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简易脱硫除尘一体化技术

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      随着我国环保事业的不断发展和环保法规的不断完善,国家对二氧化硫排放提出更加严格的标准,火电厂逐步采取措施已势在必行,这将是今后一个时期内的重点治理对象。
     目前对于控制二氧化硫排放污染,国外已积累了较为成熟的经验,但是由于财力、物力有限,引进这些先进的工艺和设备,工程投资和运行费用都非常昂贵。我们必须结合国情和网情,在消化吸收国内外各种技术的基础上,寻求以简单、高效,既满足环保要求,又减少投资和运行费用为目标的方案。
针对东北电网所属火电厂煤质含硫量低,湿式多的特点,我们经过大量调查研究和比较,提出并论证了简易脱硫除尘一体化技术方案,以赤峰热电厂6号炉作蓝本进行了可行性研究和初步设计。该方案以炉内喷钙和尾部湿式改造为核心,在降低二氧化硫排放的同时兼顾减少粉尘排放,从而达到污染物排放全面达标的目标。
     1 脱硫工艺比较
       从理论上讲,降低燃煤产生的SOx排放主要有3个途径:原煤炉前处理和净化技术;炉内燃烧中脱硫;燃烧后的脱硫。燃烧前脱硫是采用物理、化学或生物方法将煤中硫脱除,投资大、成本高,尚未推广应用。燃烧中脱硫是指燃烧与脱硫同时进行,作为最经济、最简便的工艺,随着近年来的不断改进,正愈来愈受到重视。燃烧后的脱硫被认为是运行可靠、脱硫效率最高的方法,属于比较成熟的工业化方法,但因昂贵的投资和运行费用而在实际应用中受到限制。要对各种脱硫工艺进行综合评估和技术经济比较是相当困难的,因此在选择时,需要参考别人经验,更需要根据本国本地情况对脱硫方案进行综合评估。表1列出了几种较成熟的脱硫技术粗略比较。从比较结果看,LIFAC工艺更为适合东北电网脱硫的实际情况和要求。
     2 简易脱硫除尘一体化方案
2.1 东北电网火电厂概况
       经过调查,东电直属火电厂有2个特点:煤质含硫量低,平均为0.68%,个别大于1%,中SO2含量约为700×10-6~800×10-6,脱硫效率达到50%以上即可满足环保要求;湿式多,出口烟温较低(60~90℃),烟气湿度大(水分约10%~15%),除尘效率低。因此,在确定烟气脱硫方案时,既要考虑到煤质特点,又要兼顾湿式除尘器,把脱硫和除尘问题结合起来,力求全面达标,这对当前面临的老电厂环保改造问题具有实际意义。
脱硫技术综合比较
2.2 LIFAC工艺特点及适用范围
(1)适用于燃用含硫量为0.6%~2.5%煤种,300MW以下锅炉脱硫。在Ca/S为1.5~2.0,采用再循环系统时,总脱硫效率为70%~90%。
(2)具有一定的运行经验,国外已正式投入商业运行,根据经济比较分析,LIFAC设备投资为湿法脱硫的32%,运行费用在各类脱硫方案中最低。
(3)占地面积小,适于改造现有运行电厂。
2.3 脱硫方案提出
       鉴于上述特点,在老厂改造工程中,对于配置的电厂,在场地条件允许时,可直接采用LIFAC工艺。对于配置湿式除尘器的电厂,在LIFAC工艺的基础上加以改造,把湿式除尘器改造成湿式脱硫设备,使之既除尘又脱硫,从而提出烟气脱硫的新工艺:脱硫除尘一体化方案。该方案以炉膛喷钙作为一级脱硫,将烟气增湿作为二级脱硫,实现脱硫与除尘的集成,减小占地面积,总脱硫效率可达60%~80%,工艺流程见图1,简述如下:
第1阶段,一定细度的石灰石粉(CaCO3)被送入锅炉炉膛内温度950~1150℃的区域。CaCO3受热后分解生成CaO和CO2,烟气中部分SO2和几乎全部SO3与CaO反应生成硫酸钙CaSO4,脱硫效率为20%~30%,反应方程式为:
CaCO3→ CaO+CO2
CaO+SO2+O2→ CaSO4
aO+SO3→ CaSO4
       第2阶段,即炉后增湿活化阶段。LIFAC工艺在空气预热器和电除尘器间安装增湿反应器,烟气流经过时被喷水增湿。为充分利用现有设备和场地条件,节约投资,本方案中不安装反应器,而是设计直接用文丘里湿式除尘器来完成尾部增湿活化功能。烟气中未反应的CaO与水反应生成在低温下具有很高活性的Ca(OH)2,同剩余SO2反应生成亚硫酸钙,部分被氧化成硫酸钙,形成稳定的脱硫产物,脱硫效率可达30%~40%,反应方程式为:
CaO+H2O→ Ca(OH)2
Ca(OH)2+SO2+H2O+O2→ CaSO4+H2O
2.4 技术论证
       为保证整个脱硫装置高效运行,从系统脱硫效率的影响因素出发,重点考虑几个关键性技术问题并予以解决。
2.4.1 炉膛喷射石灰石的位置和颗粒度
       根据脱硫反应机理要求,应在炉膛燃烧器上方温度为950~1150℃的范围内喷射石灰石粉,才能确保炉内脱硫效率,防止石灰石欠烧和过烧。同时作为改造工程,要避免对水冷壁做较大改动。为此,采用三维流动及燃烧数值计算软件包对不同负荷下炉内温度分布进行了模拟,结合现场炉内火焰温度实测结果,确定了合适的喷钙区域。要求石灰石品位达到CaCO3含量超过90%,制粉系统应确保80%以上的石灰石粉颗粒尺寸小于40μm。
2.4.2 Ca/S的影响
       国内外大量研究结果表明:系统的脱硫效率随Ca/S的增加而增加,但在Ca/S≥2以后,脱硫效率的增加不显著。考虑到尾部增湿活化阶段的脱硫作用,以及系统脱硫效率不要求太高,在脱硫改造中可选取Ca/S为2或略小于2为宜。
2.4.3 钙粉气力输送系统
       既要确保钙粉以足够的速度喷入炉膛,以便在炉内与烟气充分混合,又要尽量减轻管道磨损并减少送入炉内的冷空气量,以免对炉内燃烧产生不利影响。根据炉膛喷射和管道输送的要求,合理设计喷口尺寸和结构,开发输送系统空气动力计算软件,确定了气力输送系统的阻力和通风量,从而根据现场条件合理布置管道和选择设备,优化系统设计。
2.4.4 对锅炉运行的影响
       炉内添加固体吸收剂后,灰量增加,灰的物理和化学特性也发生了变化,可能会带来炉内受热面沾污和结渣加重等问题。对此国内外尚没有一致的意见。近年来,国外的理论和试验研究结果以及国内外脱硫工程的实际运行情况都表明:炉内喷钙后在炉壁和热交换面上形成的沉积物较为松软,很容易用常规的吹灰器清除掉。喷钙前后锅炉主要运行参数无明显变化,脱硫对锅炉运行影响不大。
2.4.5 湿式除尘器脱硫改造
       到达湿式除尘器的脱硫灰中含有部分未反应CaO,遇水生成Ca(OH)2,因此可重新利用。可分别在文丘里管和捕滴器内实现脱硫功能,在文丘里管喉部喷入水或石灰浆吸收剂(根据系统脱硫效率要求而定),并在捕滴器内设置再循环系统,增加液/气比率,从而提高吸收剂利用率和脱硫效率,除尘效率也相应有所提高。相应改造主要包括:文丘里喷嘴的设计和布置,既要防止喷水粘壁效应,又要保证液滴与烟气良好均匀混合,以保证良好的雾化效果;捕滴器湿段改造,旋流喷嘴的设计及其定位,使捕滴器成为具有喷淋塔功能的二次吸收塔;捕滴器出口段加装叶片式导流器和除雾器,用来除去烟气在洗涤过程中带出的水雾;控制再循环系统中灰浆浓度和pH值,保证系统除尘脱硫效率,防止设备结垢、堵塞和腐蚀。整个改造要保证不过分增加阻力,减少烟气带水,以免影响引风机正常运行。
2.4.6 增湿活化对温度的要求
       湿式除尘器的烟气进口温度一般为130~150℃,喷水会降低烟温。增湿活化脱硫反应要求烟气温度越接近露点越好,但不应引起引风机结露,需要解决设备安全运行和提高脱硫效率间的矛盾。控制除尘器出口烟温的关键在于控制喷水量,喷水量与煤的含硫量、Ca/S、烟气进口温度及当时烟气露点等参数有关。为保证最佳喷水量,需要配备微机控制系统,以便根据运行参数控制除尘器出口烟温,通常在80℃以上。
3 脱硫除尘的综合治理
       按照国家环保排放标准,配水膜除尘器的老机组粉尘排放普遍不合格,必须改造。实施上述脱硫方案,喷入的钙粉又进一步增加了灰量。因此,使脱硫方案与除尘改造有机结合,达到全面综合治理的目标,是人们最为关注的问题。
全面考虑改造技术的难易程度和资金投入等因素,采用水膜除尘器串联一或二电场电除尘器的改造方案作为简易一体化脱硫改造的配套工程。该方案简单易行,既显著提高除尘效率,又节省大量资金,还保留了湿式除尘器的脱硫功能。与燃烧产生的粉尘量相比,脱硫产物的生成量是比较小的,对电除尘器影响不大。同时,湿式除尘器的增湿,能够改善烟气性质,降低粉尘比电阻,对改善后面电除尘器的总体工作性能是有利的,主要表现在以下方面:
3.1 烟气温度
       飞灰比电阻值偏高,是影响电除尘器效率的关键因素,如何提高高比电阻灰的电除尘效率是一大难题。飞灰比电阻与烟气温度有关,其峰值根据煤灰特性出现在121~232℃之间,在232℃以上时,飞灰的比电阻与绝对温度成反比,与烟气成份无关;而在低于121℃时,飞灰比电阻与绝对温度成正比,并与烟气的湿度和其它成份有关。
空气预热器出口约150℃的烟气流经文丘里水膜除尘器后,烟气温度降至70~100℃。与电除尘器直接作为相比,锅炉排烟容积缩小约1/6,有助于降低电除尘器造价。烟气温度偏离飞灰比电阻峰值所对应的温度范围,比电阻值降低,电除尘效率提高。
3.2 烟气湿度
       根据粉尘比电阻随温度和湿度的变化而发生改变的原理,常用烟气增湿处理的方法进行烟气调质。通常直接向烟气中喷入水或蒸汽,具体实施是在电除尘器前特制增湿塔中进行,处理比较经济,技术上较为成熟,国内外采用较多。特别是在水泥干法窑电除尘器上普遍采用这一方法,现在国际上带增湿塔的卧式电除尘器已成为现代化水泥厂不可缺少的组成部分。
在脱硫除尘一体化方案中,水膜除尘器起到增湿塔的作用。烟气通过文丘里水膜除尘器后,含水量增加,粉尘比电阻随温度的降低和湿度的增大而降低。对辽宁发电厂15号炉文丘里水膜除尘器入口和出口的飞灰比电阻进行现场实测,最终测试结果为:入口在1011~1012Ω.cm范围波动;出口在108~109Ω.cm范围波动。
可见,在湿式除尘器后,飞灰比电阻值明显降低,且恰好处于电除尘器处理粉尘的最佳比电阻范围内,对改善电除尘器性能十分有利。但要注意严格控制水膜除尘器出口烟温和湿度,防止电除尘器电极系统及壳体腐蚀。
3.3 烟气含尘浓度
       以水膜除尘器作为电除尘器前的预除尘器,能够显著降低电除尘器入口烟气的含尘浓度,是克服电晕闭塞现象的有效措施,有助于提高电除尘器效率。
4 赤峰热电厂6号炉初步设计
       以赤峰热电厂6号炉为蓝本,进行了简易脱硫除尘一体化技术方案的可行性研究和初步设计。
4.1 设备规范
       锅炉型号为BG-130/39-M4,投产日期1989年1月,额定蒸发量130t/h,设计排烟温度145℃。燃煤特性见表2。
燃煤特性
4.2 初步设计方案
       设计中全面考虑了排放标准、场地条件、吸收剂的价格和可用性以及技术关键问题,以保证系统脱硫效果,避免影响锅炉正常安全运行。
4.2.1 整套装置的工艺流程主要包括以下系统:吸收剂(石灰石粉)制备系统;炉内喷钙系统;炉后烟气增湿活化系统;自动化控制系统。主要工作包括:确定石灰石矿源和品位;准确进行空气动力计算;优化气力输送系统;完成制粉设备的选型和管道布置;合理设计炉膛喷射系统;进一步改造文丘里湿式除尘器以及系统运行监控和连锁保护等。装置的连接布置是按6号锅炉现场空间场地配置,从实地考察来看,现有空间位置能够容纳。
4.2.2 石灰石在炉内的煅烧属于吸热分解反应,需要大约1396kJ/kg的热量,而相应的硫化反应所释放的热量,恰好可以弥补上述热量的损失。同时,喷入钙粉必然对锅炉炉内燃烧、传热等方面产生影响,降低锅炉效率。考虑喷入的钙粉和输送介质(冷空气),对锅炉热力计算软件进行了修改,重新计算,结果表明:喷钙后同喷钙前相比,锅炉效率的降低不超过0.3%,影响不大。
4.2.3 钙硫比是影响炉内喷钙脱硫效率的重要参数。钙硫比越大,炉内喷钙脱硫的效果越好,吸收剂费用和灰处理量也越大。本方案中,由于采用了尾部湿式除尘器增湿活化系统,提高了吸收剂的利用率和脱硫效率,因而钙硫比不必选择过高,选取1.5较为合适,既能保证脱硫效果,又不过分增加灰量。
4 结论
       综上所述,简易脱硫除尘一体化技术方案具有花钱少、效率较高、方法简便、切实可行、扩展性好的特点。从工艺流程和技术特点分析,该工艺方案配套串联电除尘器改造,能够全面实现二氧化硫和粉尘排放的全面达标,适合于现有配备湿式除尘器的200MW及以下机组的环保改造。对于配备电除尘器的机组,可直接安装增湿反应器构成LIFAC工艺,同样能够达到期望的脱硫效果。根据环保要求,按目前的污染物排放总量,新扩建火电机组将受到限制。采用简易脱硫除尘一体化工艺,按脱硫效率50%考虑,可以腾出可观的环保容量,对电网长远建设具有重要意义。


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