段 超

(上海電氣電站環(huán)保工程有限公司，上海 201612)

0 引 言

當前，隨著經(jīng)濟發(fā)展及社會進步，民眾對環(huán)境質量的要求越來越高，燃煤機組作為能耗和排放大戶，一直受到社會的廣泛關注，并且國家也不斷加大控制燃煤電廠煙氣排放污染物力度，提出一系列史上最嚴格的排放標準[1]。而不少燃煤電廠受燃料來源限制，需要燃燒諸如煤矸石、煤泥和洗中煤等高硫煤，顯然，這對脫硫系統(tǒng)的路線選擇、穩(wěn)定運行及綜合能耗提出了非常高的要求。

石灰石-石膏濕法脫硫工藝(Wet-FGD)由于其吸附劑來源廣，運行穩(wěn)定等顯著優(yōu)點，已成為煙氣脫硫技術中最成熟、應用最廣泛的脫硫技術，目前占全球脫硫裝機總容量的85%。但傳統(tǒng)單塔脫硫技術在應對如今的高硫煤、低SO2排放指標工況時，已顯得力不從心，故雙塔雙循環(huán)脫硫技術在大機組、高硫煤系統(tǒng)中的優(yōu)勢就顯現(xiàn)出來[2-4]，而雙塔雙循環(huán)技術畢竟系統(tǒng)復雜，尤其雙塔內部的漿液循環(huán)的重要性往往被忽視，并且塔間水平衡較難維持，即如何能以低能耗、簡單化的方式建立起系統(tǒng)內漿液循環(huán)并兼顧塔間水平衡，成為雙塔雙循環(huán)技術設計中面臨的主要難題[5]。本文提出一種較簡潔的雙塔間漿液循環(huán)方式，模擬雙塔間水平衡體系，并在山西某2×350 MW機組煙氣脫硫系統(tǒng)中成功應用，為后續(xù)的雙塔雙循環(huán)脫硫技術應用提供了新的思路。

1 雙塔雙循環(huán)原理及塔間漿液循環(huán)的意義

1.1 雙塔雙循環(huán)原理

雙塔雙循環(huán)技術主要是通過在煙氣通道上建設2座吸收塔，通過串聯(lián)運行而增加煙氣與漿液的反應時間。前塔(即一級塔)作為預洗塔，用于吸收絕大部分SO2和進行石膏結晶；后塔(即二級塔)作為補充，吸收一級塔中逃逸的SO2。一級塔漿池集中用于石膏結晶，pH運行在5.2左右；二級塔本身不排出石膏，而通過兩個塔間的漿液循環(huán)系統(tǒng)，逐步將反應產(chǎn)物轉移至一級塔，進行充分氧化，繼而由一級塔的石膏排出泵一起輸送至脫水系統(tǒng)，故二級塔可通過提高pH值至6.2，提高漿池中CaCO3含量，獲得更高的脫硫效率[6-8]。

1.2 塔間漿液循環(huán)系統(tǒng)的意義及應用現(xiàn)狀

理想情況下，應建立一級塔和二級塔之間的漿液循環(huán)系統(tǒng)，使兩座吸收塔中漿液濃度均勻一致，才能充分調動兩座塔的全部脫硫能力。而實際運行中，因一級、二級吸收塔脫硫量相差較大，同時一級塔除霧器沖洗水量小蒸發(fā)水量大，二級塔除霧器沖洗水量大蒸發(fā)水量小，會造成兩座塔濃度及液位不一致[7]，因此，一級、二級吸收塔漿池間漿液循環(huán)系統(tǒng)不僅起到調節(jié)系統(tǒng)內水平衡的作用，同時可以將二級塔中多余的CaCO3轉入一級塔以提高CaCO3利用率[8-10]。

當前行業(yè)內應用較多的漿液循環(huán)系統(tǒng)需要在兩級塔之間設置漿液循環(huán)旋流器及旋流器給料泵以均衡兩塔密度，同時配置強制循環(huán)泵來控制兩塔液位，此種方式運行較復雜，且能耗較高。另一方面由于雙塔系統(tǒng)本身具有較大的脫硫容量，故有些項目在設計時，不考慮塔間漿液循環(huán)系統(tǒng)，即兩塔完全分開，獨立運行，顯然這種運行方式無法最大限度地發(fā)揮雙塔雙循環(huán)體系的脫硫能力[11]。因此，尋求簡單、高效、低能耗的漿液循環(huán)方式，解決好兩塔內漿液濃度及液位的平衡問題，對于雙塔雙循環(huán)技術的發(fā)展及應用有著重要的實際意義。

2 新型塔間漿液循環(huán)方式的原理

2.1 脫硫裝置主要設計參數(shù)

該燃煤機組為2×350 MW超臨界燃煤空冷CFB鍋爐，最大連續(xù)蒸發(fā)量為1 200 t/h，鍋爐實際耗煤量為293 t/h，所燃用煤質數(shù)據(jù)見下表1。

表1 煤質主要參數(shù)Table 1 Main parameters of coal quality

續(xù)表

機組采用引增合一，引風機布置在脫硫前，采用靜葉可調式軸流風機，T.B點風量對應為715.27 m3/s，全壓升13 088 Pa，配套電機功率10 500 kW。爐后脫硫采用石灰石-石膏雙塔雙循環(huán)脫硫技術，并在二級塔頂部設置濕式電除塵器，整套系統(tǒng)按照煤種含硫量為2.65%及表2～4所列煙氣參數(shù)進行設計，保證整體脫硫效率不低于99.6%。

表2 鍋爐BMCR工況煙氣成分Table 2 Flue gas composition under BMCR condition

表3 不同負荷時風機出口煙氣量和溫度Table 3 Flue gas volume and temperature at the fan outlet under different loads

表4 鍋爐BMCR工況煙氣中污染物成份Table 4 Pollutant composition in flue gas under BMCR condition mg/Nm3

本雙塔脫硫系統(tǒng)在設計時，按照“低能耗、簡潔化”的思路開展，根據(jù)總的需求液氣比，平均分配到兩座吸收塔，擬合出一級塔脫硫效率87%，二級塔脫硫效率97%。按此方式，兩座塔的相關的設計參數(shù)、設備選型可以高度保持一致，在簡化設計的同時，提高備件的替換性，利于降低后期運行維護成本。本次設計兩塔的主要技術參數(shù)如下表5所示。

表5 兩級吸收塔主要技術參數(shù)Table 5 Main technical parameters of double-stage adsorption towers

2.2 新型漿液循環(huán)方式的流程

為了使兩個吸收塔內漿液能夠循環(huán)起來，并且節(jié)省電耗，提出如下圖1所示的循環(huán)流程。在一級塔三臺大流量的漿液循環(huán)泵出口分流少部分較濃漿液至二級塔(紅色)，同時通過將二級塔基礎抬高400 mm，使兩塔液位形成液位差，二級塔過剩的低濃度漿液便可通過兩塔間的聯(lián)絡回流管(洋紅)回流至一級塔，從而實現(xiàn)漿液之間循環(huán)；此外，設置一級塔石膏排出泵打至二級塔管路，以及強制循環(huán)泵從二級塔打至一級塔管路(藍色)，以作為漿液循環(huán)的備用手段，系統(tǒng)正常運行時，完全按照新型漿液循環(huán)模式來循環(huán)漿液，而只有當系統(tǒng)脫水進入末期，一級塔液位較低時，可視情況啟動強制循環(huán)泵，將二級塔漿液打至一級塔，以補充一級塔液位。

圖1 雙塔間漿液循環(huán)方式Fig.1 Slurry circulation mode between two towers

2.3 兩塔水平衡的建立

由于兩級吸收塔在整個流程中承擔的脫硫任務不同，兩座塔內的蒸發(fā)水、沖洗水、石灰石補漿量等存在較大差異，故兩座塔的水平衡維持是一個較復雜的問題[11-14]。

對于一級塔而言，在設計工況下，塔內主要水耗由以下三部分組成：即當高溫煙氣在通過一級塔時，塔內發(fā)生近似絕熱增濕過程，煙溫冷卻到51.8 ℃，產(chǎn)生大量蒸發(fā)水77.3 t/h；塔內吸收反應耗水6.1 t/h；按照塔內漿液質量濃度為20%[6-8]，需要排出石膏漿液為167.8 t/h。

而對于一級塔的補水，主要由以下幾部分組成：一級塔頂部一級除霧器沖洗水28.4 t/h；一級塔由于承擔絕大部分SO2的去除，故石灰石漿液主要補充在一級塔，補漿量為91.2 t/h；濾液返回水55.5 t/h；其余冷卻、密封水(包含少量氧化空氣增濕水)16.5 t/h。

對于二級塔而言，經(jīng)過一級塔冷卻飽和后的煙氣在進入二級塔后，不再引起水份的大量蒸發(fā)，并且反應水也可忽略不計，因而可以認為二級塔耗水接近為0。對于二級塔的補水，主要由以下基本組成：二級塔頂部兩級除霧器沖洗水39.5 t/h；石灰石漿液補充量13.7 t/h；少量冷卻水1.5 t/h以及頂部濕電沖洗水5 t/h，而脫硫后凈煙道進行保溫，煙氣排放過程中溫降較小，冷凝水可忽略不計。

根據(jù)上述水平衡數(shù)據(jù)，可以看出，一級塔內部補水191.6 t/h，耗水250 t/h，故液位持續(xù)下降，對應漿液密度會上升；而二級塔內部持續(xù)補水59.6 t/h，對應漿液密度上升較慢。因此，需要借助漿液循環(huán)系統(tǒng)，在一級塔每臺漿液循環(huán)泵出口分出支路，輸送3×60 t/h漿液至二級塔，二級塔過剩的59.6 t/h +180 t/h漿液通過兩塔間的溢流管回流至一級塔,形成如下圖2中的水平衡體系。

圖2 雙塔間水平衡情況(t/h)Fig.2 Water balance between two towers(t/h)

3 新型塔間漿液循環(huán)方式的應用情況

3.1 脫硫性能與能耗分析

該漿液循環(huán)模式在本項目投運后，兩座吸收塔的漿液連續(xù)進行漿液互倒，最短7個小時內漿液可以置換一次，并可以通過一級塔循環(huán)泵排出支管上閥門開度來控制循環(huán)周期。通過漿液的互倒，充分調動了兩座塔的脫硫能力。

通過表6對比可以發(fā)現(xiàn)，對于機組負荷為187 MW與290 MW兩種工況，SO2濃度相近，當二級塔液位較低，漿液循環(huán)未建立時，會導致兩塔漿液濃度偏差較大，二級塔pH較高，塔內CaCO3過剩，需啟動5層噴淋，拖累了整體的脫硫效率，增加了系統(tǒng)電耗；而當漿液正常開始循環(huán)時，兩塔漿液濃度不會出現(xiàn)較大差異，系統(tǒng)有較高的脫硫能力，只要啟動4層噴淋即可達到較高脫硫效率。

表6 兩級吸收塔實際運行情況Table 6 Operation status of double-stage adsorption towers

通過與該項目位置相近，且機組規(guī)模、燃用煤種都相似的同類型機組雙塔脫硫系統(tǒng)對比，采用新型漿液循環(huán)方式后，雙塔系統(tǒng)的脫硫能力充分調動，而對于兩塔獨立運行時，由于兩塔漿液缺乏循環(huán)，導致系統(tǒng)處理處在較低水平。如表7所列，當兩項目機組負荷均在滿負荷時，脫硫入口SO2濃度較高時，采用漿液循環(huán)系統(tǒng)時，只要啟動6臺循環(huán)泵即可保證脫硫效率，而雙塔脫開運行的項目，需要啟動7臺循環(huán)泵，同時配合煙氣均布裝置，致使循環(huán)泵電耗增加1 060 kW以及引風機電耗增加400 kW[15]。

表7 運行數(shù)據(jù)對比Table 7 Comparison of operation data

在水平衡的調控方面，現(xiàn)場運行時，可以通過控制漿液循環(huán)支管上閥門的開閉，調整漿液系統(tǒng)的循環(huán)周期，精確控制兩塔液位，同時，在脫水系統(tǒng)投入，一級塔液位下降較快時，可以通過投入強制循環(huán)泵，來維持兩塔液位。

3.2 運行中注意事項

由于是從漿液循環(huán)泵出口管道進行分支，在漿液進入二級塔管嘴處，需設置節(jié)流孔板，以免造成分支管泄壓而影響噴淋層流量；同時，分支管道上的閥門需要緊貼循環(huán)管分支處設置，避免分支管道上閥門關閉后管道積漿。本項目循環(huán)泵流量為6 800 m3/h，而分支管流量只有60 m3/h，占用循環(huán)流量的比例不足0.9%，并且在分支管設置孔板，故實際運行中，在啟用漿液循環(huán)系統(tǒng)后，循環(huán)泵電流及泵出口壓力表讀數(shù)未見明顯波動。

需定期檢查、沖洗兩塔之間的回流管，防止回流管結垢堵塞；二級吸收塔液位需連續(xù)控制在8.8 m以上。

4 結 論

在引入新型漿液循環(huán)方式后，充分調動了雙塔系統(tǒng)的脫硫性能，相比于兩座塔單獨運行且脫硫效率相似的情況下，采用漿液循環(huán)系統(tǒng)時，循環(huán)泵的投運數(shù)量減少，對于350 MW機組，脫硫系統(tǒng)電耗可減少約20%。同時，可以簡化塔內煙均布裝置，降低系統(tǒng)阻力約500 Pa，降低風機電耗400 kW左右。此外，新型漿液循環(huán)方式為雙塔間水平衡的建立提供了多種操作運行手段，使雙塔雙循環(huán)系統(tǒng)能夠運行在最佳性能狀態(tài)，為日后的高硫煤脫硫提供了重要的理論及實踐依據(jù)。