某1000 MW燃煤機(jī)組脫硫廢水煙道霧化蒸發(fā)系統(tǒng)設(shè)計

晉銀佳，張愛軍，鄭長樂

(1.華電電力科學(xué)研究院有限公司，杭州 310030;2.華電濰坊發(fā)電有限公司，山東 濰坊 261204;3.華電龍口發(fā)電股份有限公司，山東 煙臺 264000)

0 引言

隨著燃煤電廠煙氣處理超低排放改造工程的推進(jìn)，對煙氣中SO2排放質(zhì)量濃度要求進(jìn)一步嚴(yán)格，對石灰石－石膏濕法脫硫系統(tǒng)的運行產(chǎn)生了重要影響［1］。為了保證濕法脫硫系統(tǒng)能夠穩(wěn)定達(dá)標(biāo)運行，脫硫漿液的品質(zhì)控制更為嚴(yán)格，由此也使得部分電廠濕法脫硫系統(tǒng)的脫硫廢水排放量有所增加。2015年4月，國務(wù)院《水污染防治行動計劃》正式發(fā)布，對各類排污廢水的處理提出了更高的要求。此外，河北、山東、北京等地方政府相繼出臺系列地方標(biāo)準(zhǔn)，對外排廢水的含鹽量做出嚴(yán)格要求。如河北省發(fā)布DB 13/831—2006《氯化物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求外排廢水排放 Cl－質(zhì)量濃度不超過 350 mg/L［2］;DB 37/599—2006《山東省南水北調(diào)沿線水污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》等規(guī)定，外排水全鹽量指標(biāo)限制執(zhí)行1 600 mg/L［3］;北京市 DB 11/307—2013《水污染物綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》，規(guī)定排入地表水體的水污染物中可溶性固體總量小于1600 mg/L［4］。伴隨著燃煤電廠石灰石－石膏濕法脫硫系統(tǒng)運行產(chǎn)生的脫硫廢水具有含固量高、重金屬離子超標(biāo)、含鹽量高、水質(zhì)復(fù)雜等特點(含鹽量通常＞20 000 mg/L)，常規(guī)的“中和－絮凝－沉淀”等工藝僅能夠去除固體懸浮物、重金屬離子等，無法去除溶解性鹽，仍然難以達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)，只能進(jìn)行蒸發(fā)處理［5－8］。

煙道霧化蒸發(fā)處理技術(shù)具有系統(tǒng)簡單、投資運行成本低、無結(jié)晶鹽處理處置等優(yōu)點，近年來得到大量關(guān)注［9－11］。脫硫廢水煙道霧化蒸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計直接關(guān)系到系統(tǒng)運行的安全性和穩(wěn)定性，需要根據(jù)機(jī)組煙氣參數(shù)、煙道布置情況、水質(zhì)水量條件等進(jìn)行深入論證，確保脫硫廢水煙道霧化蒸發(fā)處理系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行［12－15］。目前，脫硫廢水煙道霧化蒸發(fā)處理技術(shù)已經(jīng)在300 MW，600 MW燃煤機(jī)組得到了應(yīng)用，但是在1000 MW燃煤機(jī)組尚無應(yīng)用案例。本文依托某1 000 MW燃煤機(jī)組脫硫廢水煙道霧化蒸發(fā)改造工程，對脫硫廢水煙道霧化蒸發(fā)系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行了論證，并根據(jù)實際工程情況對系統(tǒng)設(shè)計進(jìn)行了優(yōu)化。

1 脫硫廢水水質(zhì)水量情況

脫硫廢水水量的確定與燃煤煤質(zhì)、工藝水水質(zhì)、煙氣溫度以及脫硫系統(tǒng)運行等多個因素有關(guān)。根據(jù)現(xiàn)場試驗，在燃煤煤質(zhì)穩(wěn)定、脫硫工藝水水質(zhì)穩(wěn)定的(Cl－質(zhì)量濃度在200 mg/L左右)情況下，脫硫塔內(nèi)漿液Cl－質(zhì)量濃度控制在15 000 mg/L且脫硫系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定運行工況下，脫硫廢水水量約為10 m3/h。脫硫廢水經(jīng)三聯(lián)箱系統(tǒng)處理后的出水水質(zhì)情況見表1。

水質(zhì)分析結(jié)果顯示，脫硫廢水經(jīng)過三聯(lián)箱處理后重金屬離子基本被去除，固體懸浮物含量顯著降低，不過依然含有高濃度的溶解性鹽和鈣鎂離子，水質(zhì)較為復(fù)雜。

2 機(jī)組煙氣煙道情況

某1 000 MW機(jī)組空氣預(yù)熱器(以下簡稱空預(yù)器)出口至除塵器入口段煙道結(jié)構(gòu)示意如圖1所示，在機(jī)組設(shè)計滿負(fù)荷運行工況參數(shù)下，對空預(yù)器出口至除塵器入口段煙道內(nèi)煙氣流場情況進(jìn)行模擬計算，得到未經(jīng)流場優(yōu)化前煙道內(nèi)煙氣流速如圖2所示。

由圖2可以看出，煙道內(nèi)部存在大范圍渦流區(qū)和高速區(qū)。在渦流區(qū)，霧化后的廢水液滴在紊亂的煙氣流場作用下極易與煙道本體接觸而沾濕煙道壁，長期運行時不僅會導(dǎo)致煙道壁產(chǎn)生積灰結(jié)垢(煙氣中含有高濃度的飛灰)，而且由于脫硫廢水中含有高質(zhì)量濃度的Cl－會導(dǎo)致煙道壁的腐蝕;在高速區(qū)，煙氣流速過高，將會使霧化后的脫硫廢水完全蒸發(fā)需要的煙道距離增長或在設(shè)計的煙道距離內(nèi)不能完全蒸發(fā)，由此導(dǎo)致煙道積灰結(jié)垢甚至影響除塵系統(tǒng)的正常運行。

表1 脫硫廢水經(jīng)三聯(lián)箱系統(tǒng)處理后水質(zhì)情況Tab.1 Water quality of desulfurization wastewater treated by triple box system

圖1 空預(yù)器出口至除塵器入口煙道結(jié)構(gòu)Fig.1 Flue duct structure from air pre-heater outlet to precipitator inlet

圖2 空預(yù)器出口至除塵器入口煙道內(nèi)煙氣流速Fig.2 Flue gas in the duct from air pre-heater outlet to precipitator inlet

為了確保脫硫廢水在煙道內(nèi)霧化后能夠及時蒸發(fā)、系統(tǒng)運行不影響主煙道系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，需要對煙道流場進(jìn)行優(yōu)化，盡可能避免或縮小煙氣流場出現(xiàn)渦流區(qū)和高速區(qū)，提高脫硫廢水煙道霧化蒸發(fā)系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和安全性。通過對煙道的局部改造，優(yōu)化煙道內(nèi)部流場，使煙道內(nèi)部煙氣的速度、壓力、溫度分布趨于平穩(wěn)，避免廢水噴入后由于煙道內(nèi)煙氣流場的紊流導(dǎo)致廢水霧滴觸碰煙道內(nèi)壁，消除煙道內(nèi)腐蝕、積灰和結(jié)垢的風(fēng)險。根據(jù)機(jī)組空預(yù)器至除塵器入口前煙道布置情況，在空預(yù)器出口煙道變向位置處加裝導(dǎo)流板，提高下游水平煙道內(nèi)煙氣流場的均勻性。改造后煙道布置如圖3所示。

圖3 流場優(yōu)化后空預(yù)器出口至除塵器入口煙道結(jié)構(gòu)Fig.3 Optimized structure of duct from air pre-heater outlet to precipitator inlet

空預(yù)器出口煙道變向位置處加裝導(dǎo)流板后，煙道內(nèi)流場均勻性顯著提高，煙氣流速如圖4所示。經(jīng)過流場優(yōu)化后，煙道內(nèi)流場的渦流區(qū)和高速區(qū)基本消失，煙氣流場基本呈層狀分布，有利于脫硫廢水在煙道內(nèi)的霧化蒸發(fā)處理，顯著提高系統(tǒng)運行的安全、穩(wěn)定性。

圖4 流場優(yōu)化后空預(yù)器出口至除塵器入口煙道內(nèi)煙氣流速Fig.4 Optimized of the flue gas in the duct from air pre-heater outlet to precipitator inlet

3 脫硫廢水煙道霧化蒸發(fā)系統(tǒng)設(shè)計

脫硫廢水煙道霧化蒸發(fā)系統(tǒng)設(shè)計需要科學(xué)合理地確定霧化裝置的選型、布置位置、安裝方式以及吹灰器的布置位置。通過對廢水噴入煙道后，煙氣與廢水霧滴在煙道內(nèi)的速度矢量進(jìn)行分析，得出煙氣與廢水液滴之間的運動關(guān)系，模擬廢水液滴在煙道內(nèi)部運動軌跡，以此確定霧化設(shè)備安裝位置、數(shù)量、噴入角度、速度和噴霧量，確保霧化后的廢水霧滴在煙道內(nèi)的整個行程中不會碰壁或觸底(即使在煙道變徑、彎頭處)，避免對煙道造成腐蝕或造成結(jié)垢。根據(jù)某1000 MW機(jī)組煙氣溫度、煙氣流速等參數(shù)，對脫硫廢水煙道霧化蒸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計通過程序模擬計算進(jìn)行迭代優(yōu)化、調(diào)整，并以機(jī)組低負(fù)荷(50%負(fù)荷)運行工況下的煙氣溫度和煙氣流速參數(shù)進(jìn)行校核，確保系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運行。

在機(jī)組50%機(jī)組負(fù)荷工況下，除塵器入口前煙氣溫度為127.0℃，煙氣流速約為10.3m/s，煙氣含塵質(zhì)量濃度為28.0 g/m3。每支空預(yù)器出口煙道設(shè)置5支霧化裝置，單支霧化裝置的霧化負(fù)荷為0.3～1.0 m3/h。計算和模擬結(jié)果表明，煙氣溫度隨著霧化蒸發(fā)水量的升高而降低。50%機(jī)組負(fù)荷工況下，在單支霧化裝置處理水量為0.3 m3/h時，煙氣溫度下降2.1 ～125.0℃;在單支霧化裝置處理水量為0.5 m3/h時，煙氣溫度下降3.6～123.4℃;在單支霧化裝置處理水量為1 m3/h時，煙氣溫度下降8.0～119.0℃。此外，隨著霧化蒸發(fā)廢水量的增加，廢水完全蒸發(fā)需要的距離也變長(廢水液滴直徑恒定)?？刂茝U水霧化粒徑為50μm時，在單支霧化裝置處理水量分別為0.3，0.5 和1.0 m3/h 的工況下，廢水蒸發(fā)距離分別約為7.6，8.4 和 11.2 m。為了確保脫硫廢水煙道霧化蒸發(fā)裝置運行的安全、穩(wěn)定性，綜合考慮機(jī)組運行情況和煙道布置情況，單支空預(yù)器出口煙道內(nèi)布置5支霧化裝置，霧化裝置的處理水量控制在0.5 m3/h以內(nèi)。在單支霧化裝置的處理水量控制在0.5 m3/h時，50%機(jī)組負(fù)荷下，脫硫廢水煙道霧化蒸發(fā)處理系統(tǒng)運行的模擬結(jié)果如圖5和圖6所示。脫硫廢水能夠在煙道內(nèi)及時蒸發(fā)，廢水液滴在進(jìn)入除塵器入口前能夠完全蒸發(fā)，不影響除塵器的運行。

為了有效去除煙道支架、煙道壁上的積灰，需要在廢水煙道霧化蒸發(fā)處理系統(tǒng)內(nèi)設(shè)置吹灰器，在系統(tǒng)設(shè)計是需要對吹灰器的布置位置進(jìn)行論證。根據(jù)煙道內(nèi)煙氣流場的模擬結(jié)果，易積灰位置位于煙道轉(zhuǎn)彎處，因此吹灰器的安裝位置應(yīng)布置在煙道轉(zhuǎn)彎處。安裝位置如圖7所示。

4 脫硫廢水煙道霧化蒸發(fā)系統(tǒng)運行情況

圖5 脫硫廢水煙道霧化蒸發(fā)系統(tǒng)運行模擬圖(蒸發(fā)完全)Fig.5 Simulated diagram of desulfurization wastewater evaporation system operated in flue duct(evaporated completely)

圖6 脫硫廢水煙道霧化蒸發(fā)系統(tǒng)運行模擬圖(噴嘴出口)Fig.6 Simulated diagram of desulfurization wastewater evaporation system operated in flue duct(at nozzle outlet)

圖7 煙道霧化蒸發(fā)系統(tǒng)吹灰器安裝位置示意Fig.7 Installation sites of soot blowers in the wastewater evaporation system

脫硫廢水煙道霧化蒸發(fā)系統(tǒng)的運行對除塵器運行和粉煤灰品質(zhì)的影響進(jìn)行了監(jiān)測和分析，具體數(shù)據(jù)見表2。表中數(shù)據(jù)顯示，在50%機(jī)組負(fù)荷(500 MW)工況下，蒸發(fā)水量為5 m3/h時，煙氣溫度由127.0℃降低至123.4℃，系統(tǒng)運行不會造成電除塵系統(tǒng)運行參數(shù)的變化，不影響電除塵系統(tǒng)的運行，粉煤灰中氯元素的增加比例約為0.16%。在100%機(jī)組負(fù)荷(1000 MW)工況下，蒸發(fā)水量為10 m3/h時，煙氣溫度由132.0℃降低至128.0℃，系統(tǒng)運行不會造成電除塵系統(tǒng)運行參數(shù)的變化，不影響電除塵系統(tǒng)的運行，粉煤灰中氯元素約增加0.16%。根據(jù)GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》，硅酸鹽水泥中不允許摻入粉煤灰，普通硅酸鹽水泥中粉煤灰摻入量≤20%。根據(jù)GB 50164—2011《混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》，混凝土拌合物中水溶性Cl－質(zhì)量分?jǐn)?shù)不得大于0.060%。因此，以粉煤灰的摻配比例上限20%計算，粉煤灰用于制混凝土?xí)r，Cl－質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.032%，低于0.060%的要求，不影響粉煤灰的綜合利用。

表2 脫硫廢水煙道霧化蒸發(fā)系統(tǒng)運行對煙氣參數(shù)和粉煤灰品質(zhì)的影響Tab.2 Effect of wastewater evaporation system on flue gas parameters and fly ash

在脫硫廢水煙道霧化蒸發(fā)系統(tǒng)運行過程中，通過在煙道壁面加設(shè)觀測孔可以監(jiān)測煙道系統(tǒng)的積灰和結(jié)垢情況。另外，由于煙道內(nèi)部為負(fù)壓，通過設(shè)置測試桿也可以直觀測試煙道內(nèi)是否存在結(jié)垢情況;同時可在測試桿上懸掛設(shè)腐蝕部件，直觀測試煙道的腐蝕情況。在煙道轉(zhuǎn)彎位置設(shè)置蒸汽吹灰裝置，防止轉(zhuǎn)彎死角難以消除的局部紊流造成的區(qū)域結(jié)垢。根據(jù)觀測孔、測試桿的測試情況，在脫硫廢水煙道霧化蒸發(fā)系統(tǒng)運行過程中，未發(fā)現(xiàn)煙道積灰結(jié)垢和腐蝕情況。

5 結(jié)束語

脫硫廢水排放量的確定是一個系統(tǒng)性的論證過程，需要多方面考慮、論證，在實際操作中，需要從全廠整體著眼，統(tǒng)籌考慮，既要保證脫硫系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，又要考慮到廢水處理的投資和運行成本，盡可能減少脫硫廢水排放量。通常，建議將脫硫漿液中Cl－質(zhì)量濃度控制在15000 mg/L左右，可以通過使用消泡劑調(diào)節(jié)漿液品質(zhì)，減少漿液和脫硫廢水排放量。

此外，建議測量脫硫系統(tǒng)入口煙氣中氯元素含量，從而準(zhǔn)確確定由煙氣攜帶的氯元素對漿液氯離子含量的貢獻(xiàn)。