shí)踐證明煙氣冷卻降溫裝置設(shè)計(jì)方案及選型滿足實(shí)際工況需要，方案簡(jiǎn)單，調(diào)節(jié)靈活，投資少。為了保證脫硫裝置免受高溫?zé)煔馇忠u，將此方案逐步推廣到1號(hào)機(jī)組、2號(hào)機(jī)組和4號(hào)機(jī)組，均在煙氣脫硫裝置入口設(shè)置噴水降溫。經(jīng)過(guò)噴淋降溫的煙氣溫度低于露點(diǎn)溫度，對(duì)安裝噴淋降溫裝置之后的煙氣有一定的腐蝕作用，在維護(hù)資金允許的情況下，建議對(duì)脫硫原煙道進(jìn)行防腐。在事故噴淋裝置投入期間，脫硫運(yùn)行人員要重點(diǎn)關(guān)注煙氣冷卻效果，防止排污閥堵塞積水影響吸風(fēng)機(jī)的運(yùn)行安全。

［1］GB 13223－2011，火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［2］DL/T 5054－1996，火力發(fā)電廠汽水管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定［S］.

［3］張殿印，王 純.除塵工程設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2003.

［4］劉光啟，王連湘，劉 杰.化學(xué)化工物性數(shù)據(jù)手冊(cè)(無(wú)機(jī)卷)［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2002.