陳秋，張志強(qiáng)，郁金星

(河北省電力研究院，石家莊市，050021)

0 引言

某電廠一期工程1、2號(hào)機(jī)組為660 MW 燃煤發(fā)電機(jī)組，汽輪機(jī)島和電氣、儀控島由德國(guó)西門子公司設(shè)計(jì)供貨;鍋爐島由美國(guó)福斯特惠勒公司設(shè)計(jì)供貨;輔助生產(chǎn)系統(tǒng)由中方設(shè)計(jì)供貨。配套鍋爐為2026.8 t/h亞臨界、一次中間再熱、單爐膛、平衡通風(fēng)、W火焰燃燒、固態(tài)排渣汽包爐［1］，配備雙室四電場(chǎng)靜電除塵器。原機(jī)組未安裝脫硫裝置，完成技改后增加循環(huán)流化床煙氣脫硫(circulating fluid bed-flue gas desulfurization，CFB-FGD)系統(tǒng)。CFB-FGD系統(tǒng)投運(yùn)以來(lái)運(yùn)行基本穩(wěn)定，主要性能指標(biāo)基本達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，但系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中也存在一些問(wèn)題，如脫硫入口流場(chǎng)不均勻、運(yùn)行煙氣量高、引風(fēng)機(jī)磨損、電耗量大等。本文針對(duì)CFB-FGD系統(tǒng)運(yùn)行中存在問(wèn)題，進(jìn)行了試驗(yàn)研究。

1 CFB-FGD系統(tǒng)

CFB-FGD工藝是一種脫硫、除塵一體化的工藝，原有除塵器部分改造后作為一級(jí)電除塵器使用，使粉煤灰得到綜合利用。脫硫改造配套的布袋除塵器經(jīng)脫硫煙氣調(diào)質(zhì)后，排放滿足低于50 mg/Nm3的要求。改造后CFB-FGD系統(tǒng)由預(yù)電除塵器、吸收劑制備、吸收塔、物料再循環(huán)、工藝水系統(tǒng)、脫硫后除塵器以及儀表控制系統(tǒng)等組成，其工藝流程見(jiàn)圖1［1-10］。

圖1 CFB-FGD工藝流程Fig.1 Process flow diagram of CFB-FGD

鍋爐煙氣從空氣預(yù)熱器出來(lái)后，通過(guò)預(yù)除塵器，再?gòu)牡撞窟M(jìn)入脫硫塔，高溫?zé)煔馀c加入的吸收劑、循環(huán)脫硫灰充分預(yù)混合，進(jìn)行初步的脫硫反應(yīng)，在這一區(qū)域主要完成吸收劑與HCl、HF的反應(yīng)。

煙氣通過(guò)脫硫塔底部的文丘里管的加速，進(jìn)入循環(huán)流化床體，物料在循環(huán)流化床里，氣固兩相由于氣流的作用，產(chǎn)生激烈的湍動(dòng)與混合，充分接觸，在上升的過(guò)程中，不斷形成絮狀物向下返回，而絮狀物在激烈湍動(dòng)中又不斷解體重新被氣流提升，形成類似循環(huán)流化床鍋爐特有的內(nèi)循環(huán)顆粒流，使得氣固間的滑落速度高達(dá)單顆?；渌俣鹊臄?shù)10倍;脫硫塔頂部結(jié)構(gòu)進(jìn)一步強(qiáng)化了絮狀物的返回，進(jìn)一步提高了塔內(nèi)顆粒的床層密度;使得床內(nèi)的鈣硫比高達(dá)50以上。這樣循環(huán)流化床內(nèi)氣固兩相流機(jī)制，極大地強(qiáng)化了氣固間的傳質(zhì)與傳熱，為實(shí)現(xiàn)高脫硫率提供了根本的保證。

在文丘里的出口擴(kuò)管段設(shè)置1套噴水裝置，噴入霧化水以降低脫硫反應(yīng)器內(nèi)的煙溫，使煙溫降至高于煙氣露點(diǎn)15℃左右，從而使得SO2與Ca(OH)2的反應(yīng)轉(zhuǎn)化為可以瞬間完成的離子型反應(yīng)。吸收劑、循環(huán)脫硫灰在文丘里段以上的塔內(nèi)進(jìn)行第2步的充分反應(yīng)，生成副產(chǎn)物 CaSO3·1/2 H2O，此外還有與SO3、HF和 HCl反應(yīng)生成相應(yīng)的副產(chǎn)物 CaS04·1/2 H2O、CaF2、CaCl2等。

煙氣在上升過(guò)程中，顆粒一部分隨煙氣被帶出脫硫塔，一部分因自重重新回流到循環(huán)流化床內(nèi)，進(jìn)一步增加了流化床的床層顆粒濃度和延長(zhǎng)吸收劑的反應(yīng)時(shí)間。

凈化后的含塵煙氣從脫硫塔頂部側(cè)向排出，然后轉(zhuǎn)向進(jìn)入脫硫除塵器，再通過(guò)引風(fēng)機(jī)引入煙囪。經(jīng)除塵器捕集下來(lái)的固體顆粒，通過(guò)除塵器下的再循環(huán)系統(tǒng)，返回脫硫塔繼續(xù)參加反應(yīng)，如此循環(huán)，多余的少量脫硫灰渣通過(guò)物料輸送至脫硫灰倉(cāng)內(nèi)，再通過(guò)罐車或二級(jí)輸送設(shè)備外排。

CFB-FGD 系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)［11-13］有:

(1)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，綜合造價(jià)低。CFB-FGD工藝綜合造價(jià)相當(dāng)于濕法脫硫工藝的50%。

(2)維護(hù)工作量小和費(fèi)用低。CFB-FGD工藝基本不存在大的維護(hù)工作量，整個(gè)系統(tǒng)需要維護(hù)的只有一些風(fēng)機(jī)、水泵，整個(gè)維護(hù)費(fèi)用占總投資的1%。

(3)電耗低。CFB-FGD工藝的電耗占發(fā)電量的0.5% ～0.7%，若采用布袋除塵器則更低。

(4)水耗量低。CFB-FGD工藝只有生石灰消化系統(tǒng)和吸收塔降溫系統(tǒng)需用水，整個(gè)水耗量是濕法水耗量的70%左右。

(5)不需要考慮防腐。CFB-FGD工藝脫除了幾乎全部的HCl、HF和SO3，煙氣溫度高于露點(diǎn)25℃以上，因此不存在腐蝕問(wèn)題，整個(gè)脫硫系統(tǒng)設(shè)備主要由碳鋼構(gòu)成。

(6)工藝簡(jiǎn)單可靠，不受燃煤含硫量限制。當(dāng)燃煤含硫量為1.1% ～1.2%、鈣硫比不大于1.2時(shí)，脫硫率可達(dá)90%以上，排煙溫度在70℃以上。如果燃煤含硫量發(fā)生變化時(shí)，只需改變鈣硫比和吸收劑投入量就可以適應(yīng)燃煤含硫量的變化。

(7)對(duì)鍋爐負(fù)荷適應(yīng)力強(qiáng)，通過(guò)調(diào)節(jié)吸收劑加入量、水量、吸收塔壓降，能快速響應(yīng)鍋爐負(fù)荷的變化情況。

(8)脫硫效率高，最高達(dá)90%以上，不用設(shè)置煙氣換熱器，避免了因煙氣換熱器漏風(fēng)造成的脫硫效率下降。

(9)吸收劑必須采用生石灰粉及消石灰粉，且有一定的品質(zhì)要求，吸收劑來(lái)源較少。

(10)副產(chǎn)物綜合利用價(jià)值不如脫硫石膏。

2 運(yùn)行問(wèn)題分析

2.1 改造后運(yùn)行情況

CFB-FGD系統(tǒng)均采用1爐2塔的方式進(jìn)行脫硫。脫硫除塵島設(shè)計(jì)性能以煤質(zhì)含硫量1.5%為設(shè)計(jì)煤種，脫硫率不小于91%，以煤質(zhì)含硫量1.8%為校核煤種，脫硫率不小于91%，同時(shí)滿足凈煙氣SO2濃度不大于400 mg/Nm3。電廠燃用煤質(zhì)參數(shù)與煙氣參數(shù)如表1～2所示。

表1 煤質(zhì)分析Tab.1 Coal analysis

表2 煙氣參數(shù)Tab.2 Flue gas parameters

CFB-FGD系統(tǒng)投運(yùn)以來(lái)運(yùn)行基本穩(wěn)定，正常運(yùn)行條件下，脫硫效率均保持在90%以上，SO2排放濃度在400 mg/m3以下，煙塵排放濃度在50 mg/m3以下，系統(tǒng)的可用率也較高，主要性能指標(biāo)如表3所示。但2套脫硫系統(tǒng)在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中也存在一些問(wèn)題，如脫硫入口流場(chǎng)不均勻、運(yùn)行煙氣量高、引風(fēng)機(jī)磨損、電耗量大等，需要在原來(lái)運(yùn)行工況下有必要結(jié)合實(shí)際運(yùn)行狀況，進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行方式及有關(guān)參數(shù)做一些優(yōu)化調(diào)整，以提高設(shè)備及系統(tǒng)運(yùn)行的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

2.2 脫硫入口流場(chǎng)均勻性問(wèn)題

循環(huán)流化床脫硫塔中，底部流化床氣、固混合程度是循環(huán)流化床內(nèi)部反應(yīng)的決定性因素之一，而脫硫塔文丘里的氣流分布將直接影響流化床的穩(wěn)定性，當(dāng)文丘里過(guò)管氣流流速過(guò)低時(shí)，無(wú)法托住流化床中的顆粒，出現(xiàn)掉灰塌床現(xiàn)象。為了防止過(guò)管氣流流速過(guò)低，一方面要保證足夠的文丘里過(guò)管風(fēng)量，另一方面要保證文丘里的過(guò)管氣流均布，防止局部過(guò)低而產(chǎn)生掉灰塌床［5］。該脫硫系統(tǒng)原設(shè)計(jì)采用流線型的底部進(jìn)氣結(jié)構(gòu)，在匯流三通處設(shè)置平板狀導(dǎo)流板，在脫硫塔入口彎頭處設(shè)導(dǎo)流板，以利于氣流塔內(nèi)分布均勻，保持塔內(nèi)流化床的穩(wěn)定，在實(shí)現(xiàn)高效脫硫的同時(shí)有效減少塔底落灰。

表3 脫硫性能試驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Testing results of FGD

在系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行期間，多次出現(xiàn)局部塌灰現(xiàn)象，從運(yùn)行參數(shù)和狀況分析，懷疑脫硫塔文丘里出口氣流分布不均勻，故進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。從試驗(yàn)結(jié)果看，文丘里管出口流場(chǎng)分布不理想，需要對(duì)導(dǎo)流板和文丘里管進(jìn)行必要的調(diào)整和改造，提高煙氣流場(chǎng)的均勻性。

2.3 優(yōu)化運(yùn)行煙氣量試驗(yàn)

為防止煙氣流量波動(dòng)、跳變保護(hù)動(dòng)作、退脫硫情況的發(fā)生，在各脫硫島分別加裝1個(gè)差壓流量表，并要求運(yùn)行人員以差壓流量表來(lái)控制各塔煙氣流量。因差壓流量表與原流量表有偏差(偏小(1～2)×105m3)且波動(dòng)較大，運(yùn)行以差壓流量表為準(zhǔn)按設(shè)計(jì)最小煙氣流量和吸收塔入口負(fù)壓來(lái)控制各塔的煙氣流量和入口負(fù)壓，造成2機(jī)脫硫引風(fēng)機(jī)電流偏高。在此情況下對(duì)2號(hào)機(jī)組脫硫系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化運(yùn)行煙氣量試驗(yàn)，以期合理降低運(yùn)行煙氣量，試驗(yàn)結(jié)果如表5所示。

表4 文丘里流速檢測(cè)結(jié)果Tab.4 Velocity test results by Venturi tube m·s－1

表5 優(yōu)化運(yùn)行煙氣量試驗(yàn)Tab.5 Optimal operation of flue gas volume test

將低流量保護(hù)定值由1600×106m3/h改為1.500×106m3/h，運(yùn)行觀察塔底落灰情況。通過(guò)幾天的觀察，2A脫硫塔在煙氣流量(1.600～1.650)×106m3/h時(shí)運(yùn)行塔底有落灰，2B脫硫塔未見(jiàn)有落灰。1號(hào)機(jī)脫硫系統(tǒng)現(xiàn)煙氣流量按1.700×106m3/h控制，脫硫引風(fēng)機(jī)電流在390 A左右。2號(hào)脫硫塔煙氣流量按1.650×106m3/h來(lái)控制，流量計(jì)準(zhǔn)確后盡快投入再循環(huán)自動(dòng)。

2.4 設(shè)計(jì)煙氣量過(guò)大的問(wèn)題

由于設(shè)計(jì)時(shí)選取的煙氣量數(shù)值過(guò)大，實(shí)際運(yùn)行中煙氣量遠(yuǎn)小于設(shè)計(jì)值。造成機(jī)組在滿負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，脫硫系統(tǒng)也必須從凈煙氣回流部分煙氣至脫硫塔入口，以保證一定的床壓。這就造成2個(gè)問(wèn)題:(1)脫硫塔入口煙氣量過(guò)大，相應(yīng)地增加了脫硫風(fēng)機(jī)的出力，造成能耗增加;尤其是在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，需加大凈煙氣再循環(huán)量，對(duì)單塔運(yùn)行的調(diào)整也不利。(2)由于必須回流部分凈煙氣，造成了脫硫塔入口煙氣溫度的降低，為了保證脫硫塔出口的煙氣溫度(不低于70℃)，相應(yīng)地必須減少脫硫塔噴水量，不利于脫硫效率的提高。

下一步需重新根據(jù)實(shí)際運(yùn)行的參數(shù)，對(duì)吸收塔的煙氣量和流速進(jìn)行計(jì)算，在保證床層穩(wěn)定的前提下，減小吸收塔的通徑，對(duì)文丘里管等進(jìn)行必要的改造，從而減小脫硫塔入口煙氣量，在提高脫硫系統(tǒng)效率的同時(shí)達(dá)到節(jié)能的目的。

2.5 吸收塔入口煙溫過(guò)高和過(guò)低情況下的噴水問(wèn)題

該廠在機(jī)組連續(xù)滿負(fù)荷運(yùn)行、吸收塔入口煙溫接近180℃、噴水系統(tǒng)回水閥全部關(guān)閉時(shí)，溫度最低能降到78℃，高于設(shè)計(jì)值70～72℃，床層的反應(yīng)效率大大降低。不僅會(huì)造成石灰的浪費(fèi)，還會(huì)增加脫硫灰的數(shù)量。在機(jī)組長(zhǎng)期處于較低負(fù)荷(330 MW)運(yùn)行時(shí)，吸收塔入口煙溫接近80℃時(shí)，稍一噴水，出口溫度就會(huì)低于設(shè)計(jì)溫度，床層的反應(yīng)效率更低。

造成這一問(wèn)題的主要原因是:機(jī)組在滿負(fù)荷和較低負(fù)荷時(shí)的煙溫180℃和80℃均屬于非常規(guī)溫度，超出了原設(shè)計(jì)范圍，脫硫系統(tǒng)無(wú)法滿足在此溫度下的運(yùn)行。

在每個(gè)島的工藝水泵出口母管各加1臺(tái)電動(dòng)門，只是解決了泵的自動(dòng)啟停問(wèn)題，但并沒(méi)有解決煙溫過(guò)高、過(guò)低工況下的運(yùn)行效率問(wèn)題。解決這個(gè)問(wèn)題的措施:一是對(duì)鍋爐燃燒和配風(fēng)情況進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，將機(jī)組在滿負(fù)荷和較低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)的煙溫控制在合適的范圍內(nèi)，減少脫硫系統(tǒng)在極端溫度下的運(yùn)行時(shí)間;二是對(duì)脫硫系統(tǒng)進(jìn)行必要的改造，如改變吸收塔的通徑，改變噴水系統(tǒng)的流量等，使脫硫系統(tǒng)能相對(duì)適應(yīng)在極端溫度下的運(yùn)行。

2.6 引風(fēng)機(jī)葉片磨損問(wèn)題

系統(tǒng)改造后，機(jī)組原有電除塵器(四電場(chǎng)，除塵效率大于90%)改造后當(dāng)一級(jí)電除塵器使用(僅留1～2個(gè)電場(chǎng)，除塵效率80%)，原有引風(fēng)機(jī)較長(zhǎng)時(shí)間在煙氣含塵濃度遠(yuǎn)高于設(shè)計(jì)值的惡劣工況下運(yùn)行，加快了葉片的磨損速度。針對(duì)該廠1號(hào)機(jī)組A側(cè)引風(fēng)機(jī)葉片磨損情況進(jìn)行了初步分析，試驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，A側(cè)引風(fēng)機(jī)入口和B側(cè)引風(fēng)機(jī)入口的煙氣流量無(wú)明顯差異，但兩側(cè)的煙塵濃度卻偏差較大。A側(cè)入口標(biāo)態(tài)煙氣流量為1012064 Nm3/h，B側(cè)入口為1039694 Nm3/h;A側(cè)煙塵濃度為3374.87 mg/Nm3，B側(cè)為1023.56 mg/Nm3。從數(shù)據(jù)上看，A側(cè)的高煙塵濃度很可能就是造成A側(cè)引風(fēng)機(jī)葉片磨損的原因。

如果爐側(cè)設(shè)備運(yùn)行情況正常，可以考慮為引風(fēng)機(jī)葉片進(jìn)行熱噴涂處理，提高葉片表面的耐磨損、耐高溫、耐氧化能力。因?yàn)槌龎m器本身也存在一定問(wèn)題，可以對(duì)除塵器進(jìn)行優(yōu)化，以提高除塵器的除塵效率，不失為一種降低出口煙塵濃度的可行性方案。

3 結(jié)語(yǔ)

采用CFB-FGD工藝進(jìn)行大容量機(jī)組煙氣脫硫是可行的，該脫硫工藝技術(shù)成熟，運(yùn)行穩(wěn)定，能達(dá)到較高的脫硫效率，設(shè)備國(guó)產(chǎn)化率也較高。與濕法工藝相比，循環(huán)流化床干法脫硫工藝在改造時(shí)間、靜態(tài)投資、動(dòng)態(tài)投資、占地面積、維護(hù)費(fèi)用上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。但在CFB-FGD設(shè)計(jì)和運(yùn)行中還需注意一些問(wèn)題，尤其是設(shè)計(jì)煙氣參數(shù)(煙氣量、煙溫等)的選取一定要準(zhǔn)確，符合實(shí)際運(yùn)行工況，這在很大程度上決定著脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行效率和投資;在運(yùn)行中要適時(shí)地根據(jù)實(shí)際運(yùn)行工況對(duì)脫硫系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，以提高系統(tǒng)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。

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