趙景輝

(神華國(guó)能集團(tuán)秦皇島發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 秦皇島 066003)

發(fā)電機(jī)組海水脫硫系統(tǒng)提效改造研究

趙景輝

(神華國(guó)能集團(tuán)秦皇島發(fā)電有限責(zé)任公司，河北 秦皇島 066003)

介紹了某公司1-4號(hào)機(jī)組煙氣海水脫硫工藝，通過(guò)分析影響海水脫硫效率的因素，對(duì)1-4號(hào)機(jī)組煙氣海水脫硫系統(tǒng)進(jìn)行了提效改造，改造后SO2排放在35 mg/m3以下，煙塵排放在5 mg/m3以下，達(dá)到了超潔凈排放標(biāo)準(zhǔn)，改造效果良好。

海水脫硫；吸收塔；海水分配器；提效改造

0 概述

某公司1-4號(hào)機(jī)組煙氣脫硫均采用海水脫硫工藝，其中1，2號(hào)機(jī)組煙氣脫硫系統(tǒng)采用兩爐一塔脫硫方式，于2009年9月投入運(yùn)行；3，4號(hào)機(jī)組煙氣脫硫系統(tǒng)采用一爐一塔脫硫方式，分別于2008年12月、2007年12月投入運(yùn)行。4臺(tái)機(jī)組脫硫效率能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)值不小于90 %的要求，SO2排放能夠滿(mǎn)足設(shè)計(jì)值不大于200 mg/m3的要求。

國(guó)家環(huán)保部關(guān)于《京津冀及周邊地區(qū)電力鋼鐵水泥平板玻璃行業(yè)2014年大氣污染治理整治方案》要求，到2014年底京津冀區(qū)域內(nèi)4個(gè)行業(yè)基本完成脫硫脫硝除塵改造，電力企業(yè)大氣污染物排放達(dá)到《火電廠(chǎng)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223—2011)特別排放限值的要求。由于該公司原有脫硫裝置SO2排放達(dá)不到上述特別排放限值要求，所以對(duì)1-4號(hào)機(jī)組脫硫裝置進(jìn)行提效改造。

1 海水脫硫工藝

該公司1，2號(hào)機(jī)為215 MW機(jī)組，3，4號(hào)機(jī)為320 MW機(jī)組。海水煙氣脫硫系統(tǒng)主要包括煙氣系統(tǒng)、SO2吸收系統(tǒng)、海水供排水系統(tǒng)、海水恢復(fù)系統(tǒng)等。

海水脫硫是利用海水的天然堿性吸收煙氣中SO2的一種脫硫工藝。由于雨水將陸地上巖層的堿性物質(zhì)(碳酸鹽)帶到海中，天然海水通常呈堿性，自然堿度約為1.2-2.5 mmol/L，這使得海水具有天然的酸堿緩沖能力及吸收SO2的能力。同時(shí)，海水鹽分的主要成分是NaCl和硫酸鹽，因此，當(dāng)SO2被海水吸收，再經(jīng)氧化處理為硫酸鹽后，并不破壞海水的天然組分。

該工藝的主要原理是：送入吸收塔的海水與進(jìn)入吸收塔的煙氣接觸混合，煙氣中的SO2與海水中

(亞硫

酸根離子)和H+(氫離子)。H+使海水呈酸性，海水中H+濃度的增加，導(dǎo)致該部分海水pH值下降成為酸性海水。脫硫后的煙氣經(jīng)過(guò)除霧器除去霧滴后，經(jīng)煙囪排入大氣。吸收塔排出的酸性海水排入曝氣池，與未參與脫硫反應(yīng)的大量海水混合，并鼓入大量的空氣，使不穩(wěn)定的與空氣中的O2反應(yīng)，生成穩(wěn)定的(硫酸根離子)，排入大海，從而達(dá)到脫硫的目的。在曝氣池中鼓入的大量空氣還加速了CO2的生成釋出，并使海水的pH值和溶解氧量恢復(fù)到允許排放的正常水平，最終把水質(zhì)合格的海水排回大海。該工藝的流程如圖1所示，化學(xué)反應(yīng)原理如下：

煙氣中的SO2與海水接觸：

在吸收SO2的海水中通入大量空氣(曝氣)，使與空氣中的氧反應(yīng)生成

曝氣過(guò)程可加速CO2的釋出作用，有利于中和海水的酸性和溶解氧的增加。

一套完整的海水脫硫工藝系統(tǒng)通常包括海水供應(yīng)系統(tǒng)、SO2吸收系統(tǒng)、煙氣系統(tǒng)及海水水質(zhì)恢復(fù)系統(tǒng)等。

圖1 海水脫硫工藝流程

2 影響海水脫硫效率的因素

該公司脫硫系統(tǒng)存在以下幾個(gè)問(wèn)題。

（1） 1-4號(hào)機(jī)組脫硫海水恢復(fù)系統(tǒng)水量供應(yīng)不足，pH值偏低。

（2） GGH傳熱元件堵塞、腐蝕、沖刷嚴(yán)重，特別是密封片腐蝕、沖刷嚴(yán)重，煙氣泄漏較大，經(jīng)測(cè)試GGH漏風(fēng)率一般在1 %-2 %。

（3) 1，2號(hào)機(jī)組共用1套海水脫硫系統(tǒng)，弊病較多，存在不安全隱患，一旦脫硫系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題跳脫硫，會(huì)同時(shí)造成2臺(tái)機(jī)組停運(yùn)事故。

(4) 供排水系統(tǒng)泄漏點(diǎn)較多，海水系統(tǒng)設(shè)備腐蝕嚴(yán)重。

(5) 吸收塔海水分配器及噴嘴經(jīng)常堵塞，使脫硫效率降低。

海水脫硫吸收塔的脫硫效率與脫硫理論、吸收塔設(shè)備特性、脫硫水量等因素有關(guān)。此外，還與一些外部因素有關(guān)。根據(jù)近年來(lái)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，吸收塔海水分配器的堵塞往往成為制約吸收塔脫硫效率的主要原因。

2.1 海水脫硫理論

海水脫硫使用的吸收劑是天然海水，具有一定的弱堿性，是其能脫除SO2的原因。因?yàn)楹Ｋ奶烊粔A性使其對(duì)SO2或酸性物質(zhì)具有優(yōu)良的溶解和緩沖能力。海水脫硫需要提供足夠大的氣液接觸面積，以利于SO2在海水中的溶解。吸收塔是增大氣液接觸面積的設(shè)備，通過(guò)填料來(lái)提供足夠大的液膜分布，極大地增強(qiáng)了氣液接觸面積，因此能夠取得較高的脫硫效率，并且在海水脫硫過(guò)程中不產(chǎn)生難溶的物質(zhì)，不存在結(jié)垢問(wèn)題。

2.2 吸收塔設(shè)備特性

吸收塔內(nèi)設(shè)備主要包括填料、海水分配器、噴嘴、除霧器等。塔內(nèi)設(shè)備的形式只有滿(mǎn)足吸收理論，才能取得高的脫硫效率。填料應(yīng)具有高的比表面積、空隙率和潤(rùn)濕速率。高的比表面積提供足夠的氣液接觸面；高的空隙率可以降低吸收塔阻力，降低能耗；高的潤(rùn)濕速率可以提高填料的利用率和海水分布效果。此外，填料設(shè)備材質(zhì)的選擇應(yīng)達(dá)到防腐、耐溫和輕量化等指標(biāo)。

相對(duì)填料來(lái)說(shuō)，海水分配器的效果對(duì)脫硫效率的影響更大。海水分配器的作用是將吸收劑(海水)均勻分配至填料層，以達(dá)到與煙氣均勻接觸，有效脫除SO2的目的。海水分配器的布置及距填料層的高度是影響脫硫效率的重要因素。因此有必要對(duì)海水分配器的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化和完善。同時(shí)，海水分配器還應(yīng)注意防止噴嘴系統(tǒng)堵塞的問(wèn)題。

2.3 脫硫水量

脫硫水量對(duì)脫硫效果的影響顯而易見(jiàn)，但需注意以下幾方面的問(wèn)題：增大脫硫水量會(huì)增加海水升壓泵的能耗；根據(jù)海水脫硫理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，海水增大到一定程度(一般液氣比達(dá)到8-10)時(shí)，對(duì)脫硫效率的貢獻(xiàn)已不明顯，也會(huì)造成能耗的浪費(fèi)；脫硫水量太大，將導(dǎo)致脫硫水量與填料性能的不匹配，脫硫效率得不到進(jìn)一步提升，甚至?xí)陆?；另外，脫硫水量太大，吸收塔填料層阻力?huì)大幅上升，影響煙氣系統(tǒng)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

可以預(yù)見(jiàn)，在海水分配器的效果不佳時(shí)，海水不能均勻分配至填料層，造成部分煙氣短路，不能在填料層中與海水充分接觸，也就不能保證SO2在海水中的充分溶解。此時(shí)增加吸收塔脫硫水量并不是解決脫硫效率的根本措施，反而會(huì)在短時(shí)間內(nèi)造成更嚴(yán)重的堵塞，形成惡性循環(huán)。因此增加脫硫水量提高效率的前提是必須具備優(yōu)良的塔內(nèi)海水分配效果和防堵塞措施。

3 改造設(shè)計(jì)原則

(1) 根據(jù)原有脫硫裝置實(shí)際運(yùn)行時(shí)的入口SO2濃度情況，以及考慮今后煤質(zhì)有一定的變化，本次改造1-4號(hào)機(jī)組吸收塔入口SO2濃度按1 700 mg/ Nm3(標(biāo)態(tài)、干基、6 % O2)設(shè)計(jì)。同時(shí)，結(jié)合該公司燃煤含硫及海水水質(zhì)的實(shí)際平均水平，對(duì)可能的改造方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，優(yōu)化改造方案，制定經(jīng)濟(jì)合理的脫硫改造實(shí)施路線(xiàn)，在滿(mǎn)足排放標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)力求降低改造實(shí)施難度和投資水平。

(2) 本次改造1-4號(hào)機(jī)組吸收塔出口SO2排放濃度不大于35 mg/Nm3(標(biāo)態(tài)、干基、6 % O2），煙塵排放濃度不大于5 mg/Nm3。

4 提效改造方案

4.1 吸收系統(tǒng)改造

上塔水量由8 500 m3/h增加到10 500 m3/h，為適應(yīng)上塔水量的變化需對(duì)海水分配器(噴淋層主管、支管及噴嘴等)進(jìn)行相應(yīng)改造；將平板除霧器改為高效型除霧器；對(duì)填料進(jìn)行檢查，并更換破損及變形填料，增加填料高度，由原來(lái)的4.0 m調(diào)整至4.3 m。

4.2 加裝事故冷卻水系統(tǒng)

按照目前環(huán)保要求，脫硫裝置應(yīng)取消煙氣旁路，與主機(jī)成為一個(gè)串聯(lián)系統(tǒng)，同步啟停，具有應(yīng)對(duì)主機(jī)側(cè)的故障或事故工況，保障主機(jī)與脫硫裝置安全的能力。為預(yù)防因鍋爐或空氣預(yù)熱器等設(shè)備故障導(dǎo)致高溫?zé)煔馄茐奈账?、除霧器和煙道防腐層，需設(shè)置煙氣事故冷卻水系統(tǒng)。

在脫硫裝置配置旁路系統(tǒng)時(shí)，若出現(xiàn)煙氣超溫可能給脫硫設(shè)備、防腐材料帶來(lái)?yè)p害的情況，可以迅速打開(kāi)旁路擋板門(mén)，將脫硫裝置解列，以此來(lái)保護(hù)脫硫裝置設(shè)備，保證機(jī)組的安全運(yùn)行。

在取消煙氣旁路后，脫硫裝置的上述緊急保護(hù)措施就沒(méi)有了，因此必須有一套煙氣超溫事故冷卻裝置來(lái)保證脫硫設(shè)備的安全。由于水的潛熱大、比熱大，而且其取用比較方便，因此一般采用在煙道上加裝煙氣事故冷卻水系統(tǒng)來(lái)對(duì)超溫?zé)煔膺M(jìn)行緊急冷卻。

基于以上分析，本次脫硫裝置改造在吸收塔入口處增設(shè)了煙氣事故冷卻水系統(tǒng)。4.3 GGH改造

該公司脫硫煙氣加熱器設(shè)計(jì)安裝的是回轉(zhuǎn)式GGH(gas gas heater，煙氣換熱裝置)，回轉(zhuǎn)式GGH是利用裝在轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)子中的換熱元件，在熱端(原煙氣側(cè))吸收鍋爐排煙氣中的熱能并在冷端(凈煙氣側(cè))加熱脫硫后煙氣，以達(dá)到熱量交換的目的。由于GGH的原煙氣與凈煙氣側(cè)存在壓差，原煙氣在隔倉(cāng)內(nèi)以及通過(guò)密封裝置的動(dòng)靜間隙，不可避免地向凈煙氣側(cè)泄漏，使煙氣污染物進(jìn)入排放凈煙氣中，從而增加了排放凈煙氣中的污染物含量，降低了整個(gè)FGD(煙氣脫硫)系統(tǒng)的脫硫效率。

隨著回轉(zhuǎn)式GGH設(shè)備的老化，漏風(fēng)率會(huì)逐漸增大，難以保證維持低泄漏率的要求。而此次提效改造設(shè)計(jì)要求SO2排放濃度不大于35 mg/Nm3，如果GGH泄漏率為1.5 %，很難滿(mǎn)足此排放要求。由此可見(jiàn)，在排放限值降低后，脫硫效率對(duì)GGH的泄漏率將變得十分敏感。

針對(duì)SO2排放濃度不大于35 mg/Nm3的特別排放限值要求，從保證穩(wěn)定的高脫硫效率和降低能耗的角度考慮，本次改造將回轉(zhuǎn)式GGH更換為水媒管式換熱器。

水媒管式換熱器采用的氟塑料HDS(熱轉(zhuǎn)移系統(tǒng))技術(shù)相對(duì)成熟，國(guó)外用得較多，可以有效解決金屬回轉(zhuǎn)式GGH的堵塞和泄漏問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)零泄漏的要求，有效地提高了系統(tǒng)的脫硫率。

4.4 除霧器改造

（1） 取消吸收塔內(nèi)布置在噴淋管上部原平板除霧器，更換為新型高效除霧器(一級(jí)平板除霧器)。

（2） 設(shè)計(jì)安裝一級(jí)除霧器水沖洗裝置，對(duì)吸收塔噴淋管道、支撐等做相應(yīng)改造，以適應(yīng)新安裝的除霧器及水沖洗裝置。沖洗水介質(zhì)為海水，水源取自上塔水濾網(wǎng)后。

（3） 在煙氣再熱器入口加裝二級(jí)高效除霧器（含除霧器框架）。

4.5 海水排水管道改造

經(jīng)核算，在各機(jī)組原煙氣SO2濃度為1 700 mg/Nm3情況下，1-4號(hào)機(jī)組脫硫總需水量約146 000m3/h，而各機(jī)組海水升壓泵可提供的總海水量為149 520m3/h，尚有少許余量，且各機(jī)組間無(wú)需對(duì)海水進(jìn)行調(diào)配。各機(jī)組水量平衡情況如表1所示。

脫硫海水供排水管道是從海水升壓泵站到吸收塔的供水管以及從吸收塔到曝氣池的排水管管道。因此次改造后1-4號(hào)機(jī)組吸收塔供排水量均有增加，為保證供水量及吸收塔排水順暢，根據(jù)原管道實(shí)際情況，對(duì)3，4號(hào)機(jī)組各吸收塔排水管道及部分供水管道進(jìn)行擴(kuò)容改造。排水管道由原來(lái)玻璃鋼夾砂管道全部改為玻璃鋼工藝管道。改造后各機(jī)組供排水水量及管道情況如表2所示。

表1 機(jī)組水量平衡情況

表2 改造后各機(jī)組供排水水量及管道情況

5 改造效果

2014年10月至2015年6月，該公司完成了1-4號(hào)機(jī)組脫硫提效改造，機(jī)組啟動(dòng)后脫硫系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。2015年6月，該公司委托神華國(guó)能山東建設(shè)集團(tuán)有限公司對(duì)3號(hào)機(jī)組做了脫硫提效改造后的性能試驗(yàn)，對(duì)機(jī)組負(fù)荷從50 %到100 %進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)論：在FGD入口SO2濃度（標(biāo)態(tài)、干基、實(shí)際O2含量）為1 700 mg/Nm3以下時(shí)， FGD出口SO2濃度（標(biāo)態(tài)、干基、6 % O2）小于35 mg/ Nm3以下，脫硫效率達(dá)到97.95 %以上。圖2為SO2去除率與原煙氣SO2濃度對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)。

6 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)原有脫硫設(shè)備的提效改造，煙氣排放指標(biāo)能夠達(dá)到《火電廠(chǎng)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223—2011)特別排放限值的要求，但對(duì)入爐煤硫值和上塔水量有要求，在FGD入口SO2濃度(標(biāo)態(tài)、干基，實(shí)際O2含量)為1 700 mg/Nm3及以下，上塔水量在100 %時(shí)， FGD出口SO2濃度(標(biāo)態(tài)、干基，6 % O2)小于35 mg/Nm3以下，脫硫效率達(dá)到98 %以上。從實(shí)際運(yùn)行參數(shù)看，脫硫系統(tǒng)提效改造后，排放指標(biāo)達(dá)到了超潔凈排放標(biāo)準(zhǔn)，其社會(huì)效益顯著。

圖2 SO2去除率與原煙氣SO2濃度對(duì)應(yīng)曲線(xiàn)

1 環(huán)境保護(hù)部，國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局.GB 13223—2011火電廠(chǎng)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2011.

2 彭宜藻.脫硫裝置的常見(jiàn)故障及預(yù)防措施[J].電力安全技術(shù)，2012，14(12)：52-55.

2016-03-09；

2016-07-18。

趙景輝(1962-)，男，高級(jí)工程師，主要從事電廠(chǎng)汽機(jī)、脫硫檢修管理工作，email：17018823@shenhua.cc。