摘要

雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)由于設(shè)備多、系統(tǒng)復(fù)雜而存在電耗物耗較高的問(wèn)題。以某高硫煤火電廠雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)作為研究對(duì)象，從物耗、能耗角度出發(fā)，研究了雙塔雙循環(huán)系統(tǒng)水平衡、石灰石供應(yīng)系統(tǒng)、氧化空氣系統(tǒng)、漿液循環(huán)泵組合運(yùn)行等方面的優(yōu)化，使其顯示出較好的經(jīng)濟(jì)性。為其他高硫煤機(jī)組深度降低脫硫廠用電率方面提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

關(guān)鍵詞:雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng);廠用電率;電耗;優(yōu)化運(yùn)行

0 引言

2014年9月，發(fā)改能源[2014]2093號(hào)文明確要求，東部地區(qū)新建燃煤發(fā)電機(jī)組SO2排放值必須達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值。超低排放改造后，在污染物達(dá)標(biāo)及煤耗指標(biāo)的雙重壓力下，必須對(duì)現(xiàn)有環(huán)保設(shè)施進(jìn)行升級(jí)改造。

石灰石-石膏濕法脫硫工藝是我國(guó)燃煤機(jī)組主流脫硫技術(shù)，針對(duì)燃用高硫煤機(jī)組的達(dá)標(biāo)排放問(wèn)題，有學(xué)者研究表明，在單塔基礎(chǔ)上串聯(lián)一個(gè)吸收塔采用雙塔雙循環(huán)工藝，在大機(jī)組、高硫分的脫硫系統(tǒng)改造中具有明顯優(yōu)勢(shì)。除此以外，潘丹萍等分析得到雙塔WFGD系統(tǒng)對(duì)細(xì)顆粒物和SO3酸霧脫除效率明顯高于單塔系統(tǒng)。但雙塔脫硫系統(tǒng)設(shè)備復(fù)雜，廠用電率較單塔脫硫系統(tǒng)增加顯著。針對(duì)雙塔雙循環(huán)脫硫技術(shù)設(shè)計(jì)及運(yùn)行中存在的主要問(wèn)題，有學(xué)者從精細(xì)化優(yōu)化調(diào)整角度實(shí)現(xiàn)雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)節(jié)能降耗。

本文對(duì)某電廠600MW機(jī)組雙塔脫硫系統(tǒng)開(kāi)展優(yōu)化運(yùn)行研究，從物耗、能耗兩大部分入手，在脫硫系統(tǒng)水平衡、石灰石供應(yīng)系統(tǒng)、氧化空氣系統(tǒng)、漿液循環(huán)泵組合運(yùn)行等方面進(jìn)一步挖掘脫硫系統(tǒng)節(jié)水及節(jié)能潛力，有效降低脫硫系統(tǒng)廠用電率，為電廠經(jīng)濟(jì)高效運(yùn)行和設(shè)備技改提供充分的理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 脫硫裝置主要設(shè)計(jì)參數(shù)

該電廠脫硫系統(tǒng)采用石灰石—石膏濕法脫硫，原設(shè)計(jì)為單塔，2012年由于煤源發(fā)生變化，入口硫分增至3.0%，因而在原吸收塔前串聯(lián)一個(gè)預(yù)洗塔，兩塔均為噴淋空塔，預(yù)洗塔設(shè)置3層噴淋層，對(duì)應(yīng)3臺(tái)漿液循環(huán)泵分別為A、B、C泵，電機(jī)功率分別為1400kW、710kW、630kW，循環(huán)漿液量分別為13000m3/h、7300m3/h、7300m3/h。吸收塔設(shè)置4層噴淋層，對(duì)應(yīng)4臺(tái)漿液循環(huán)泵分別為A、B、C、D泵，功率均為1490kW，循環(huán)漿液量均為8932m3/h。預(yù)洗塔和吸收塔各有一套石灰石制漿系統(tǒng)。預(yù)洗塔和吸收塔的氧化風(fēng)機(jī)均為兩運(yùn)一備配置，單臺(tái)氧化風(fēng)量分別為13200m3/h和9900m3/h。改造后脫硫系統(tǒng)煙氣參數(shù)如表1所示。

表 1 脫硫系統(tǒng)煙氣設(shè)計(jì)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)依據(jù)及儀器

測(cè)試期間要求機(jī)組及環(huán)保設(shè)施正常運(yùn)行。試驗(yàn)依據(jù)為《煙氣脫硫設(shè)備性能測(cè)試方法》(GB/T21508-2008)、《石灰石-石膏濕法煙氣脫硫裝置性能驗(yàn)收試驗(yàn)規(guī)范》(DL/T998-2007)、《煙氣濕法脫硫用石灰石粉反應(yīng)速率的測(cè)定》(DL/T943-2015)、《石膏化學(xué)分析方法》(GB/T5484-2012)、《石灰石化學(xué)分析方法》(GB/T3286-1998)。

試驗(yàn)所用儀器為煙氣分析儀(RosemountNGA2000)、煙氣分析儀(Ultramat23)、微壓計(jì)(Swe-maMan7)、超聲波流量計(jì)(FLUXUSF601)、pH計(jì)(HM-30P)。

2 脫硫系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀分析

2.1 脫硫系統(tǒng)水平衡

通過(guò)對(duì)目前脫硫水系統(tǒng)進(jìn)行水量核算和系統(tǒng)排查，發(fā)現(xiàn)脫硫水系統(tǒng)主要存在問(wèn)題有:

(1)石膏脫水系統(tǒng)溢流漿液箱和濾液水箱沒(méi)有實(shí)現(xiàn)分離，兩者混合后返回吸收塔，長(zhǎng)期運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致漿液品質(zhì)下降;

(2)系統(tǒng)整體較為復(fù)雜，存在內(nèi)漏和不經(jīng)濟(jì)利用的情況，化驗(yàn)結(jié)果顯示濾液水可滿(mǎn)足制漿水質(zhì)要求;

(3)預(yù)洗塔地坑的溢流漿液部分進(jìn)入石灰石制備系統(tǒng)，會(huì)降低吸收塔石膏漿液的品質(zhì)和石灰石供漿效率，加劇石灰石供漿管路和泵體的磨損，不利于脫硫系統(tǒng)的高效運(yùn)行和穩(wěn)定排放。

2.2 石灰石供應(yīng)系統(tǒng)

采集正常運(yùn)行下兩個(gè)工況下的漿液樣品，核算實(shí)際和理論的石灰石粉耗量(理論鈣硫比按照1.03計(jì)算)進(jìn)行對(duì)比分析。工況表如表2。采集A、B兩廠家的石灰石粉進(jìn)行分析，結(jié)果如表3所示。

工況1的鈣硫比為1.35，理論核算石灰石粉耗量為381.4t/d，實(shí)際石灰石粉耗量為499.9t/d;工況2的鈣硫比為1.26，理論核算石灰石粉耗量為357.9t/d，實(shí)際石灰石粉耗量為438.0t/d。

目前石灰石粉耗量大，主要原因有:

(1)機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)大，運(yùn)行控制為了避免瞬時(shí)超標(biāo)，在機(jī)組負(fù)荷或SO2濃度升高后會(huì)間歇式加大石灰石供漿量，造成石灰石粉浪費(fèi);

(2)石灰石粉品質(zhì)較差，石灰石粉純度、細(xì)度及活性均不達(dá)標(biāo)，會(huì)造成運(yùn)行人員對(duì)石灰石供漿量判斷偏差。

表 2 試驗(yàn)工況

表 3 電廠用石灰石粉分析

2.3 氧化空氣系統(tǒng)

在雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)中根據(jù)系統(tǒng)特點(diǎn)設(shè)置風(fēng)量不同的氧化風(fēng)機(jī)，根據(jù)一、二級(jí)吸收塔脫硫的SO2的量考慮氧化風(fēng)機(jī)的投運(yùn)情況，進(jìn)而控制氧硫比值。

在不同運(yùn)行工況下，按照脫硫效率99.5%、氧硫比為3.33，核算2+1氧化風(fēng)機(jī)及1+1氧化風(fēng)機(jī)組合方式的最大出力等，調(diào)節(jié)實(shí)際運(yùn)行工況下氧化風(fēng)機(jī)出口流量，結(jié)果見(jiàn)表4。

表 4 氧化風(fēng)機(jī)優(yōu)化配置核算

結(jié)果表明:(1)當(dāng)機(jī)組負(fù)荷600MW，原煙氣SO2濃度為5500mg/m3時(shí)，以此工況為參考，低于運(yùn)行工況出力的運(yùn)行狀態(tài)吸收塔系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)單臺(tái)氧化風(fēng)機(jī)運(yùn)行，可節(jié)省38A的運(yùn)行電流，相應(yīng)可節(jié)省廠用電率0.127%;

(2)為充分發(fā)掘氧化系統(tǒng)的節(jié)能優(yōu)化空間，將預(yù)洗塔3臺(tái)氧化風(fēng)機(jī)中的1臺(tái)更換為改造前流量6612m3/h的氧化風(fēng)機(jī)，在機(jī)組負(fù)荷450MW，原煙氣SO2濃度低于5500mg/m3，可實(shí)現(xiàn)預(yù)洗塔氧化風(fēng)機(jī)一大一小運(yùn)行，可減少10A的運(yùn)行電流，相應(yīng)可節(jié)省廠用電率0.036%。

2.4 漿液循環(huán)泵組合運(yùn)行情況

雙塔雙循環(huán)工藝中煙氣經(jīng)過(guò)一級(jí)塔和二級(jí)塔兩個(gè)循環(huán)過(guò)程得到凈化，為優(yōu)化漿液循環(huán)泵投運(yùn)方式，在預(yù)洗塔和吸收塔之間增設(shè)SO2測(cè)點(diǎn)，當(dāng)入口SO2濃度不同時(shí)，預(yù)洗塔和吸收塔需要脫除SO2的效率也不同。一般情況下預(yù)洗塔SO2去除率為50%～60%，吸收塔去除率控制在40%～50%。其運(yùn)行優(yōu)化原則為:預(yù)洗塔漿液循環(huán)泵運(yùn)行的數(shù)量保證略低于最佳液氣比，避免造成氧化不足的情況。將預(yù)洗塔和吸收塔pH值控制在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)，理論計(jì)算得到不同負(fù)荷的漿液循環(huán)泵的配置情況見(jiàn)表5。在保證出口穩(wěn)定達(dá)標(biāo)排放的前提下，在不同機(jī)組負(fù)荷、不同入口SO2濃度條件下分別進(jìn)行了不同漿液循環(huán)泵投運(yùn)的組合方式試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表6。

表 5 漿液循環(huán)泵不同組合方式的停留時(shí)間和液氣比

表 6 實(shí)際運(yùn)行工況

工況3～工況5均為高負(fù)荷工況，當(dāng)原煙氣SO2濃度超過(guò)5500mg/m3，預(yù)洗塔和吸收塔漿液循環(huán)必須全部運(yùn)行。當(dāng)原煙氣SO2濃度在4500～5500mg/m3范圍時(shí)，可采用預(yù)洗塔3臺(tái)+吸收塔3臺(tái)漿液循環(huán)泵運(yùn)行的組合方式，在吸收塔入口SO2濃度低于500mg/m3時(shí)，可停運(yùn)吸收塔最頂層漿液循環(huán)泵B。為保證出口SO2濃度低于35mg/m3，吸收塔入口SO2不宜超過(guò)1100mg/m3。試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖 1 高負(fù)荷下不同循環(huán)泵組合方式下脫硫效率

工況6～工況9均為中負(fù)荷工況，在原煙氣SO2濃度在5000-6000mg/m3，可實(shí)現(xiàn)預(yù)洗塔2～3臺(tái)+吸收塔3臺(tái)漿液循環(huán)泵運(yùn)行的組合方式。預(yù)洗塔漿液循環(huán)泵三臺(tái)泵實(shí)際運(yùn)行電流分別為114A、63A、63A，吸收塔漿液循環(huán)泵的四臺(tái)泵實(shí)際運(yùn)行電流分別為62A、80A、77A、73A。從漿液循環(huán)泵的電流分布可以看出，如果預(yù)洗塔A泵可選擇停運(yùn)，ABC+XX的組合方式比BC+ABCD的組合方式更經(jīng)濟(jì);如果預(yù)洗塔A泵必須運(yùn)行，AB+XXX或者AC+XXX的運(yùn)行方式也是較節(jié)能的組合方式。試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖 2 中負(fù)荷下不同循環(huán)泵組合方式下脫硫效率

工況10～工況12均為低負(fù)荷工況，在低負(fù)荷工況下可實(shí)現(xiàn)預(yù)洗塔2臺(tái)+吸收塔2～3臺(tái)漿液循，環(huán)泵運(yùn)行的組合方式原煙氣SO2濃度6000mg/m3左右。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖 3 低負(fù)荷下不同循環(huán)泵組合方式下脫硫效率

3 現(xiàn)有系統(tǒng)優(yōu)化措施

3.1 水平衡系統(tǒng)的優(yōu)化

(1)對(duì)現(xiàn)有工藝流程合理優(yōu)化。盡量減少系統(tǒng)內(nèi)漏水，將濾液水用于制漿，關(guān)閉工藝水箱至吸收塔和預(yù)洗塔石灰石制漿用水閥門(mén);將真空泵密封水及機(jī)封冷卻水改為閉式循環(huán)，皮帶機(jī)沖洗水、密封水、潤(rùn)滑水由工業(yè)水改為工藝水;切斷預(yù)洗塔地坑至吸收塔石灰石漿液箱的管路，預(yù)洗塔地坑漿液與預(yù)洗塔本體自循環(huán)。

(2)考慮全廠用水梯級(jí)利用，為電廠下階段廢水零排放做準(zhǔn)備。

3.2 石灰石供應(yīng)系統(tǒng)的優(yōu)化

為實(shí)現(xiàn)脫硫系統(tǒng)的精細(xì)化運(yùn)行，要定期化驗(yàn)入廠石灰石品質(zhì)，保證其品質(zhì)，再結(jié)合本次診斷試驗(yàn)脫硫水平衡系統(tǒng)的優(yōu)化，提高石灰石漿液制備的穩(wěn)定性，改變石灰石漿液的供給方式，核準(zhǔn)對(duì)應(yīng)工況下的連續(xù)供漿量，在負(fù)荷及入口SO2較穩(wěn)定情況下，盡量采取連續(xù)供漿方式。

3.3 氧化空氣系統(tǒng)的優(yōu)化

由于在脫硫系統(tǒng)改造時(shí)設(shè)計(jì)裕量偏大，下一步可考慮更換吸收塔及預(yù)洗塔氧化風(fēng)機(jī)，避免設(shè)備閑置和投資浪費(fèi)，以及氧化空氣進(jìn)入循環(huán)泵或石膏排出泵以及可能出現(xiàn)的漿液起泡問(wèn)題。

3.4 漿液循環(huán)泵的組合優(yōu)化

結(jié)合電廠配煤摻燒，盡量控制在低負(fù)荷時(shí)段，燃用高硫煤;在高負(fù)荷時(shí)段，燃用低硫煤。在高、中、低負(fù)荷根據(jù)入口SO2濃度范圍選擇合理的漿液循環(huán)泵的開(kāi)啟數(shù)量和組合方式，并制定優(yōu)化運(yùn)行指導(dǎo)卡片。在預(yù)洗塔出口處加裝煙氣分析儀，在入口煙氣SO2濃度波動(dòng)較大時(shí)可快速作出響應(yīng)，同時(shí)控制預(yù)洗塔和吸收塔脫硫效率的分配，避免因預(yù)洗塔入口煙氣SO2濃度和出口CEMS表計(jì)顯示值存在時(shí)間差造成的出口超標(biāo)問(wèn)題，在此基礎(chǔ)上可做進(jìn)一步優(yōu)化調(diào)整。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

(1)目前該電廠用石灰石粉單價(jià)為140元/t，按照實(shí)際鈣硫比1.35計(jì)算，每天吸收劑的成本為7.00萬(wàn)元。如更換為滿(mǎn)足設(shè)計(jì)值要求的石灰石粉，設(shè)定單價(jià)為180元/t，按照設(shè)計(jì)鈣硫比1.03計(jì)算，每天吸收劑的成本為6.87萬(wàn)元。則優(yōu)化后每天吸收劑節(jié)約成本為0.13萬(wàn)元。

(2)在低于運(yùn)行工況出力的運(yùn)行狀態(tài)下吸收塔系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)單臺(tái)氧化風(fēng)機(jī)運(yùn)行，可節(jié)省38A的運(yùn)行電流，相應(yīng)可節(jié)省廠用電率為0.127%。并將預(yù)洗塔3臺(tái)氧化風(fēng)機(jī)中的1臺(tái)更換為改造前流量6612m3/h的氧化風(fēng)機(jī)，可減少10A的運(yùn)行電流，相應(yīng)可節(jié)省廠用電率為0.036%。二者相加，共節(jié)省廠用電率0.163%。則氧化風(fēng)機(jī)優(yōu)化后每天電耗節(jié)約成本為1.30萬(wàn)元。

(3)嚴(yán)格把握在低負(fù)荷時(shí)段，燃用高硫煤，即原煙氣SO2濃度按照6000mg/m3控制;在高負(fù)荷時(shí)段，燃用低硫煤，即原煙氣SO2濃度按5000mg/m3控制。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，在有停運(yùn)漿液循環(huán)泵的條件下，首先停運(yùn)吸收塔1～2臺(tái)漿液循環(huán)泵;在吸收塔漿液循環(huán)泵運(yùn)行臺(tái)數(shù)為2臺(tái)時(shí)，可選擇預(yù)洗塔2臺(tái)漿液循環(huán)泵的組合方式。控制凈煙氣SO2濃度在20mg/m3左右，相應(yīng)可節(jié)省廠用電率為0.289%。則漿液循環(huán)泵每天電耗節(jié)約成本為2.31萬(wàn)元。

通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試和分析過(guò)程評(píng)估該電廠脫硫系統(tǒng)優(yōu)化前后廠用電率和石灰石耗量的實(shí)際情況，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析核算?？傻脙?yōu)化后電耗和石灰石耗量成本可每天節(jié)約3.74萬(wàn)元。

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)理論計(jì)算及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)優(yōu)化調(diào)整，目前雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)仍有一定的節(jié)能優(yōu)化空間，可從改造和運(yùn)行角度，對(duì)現(xiàn)有脫硫系統(tǒng)水平衡、石灰石供應(yīng)系統(tǒng)、氧化空氣系統(tǒng)、漿液循環(huán)泵組合運(yùn)行等方面進(jìn)行優(yōu)化，并在基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化前后經(jīng)濟(jì)性核算與分析。本文的研究結(jié)果可為高硫煤雙塔機(jī)組優(yōu)化改造提供指導(dǎo)和借鑒。