胡志光，胡曉貝

（華北電力大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，河北 保定071003）

1 引言

我國火電廠主要以燃煤電廠為主，伴隨著發(fā)電行業(yè)的快速發(fā)展，燃煤電廠產(chǎn)生了大量有危害的SO2氣體。根據(jù)2012年新的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》［1］，燃煤電廠SO2的排放限值降到100mg／m3，對(duì)煙氣脫硫（FGD）系統(tǒng)的要求更高，同時(shí)脫硫效率高、運(yùn)行可靠的濕式石灰石－石膏［2］法將會(huì)有更廣泛的應(yīng)用。

本文以某燃煤電廠600MW機(jī)組配套的煙氣脫硫裝置為研究對(duì)象，對(duì)石灰石／石膏法FGD系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)，濕式石灰石－石膏法FGD工藝是目前世界上燃煤電廠應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最成熟的濕法脫硫技術(shù)［3］。該技術(shù)采用石灰石（CaCO3）漿液作洗滌劑，在反應(yīng)塔（吸收塔）中對(duì)煙氣進(jìn)行洗滌，從而除去煙氣中的SO2。

2 濕式石灰石－石膏法脫硫工藝

濕式石灰石－石膏法煙氣脫硫工藝系統(tǒng)主要包括：煙氣系統(tǒng)、吸收塔系統(tǒng)、石灰石漿液制備與供給系統(tǒng)、石膏脫水系統(tǒng)、FGD輔助設(shè)備系統(tǒng)。工藝流程見圖1。

圖1 石灰石－石膏濕法FGD工藝流程

由圖1可知，自鍋爐來煙氣經(jīng)除塵后進(jìn)入FGD系統(tǒng)，由增壓風(fēng)機(jī)升壓經(jīng)GGH高溫側(cè)降溫后進(jìn)入吸收塔，若不設(shè)GGH則直接進(jìn)入吸收塔，本工藝按不設(shè)GGH考慮。從吸收塔中下部進(jìn)入吸收塔的煙氣與上部噴淋的石灰石漿液逆流接觸，SO2被漿液洗滌，脫硫后的清潔煙氣通過除霧器除去霧滴后由吸收塔出口排出，再經(jīng)過GGH低溫側(cè)升溫至80℃，進(jìn)入煙囪排放，如果無GGH則直接進(jìn)入煙囪排放。吸收SO2后的漿液進(jìn)入吸收塔底部的循環(huán)氧化反應(yīng)槽，漿液中的CaSO3被鼓入的空氣氧化成CaSO4。當(dāng)Ca2＋、SO2－4濃度達(dá)到一定的過飽和度時(shí)，結(jié)晶析出二水硫酸鈣，然后通過石膏漿液排出泵送至石膏脫水系統(tǒng)。同時(shí)吸收劑制備和輸送系統(tǒng)往塔底注入新鮮的石灰石漿液，提升漿液pH值，使之能在下一個(gè)循環(huán)中重新吸收SO2。

3 燃煤電廠原始資料

該工程設(shè)計(jì)新建某燃煤電廠機(jī)組容量為600MW，機(jī)組配備1臺(tái)最大連續(xù)出力1913t／h的鍋爐，電廠燃煤設(shè)計(jì)煤種、校核煤種均為淮南煤。最熱月（7月）平均最高氣溫為30℃；最冷月平均最低氣溫為12.5℃。歷年平均氣壓1013.3kPa。最熱月平均相對(duì)濕度79%，最冷月平均相對(duì)濕度為51.5%。

3.1 鍋爐概況

鍋爐按露天布置設(shè)計(jì)，類型為超臨界一次中間再熱螺線管圈直流鍋爐，鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。

表1 鍋爐主要設(shè)計(jì)參數(shù)

3.2 燃煤電廠主要分析資料

煤質(zhì)資料見表2，石灰石粉分析資料見表3。

3.3 FGD入口煙氣參數(shù)

FGD入口煙氣參數(shù)是脫硫工藝的主要涉及數(shù)據(jù)，煙氣的含硫量和其他相關(guān)的數(shù)據(jù)要求，對(duì)脫硫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，見表4；鍋爐B－MCR工況煙氣中污染物成分，見表5。

3.4 性能保證

煙氣脫硫系統(tǒng)根據(jù)下述要求進(jìn)行設(shè)計(jì)［4］。

表2 煤質(zhì)分析

表3 石灰石粉分析資料

表4 FGD入口煙氣參數(shù)

表5 鍋爐B－MCR工況煙氣中污染物成分

（1）在鍋爐燃用設(shè)計(jì)煤質(zhì)BMCR工況下，處理全煙氣量時(shí)的脫硫效率不小于95%，脫硫裝置出口SO2濃度不超過41mg／Nm3（設(shè)計(jì)煤種）。

（2）在任何正常運(yùn)行工況下，除霧器出口煙氣攜帶的水滴含量低于75mg／Nm3（干基）。

（3）當(dāng)煙氣溫度和粉塵濃度分別增加到最高160℃和最大400mg／Nm3（濕基）時(shí)，煙氣脫硫系統(tǒng)能安全、可靠和連續(xù)運(yùn)行。

（4）在鍋爐BMCR工況條件下，要求：煙氣脫硫系統(tǒng)中的設(shè)備有一定的容余量；煙氣脫硫系統(tǒng)具有應(yīng)付停機(jī)的有效措施；煙氣脫硫系統(tǒng)應(yīng)能適應(yīng)鍋爐的起動(dòng)和停機(jī)，并能跟隨鍋爐負(fù)荷的波動(dòng)。

（5）石膏品質(zhì)：自由水分低于10%，CaSO4·2H2O含量高于90%，溶解于石膏中的Cl－含量低于0.01%Wt（以無游離水分的石膏作為基準(zhǔn)），溶解于石膏中的F－含量低于0.01%Wt（以無游離水分的石膏作為基準(zhǔn)）。

（6）煙氣脫硫系統(tǒng)的服務(wù)壽命不低于30年。

4 工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 煙氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

FGD系統(tǒng)進(jìn)出口煙道在鍋爐BMCR工況下，保持速度為20m／s左右，靠近吸收塔入口處的煙道可采用計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，以確定入口煙道與塔徑匹配的尺寸。通過參考文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)83%～87%的入口寬度與吸收塔直徑比值為宜，此處入口煙道寬度按占塔徑85%設(shè)計(jì)。其余煙道設(shè)計(jì)符合《火力發(fā)電廠煙風(fēng)煤粉管道設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，煙氣最大流速不超過15m／s。

該煙氣系統(tǒng)按省去GGH考慮，F(xiàn)GD系統(tǒng)入口前的原煙道可不采取防腐措施，采用碳鋼制作即可，壁厚不小于6mm；但至少要從塔入口前5m處開始使用鱗片樹脂或襯膠等防腐材料，即所有接觸到低溫飽和煙氣冷凝液或從吸收塔循環(huán)來的霧氣或液體的煙道采用玻璃鱗片樹脂內(nèi)襯，煙道壁厚不小于6mm，內(nèi)襯不小于1.6mm。煙道需設(shè)置低位點(diǎn)以滿足冷凝液的排放，但膨脹節(jié)和擋板不能布置在低位點(diǎn)。煙道外部要充分加固和支撐，以防止振動(dòng)，所有防腐煙道僅采取外部加強(qiáng)筋。

對(duì)于600MW機(jī)組，可設(shè)置1臺(tái)動(dòng)葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)，或設(shè)置2臺(tái)靜葉可調(diào)軸流式風(fēng)機(jī)，其宜安裝在FGD系統(tǒng)入口處。在增壓風(fēng)機(jī)前設(shè)有入口原煙氣擋板，其同出口凈煙氣擋板和旁路擋板共用1套1用1備的密封風(fēng)系統(tǒng)。一般旁路擋板處于關(guān)閉狀態(tài)，進(jìn)、出口擋板開啟，密封風(fēng)系統(tǒng)保證100%煙氣進(jìn)入FGD系統(tǒng)。而當(dāng)FGD系統(tǒng)故障或引風(fēng)機(jī)出口煙溫超過極限溫度時(shí)，進(jìn)、出口擋板關(guān)閉，旁路擋板應(yīng)快速開啟，從全關(guān)狀態(tài)到全開狀態(tài)的時(shí)間大致在10～15s。由于旁路擋板具有快速打開的功能，因此采用單百葉窗擋板門，而進(jìn)、出口擋板采用雙百葉窗擋板門。

擋板門的選材需考慮到其所處的環(huán)境，F(xiàn)GD進(jìn)口原煙氣擋板葉片及框架材料為Q235－A，密封片采用1.4529合金；FGD出口凈煙氣擋板葉片為1.4529合金，密封片為C－276，框架為Q235－A＋1.4529內(nèi)襯；旁路擋板凈煙氣側(cè)葉片材料為1.4529，原煙氣側(cè)為Q235－A，密封片為C－276，框架為Q235－A＋1.4529內(nèi)襯。

4.2 吸收塔系統(tǒng)設(shè)計(jì)

吸收塔采用逆流噴淋空塔，具體尺寸見圖2。一套600MW機(jī)組配備一臺(tái)吸收塔，吸收塔自下向上分為反應(yīng)槽、吸收區(qū)和除霧區(qū)。反應(yīng)槽中下部設(shè)有氧化系統(tǒng)，采用空氣噴槍和攪拌器組合式，并由單獨(dú)的氧化風(fēng)機(jī)供氣。每塔設(shè)置2運(yùn)1備氧化風(fēng)機(jī)，若2套FGD裝置就近布置或?qū)ΨQ布置時(shí)，可考慮備用風(fēng)機(jī)公用。攪拌器一般設(shè)在離底部2.0m處，傾斜角為10°。

吸收塔中部為吸收區(qū)域，主要為漿液噴淋系統(tǒng)。噴淋層布置在吸收區(qū)上部，按4層噴淋層設(shè)計(jì)，每層噴淋層由分配母管／支管和噴嘴組成，母管和支管在吸收塔端面內(nèi)平行對(duì)稱布置，形成一個(gè)網(wǎng)狀管路系統(tǒng)。噴淋層的一側(cè)與循環(huán)管道連接，通過漿液循環(huán)泵將石灰石漿液均勻地輸送至每個(gè)噴嘴。該噴淋系統(tǒng)采用頂層單向噴淋，采用單向下噴噴嘴，其余2～4層采用雙向噴淋，采用上下雙向噴嘴。常用噴嘴有中空錐噴嘴和螺旋錐噴嘴，噴射角分90°和120°兩種。上噴噴嘴選用噴射角為120°的中空錐噴嘴，下噴噴嘴選用噴射角為90°的中空錐噴嘴?？拷诘纳舷聡妵娮炀x用噴射角為90°的螺旋錐噴嘴。漿液再循環(huán)泵安裝在泵房內(nèi)，每層噴淋層對(duì)應(yīng)一臺(tái)循環(huán)泵，確保漿液覆蓋率為200%～300%。

除霧區(qū)設(shè)置在吸收塔的上部，選用折流板除霧器，在不設(shè)GGH的情況下，除霧器的布置方式采用屋脊式。另外，除霧器還需設(shè)置3層沖洗層，定期對(duì)除霧器進(jìn)行清洗。

4.3 石灰石漿液制備與輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)及設(shè)備選型

石灰石漿液制備系統(tǒng)按2套FGD裝置合用1套設(shè)計(jì)，即2套FGD裝置設(shè)置2臺(tái)濕式球磨機(jī)及相應(yīng)的石灰石漿液旋流器、2臺(tái)稱重式給料機(jī)，每臺(tái)球磨機(jī)配1個(gè)磨機(jī)再循環(huán)箱和2臺(tái)磨機(jī)再循環(huán)泵。每臺(tái)FGD裝置的石灰石耗量為4.79t／h，石灰石儲(chǔ)倉的有效容積是530m3，滿足設(shè)計(jì)煤種BMCR工況下連續(xù)運(yùn)行3d的石灰石耗量；每臺(tái)FGD裝置的石灰石漿液需求量為23.95t／h，石灰石漿液箱的有效容積為250m3，滿足兩臺(tái)機(jī)組6h連續(xù)運(yùn)行的耗量，石灰石漿液輸送泵流量為31m3／h。

4.4 石膏脫水系統(tǒng)設(shè)計(jì)與設(shè)備選型

同石灰石漿液制備系統(tǒng)一樣，每兩臺(tái)機(jī)組合用一套。石膏脫水系統(tǒng)的出力按不低于石膏產(chǎn)量的150%設(shè)計(jì)。每套脫水系統(tǒng)設(shè)置兩臺(tái)石膏脫水機(jī)，單臺(tái)設(shè)備出力按設(shè)計(jì)工況下石膏產(chǎn)量的75%選擇。每座吸收塔設(shè)置石膏排出泵2臺(tái)，一臺(tái)運(yùn)行，一臺(tái)備用，對(duì)應(yīng)一臺(tái)石膏漿液旋流器和一臺(tái)真空皮帶脫水機(jī)。設(shè)置一臺(tái)廢水旋流器，其處理量按系統(tǒng)產(chǎn)生的廢水量設(shè)計(jì)。

4.5 吸收塔結(jié)構(gòu)圖和尺寸圖

根據(jù)設(shè)計(jì)結(jié)果，采用AutoCAD繪圖軟件繪制了系統(tǒng)塔尺寸圖和結(jié)構(gòu)圖，見圖2和圖3。

5 工程概算

該項(xiàng)目脫硫裝置靜態(tài)投資為12503萬元，單位造價(jià)104元／kW。

各工藝系統(tǒng)投資構(gòu)成詳見表6，單位以萬元計(jì)。

圖2 吸收塔尺寸

圖3 吸收塔結(jié)構(gòu)

表6 總概算

設(shè)備年利用小時(shí)數(shù)：該工程投產(chǎn)后設(shè)備年利用小時(shí)數(shù)按5500h計(jì)算。

石灰石粉消耗及價(jià)格：脫硫裝置石灰石粉價(jià)格為120元／t。石灰石消耗量為4.4t／h。

定員及工資標(biāo)準(zhǔn)：電廠脫硫新增定員10人，年人均工資為50000元，福利費(fèi)綜合費(fèi)率按工資總額的55%計(jì)算。

用水量：脫硫裝置用水量按消耗水64t／h計(jì)算。

修理費(fèi)：按脫硫裝置造價(jià)的1.5%預(yù)提。

用電量：脫硫裝置用電量6000kW·h，年耗電1823萬kW·h，電價(jià)按0.30元／kW·h。

折舊率：固定資產(chǎn)折舊采用直線法，凈殘值率為5%，在本次技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析中，為簡化計(jì)算，固定資產(chǎn)折舊按綜合折舊率提取，折舊年限取15年，折舊率為6.33%。

以上費(fèi)用總計(jì)為21696.8萬元。

該工程脫硫裝置靜態(tài)投資單位造價(jià)為104元／kW，低于限額指標(biāo)，因此該工程的投資水平可認(rèn)為是合理的。

6 結(jié)語

濕式石灰石／石膏煙氣脫硫工藝技術(shù)成熟，運(yùn)行可靠，可脫除95%以上的SO2，環(huán)境效益顯著。FGD裝置在國內(nèi)燃煤電廠中的應(yīng)用越來越廣泛，隨著國內(nèi)脫硫核心技術(shù)的逐步掌握和設(shè)備、材料國產(chǎn)化率的逐步提高，F(xiàn)GD系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)將成為重要的研究方向。

［1］ 牛治國，張 勇，陳鴻偉.我國燃煤電廠煙氣脫硫技術(shù)進(jìn)展［J］.河北化工，2006（1）：43～45.

［2］ 楊巧云.火電廠脫硫技術(shù)綜述［J］.環(huán)境保護(hù)科學(xué)，2008，34（3）：8，11.

［3］ 陳紹敏.大型燃煤電廠在選擇煙氣脫硫裝置系統(tǒng)及輔助設(shè)備選型探討［J］.電站輔機(jī)，2005（3）：9～12.

［4］ 王 瓊.火電廠石灰石／石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化［D］.武漢：武漢大學(xué)，2005.