大型火電廠煙氣循環(huán)流化床脫硫系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

1、大型火電廠煙氣循環(huán)流化床脫硫系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用      我國是燃煤大國,連續(xù)多年SO2 排放總量超過2000 萬t, 已成為世界上最大的排放國。煙氣脫硫是控制SO2 排放最有效、最經(jīng)濟(jì)的手段。目前,我國大型火電廠煙氣脫硫主要采用國外應(yīng)用較成熟、業(yè)績較多的石灰石/ 石膏濕法工藝,但由于濕法工藝系統(tǒng)復(fù)雜、投資較大、占地面積大、耗水較多、運(yùn)行成本較高,國內(nèi)企業(yè)迫切需要投資少、運(yùn)行成本低、效率高的脫硫技術(shù)。德國魯奇能捷斯集團(tuán)(LLAG) 公司在上世紀(jì)70 年代末率先將循環(huán)流化床工藝用于煙氣脫硫,開發(fā)了一種煙氣循環(huán)流化床干法脫硫工藝(Circu2lati

2、ng Fluidized Bed Flue Gas Desulphurization , 簡稱CFB -FGD) 。經(jīng)過近30 年的不斷改進(jìn)(主要是在90 年代中后期),解決負(fù)荷適應(yīng)性、煤種變化、物料流動性、可靠性、大型化應(yīng)用等方面的技術(shù)問題,至今運(yùn)行業(yè)績達(dá)到40 多臺套。龍凈環(huán)保于2001 年10 月在國內(nèi)率先引進(jìn)了德國LLAG 公司的CFB -FGD 技術(shù)。2002 年底,華能國際電力有限公司在經(jīng)過多次論證和招標(biāo)后,為其下屬山西榆社電廠的2 ×300MW 機(jī)組配套由福建龍凈環(huán)保股份有限公司負(fù)責(zé)設(shè)計、制造的CFB -FGD 裝置。1 工程概況    榆

3、社電廠位于山西省中部地區(qū)的榆社縣,是個典型的多煤缺水地區(qū),距太原東南方向150km 。一期已建2 ×100MW 燃煤機(jī)組,2002 年新建二期工程,安裝2 ×300MW 空冷燃煤發(fā)電機(jī)組,配置2 臺1053t/ h 煤粉鍋爐。    榆社電廠2 ×300MW 機(jī)組配套煙氣循環(huán)流化床脫硫系統(tǒng)于2003 年4 月開始設(shè)計,2003 年12 月開始安裝。2004 年10 月初和11 月中旬,兩套脫硫系統(tǒng)分別與鍋爐同步投運(yùn)。脫硫效率高達(dá)90 % 以上,運(yùn)行可靠,成功地將國外先進(jìn)技術(shù)與國內(nèi)的吸收、消化和工程管理相結(jié)合,取得了較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性能,

4、使之成為目前世界上單機(jī)容量最大的干法脫硫系統(tǒng)。2 工程設(shè)計   211 煤質(zhì)特性   榆社電廠二期工程燃用貧煤,主要的煤質(zhì)特性分析如表1 。             表1 煤質(zhì)特性表序號  項目        符號  單位  設(shè)計煤種   校核煤種1   收到基全水份   Mar

5、   %    9.00       6.00 2   空干基水份     Mad   %    1.15       1.15 3   收到基灰份     Aar   %    24. 25 

6、60;   25. 55 4   收到基碳       Car   %    58. 25     59. 15 5   收到基氫       Har   %    2. 87      3. 2 6   收到

7、基氧       Oar   %    3. 28      3. 38 7   收到基氮       Nar   %    0. 95      0. 92 8   收到基全硫     St.ar

8、%    1. 4       1. 8 9   干燥無灰基    揮發(fā)份        Vdaf   %    15. 00     16 10  低位發(fā)熱量   Q kJ/kg 22278     23026 11 

9、 哈氏可磨指數(shù)   HGI         65        74 2.3 吸收劑分析    (1) 吸收劑名稱:生石灰    (2) 吸收劑品質(zhì)要求:軟煅生石灰粒徑1mm , 氧化鈣(CaO) 含量70 %, 生石灰消化速度t60 < 4min (檢驗標(biāo)準(zhǔn)為DIN EN459 -2) 。 2.4 工藝原理    CFB

10、 -FGD 工藝以循環(huán)流化床原理為基礎(chǔ),采用生石灰或消石灰為脫硫劑。該技術(shù)工藝流程如圖1 所示,主要由吸收塔、脫硫除塵器、吸收劑制備、物料再循環(huán)及排放、工藝水、儀表控制系統(tǒng)等6 個部分組成鍋爐煙氣從吸收塔的底部與加入的吸收劑和脫硫灰混合后,通過文丘里管的加速而懸浮起來,形成激烈的湍動狀態(tài),使顆粒與煙氣之間具有很大的相對滑落速度,顆粒反應(yīng)界面不斷摩擦、碰撞更新,從而極大地強(qiáng)化了氣固間的傳熱、傳質(zhì)。同時通過向吸收塔內(nèi)噴水,濕潤顆粒表面,煙氣冷卻到最佳的化學(xué)反應(yīng)溫度。此時煙氣中的SO2 和幾乎全部的SO3 、HCl 、HF 等酸性成分被吸收而除去,生成CaSO3 ·1/ 2 H2O 等副產(chǎn)

11、物。主要化學(xué)反應(yīng)是:      Ca (OH) 2 + SO2 = CaSO3·1/ 2H2O + 1/ 2H2O      Ca (OH) 2 + SO3 = CaSO4·1/ 2H2O + 1/ 2H2O      CaSO3·1/ 2H2O + 1/ 2O2 = CaSO4·1/ 2H2O      2Ca (OH) 2 + 2HCl = CaCl2·Ca (OH) 2·

12、2H2O      Ca (OH) 2 +2HF=CaF2 +2H2O      Ca (OH) 2 +CO2 =CaCO3 + H2O     為了降低吸收劑的耗量和穩(wěn)定流化床的運(yùn)行, 除塵器收集到的脫硫產(chǎn)物和未反應(yīng)的吸收劑循環(huán)回吸收塔進(jìn)一步參加反應(yīng)。由于吸收塔內(nèi)擁有較高顆粒的床層密度,使得床內(nèi)的Ca/ S 比高達(dá)50 以上,SO2 可以得到充分反應(yīng)。通過控制吸收劑的加入量以及物料與煙氣的接觸時間,可獲得90 %98 % 的穩(wěn)定SO2脫除效率及99 % 以上的SO3 、HCl 、HF

13、 脫除效率。 2.5 設(shè)計參數(shù)    脫硫除塵島的設(shè)計要求同時滿足鍋爐燃用設(shè)計煤種和校核煤種兩種情況,具體設(shè)計參數(shù)如表3 。                 表3 脫硫除塵島設(shè)計參數(shù)表序號  項目                &

14、#160; 設(shè)計煤種(S = 114 %) 校核煤種(S = 118 %) 1  脫硫效率/ %              91                 90 2  出口煙氣含塵量濃度/    (mg/ Nm3 干態(tài)%6O2)   

15、    50                 50 3  Ca/ S(mol/ mol)          1.22               1.26 4 

16、 脫硫除塵島的壓降/ Pa     2500                 2500 5  脫硫除塵器出口溫度/    75                 75 6  電耗功率/ kW 

17、            2600                 2600 7  脫硫除塵島耗水量/(t/h)   31.8              

18、0;  33.2 8  生石灰粉耗量/ (t/ h)     4.4                  5.75 9  脫硫灰產(chǎn)量/(t/h,含飛灰)  23.2               

19、0; 25.1 10 系統(tǒng)可用率/ %            98                   98 11 脫硫除塵島漏風(fēng)率/ %      5         

20、         5 12 設(shè)備的噪音/ dB (A)       85                 85 13 系統(tǒng)壽命/ a 30 30 3 系統(tǒng)組成3.1 吸收塔    吸收塔為文丘里空塔結(jié)構(gòu),是整個脫硫反應(yīng)的核心。由于煙氣中幾乎所有的SO3 都被脫除以及始終

21、在煙氣露點溫度20 以上,吸收塔內(nèi)部不需要任何防腐內(nèi)襯,塔體由普通碳鋼制成。為適應(yīng)大型化應(yīng)用,吸收塔流化床的入口采用7 個文丘里管結(jié)構(gòu)。    吸收塔的流化床反應(yīng)段的直徑為10.5m , 吸收塔總高度為59m 。3.2 脫硫除塵器    脫硫除塵器采用電除塵器(也可以用布袋除塵器),由于物料的不斷循環(huán)使脫硫除塵器的入口粉塵濃度高達(dá)6001000g/ Nm3 ,是常規(guī)電站電除塵器的2030 倍,為了滿足環(huán)保煙塵濃度50mg/ Nm3 的要求。脫硫除塵器的除塵效率必須到達(dá)99198 % 以上, 但由于通過吸收塔的噴水增濕、降溫,十分有利于

22、電除塵的收集。龍凈環(huán)保采用德國魯奇BS 型高濃度電除塵技術(shù),通過有效的結(jié)構(gòu)設(shè)計以滿足脫硫工藝的要求。    脫硫除塵器采用雙室四電場,型號為BS470/ 2 4/ 38/ 400/ 151425/ 4 ×11 -LC, 本體阻力250Pa , 陽極板采用ZT24 型, 陰極線為V 型線, 設(shè)計效率為99199 % 。3.3 吸收劑制備系統(tǒng)    CFB -FGD 所需的脫硫劑一般為Ca (OH) 2 ,其來源有兩種方式:一是直接采購符合要求的消石灰Ca (OH) 2 粉,二是采購滿足要求的粉狀CaO 由密封罐車運(yùn)到脫硫島并泵

23、入生石灰倉。然后經(jīng)過安裝在倉底的干式石灰消化器生成Ca (OH) 2 干粉,通過氣力輸送進(jìn)入消石灰倉儲存。根據(jù)脫硫需要,通過計量系統(tǒng)向吸收塔加入Ca (OH) 2 干粉。本項目的生石灰倉和消石灰倉的有效容積分別為550m3 、300m3 ,滿足滿負(fù)荷運(yùn)行7 天用量。干式石灰消化器采用意大利進(jìn)口產(chǎn)品,其結(jié)構(gòu)為臥式雙軸攪拌式消化器,設(shè)計消化能力為10t/ h , 消石灰粉含水率低于1.5% 。3.4 物料再循環(huán)及排放系統(tǒng)    脫硫除塵器收集的脫硫灰大部分通過空氣斜槽返回吸收塔進(jìn)行再循環(huán),該項目設(shè)有兩條循環(huán)空氣斜槽,通過控制循環(huán)灰量即可調(diào)節(jié)吸收塔的壓降。 &

24、#160;  在脫硫除塵器的灰斗設(shè)有2 個外排灰點,采用正壓濃相氣力輸送方式,輸送能力按實際灰量的200 % 設(shè)計,對應(yīng)配套兩條輸送管道將脫硫灰輸送到脫硫灰?guī)熨A存。3.5 工藝水系統(tǒng)    脫硫除塵島的工藝用水包括吸收塔脫硫反應(yīng)用水和石灰消化用水。前者通過高壓水泵以一定的壓力通過回流式噴嘴注入吸收塔內(nèi),在回流管上設(shè)有回水調(diào)節(jié)閥,用以跟蹤和調(diào)節(jié)水量。高壓水泵的流量為60m3/ h , 壓力為410MPa 。石灰消耗用水采用計量泵根據(jù)生石灰的加入量進(jìn)行控制。3.6 控制系統(tǒng)    CFB -FGD 的工藝控制過程主要有3 個控制

25、回路,這3 個回路相互獨立,互不影響。(1) SO2 控制: 根據(jù)吸收塔入口SO2 、ESP2 排放SO2 濃度和煙氣量控制吸收劑的加入量,以保證達(dá)到按要求的SO2 排放濃度; (2) 吸收塔反應(yīng)溫度的控制:通過控制噴水量可以控制吸收塔內(nèi)的反應(yīng)溫度在最佳反應(yīng)溫度70 80 ; (3) 吸收塔壓降控制:通過控制循環(huán)物料量,控制吸收塔整體壓降在16002000Pa 左右。    榆社項目采用SIEMENS 的DCS 系統(tǒng),操作簡單,畫面豐富,準(zhǔn)確靈活,與鍋爐主機(jī)通訊可靠暢通。4 工藝布置    榆社電廠2 ×300MW 機(jī)組CF

26、B -FGD 脫硫除塵島內(nèi)各個分系統(tǒng)均獨立設(shè)置,所有的工藝、電氣設(shè)備均為一爐一套。脫硫除塵島沿鍋爐中心軸,順煙氣方向成一字形布置,即原煙氣主煙道中心線、預(yù)電除塵器、吸收塔中心線、脫硫電除塵器中心線、鍋爐引風(fēng)機(jī)、煙囪在一條直線上。主要輔助工藝設(shè)施如工藝水系統(tǒng)、吸收劑制備系統(tǒng)就近圍繞吸收塔,各設(shè)備的平面和空間組合,既做到工作分區(qū)明確,又做到合理、緊湊、方便,外觀造型美觀,整體性好,并與電廠其他建筑群體相協(xié)調(diào),同時最大限度地節(jié)省用地。    脫硫除塵島內(nèi)的建構(gòu)筑物主要有預(yù)電除塵器、吸收塔、脫硫電除塵器、生石灰倉、消石灰倉、脫硫控制樓等。脫硫控制樓布置在兩臺爐的中間,兩臺

27、爐脫硫除塵島照片見圖2 所示。5 運(yùn)行情況    2004 年10 月初和11 月中旬,兩套脫硫系統(tǒng)分別與鍋爐同步投運(yùn),經(jīng)過1 個多月的試運(yùn)行后,于12 月上旬兩臺爐脫硫除塵島順利通過了78h 的滿負(fù)荷運(yùn)行考核,并移交給電廠運(yùn)行。    由于榆社電廠燃用貧煤和混煤,實際含硫量高于設(shè)計和校核煤種,約為215%, 在考核運(yùn)行時,脫硫除塵島的入口SO2 濃度最高達(dá)到近7000mg/ Nm3 ,但通過加大Ca/ S, 可以確保90 % 以上的脫硫效率,最高達(dá)到9814 %(參見圖3) ,同時脫硫后電除塵器出口粉塵排放在2050mg/ Nm3

28、之間,滿足環(huán)保要求。而在考核運(yùn)行中采用的吸收劑生石灰的純度只有70 %, 活性t60 為10min 左右。本次考核的運(yùn)行參數(shù)如表4 。表4 運(yùn)行參數(shù)考核結(jié)果序號  運(yùn)行項目                            單位      數(shù)值1 

29、0; 吸收塔入口煙氣量(干標(biāo))      Nm3/h    11000001150000 2   吸收塔入口煙氣量(濕標(biāo))      Nm3/h    12400001310000 3   主機(jī)負(fù)荷                 

30、;   MW       295300 4   吸收塔入口煙氣溫度                 120128 5   吸收塔入口粉塵濃度          g/Nm3    1222 6 

31、0; 吸收塔入口SO2 濃度          mg/Nm3   35006780 7   吸收塔入口煙氣含氧量        %        512516 8   吸收塔壓降           

32、       Pa       18401960 9   吸收塔出口煙氣溫度                 75 10  電除塵器出口粉塵濃度        mg/Nm3   2048 11  電除

33、塵器出口SO2 濃度        mg/Nm3   100400 12  電除塵器出口含氧量          %        611616 13  Ca/S              

34、          mol/mol  112115 14  脫硫率                      %        9098 15  脫硫電除塵器效率   &

35、#160;        %        99.996 16  吸收塔降溫用水量            t/h      32 17  消石灰消耗量           

36、;     t/h      71115 6 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析     分析結(jié)果見表5       表5 2 ×300MW 機(jī)組CFB -FGD 系統(tǒng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析序號  項目              單位      數(shù)值&

37、#160;        備注1    機(jī)組容量           MW        2 ×3002    工程投資           億元   

38、0;  1.2         不含土建、安裝3    吸收劑(生石灰單價) 元/t      2504    水價               元/t      0.8   &#

39、160;     電廠工業(yè)水5    電價               元/kWh    0.356    年運(yùn)行小時          h        75007&#

40、160;   吸收劑耗量          t/h      2×4.4      按設(shè)計煤種     吸收劑年費用        萬元     2×8258    水耗量 

41、60;            t/h      2×31.8     按設(shè)計煤種     水年費用            萬元     2×19.089   

42、電耗量              kW       2×2600     電年費用            萬元     2×682.510   人員                人       12      人員年費用