新型漿液循環(huán)方式在雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)中的應(yīng)用

段 超

(上海電氣電站環(huán)保工程有限公司，上海 201612)

0 引 言

當(dāng)前，隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展及社會(huì)進(jìn)步，民眾對(duì)環(huán)境質(zhì)量的要求越來越高，燃煤機(jī)組作為能耗和排放大戶，一直受到社會(huì)的廣泛關(guān)注，并且國(guó)家也不斷加大控制燃煤電廠煙氣排放污染物力度，提出一系列史上最嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)[1]。而不少燃煤電廠受燃料來源限制，需要燃燒諸如煤矸石、煤泥和洗中煤等高硫煤，顯然，這對(duì)脫硫系統(tǒng)的路線選擇、穩(wěn)定運(yùn)行及綜合能耗提出了非常高的要求。

石灰石-石膏濕法脫硫工藝(Wet-FGD)由于其吸附劑來源廣，運(yùn)行穩(wěn)定等顯著優(yōu)點(diǎn)，已成為煙氣脫硫技術(shù)中最成熟、應(yīng)用最廣泛的脫硫技術(shù)，目前占全球脫硫裝機(jī)總?cè)萘康?5%。但傳統(tǒng)單塔脫硫技術(shù)在應(yīng)對(duì)如今的高硫煤、低SO2排放指標(biāo)工況時(shí)，已顯得力不從心，故雙塔雙循環(huán)脫硫技術(shù)在大機(jī)組、高硫煤系統(tǒng)中的優(yōu)勢(shì)就顯現(xiàn)出來[2-4]，而雙塔雙循環(huán)技術(shù)畢竟系統(tǒng)復(fù)雜，尤其雙塔內(nèi)部的漿液循環(huán)的重要性往往被忽視，并且塔間水平衡較難維持，即如何能以低能耗、簡(jiǎn)單化的方式建立起系統(tǒng)內(nèi)漿液循環(huán)并兼顧塔間水平衡，成為雙塔雙循環(huán)技術(shù)設(shè)計(jì)中面臨的主要難題[5]。本文提出一種較簡(jiǎn)潔的雙塔間漿液循環(huán)方式，模擬雙塔間水平衡體系，并在山西某2×350 MW機(jī)組煙氣脫硫系統(tǒng)中成功應(yīng)用，為后續(xù)的雙塔雙循環(huán)脫硫技術(shù)應(yīng)用提供了新的思路。

1 雙塔雙循環(huán)原理及塔間漿液循環(huán)的意義

1.1 雙塔雙循環(huán)原理

雙塔雙循環(huán)技術(shù)主要是通過在煙氣通道上建設(shè)2座吸收塔，通過串聯(lián)運(yùn)行而增加煙氣與漿液的反應(yīng)時(shí)間。前塔(即一級(jí)塔)作為預(yù)洗塔，用于吸收絕大部分SO2和進(jìn)行石膏結(jié)晶；后塔(即二級(jí)塔)作為補(bǔ)充，吸收一級(jí)塔中逃逸的SO2。一級(jí)塔漿池集中用于石膏結(jié)晶，pH運(yùn)行在5.2左右；二級(jí)塔本身不排出石膏，而通過兩個(gè)塔間的漿液循環(huán)系統(tǒng)，逐步將反應(yīng)產(chǎn)物轉(zhuǎn)移至一級(jí)塔，進(jìn)行充分氧化，繼而由一級(jí)塔的石膏排出泵一起輸送至脫水系統(tǒng)，故二級(jí)塔可通過提高pH值至6.2，提高漿池中CaCO3含量，獲得更高的脫硫效率[6-8]。

1.2 塔間漿液循環(huán)系統(tǒng)的意義及應(yīng)用現(xiàn)狀

理想情況下，應(yīng)建立一級(jí)塔和二級(jí)塔之間的漿液循環(huán)系統(tǒng)，使兩座吸收塔中漿液濃度均勻一致，才能充分調(diào)動(dòng)兩座塔的全部脫硫能力。而實(shí)際運(yùn)行中，因一級(jí)、二級(jí)吸收塔脫硫量相差較大，同時(shí)一級(jí)塔除霧器沖洗水量小蒸發(fā)水量大，二級(jí)塔除霧器沖洗水量大蒸發(fā)水量小，會(huì)造成兩座塔濃度及液位不一致[7]，因此，一級(jí)、二級(jí)吸收塔漿池間漿液循環(huán)系統(tǒng)不僅起到調(diào)節(jié)系統(tǒng)內(nèi)水平衡的作用，同時(shí)可以將二級(jí)塔中多余的CaCO3轉(zhuǎn)入一級(jí)塔以提高CaCO3利用率[8-10]。

當(dāng)前行業(yè)內(nèi)應(yīng)用較多的漿液循環(huán)系統(tǒng)需要在兩級(jí)塔之間設(shè)置漿液循環(huán)旋流器及旋流器給料泵以均衡兩塔密度，同時(shí)配置強(qiáng)制循環(huán)泵來控制兩塔液位，此種方式運(yùn)行較復(fù)雜，且能耗較高。另一方面由于雙塔系統(tǒng)本身具有較大的脫硫容量，故有些項(xiàng)目在設(shè)計(jì)時(shí)，不考慮塔間漿液循環(huán)系統(tǒng)，即兩塔完全分開，獨(dú)立運(yùn)行，顯然這種運(yùn)行方式無(wú)法最大限度地發(fā)揮雙塔雙循環(huán)體系的脫硫能力[11]。因此，尋求簡(jiǎn)單、高效、低能耗的漿液循環(huán)方式，解決好兩塔內(nèi)漿液濃度及液位的平衡問題，對(duì)于雙塔雙循環(huán)技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用有著重要的實(shí)際意義。

2 新型塔間漿液循環(huán)方式的原理

2.1 脫硫裝置主要設(shè)計(jì)參數(shù)

該燃煤機(jī)組為2×350 MW超臨界燃煤空冷CFB鍋爐，最大連續(xù)蒸發(fā)量為1 200 t/h，鍋爐實(shí)際耗煤量為293 t/h，所燃用煤質(zhì)數(shù)據(jù)見下表1。

表1 煤質(zhì)主要參數(shù)Table 1 Main parameters of coal quality

續(xù)表

機(jī)組采用引增合一，引風(fēng)機(jī)布置在脫硫前，采用靜葉可調(diào)式軸流風(fēng)機(jī)，T.B點(diǎn)風(fēng)量對(duì)應(yīng)為715.27 m3/s，全壓升13 088 Pa，配套電機(jī)功率10 500 kW。爐后脫硫采用石灰石-石膏雙塔雙循環(huán)脫硫技術(shù)，并在二級(jí)塔頂部設(shè)置濕式電除塵器，整套系統(tǒng)按照煤種含硫量為2.65%及表2～4所列煙氣參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，保證整體脫硫效率不低于99.6%。

表2 鍋爐BMCR工況煙氣成分Table 2 Flue gas composition under BMCR condition

表3 不同負(fù)荷時(shí)風(fēng)機(jī)出口煙氣量和溫度Table 3 Flue gas volume and temperature at the fan outlet under different loads

表4 鍋爐BMCR工況煙氣中污染物成份Table 4 Pollutant composition in flue gas under BMCR condition mg/Nm3

本雙塔脫硫系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)，按照“低能耗、簡(jiǎn)潔化”的思路開展，根據(jù)總的需求液氣比，平均分配到兩座吸收塔，擬合出一級(jí)塔脫硫效率87%，二級(jí)塔脫硫效率97%。按此方式，兩座塔的相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù)、設(shè)備選型可以高度保持一致，在簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)的同時(shí)，提高備件的替換性，利于降低后期運(yùn)行維護(hù)成本。本次設(shè)計(jì)兩塔的主要技術(shù)參數(shù)如下表5所示。

表5 兩級(jí)吸收塔主要技術(shù)參數(shù)Table 5 Main technical parameters of double-stage adsorption towers

2.2 新型漿液循環(huán)方式的流程

為了使兩個(gè)吸收塔內(nèi)漿液能夠循環(huán)起來，并且節(jié)省電耗，提出如下圖1所示的循環(huán)流程。在一級(jí)塔三臺(tái)大流量的漿液循環(huán)泵出口分流少部分較濃漿液至二級(jí)塔(紅色)，同時(shí)通過將二級(jí)塔基礎(chǔ)抬高400 mm，使兩塔液位形成液位差，二級(jí)塔過剩的低濃度漿液便可通過兩塔間的聯(lián)絡(luò)回流管(洋紅)回流至一級(jí)塔，從而實(shí)現(xiàn)漿液之間循環(huán)；此外，設(shè)置一級(jí)塔石膏排出泵打至二級(jí)塔管路，以及強(qiáng)制循環(huán)泵從二級(jí)塔打至一級(jí)塔管路(藍(lán)色)，以作為漿液循環(huán)的備用手段，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，完全按照新型漿液循環(huán)模式來循環(huán)漿液，而只有當(dāng)系統(tǒng)脫水進(jìn)入末期，一級(jí)塔液位較低時(shí)，可視情況啟動(dòng)強(qiáng)制循環(huán)泵，將二級(jí)塔漿液打至一級(jí)塔，以補(bǔ)充一級(jí)塔液位。

圖1 雙塔間漿液循環(huán)方式Fig.1 Slurry circulation mode between two towers

2.3 兩塔水平衡的建立

由于兩級(jí)吸收塔在整個(gè)流程中承擔(dān)的脫硫任務(wù)不同，兩座塔內(nèi)的蒸發(fā)水、沖洗水、石灰石補(bǔ)漿量等存在較大差異，故兩座塔的水平衡維持是一個(gè)較復(fù)雜的問題[11-14]。

對(duì)于一級(jí)塔而言，在設(shè)計(jì)工況下，塔內(nèi)主要水耗由以下三部分組成：即當(dāng)高溫?zé)煔庠谕ㄟ^一級(jí)塔時(shí)，塔內(nèi)發(fā)生近似絕熱增濕過程，煙溫冷卻到51.8 ℃，產(chǎn)生大量蒸發(fā)水77.3 t/h；塔內(nèi)吸收反應(yīng)耗水6.1 t/h；按照塔內(nèi)漿液質(zhì)量濃度為20%[6-8]，需要排出石膏漿液為167.8 t/h。

而對(duì)于一級(jí)塔的補(bǔ)水，主要由以下幾部分組成：一級(jí)塔頂部一級(jí)除霧器沖洗水28.4 t/h；一級(jí)塔由于承擔(dān)絕大部分SO2的去除，故石灰石漿液主要補(bǔ)充在一級(jí)塔，補(bǔ)漿量為91.2 t/h；濾液返回水55.5 t/h；其余冷卻、密封水(包含少量氧化空氣增濕水)16.5 t/h。

對(duì)于二級(jí)塔而言，經(jīng)過一級(jí)塔冷卻飽和后的煙氣在進(jìn)入二級(jí)塔后，不再引起水份的大量蒸發(fā)，并且反應(yīng)水也可忽略不計(jì)，因而可以認(rèn)為二級(jí)塔耗水接近為0。對(duì)于二級(jí)塔的補(bǔ)水，主要由以下基本組成：二級(jí)塔頂部?jī)杉?jí)除霧器沖洗水39.5 t/h；石灰石漿液補(bǔ)充量13.7 t/h；少量冷卻水1.5 t/h以及頂部濕電沖洗水5 t/h，而脫硫后凈煙道進(jìn)行保溫，煙氣排放過程中溫降較小，冷凝水可忽略不計(jì)。

根據(jù)上述水平衡數(shù)據(jù)，可以看出，一級(jí)塔內(nèi)部補(bǔ)水191.6 t/h，耗水250 t/h，故液位持續(xù)下降，對(duì)應(yīng)漿液密度會(huì)上升；而二級(jí)塔內(nèi)部持續(xù)補(bǔ)水59.6 t/h，對(duì)應(yīng)漿液密度上升較慢。因此，需要借助漿液循環(huán)系統(tǒng)，在一級(jí)塔每臺(tái)漿液循環(huán)泵出口分出支路，輸送3×60 t/h漿液至二級(jí)塔，二級(jí)塔過剩的59.6 t/h +180 t/h漿液通過兩塔間的溢流管回流至一級(jí)塔,形成如下圖2中的水平衡體系。

圖2 雙塔間水平衡情況(t/h)Fig.2 Water balance between two towers(t/h)

3 新型塔間漿液循環(huán)方式的應(yīng)用情況

3.1 脫硫性能與能耗分析

該漿液循環(huán)模式在本項(xiàng)目投運(yùn)后，兩座吸收塔的漿液連續(xù)進(jìn)行漿液互倒，最短7個(gè)小時(shí)內(nèi)漿液可以置換一次，并可以通過一級(jí)塔循環(huán)泵排出支管上閥門開度來控制循環(huán)周期。通過漿液的互倒，充分調(diào)動(dòng)了兩座塔的脫硫能力。

通過表6對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，對(duì)于機(jī)組負(fù)荷為187 MW與290 MW兩種工況，SO2濃度相近，當(dāng)二級(jí)塔液位較低，漿液循環(huán)未建立時(shí)，會(huì)導(dǎo)致兩塔漿液濃度偏差較大，二級(jí)塔pH較高，塔內(nèi)CaCO3過剩，需啟動(dòng)5層噴淋，拖累了整體的脫硫效率，增加了系統(tǒng)電耗；而當(dāng)漿液正常開始循環(huán)時(shí)，兩塔漿液濃度不會(huì)出現(xiàn)較大差異，系統(tǒng)有較高的脫硫能力，只要啟動(dòng)4層噴淋即可達(dá)到較高脫硫效率。

表6 兩級(jí)吸收塔實(shí)際運(yùn)行情況Table 6 Operation status of double-stage adsorption towers

通過與該項(xiàng)目位置相近，且機(jī)組規(guī)模、燃用煤種都相似的同類型機(jī)組雙塔脫硫系統(tǒng)對(duì)比，采用新型漿液循環(huán)方式后，雙塔系統(tǒng)的脫硫能力充分調(diào)動(dòng)，而對(duì)于兩塔獨(dú)立運(yùn)行時(shí)，由于兩塔漿液缺乏循環(huán)，導(dǎo)致系統(tǒng)處理處在較低水平。如表7所列，當(dāng)兩項(xiàng)目機(jī)組負(fù)荷均在滿負(fù)荷時(shí)，脫硫入口SO2濃度較高時(shí)，采用漿液循環(huán)系統(tǒng)時(shí)，只要啟動(dòng)6臺(tái)循環(huán)泵即可保證脫硫效率，而雙塔脫開運(yùn)行的項(xiàng)目，需要啟動(dòng)7臺(tái)循環(huán)泵，同時(shí)配合煙氣均布裝置，致使循環(huán)泵電耗增加1 060 kW以及引風(fēng)機(jī)電耗增加400 kW[15]。

表7 運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)比Table 7 Comparison of operation data

在水平衡的調(diào)控方面，現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行時(shí)，可以通過控制漿液循環(huán)支管上閥門的開閉，調(diào)整漿液系統(tǒng)的循環(huán)周期，精確控制兩塔液位，同時(shí)，在脫水系統(tǒng)投入，一級(jí)塔液位下降較快時(shí)，可以通過投入強(qiáng)制循環(huán)泵，來維持兩塔液位。

3.2 運(yùn)行中注意事項(xiàng)

由于是從漿液循環(huán)泵出口管道進(jìn)行分支，在漿液進(jìn)入二級(jí)塔管嘴處，需設(shè)置節(jié)流孔板，以免造成分支管泄壓而影響噴淋層流量；同時(shí)，分支管道上的閥門需要緊貼循環(huán)管分支處設(shè)置，避免分支管道上閥門關(guān)閉后管道積漿。本項(xiàng)目循環(huán)泵流量為6 800 m3/h，而分支管流量只有60 m3/h，占用循環(huán)流量的比例不足0.9%，并且在分支管設(shè)置孔板，故實(shí)際運(yùn)行中，在啟用漿液循環(huán)系統(tǒng)后，循環(huán)泵電流及泵出口壓力表讀數(shù)未見明顯波動(dòng)。

需定期檢查、沖洗兩塔之間的回流管，防止回流管結(jié)垢堵塞；二級(jí)吸收塔液位需連續(xù)控制在8.8 m以上。

4 結(jié) 論

在引入新型漿液循環(huán)方式后，充分調(diào)動(dòng)了雙塔系統(tǒng)的脫硫性能，相比于兩座塔單獨(dú)運(yùn)行且脫硫效率相似的情況下，采用漿液循環(huán)系統(tǒng)時(shí)，循環(huán)泵的投運(yùn)數(shù)量減少，對(duì)于350 MW機(jī)組，脫硫系統(tǒng)電耗可減少約20%。同時(shí)，可以簡(jiǎn)化塔內(nèi)煙均布裝置，降低系統(tǒng)阻力約500 Pa，降低風(fēng)機(jī)電耗400 kW左右。此外，新型漿液循環(huán)方式為雙塔間水平衡的建立提供了多種操作運(yùn)行手段，使雙塔雙循環(huán)系統(tǒng)能夠運(yùn)行在最佳性能狀態(tài)，為日后的高硫煤脫硫提供了重要的理論及實(shí)踐依據(jù)。