單塔雙循環脫硫運行方式對性能的影響分析
摘要：闡述了單塔雙循環工藝的技術特點,并結合330MW燃煤鍋爐脫硫系統的實際運行方式,通過對分區功能化的實現、系統安全性、吸收劑耗量和副產物品質的分析,梳理了單塔雙循環工藝的控制要點,提出了選擇運行方式需要注意的問題,為超低排放改造后脫硫單塔雙循環系統的運行控制提供了有益的參考。
0引言
隨著環境形勢的日益嚴峻,國家加大了對燃煤電廠的SO2排放控制要求,相繼出臺了一系列政策,如《火電廠大氣污染物排放標準》、《煤電節能減排升級與改造行動計劃(2014-2020年)》、《全面實施燃煤電廠超低排放和節能改造工作方案》等。其中,脫硫達到超低排放要求(6%O2條件下,SO2濃度<35mg/m3),主流的提效改造技術路線為單塔雙循環工藝和雙塔雙循環工藝。根據數據統計,二者中又以單塔雙循環工藝居多。在實際運行過程中,由于燃煤硫分的變化、混煤乃至煤泥摻燒、調峰導致的負荷驟變等,經常需要改變運行方式,這既關系到SO2的達標排放,也關系到節能經濟,如何合理地運行各層噴淋就顯得格外的重要。
1單塔雙循環技術的特點
單塔雙循環工藝最大的特點是在脫硫塔內設置錐型收集碗和塔外設置AFT漿池。脫硫的噴淋系統被錐形碗分為上下兩部分,一級循環作為預洗滌、石灰石高效溶解區,二級噴淋作為高效脫硫區。通過對兩套循環回路漿液的pH值和漿液密度等參數的調控,完成石灰石的溶解、SO2吸收和脫硫副產物的氧化分區控制。單塔雙循環工藝由于功能分區的設計理念,使其具有單循環工藝所無法比擬的技術優勢,主要體現在以下幾個方面:
(1)兩個循環單獨控制,使溶解、吸收、氧化等不同的工藝過程,在不同的控制參數下進行,互不干擾,使每個過程都處于最佳工況點。
(2)吸收劑先從二級循環進入,再進入一級循環,增加了吸收劑漿液在系統中的停留時間,使吸收劑的溶解更充分,利用率更高。
(3)一級循環漿池中漿液pH值控制較低,一般設置在4.5～5,有利于亞硫酸鈣的氧化,增加石膏的可結晶時間,從一級循環漿池排出的漿液進行脫水處理,使最終脫硫副產物的品質更有保障。
(4)二級循環漿池中漿液pH值控制較高,一般設置在5.5～6,保證了較高的漿液堿度,更有利于快速吸收煙氣中殘留的SO2,使出口煙氣SO2濃度滿足超低排放的要求。
(5)一級循環漿池設計脫硫效率80%以上,煙氣經過一次洗滌后,SO2含量已大幅度減小,在二級循環中,采用較小的液氣比,就能達到理想的洗滌效果,而且,由于二級循環漿液不輸送去脫水處理,對氧化的要求不高,可以減少氧化風量的供應,這就降低了系統的電能消耗。
(6)一級循環和二級循環之間設置了錐型的收集碗,不僅避免了不同pH值和密度的漿液混流,而且對煙氣具有良好的分配、導流作用,達到了均布氣流的目的,有效地改善了傳質效果,降低了煙氣SO2逃逸的可能性,進一步保障出口排放達標。
2運行方式對性能的影響
單塔雙循環工藝涉及到兩級循環,而每級循環都設置了多臺循環泵,在實際的生產運行過程中,由于燃煤煤質、負荷等變化,在滿足出口煙氣SO2排放濃度達標的前提下,可以靈活地采用多種循環泵組合方式來運行,但不同的運行方式,效果不同,有些運行方式不僅效果不好,還存在環保、安全的隱患。
國內某330MW鍋爐采用單塔雙循環脫硫工藝,一、二級循環泵各配置3臺(離心式),一級塔氧化風機3臺,二級塔氧化風機2臺。脫硫設施的配置情況見表1,其運行參數見表2。
煙氣脫硫吸收塔采用噴淋空塔,整個吸收塔系統漿液循環噴淋系統采用3+3布置,塔體上、下各設置三層噴淋,中間設置導流錐、收集碗,每套脫硫裝置設置配套的強制氧化系統。從表1可以看出,二級循環的配置情況,無論是循環泵流量,還是氧化風量均小于一級循環,設計的工藝處理過程,80%～90%的SO2脫除發生在一級循環,只有10%～20%的SO2是在二級循環噴淋中脫除。
從表2可以看出,脫硫在實際運行時,與設計運行參數偏差較大,一級循環泵只運行了1臺,而二級循環泵運行了2臺;一、二級循環漿液的pH值均偏高;二級塔漿液密度高于設計值;二級氧化風量較大。之所以采用這種運行方式主要基于兩點,一是考慮到節能,盡可能運行更低功率的設備;二是由于認識偏差,避免脫除效率達到100%,出口排放濃度降到0,造成外界質疑數據的真實性。
通過對運行期間DCS各項數據進行對比,結合吸收劑耗量的計算,漿液、副產物品質化驗分析,發現此時二級循環已經成了主脫硫區域,脫除SO2占比約70%,而一級循環只占比約30%。采用這種運行方式,在燃煤硫分較低時,短期內不會影響脫硫的處理能力,仍然可以保證35mg/m3的排放指標,但長時間運行,將會對設施的安全穩定運行和最終的煙氣達標排放帶來一系列的問題。
2.1 安全性的影響
(1)高溫煙氣的影響
脫硫系統運行規程要求,在正常生產過程中,循環泵運行不小于2臺,并采用邏輯保護,小于2臺時會啟動保護。這一設計理念主要是考慮到,當唯一運行的循環泵故障跳機時,備用循環泵因電動閥門開啟時間較長,難以及時投運,高溫煙氣容易對噴淋系統造成嚴重的破壞。顯然,電廠雖然運行了3臺循環泵,但一級循環泵只運行了1臺,2臺二級循環泵因處于隔離狀態,并不能及時對高溫煙氣進行降溫,當一級循環泵出現故障跳機時,高溫煙氣仍然會對一級噴淋系統造成損壞,這為系統的安全穩定運行留下了較大的隱患。
(2)結垢的影響
SO2的吸收以二級循環為主,在二級循環漿液高pH值運行的情況下,含高濃度SO2的煙氣與石灰石漿液反應,瞬間生成了大量難以氧化的亞硫酸鈣,吸收塔存在結垢的問題,當結垢塊掉落時容易損毀噴淋層的噴嘴等部件,對后續設備的正常運行造成負面影響。
2.2 吸收劑耗量的影響
按照單塔雙循環工藝的設計,AFT塔是新鮮漿液的主要供漿點,為了保證煙氣出脫硫吸收塔前,殘余SO2能被高效地吸收,漿液pH值一般控制較高,此時漿液中有大量未完全溶解的石灰石顆粒,而CaSO4·2H2O和CaSO3·1/2H2O含量并不高,未反應的石灰石會通過AFT旋流器的底流進入一級循環系統使用。
把二級循環作為主脫硫區后,由于煙氣中SO2含量高,與漿液中的石灰石反應后會瞬時產生大量的CaSO3·1/2H2O和部分CaSO4·2H2O,這些副產物會包裹在未溶解的石灰石顆粒表面,造成石灰石被屏蔽,從而導致吸收劑的耗量增加。在生產中,一般采用石灰石單耗來衡量吸收劑用量情況,即去除單位SO2所消耗的石灰石量:
式中:A石灰石消耗量,kg;ESO2脫SO2脫除量,kg。
式中:ESO2產為發電機組SO2產生量,t;M為機組發電煤炭消耗量,t;α為SO2產污系數;ESO2排為SO2排放量,t。
根據連續5m實際運行數據統計,吸收劑單耗遠遠高于理論的計算值,見圖1。
從圖1可以看出,SO2去除單耗實際值達到了2.04,遠高于理論計算值1.76,經過調整后,SO2去除單耗下降至1.83。按照全年計算,每年的石灰石耗量將比理論用量多出約9200t。可見,石灰石的利用率非常低。
2.3 漿液與副產物品質的影響
按照單塔雙循環工藝的設計,一級循環漿池作為主要的氧化區域,CaSO3·1/2H2O被充分氧化為CaSO4·2H2O,漿液通過一級塔排漿泵輸送至脫水處理系統,出產的石膏完全達到商業品質,石膏成分設計值見表3。
實際運行過程中,一級循環漿液量很小,吸收的SO2較少,CaSO4·2H2O的生成量很低,漿液中的固體物質主要來自AFT塔旋流器的底流,而底流含有大量CaSO3·1/2H2O和被屏蔽的石灰石顆粒,副產物的品質完全達不到設計要求,CaSO4·2H2O和CaSO3·1/2H2O的含量波動很大,而CaCO3含量和含水率均超過設計值。
根據連續5m的石膏化驗分析數據統計,石膏含水率和CaCO3含量的情況見圖2。
從圖2可知,石膏含水率最低14.09%(一月),最高16.13%(五月),平均值達到15%以上,比設計值高了約5%。石膏中的CaCO3含量平均值為3%以上,也比設計值高了1%。
3運行優化需注意的問題
單塔雙循環工藝因自身分區控制的特點,比單塔單循環工藝的控制方式更細化,使運行人員有了更多的運行調整空間,但由于各地環保要求、機組負荷特性、脫硫設備選型等的差異,所以在選擇運行方式時既要根據實際情況靈活處理,也要充分發揮單塔雙循環的技術優勢,主要有以下幾點:
(1)在生產過程中,應按照設計要求,以一級循環為主脫硫區域,二級循環為輔脫硫區域,一級循環脫除率應達到總脫除率的80%～90%為宜。
(2)充分利用分區控制的優勢,嚴格控制不同區域漿液的pH值和密度,使各功能區都處于最佳運行工況。
(3)不同負荷,不同硫分下,系統均應在“2+n”或“3+n”的模式下運行,即一級循環泵不應小于2臺,根據負荷和燃煤硫分的情況,選擇二級循環泵的運行臺數,如設計硫分下,低負荷時,采用“2+1”方式,中負荷時采用“2+2”方式,高負荷時采用“3+1”或“3+2”方式。
(4)對于調峰機組,出現既是低負荷、又是低硫分的工況時,如果需要控制出口濃度值不接近0,應通過調節一級循環漿液的pH值來控制,不應通過停運部分一級循環泵來控制。
(5)確定節能措施應以整個系統的能耗核算為基礎,并結合所有相關設備的安全性、健康性等指標通盤考慮,不應只局限于大型設備的能耗比較。
4結語
綜上所述,單塔雙循環脫硫工藝是近幾年發展起來的高效脫硫技術,在執行超低排放后,無論是在新建還是原有機組的提效改造過程中,都已成為主流的選用技術。由于工藝本身的特殊性,以及不同電廠改造的差異性,使每個電廠的控制方式都不盡相同,只有根據自身實際情況,合理選擇運行方式,才能真正發揮出單塔雙循環工藝的技術優勢,使脫硫系統長期穩定運行。
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