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湿式除尘脱硫一体化技术在电厂中的应用设计

  摘 要:结合湿式除尘器进行脱硫改造时所增加的除尘、脱硫、防结露和沉降池等系统,分别对除尘脱硫一体化技术的原理、系统组成及其主要设备进行了介绍,最后以某发电厂湿式除尘器改造工程为例,说明了设计方案及其技术性能指标,并对比分析了所产生的经济效益。
  关键词:火电厂;湿式除尘器;脱硫除尘器;除尘;脱硫
  湿式除尘脱硫一体化是一种高效除尘、兼顾脱硫,比较适合我国国情的湿式除尘器改造技术。在20世纪70~80年代,此项技术已应用于北美和欧洲的已建机组和油改煤机组的除尘器改造中,其初投资和运行费用都很低,多年的运行实践证明它是一种应用较为广泛的成熟技术。
1 湿式除尘脱硫一体化技术基本原理
  湿式除尘脱硫一体化原理见图1,它主要由除尘、脱硫、防结露以及沉降池等系统组成。
1.1 除尘系统
1.1.1 除尘原理
  湿式除尘器除尘脱硫一体化技术中的除尘系统采用2级除尘技术对烟气中飞灰进行除尘,总除尘效率为99.6%。
  一级除尘利用在除尘脱硫塔中8层喷嘴形成由上而下的16层水膜,与向上流动的含尘烟气进行充分碰撞、拦截和凝集等作用,对灰尘进行洗涤除尘,效率可达98.3%。通过水膜与灰尘的充分接触,不仅降低了烟气在除尘脱硫塔内流速,而且浆体中灰尘经沉降池沉降,含灰浓度低的灰水可以循环使用,降低了除尘系统的耗水量。
  二级除尘由文丘里管和捕滴器两部分组成。从除尘脱硫塔流出60℃左右的饱和烟气进入文丘里管,由于饱和烟气在文丘里管内压差变化,饱和烟气中的水分以没有被除掉的细小灰尘颗粒为中心,形成细小含灰水滴。通过文丘里管出口的小喷嘴喷出的水膜离心作用和绝热膨胀作用,使细小含灰水滴形成大液滴,利用重力作用将其排出。从文丘里管流出的饱和烟气进入现有的捕滴器,捕滴器不仅可除去烟气中的部分水分,而且还可以对烟气中剩余的含灰水滴进行除尘,二级除尘效率可达1.3%。
1.1.2 系统组成及其配套设备
  除尘系统包括烟气系统、除尘器、灰水系统和除尘洗涤循环水系统。烟气系统主要由烟道、联箱、风
门和引风机等组成。为了保证冬季引风机正常运行,可考虑在烟气系统中增加防结露系统。灰水系统主要由补给水、排浆管路、泥浆泵和灰沟组成。为了保证除尘脱硫塔底部一级沉降池有足够的水进行排灰,需要向除尘脱硫塔内补充水量。除尘过程所需补水分为三路:第一路是通过在文丘里管中的特殊喷嘴喷水除尘后,利用重力作用在文丘里管出口处进入联络管,再进入除尘脱硫塔内,流入一级沉降池;第二路、第三路补水分别引入一、二级沉降池,其中第三路补水管路上装有电动蝶阀,由除尘系统液位控制回路控制,以保持沉降池液面稳定。在二级沉降池底部有高浓度灰浆排浆管,通过灰浆泵将高浓度灰浆排入灰沟。
  除尘洗涤系统由一级沉降池、二级沉降池、循环泵及除尘脱硫塔组成。一级沉降池位于除尘脱硫塔
下方,上部与除尘脱硫塔相互连通,底部与排灰沟相连。从除尘脱硫器内喷嘴喷出的循环水对烟气除尘洗涤后,进入一级沉降池,一部分高浓度灰浆从底部排掉,沉降池上部灰水通过管道进入二级沉降池,灰浆中固体颗粒经过较充分沉降后沉淀,而上部低浓度灰水经循环水泵输送到除尘脱硫塔的喷嘴中进行除尘循环。
  除尘器是除尘系统中的关键设备,主要由除尘脱硫塔、螺旋喷嘴、文丘里管和捕滴器组成。
1.2 脱硫系统
1.2.1 脱硫原理
  湿式除尘脱硫一体化技术中的脱硫系统是基于湿法脱硫技术原理开发的简易脱硫技术。以生石灰(CaO)或熟石灰Ca(OH)2为脱硫剂,将其配制成石灰浆液加入除尘系统中,在除尘的同时脱除烟气中的二氧化硫,脱硫副产物与除尘的灰浆一起排入灰场。整个系统运行中发生的化学反应如下。
  CaO+SO2+1/2H2O——CaSO3·1/2H2O
  Ca(OH)2+SO2+1/2H2O——CaSO3·1/2H2O+H2O
  CaSO3·1/2H2O+SO2+1/2H2O——Ca(HSO3)2
  2CaSO3·12H2O+O2+H2O——2CaSO4·2H2O
  脱硫剂首先制成质量分数为15%~20%的浆液,定量加入除尘系统的沉降池中与除尘用洗涤循环水一起喷入除尘脱硫塔,同时除去烟气中的粉尘和二氧化硫,通过加入脱硫剂可达到减少除尘系统腐蚀和减少二氧化硫排放双重目的。
1.2.2 系统组成及主要设备
  脱硫系统包括干脱硫剂的运输和贮存、脱硫剂的消化和制浆、浆液的输送、浆液加入系统和工业卫
生通风除尘系统。
  脱硫剂通常为石灰,应采用坚固和防雨防潮材料制成的专用包装。在贮存场采用合适的起重设备倒运和向中间储仓加料。中间储仓的脱硫剂通过计量加料装置加入消化槽中,同时按比例向消化槽中加水、机械搅拌。消化槽内的石灰浆通过渣浆泵送入中间槽贮存和缓冲。中间槽配有渣浆泵向除尘系统沉降池出料(或自流出料)。由于脱硫剂贮运系统易出现扬尘,因此在其易于扬尘点应考虑加装收尘风机,引至收尘系统入口烟道。由于脱硫剂消化工序产生蒸汽,因此考虑采用通风机将其集中排放至室外。脱硫系统主要设备包括起重设备、中间料仓、圆盘给料机、消化槽、渣浆泵以及中间搅拌槽等。
1.3 防结露系统
1.3.1 防结露原理
  为防止冬季室外温度低于-15℃,排烟温度低于60℃时引风机内严重结露,造成大量积灰,引起引风机震动,应考虑增加防结露系统。从锅炉尾部烟道引出烟道旁路,经干式除尘器将部分烟气引入捕滴器出口烟道中。系统以除尘脱硫塔入口与捕滴器出口间的烟气压降为动力,与烟气除尘系统并联运行,用以提高除尘系统排烟温度。通过调整防结露系统的烟道挡板,可调节旁路烟气量,满足机组经济运行的需要。
1.3.2 系统组成及主要设备
  防结露系统主要由连接烟道、干式高效除尘器、烟道挡板和烟道补偿器等串联组成。为减轻磨损,烟
道挡板应布置在干式高效除尘器下游。
1.4 沉降池系统
1.4.1 沉降原理
  沉降池系统是利用灰水在大容量容器中流速显著降低,部分飞灰能在重力作用下沉降,将灰水分为浓相区和稀相区,并在浓相区内将灰水排掉来实现排灰的目的。
1.4.2 系统组成及主要设备
  沉降池系统由二级沉降池组成。由灰浆泵完成排污工作,污水经渣池排至灰场,灰浆泵设置备用泵。稀相灰水由循环灰浆泵送入除尘脱硫塔内喷嘴。
2 湿式除尘脱硫一体化技术在电厂中应用设计
2.1 改造方案的设计原则
  某发电厂3号汽轮发电机组,其容量为215MW。除尘系统为麻石水膜除尘器,设计除尘效率为95%,改造前实际除尘效率为90%,二氧化硫直接排放,没有采取脱硫措施。为了降低二氧化硫和烟尘的排放量,该厂决定进行除尘脱硫技术改造。
  具体改造设计方案由我公司负责,我们在保留原有水膜除尘器的基础上,在拆除锅炉炉墙烟道分岔处至麻石水膜除尘器入口段烟道的位置上,加装包括除尘脱硫塔、文丘里管、防结露装置、沉降池、脱硫浆液制备、输送以及转机和控制楼等一整套除尘脱硫装置。由于灰水以及脱硫剂均为循环使用,所以其耗水量与原水膜除尘系统基本相同,电耗水平与静电除尘器基本持平,改造后烟气系统的总阻力变化不大,可使用现有引风机,不必更换新的风机。该改造方案设计原则为:
  a.在设备选型和专用设备设计时积极考虑现场维护、检修的实际情况和条件,使改造后的各系统
设备能进行方便、可靠的维护和检修;
  b.充分考虑现有设备及其布置、空置场地的实际情况,尽量避免原设备、系统的更换和改造,设备布置紧凑,尽量减少改造部分的占地面积,使设计方案合理可行;
  c.在保证技术指标的前提下,充分考虑除尘脱硫一体化技术的经济性,利用该技术所具有的初投资较少、运行费用较低的特点,使实施方案的经济指标达到较好的水平。
2.2 三种设计方案的技术经济分析
  本次改造针对采用静电除尘器(方案1)、静电除尘器+湿法烟气脱硫(方案2)和湿式除尘脱硫一体化(方案3)等三种方案进行了详细技术经济比较,见表1。经济技术分析的原始条件:除尘器入口烟尘质量浓度不大于30g/m3;燃用煤种硫分质量分数不超过0.5%,烟气二氧化硫排放质量浓度不超过1143mg/m3;
  技术经济分析如下:
  a.湿式除尘脱硫一体化技术具有很高的除尘效率,除尘效率可达99.6%,除尘指标高于改造前的除尘器,对于静电除尘器无法脱除的10μm级粉尘颗粒也具有很好的除尘效果;
  b.该技术可达到70%的脱硫效率,虽然与投资大、系统复杂的湿法烟气脱硫相比效率偏低,但对于燃用中低硫分煤种的机组完全能够满足环保的要求,具有较好的技术经济指标;
  c.改造后烟气系统的压力总损失较低(低于1200Pa),与原除尘系统的阻力相当,不必象湿法烟气脱硫增设增压风机,可以直接使用现有引风机;
  d.在不考虑排污收费的情况下,湿式除尘脱硫一体化的年运行、维护费用为81.6万元,低于湿法烟气脱硫的109.5万元,略高于静电除尘器的56.8万元;若考虑静电除尘器的后期运行维护,其费用基本相当;
  e.按照现行的排污收费的环保政策,考虑所花费的脱硫费用,湿式除尘脱硫一体化改造的年排污费比静电除尘器改造的年排污费净减100.7万元;按照国家逐步提高排污收费标准的原则,电厂在排污缴费方面的受益还会提高;
  f.综合运行、维护、脱硫消耗、排污费征收等各方面因素,湿式除尘脱硫一体化改造的年综合费用为205.9万元,相对于静电除尘器的281.8万元和湿法烟气脱硫的426.9万元,此项技术具有很好的经济运行指标。
  对于我国东北地区的200MW及以下的发电机组,其除尘系统多数采用湿式除尘器,目前实际除尘效率只有90%左右,而且煤种多变、灰尘排放量大,机组均未加装脱硫装置,严重污染大气环境,无论是从达标排放还是电厂的自身经济运行,都必须采取治理措施。湿式除尘脱硫一体化正是解决该问题的一种有效、合理、成熟的技术。