朱國宇

(平頂山姚孟發(fā)電有限責任公司，河南平頂山 467031)

1 概況

由于濕法煙氣脫硫裝置技術(shù)成熟，脫硫劑石灰石價格低廉，得到了廣泛應(yīng)用。但是隨著國家環(huán)保政策日趨嚴格，《火電廠大氣污染物排放標準》(GB 13223－2011)已頒布實施，經(jīng)濟發(fā)達省份已開始要求取消脫硫旁路煙道，新核準批復的大型火電機組也要求不設(shè)脫硫煙氣旁路。對于脫硫裝置的設(shè)備可靠性提出更加嚴格的要求，為了保證機組的長周期運行，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，為在恢復脫硫裝置的正常運行期間，保護脫硫設(shè)備避免受到高溫煙氣的影響，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)置高溫煙氣冷卻降溫系統(tǒng)的必要性

火電廠鍋爐引風機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℃，而吸收塔正常運行溫度在50℃左右，滿足工況要求。當發(fā)生脫硫島系統(tǒng)失電，漿液循環(huán)泵全停時，旁路煙道擋板門聯(lián)鎖打開，高溫煙氣經(jīng)旁路煙道、煙囪排放，起到保護吸收塔的作用，但煙囪的內(nèi)壁防腐材料卻受到高溫侵襲而發(fā)生破壞。當旁路擋板門故障打不開或者不設(shè)煙氣旁路時，就會對吸收塔和煙囪產(chǎn)生熱沖擊，破壞，機組也會因此聯(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)置高溫煙氣冷卻降溫措施是必要的。

3 高溫煙氣冷卻降溫的方式選擇

冷卻高溫煙氣的介質(zhì)可以采取溫度較低的空氣或水，稱之為風冷或水冷。不論是風冷或水冷，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，通過安裝在吸收塔入口煙道斷截面的噴水降溫系統(tǒng)向高溫煙氣直接噴入冷卻水，用水霧的蒸發(fā)吸熱，使煙氣冷卻。系統(tǒng)設(shè)備相對簡單，投資較省，水和動力消耗不大。

4 煙氣降溫熱平衡計算

煙氣噴水降溫是利用熱平衡原理，即高溫煙氣釋放的熱量和冷卻介質(zhì)(水或空氣)吸收的熱量相等。高溫煙氣釋放的熱量:

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，℃。

對于多種氣體混合的煙氣平均摩爾熱容應(yīng)按下式計算:

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)噴入到高溫煙氣中吸收的熱量為:

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時的比焓，kJ/kg。

熱量平衡公式為:

5 煙氣噴水降溫在實際工程中的應(yīng)用

5.1 煙氣參數(shù)

平頂山姚孟發(fā)電有限責任公司3、4號機組煙氣脫硫裝置入口煙氣參數(shù)見表1。

表1 3、4號機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《化學化工物性數(shù)據(jù)手冊無機卷》。

5.3 進出口溫度下比熱計算

內(nèi)插法計算進出口溫度下氣體比熱見表2。

表2 進出口溫度下的氣體比熱 kJ/kmol·K

5.4 能量平衡計算

根據(jù)上述公式，計算噴水降溫前、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。

考慮到負荷、煙氣量變化和水源壓力波動，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，對于直徑小，介質(zhì)參數(shù)低的管道，宜采用較低值，且為開式系統(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噴嘴的要求是溫度降低后熱煙氣的體積收縮，噴嘴需要細密的霧化效果。保證煙氣與液體最充分的接觸，這樣對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，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)計算噴嘴流量，查噴嘴選型手冊，噴嘴系數(shù)K為37.6，在水源壓力為3bar工況下，計算噴嘴數(shù)量至少為13只。

5.7 煙氣冷卻系統(tǒng)方案設(shè)計

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號機組煙氣脫硫裝置實際情況，噴嘴位置布置在旁路煙道聯(lián)箱內(nèi)，吸風機出口彎頭上平面處，彎頭直徑4050mm。

(3)內(nèi)部噴淋管布置。由于有兩個吸風機出口彎頭，每個出口彎頭內(nèi)布置7只噴嘴，共14只，中心布置一個，直徑=2500mm水平環(huán)向布置噴嘴6個，每個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。電動調(diào)節(jié)球閥(DN100 PN16)和手動閘閥各一只，快速開啟，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)吸風機出口彎頭底部分別安裝 PN16 DN100排污閘閥一臺，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機內(nèi)部，引起吸風機振動、損壞葉片。利用現(xiàn)有在線監(jiān)測(CEMS)系統(tǒng)溫度測點，對噴淋效果進行監(jiān)測，及時調(diào)節(jié)冷卻水量。

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

(7)施工時注意事項。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號機組A級檢修期間對3號脫硫裝置實施安裝了煙氣冷卻降溫系統(tǒng)。在機組300MW負荷工況下試驗，調(diào)節(jié)煙氣冷卻裝置電動調(diào)節(jié)閥，原煙氣溫度從130℃逐步降低到50℃，煙氣達到濕飽和狀態(tài)。隨著煙氣溫度的降低，吸風機出口彎頭底部排污閘閥有少量冷卻水流出。

2010年10月，3號機組在運行期間發(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號脫硫裝置失電，漿液循環(huán)泵全停，工藝水中斷，高溫煙氣經(jīng)脫硫裝置進入煙氣，煙氣冷卻裝置電動調(diào)節(jié)閥聯(lián)鎖打開，煙氣溫度降至60℃以下，達到了在3號脫硫裝置恢復投運期間有效地保護吸收塔內(nèi)設(shè)備安全的目的。

7 結(jié)論與建議

隨著環(huán)保政策日益嚴格，取消脫硫裝置煙氣旁路是必然趨勢，提高脫硫裝置設(shè)備可靠性的同時，安裝事故煙氣冷卻系統(tǒng)是必不可少的保護措施。實踐證明煙氣冷卻降溫裝置設(shè)計方案及選型滿足實際工況需要，方案簡單，調(diào)節(jié)靈活，投資少。為了保證脫硫裝置免受高溫煙氣侵襲，將此方案逐步推廣到1號機組、2號機組和4號機組，均在煙氣脫硫裝置入口設(shè)置噴水降溫。經(jīng)過噴淋降溫的煙氣溫度低于露點溫度，對安裝噴淋降溫裝置之后的煙氣有一定的腐蝕作用，在維護資金允許的情況下，建議對脫硫原煙道進行防腐。在事故噴淋裝置投入期間，脫硫運行人員要重點關(guān)注煙氣冷卻效果，防止排污閥堵塞積水影響吸風機的運行安全。

［1］GB 13223－2011，火電廠大氣污染物排放標準［S］.

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

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

［4］劉光啟，王連湘，劉 杰.化學化工物性數(shù)據(jù)手冊(無機卷)［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2002.