賀繼旺，李 濤，黨小建，王紅雨

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超超臨界660 MW機(jī)組煙道蒸發(fā)結(jié)晶脫硫廢水零排放技術(shù)

賀繼旺，李 濤，黨小建，王紅雨

（西安熱工研究院有限公司，陜西 西安 710054）

介紹了華能某發(fā)電公司新建超超臨界660 MW機(jī)組煙道（主煙道和旁路煙道）蒸發(fā)結(jié)晶脫硫廢水零排放技術(shù)的工藝流程、控制策略，調(diào)試期間現(xiàn)場試驗(yàn)研究了投運(yùn)該零排放技術(shù)前后，空氣預(yù)熱器（空預(yù)器）參數(shù)、一級省煤器后給水溫度、低溫省煤器參數(shù)和機(jī)組主參數(shù)的變化，分析了該脫硫廢水零排放系統(tǒng)對電除塵、脫硫水耗、輸灰流動性和灰品質(zhì)的影響。結(jié)果表明：該煙道蒸發(fā)結(jié)晶脫硫廢水零排放技術(shù)對一級省煤器后給水溫度、熱一、二次風(fēng)溫、空預(yù)器出口排煙溫度和灰品質(zhì)均有一定影響，但影響較??；有利于提高電除塵效率，煙道蒸發(fā)結(jié)晶脫硫廢水零排放技術(shù)安全、節(jié)能、高效，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。

煙道；蒸發(fā)結(jié)晶；脫硫廢水；零排放；控制策略；空預(yù)器；排煙溫度；灰品質(zhì)

石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)，因其具有煤種適用范圍廣、脫硫效率高、反應(yīng)速度快、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，被國內(nèi)燃煤電站普遍采用[1-3]。在濕法脫硫洗滌煙氣的過程中，煙氣中的飛灰會進(jìn)入石膏漿液內(nèi)，其中所含氯離子、重金屬離子等有害物質(zhì)也隨之進(jìn)入到煙氣脫硫系統(tǒng)中，并在石膏處理工藝過程中隨著沖洗水進(jìn)入脫硫廢水環(huán)節(jié)，形成了富含重金屬和氯離子的脫硫廢水[4-5]。為了維持脫硫裝置漿液循環(huán)系統(tǒng)的物質(zhì)平衡，防止脫硫設(shè)備被腐蝕，保證石膏質(zhì)量，必須從脫硫系統(tǒng)中排放一定量的廢水。燃煤電站脫硫廢水存在總量少、污染物含量大、易產(chǎn)生二次污染等問題，故采用煙道（主煙道和旁路煙道）蒸發(fā)結(jié)晶的方式實(shí)現(xiàn)煙氣脫硫廢水零排放，具有重大的現(xiàn)實(shí)意義。

煙道蒸發(fā)結(jié)晶廢水零排放技術(shù)因其成本較低、占地面積小、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)被國內(nèi)專家學(xué)者廣泛研究[6]。國內(nèi)外學(xué)者通過建模計(jì)算分析得出：彎曲煙道可使液滴在煙道中停留的時間更長；為確保液滴在進(jìn)入除塵器前完全蒸發(fā)，同時考慮蒸發(fā)效果、能耗成本和實(shí)際條件，建議工程應(yīng)用中將霧化液滴直徑控制在60 μm，煙溫控制約為130 ℃[7-8]?；谏鲜隼碚撗芯浚A能某發(fā)電公司將煙道蒸發(fā)結(jié)晶廢水零排放技術(shù)應(yīng)用于新建超超臨界2×660 MW機(jī)組，該機(jī)組由西安熱工研究院有限公司負(fù)責(zé)調(diào)試。

1 系統(tǒng)介紹

該機(jī)組采用煙道蒸發(fā)結(jié)晶廢水零排放技術(shù)，在主煙道和旁路煙道均布置了脫硫廢水噴霧裝置（空氣霧化噴嘴）。圖1為該工程方案的整體示意。由圖1可見：空氣預(yù)熱器（空預(yù)器）出口至低溫省煤器為主煙道，主煙道噴霧裝置分布于空預(yù)器出口的豎直煙道內(nèi)，且置于同一截面的煙道兩側(cè)；旁路煙道在選擇性催化還原（SCR）脫硝反應(yīng)器出口煙道有4個取煙口，每2個取煙口匯到1個旁路煙道中，旁路煙道內(nèi)布置有噴霧裝置，2段旁路蒸發(fā)煙道再分別匯到空預(yù)器出口的水平主煙道中。脫硫廢水在鋼制緩沖箱內(nèi)沉淀后，由廢水泵打入若干個廢水霧化裝置中，廢水與壓縮空氣在霧化裝置中混合形成直徑小于60 μm的霧滴，再經(jīng)噴嘴噴入高溫?zé)煔庵醒杆僬舭l(fā)結(jié)晶。脫硫廢水霧滴中含有的重金屬等污染物轉(zhuǎn)化為結(jié)晶物或鹽類等固體，隨煙氣中的飛灰一起被電除塵器收集下來。脫硫廢水緩沖箱內(nèi)的沉淀物經(jīng)壓濾機(jī)處理后外運(yùn)，蒸發(fā)的水蒸氣則重新進(jìn)入脫硫系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了廢水零排放。該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)噴入霧滴壓力、流量的自動調(diào)節(jié)[9-11]。

圖1 脫硫廢水零排放系統(tǒng)示意

脫硫廢水經(jīng)高度霧化后噴入煙道內(nèi)，絕大部分液滴微粒在煙氣的拖拽作用下，與煙氣流動保持一致。極少數(shù)液滴微粒因布朗運(yùn)動在煙道內(nèi)自由擴(kuò)散，并吸附了煙氣中的灰份擴(kuò)散到煙道壁上，高溫下液滴微粒中水份瞬間蒸干，灰份黏結(jié)在煙道壁上，經(jīng)過長期運(yùn)行灰份逐漸累積加厚，形成積灰。在設(shè)計(jì)脫硫廢水零排放系統(tǒng)時，通過計(jì)算流體動力學(xué)（CFD）模擬分析，確定微粒擴(kuò)散至煙道壁的位置和分布規(guī)律，在運(yùn)行期間利用吹灰蒸汽定時自動多點(diǎn)位吹掃煙道，及時掃清煙道壁灰份，避免煙道內(nèi)部積灰。吹灰器根據(jù)脫硫廢水蒸發(fā)的煙道結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)為多層交叉形式，采用回轉(zhuǎn)式伸縮結(jié)構(gòu)，確保吹掃面積達(dá)到95%以上，同時對灰分易黏結(jié)的煙道壁板進(jìn)行防腐處理。

該脫硫廢水零排放系統(tǒng)采用集中控制，通過采集分布在煙道內(nèi)多部位的傳感器信號，將機(jī)組負(fù)荷、煙氣流量和排煙溫度等數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)處理及運(yùn)算單元進(jìn)行綜合分析，從而獨(dú)立控制各廢水霧化裝置的噴霧量，最大限度地利用煙氣熱量蒸發(fā)廢水。同時，設(shè)置專用保護(hù)模塊，在機(jī)組負(fù)荷低、煙氣流量小和排煙溫度低等蒸發(fā)條件欠佳的工況時，霧化裝置減少或停止噴霧，確保該系統(tǒng)不對機(jī)組運(yùn)行造成任何不利影響。

另外，該脫硫廢水零排放系統(tǒng)為防止脫硫廢水中的雜質(zhì)造成系統(tǒng)管路的污染和堵塞，還配備了清水自動沖洗和狀態(tài)監(jiān)控設(shè)備，可實(shí)現(xiàn)整條廢水管路和沿程設(shè)備的定期清水自動沖洗，沖洗裝置的沖洗流量、壓力可自動調(diào)節(jié)。

2 系統(tǒng)工作流程

煙道蒸發(fā)結(jié)晶脫硫廢水零排放技術(shù)設(shè)計(jì)有主煙道和旁路煙道，系統(tǒng)控制應(yīng)遵循主煙道蒸發(fā)優(yōu)先，且根據(jù)空預(yù)器出口煙溫調(diào)節(jié)噴霧量的原則。該系統(tǒng)工作流程如下：

1）當(dāng)負(fù)荷升高，SCR脫硝反應(yīng)器出口煙溫高于200 ℃時，對脫硫廢水零排放系統(tǒng)旁路煙道進(jìn)行暖管，暖管結(jié)束后先投運(yùn)霧化壓縮空氣，并打開脫硫廢水至旁路煙道截止閥，控制霧化壓縮空氣壓力和廢水管至噴霧裝置的壓力達(dá)到0.5 MPa后，方可投運(yùn)脫硫廢水零排放系統(tǒng)旁路煙道。通過調(diào)整旁路煙道過煙量和廢水噴霧量，保證空預(yù)器出口煙溫高于105 ℃且無較大波動。該工況下，脫硫廢水全部在高溫旁路煙道內(nèi)蒸發(fā)處理。

2）隨著機(jī)組負(fù)荷的繼續(xù)升高，當(dāng)空預(yù)器出口煙溫高于110 ℃時，打開脫硫廢水至主煙道調(diào)節(jié)閥，投運(yùn)脫硫廢水零排放系統(tǒng)主煙道。通過調(diào)整噴霧量保證空預(yù)器出口煙溫高于110 ℃。此時，可適當(dāng)調(diào)整主煙道和旁路煙道的廢水噴霧量，使大部分脫硫廢水在主煙道蒸發(fā)。若主煙道無法消納所有脫硫廢水，則同步開大旁路煙道調(diào)節(jié)閥和脫硫廢水至主、旁煙道調(diào)節(jié)閥，在確保噴霧后空預(yù)器出口煙氣溫度高于110 ℃且不發(fā)生大擾動的前提下，提高脫硫廢水的處理量。該脫硫廢水零排放系統(tǒng)的設(shè)計(jì)廢水噴入量為3 m3/h。

3 系統(tǒng)運(yùn)行的影響

為了研究脫硫廢水零排放系統(tǒng)對機(jī)組主參數(shù)、重要設(shè)備和灰品質(zhì)等的影響，西安熱工研究院有限公司在該機(jī)組基建調(diào)試期間進(jìn)行了滿負(fù)荷工況下未投運(yùn)脫硫廢水零排放系統(tǒng)和分別投運(yùn)脫硫廢水零排放系統(tǒng)主、旁路煙道的對比試驗(yàn)。試驗(yàn)控制主、旁路煙道脫硫廢水噴入量為3 m3/h。

3.1 對空預(yù)器的影響

由于脫硫廢水零排放系統(tǒng)利用空預(yù)器后煙氣或其旁路高溫?zé)煔鈱γ摿驈U水進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶，所以首先通過試驗(yàn)研究該系統(tǒng)投運(yùn)對空預(yù)器運(yùn)行參數(shù)的影響。試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 脫硫廢水零排放系統(tǒng)對空預(yù)器運(yùn)行參數(shù)影響

Tab.1 Effect of the zero discharge system on operation parameters of the air preheater

從表1可以看出，當(dāng)投入脫硫廢水零排放系統(tǒng)主煙道時，由于噴嘴設(shè)在空預(yù)器后的煙道內(nèi)，噴霧不影響空預(yù)器的煙氣換熱能力，故對熱一、二次風(fēng)溫度沒有影響，僅因脫硫廢水在空預(yù)器出口煙道內(nèi)蒸發(fā)吸熱使空預(yù)器出口煙溫下降了4 ℃。當(dāng)投入脫硫廢水零排放系統(tǒng)旁路煙道時，由于從SCR脫硝反應(yīng)器出口煙道抽取了部分（1.67%~4.05%）高溫?zé)煔膺M(jìn)入旁路系統(tǒng)蒸發(fā)脫硫廢水，這部分高溫?zé)煔馕磪⑴c空預(yù)器換熱，因此與未投運(yùn)脫硫廢水零排放系統(tǒng)相比，空預(yù)器出口熱一、二次風(fēng)溫均降低了2 ℃。

由表1還可以看出，脫硫廢水零排放系統(tǒng)主煙道和旁路煙道投運(yùn)后，空預(yù)器一、二次風(fēng)及煙氣側(cè)進(jìn)出口壓差基本不變。這是由于當(dāng)脫硫廢水零排放系統(tǒng)旁路煙道投運(yùn)時，少量煙氣（1.67%~4.05%）用于旁路蒸發(fā)脫硫廢水，從而減少了流經(jīng)空預(yù)器的煙氣量，導(dǎo)致煙氣速度降低，因阻力與速度的平方成正比，所以煙氣阻力略有下降，而速度降低又使得空預(yù)器換熱元件上的積灰略有增多，從而抵消了速度下降導(dǎo)致的阻力下降。

當(dāng)投運(yùn)脫硫廢水零排放系統(tǒng)主煙道時，由于空預(yù)器后煙道脫硫廢水蒸發(fā)吸熱使得煙溫降低，導(dǎo)致煙氣比體積下降，抵消了部分脫硫廢水蒸發(fā)后的煙氣體積增量，空預(yù)器內(nèi)的煙氣流動未受影響。因此，投運(yùn)脫硫廢水零排放系統(tǒng)主煙道及旁路煙道時無需特別加強(qiáng)空預(yù)器的吹灰效果。

3.2 對低溫省煤器的影響

脫硫廢水零排放系統(tǒng)經(jīng)主煙道或旁路煙道蒸發(fā)后的煙氣首先進(jìn)入低溫省煤器與凝結(jié)水換熱。表2為脫硫廢水零排放系統(tǒng)投運(yùn)對低溫省煤器運(yùn)行參數(shù)影響情況。由表2可見，脫硫廢水零排放系統(tǒng)主煙道投運(yùn)后，低溫省煤器入口煙溫隨空預(yù)器出口煙溫相應(yīng)降低4 ℃，低溫省煤器出口煙溫受凝結(jié)水流量自動控制。通過降低低溫省煤器凝結(jié)水流量，使低溫省煤器出口母管凝結(jié)水溫度降低2 ℃，低溫省煤器出口煙溫則維持90 ℃不變。與投運(yùn)脫硫廢水零排放系統(tǒng)主煙道相比，投運(yùn)旁路煙道對低溫省煤器入口煙溫及其出口母管凝結(jié)水溫度影響較小。

表2 脫硫廢水零排放系統(tǒng)投運(yùn)對低溫省煤器參數(shù)影響

Tab.2 Effect of the zero discharge system on operation parameters of the low-temperature economizer

3.3 對機(jī)組主參數(shù)影響

由于脫硫廢水零排放系統(tǒng)是在機(jī)組正常運(yùn)行時投運(yùn)，所以需研究該系統(tǒng)投運(yùn)對機(jī)組主參數(shù)的影響情況，結(jié)果見表3。由表3可見：在滿負(fù)荷工況下投入脫硫廢水零排放系統(tǒng)主煙道后，與未投運(yùn)脫硫廢水零排放系統(tǒng)相比，主蒸汽參數(shù)未變化，空預(yù)器出口排煙溫度下降4 ℃，一級省煤器出口給水溫度下降1 ℃，總煤量不變；投運(yùn)脫硫廢水零排放系統(tǒng)旁路煙道后，主蒸汽參數(shù)未變化，空預(yù)器出口排煙溫度僅下降1 ℃，但由于從一級省煤器前抽取部分煙氣到旁路煙道蒸發(fā)廢水，使得進(jìn)入一級省煤器換熱的煙氣量減少，故與投運(yùn)脫硫廢水零排放系統(tǒng)旁路煙道前相比，一級省煤器出口給水溫度降低了3 ℃，總煤量增加1 t/h，對機(jī)組經(jīng)濟(jì)性稍有影響。

表3 脫硫廢水零排放系統(tǒng)投運(yùn)對機(jī)組主參數(shù)影響

Tab.3 Effect of the zero discharge system on the unit main parameters

綜上所述，脫硫廢水零排放系統(tǒng)對機(jī)組主參數(shù)無較大影響，可安全投運(yùn)，同時該系統(tǒng)對鍋爐整體效率和機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響較小。

3.4 對電除塵效率、脫硫耗水量及輸灰流動性影響

由于脫硫廢水在煙道內(nèi)蒸發(fā)結(jié)晶，提高了進(jìn)入電除塵器煙氣的濕度，有利于提高電介質(zhì)強(qiáng)度，降低粉塵比電阻，減小氣體的黏度，同時提高了煙氣中粉塵質(zhì)量濃度，有利于提高除塵效率。

蒸發(fā)后的大部分水蒸氣隨除塵后的煙氣進(jìn)入脫硫塔，在脫硫塔噴淋冷卻作用下，重新凝結(jié)進(jìn)入脫硫漿液循環(huán)系統(tǒng)，可明顯降低脫硫工藝的耗水量[12]。

與此同時，煙氣濕度的增加會導(dǎo)致電除塵器收集的粉煤灰流動性變差，所以需要結(jié)合灰的流動情況對煙道脫硫廢水噴入量進(jìn)行調(diào)整[13]。當(dāng)輸灰用氣量增多，輸灰壓力增大，輸灰時間延長時，說明灰的流動性降低，則停止增加脫硫廢水噴入量，待輸灰系統(tǒng)通暢后再增加脫硫廢水噴入量。為此，在1號鍋爐灰斗內(nèi)壁增加厚度1~2 mm的316L薄鋼板內(nèi)襯，以增強(qiáng)灰的流動性。

3.5 對灰品質(zhì)的影響

對投運(yùn)脫硫廢水零排放系統(tǒng)前后脫硫系統(tǒng)吸收塔氯離子含量、廢水處理量以及粉煤灰總量進(jìn)行計(jì)算。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：未投運(yùn)脫硫廢水零排放系統(tǒng)之前粉煤灰中的氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)較少（煤中的氯離子主要以氣態(tài)HCl形式進(jìn)入吸收塔），約為0.004%；在機(jī)組滿負(fù)荷運(yùn)行時，投運(yùn)脫硫廢水零排放系統(tǒng)后（煙道噴射流量為3 t/h，設(shè)計(jì)噴射流量），粉煤灰中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至0.136%。

《通用硅酸鹽水泥》（GB 175—2007）中要求，水泥中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于0.06%。利用粉煤灰生產(chǎn)硅酸鹽水泥時，粉煤灰添加量占硅酸鹽水泥的20%~40%，則制成的硅酸鹽水泥氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.027%~0.054%，不大于0.06%，符合硅酸鹽水泥要求。

4 結(jié)論及建議

1）脫硫廢水零排放系統(tǒng)主煙道需在機(jī)組較高負(fù)荷（空預(yù)器出口煙溫高于110 ℃）下投運(yùn)。主煙道投運(yùn)后，會降低空預(yù)器出口煙溫和低溫省煤器出口母管凝結(jié)水溫度，對熱一、二次風(fēng)溫及一級省煤器出口給水溫度幾乎無影響，不影響機(jī)組主參數(shù)和機(jī)組正常運(yùn)行。

2）投運(yùn)脫硫廢水零排放系統(tǒng)旁路煙道，煙氣溫度高，蒸發(fā)效果好，可實(shí)現(xiàn)在機(jī)組低負(fù)荷工況（SCR脫硝反應(yīng)器出口煙溫高于200 ℃）下脫硫廢水零排放系統(tǒng)安全可靠運(yùn)行。與投運(yùn)脫硫廢水零排放系統(tǒng)主煙道相比，投運(yùn)旁路煙道時空預(yù)器出口煙溫和低溫省煤器出口母管凝結(jié)水溫度降幅較小，但同時降低了熱一、二次風(fēng)溫及一級省煤器出口給水溫度，機(jī)組煤耗略有增加，對機(jī)組經(jīng)濟(jì)性有一定影響。

3）煙道蒸發(fā)結(jié)晶廢水零排放系統(tǒng)具有自動化程度高、操作方便、運(yùn)維費(fèi)用低，可明顯降低脫硫工藝的耗水量，對設(shè)備及粉煤灰品質(zhì)影響較小等優(yōu)點(diǎn)，是一種低耗高效的脫硫廢水零排放技術(shù)，具有廣泛的推廣應(yīng)用價(jià)值。

4）由于該鍋爐空預(yù)器進(jìn)出口的空間跨度不滿足旁路煙氣完全蒸發(fā)的要求，因此旁路煙道的入口取自一級省煤器入口。這會影響一級省煤器的換熱效果和機(jī)組煤耗。建議將旁路煙道入口設(shè)在空預(yù)器入口，盡量減少脫硫廢水煙道旁路蒸發(fā)對機(jī)組經(jīng)濟(jì)性的影響。

5）該脫硫廢水零排放系統(tǒng)脫硫廢水采用壓縮空氣霧化，增大了壓縮空氣的消耗量。該系統(tǒng)配有專用壓縮空氣系統(tǒng)，建議嘗試采用高質(zhì)量防堵機(jī)械霧化噴頭，可節(jié)省壓縮空氣損耗量，減少電耗和設(shè)備占地面積，同時簡化系統(tǒng)工藝流程。

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Zero discharge technology of flue gas evaporation and crystallization desulfurization wastewater in an ultra-supercritial 660 MW unit

HE Jiwang, LI Tao, DANG Xiaojian, WANG Hongyu

(Xi’an Thermal Power Research Institute Co., Ltd., Xi’an 710054, China)

For the desulfurization wastewater zero discharge technology of evaporation and crystallization in flue gas in main flue duct and bypass of a newly built ultra-supercritial 660 MW unit belonging to Huaneng Group Co., Ltd., the technological process and control strategy of this technology are depicted at first. Then, the changes of parameters with the operating of zero discharge technology, including air preheater, feed water after the primary economizer, low-temperature economizer and the main steam, are studied by tests during the commissioning. The effect of this desulfurization waste water zero discharge system on the electric precipitator, water consumption of desulfurization system, liquidity and quality of coal ash are analyzed finally. The results show that, this technology has limited effect on temperature of the feed water behind the primary economizer, flue gas at outlet of the air preheater, hot primary and second wind, as well as the quality of coal ash. Therefore, this zero discharge technology is of extensive value and worthy of promotion with the advantages of safety, energy conservation and high efficiency.

flue duct, evaporation and crystallization, desulfurization wastewater, zero discharge, control strategy, air preheater, exhaust temperature, coal ash quality

TM628

B

10.19666/j.rlfd.201807125

賀繼旺, 李濤, 黨小建, 等. 超超臨界660 MW機(jī)組煙道蒸發(fā)結(jié)晶脫硫廢水零排放技術(shù)[J]. 熱力發(fā)電, 2019, 48(1): 110-114. HE Jiwang, LI Tao, DANG Xiaojian, et al. Zero discharge technology of flue gas evaporation and crystallization desulfurization wastewater in an ultra-supercritial 660 MW unit[J]. Thermal Power Generation, 2019, 48(1): 110-114.

2018-07-02

賀繼旺(1984—)，男，工程師，主要研究方向?yàn)榇笮突鹆Πl(fā)電機(jī)組啟動調(diào)試，hejiwang@tpri.com.cn。

（責(zé)任編輯 楊嘉蕾）