李貞強(qiáng)

(神華神東電力重慶萬(wàn)州港電有限責(zé)任公司，重慶 404027)

無(wú)GGH濕法脫硫工藝的“石膏雨”防治設(shè)計(jì)與運(yùn)行優(yōu)化

李貞強(qiáng)

(神華神東電力重慶萬(wàn)州港電有限責(zé)任公司，重慶 404027)

為了解決火力發(fā)電廠無(wú)GGH濕法脫硫工藝出現(xiàn)的“石膏雨”問(wèn)題，神華萬(wàn)州發(fā)電廠從脫硫吸收塔內(nèi)部流場(chǎng)調(diào)整、結(jié)構(gòu)設(shè)置、煙氣流速、邊界條件設(shè)定、煙囪結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化運(yùn)行，在很大程度上減少了濕法脫硫的“石膏雨”現(xiàn)象的發(fā)生。

石膏雨;濕法煙氣脫硫;設(shè)計(jì)優(yōu)化

0 引言

火電廠濕法脫硫工藝一般采取有GGH和無(wú)GGH兩種方案。有GGH的電廠的可以消除“石膏雨”現(xiàn)象，但極易存在換熱元件堵塞，能耗高、基建投資高、后期維護(hù)成本高，煙氣泄漏所造成的排放超標(biāo)等問(wèn)題;而無(wú)GGH的電廠可以消除這些不利因素，但許多電廠在運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)了煙囪出口煙氣攜帶石膏液滴現(xiàn)象，在煙囪附近形成“石膏雨”，連續(xù)的“石膏雨”對(duì)周邊居民生活及電廠生產(chǎn)產(chǎn)生了不良影響?！笆嘤辍背蔀閲?guó)內(nèi)石灰石－石膏濕法煙氣脫硫機(jī)組運(yùn)行的一大難題。神華神東電力萬(wàn)州發(fā)電廠為了避免該項(xiàng)目出現(xiàn)“石膏雨”現(xiàn)象，調(diào)研類(lèi)似電廠經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化到本項(xiàng)目中，并在大型計(jì)算機(jī)上建立脫硫塔的數(shù)值模型，利用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)技術(shù)驗(yàn)證優(yōu)化效果。

1 工程簡(jiǎn)介及成因分析

1.1 工程簡(jiǎn)介

神華神東電力萬(wàn)州發(fā)電廠規(guī)劃容量4× 1000MW，一期工程擬建設(shè)2×1000MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組，同步配套建設(shè)石灰石－石膏濕法煙氣脫硫裝置，脫硫效率不低于96%。脫硫裝置煙氣系統(tǒng)不設(shè)置旁路煙道及GGH，不單獨(dú)設(shè)置脫硫增壓風(fēng)機(jī)，脫硫增壓風(fēng)機(jī)與鍋爐引風(fēng)機(jī)合并設(shè)置，2臺(tái)機(jī)組合用1座雙內(nèi)筒煙囪。燃煤由神華神東電力供給，煤源為寧東煤。水源來(lái)自長(zhǎng)江三峽庫(kù)區(qū)蓄水。平均氣壓992.5Pa，極端最低氣溫－3.7℃，多年平均風(fēng)速0.8m/s。本項(xiàng)目的脫硫系統(tǒng)一個(gè)重要的技術(shù)特點(diǎn)為塔內(nèi)在液面和最下層噴淋層之間有一層湍流層(內(nèi)含湍流子)。

1.2 “石膏雨”成因分析

“石膏雨”其原因有:一是由于取消了GGH，導(dǎo)致排煙溫度低，降低了過(guò)飽和濕煙氣的有效排放高度，以致在煙囪附近低空大氣中形成“降雨”;二是由于脫硫塔內(nèi)煙氣流場(chǎng)分布不均勻，局部流速超出了除霧器的臨界速度，以致凈煙氣攜帶石膏漿液，并隨“降雨”一同落下，形成二次污染;三是環(huán)境溫度以及相對(duì)濕度影響，相對(duì)濕度較高的天氣由于大氣吸收水分的能力較弱從而使得出現(xiàn)石膏雨的機(jī)會(huì)更大或程度更重。

在導(dǎo)致石膏雨的這些原因中，排煙溫度低是形成“石膏雨”的重要條件，它決定了“雨”的形成與否;由于煙氣流場(chǎng)不均勻造成的局部流速偏離除霧器的最佳工作區(qū)間是形成石膏雨的最終原因，它決定了“雨”中夾帶石膏成分;設(shè)置濕式除塵器需要增加高昂的初投資且設(shè)備占地大，對(duì)總平面布置圖影響較大，場(chǎng)地限制的項(xiàng)目無(wú)法考慮增加濕式除塵器;同時(shí)濕除方案的后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)成本也極高;環(huán)境因素是不可控因素，避免“石膏雨”的技術(shù)措施應(yīng)將對(duì)環(huán)境因素的敏感性降到最低。

2 優(yōu)化設(shè)計(jì)及運(yùn)行措施

2.1 脫硫系統(tǒng)

在脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)上采取合理的措施，“石膏雨”的發(fā)生是可以避免或降低的。無(wú)GGH脫硫裝置設(shè)計(jì)上采取的措施主要體現(xiàn)在脫硫塔煙氣流速流場(chǎng)、除霧器的選型、鈣硫比和液氣比等方面。

(1)減小FGD實(shí)際入口煙氣量與設(shè)計(jì)參數(shù)的偏差。據(jù)調(diào)研和了解電廠出現(xiàn)“石膏雨”現(xiàn)象時(shí)，其FGD進(jìn)口煙氣參數(shù)及煤質(zhì)發(fā)熱量與設(shè)計(jì)值相差較大，運(yùn)行煤質(zhì)的低位發(fā)熱量明顯低于設(shè)計(jì)值，導(dǎo)致機(jī)組滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)煙氣流量增加，鍋爐的熱效率降低。因此，在脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，實(shí)際燃燒煤質(zhì)應(yīng)在設(shè)計(jì)值范圍內(nèi)，以保證FGD系統(tǒng)在設(shè)計(jì)工況下穩(wěn)定運(yùn)行。脫硫塔設(shè)計(jì)流速在3.6m/s左右，能較好的控制煙氣攜帶漿液液滴。

(2)減少FGD內(nèi)部煙氣進(jìn)入除霧器前流場(chǎng)不均。為了減少FGD內(nèi)部煙氣的流場(chǎng)不均，可采取措施:脫硫塔內(nèi)設(shè)置煙氣均布設(shè)施;調(diào)整脫硫塔內(nèi)噴淋層噴嘴的角度與方向減小偏流現(xiàn)象;最上層噴淋層的噴淋出口壓力，增加噴淋液滴粒徑，提高噴淋層對(duì)小顆粒霧滴的捕集，減少煙氣夾帶;提高除霧器層與相鄰噴淋層間間距，提高煙氣均布效果;提高除霧器與出口煙道之間的高度＞4m，降低煙氣經(jīng)過(guò)除霧器層后的二次夾帶等。

(3)選擇合適的除霧器類(lèi)型。平板式除霧器設(shè)計(jì)流速一般在3.5～4.5m/s左右，而屋脊式除霧器設(shè)計(jì)流速比平板式除霧器范圍大，一般為3.8～7m/s左右。另外，屋脊式除霧器的結(jié)構(gòu)較平板式除霧器增加了除霧器的除霧面積，為提高其可利用率，宜選用能有效減少漿液夾帶和安全性更好的屋脊式除霧器。為防止除霧器結(jié)垢堵塞，除霧器沖洗水量和頻率的調(diào)節(jié)，應(yīng)適應(yīng)除霧器壓差參數(shù)的變化。為了使流經(jīng)除霧器的煙氣分布均勻，可增加一級(jí)管式除霧器作為脫硫塔第一級(jí)除霧器，既可有效去除大霧滴，又能均布塔內(nèi)煙氣，提高后級(jí)除霧器的除霧效果。管式除霧器和二級(jí)屋脊式除霧器可組合成三級(jí)除霧器，同時(shí)通過(guò)最大限度減少除霧器盲區(qū)，可以把三級(jí)除霧器后的液滴含量降低到≤50mg/m3，從而減少“雨”的形成。

(4)采用較小液氣比。采用較低的液汽比達(dá)到系統(tǒng)脫硫效率，可減少煙氣攜帶液滴，從而減少“石膏雨”的產(chǎn)生。此外，脫硫塔石膏漿液噴淋層的噴嘴入口壓力高，噴出漿液中小粒徑的比例增多易形成“石膏雨”，因此在設(shè)計(jì)上對(duì)漿液循環(huán)泵至噴嘴入口處的管道、噴淋層及管件等沿程阻力應(yīng)詳細(xì)計(jì)算，保證噴嘴的霧化效果。

(5)運(yùn)行操作中的注意事項(xiàng)。“石膏雨”多出現(xiàn)在鍋爐高負(fù)荷運(yùn)行期間，這與煙氣流量有關(guān)。當(dāng)機(jī)組帶大負(fù)荷時(shí)，在保證鍋爐正常燃燒用氧前提下，適當(dāng)減少風(fēng)量，控制爐膛負(fù)壓與升壓風(fēng)機(jī)壓力，降低煙氣流量和流速。

電廠在運(yùn)行方面應(yīng)注意以下方面:加強(qiáng)除霧器壓差參數(shù)監(jiān)控，防止除霧器結(jié)垢堵塞;確保沖洗水量及沖洗壓力，嚴(yán)格控制除霧器沖洗周期;合理調(diào)整脫硫塔pH值，pH值應(yīng)控制在5.2～5.8之間;脫硫裝置中漿液密度會(huì)隨石灰石中的碳酸鎂含量變化，一般情況漿液密度控制在1.15 kg/L以下，所對(duì)應(yīng)漿液固含量在20%以下;脫硫運(yùn)行，應(yīng)和集控運(yùn)行多聯(lián)系，尤其在升降負(fù)荷時(shí);當(dāng)機(jī)組高負(fù)荷時(shí)，在保證鍋爐正常燃燒需氧量的前提下，適當(dāng)減少風(fēng)量，控制爐膛負(fù)壓，降低煙氣流量和流速，在機(jī)組低負(fù)荷時(shí)，合理減少?lài)娏軐拥耐哆\(yùn)數(shù)量，降低液氣比。除塵器運(yùn)行方式依據(jù)負(fù)荷、煤種及煙囪出口濁度及時(shí)調(diào)整，盡量降低脫硫塔入口煙塵濃度。

2.2 煙囪

(1)煙氣流速選擇。為避免出現(xiàn)石膏雨現(xiàn)象，煙囪內(nèi)徑和出口煙氣流速計(jì)算嚴(yán)格按照《火力發(fā)電廠燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)規(guī)程》(DL/T 5240－2010)的要求。

煙囪出口煙氣速度選取如同煙囪高度一樣，根據(jù)鍋爐所在地區(qū)的煙塵及排放物的擴(kuò)散條件來(lái)確定。為了確定合理的排煙筒內(nèi)煙速和出口煙速，應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、安全可靠性及有利于降低地面污染物濃度等因素，對(duì)排煙筒的流速進(jìn)行優(yōu)化，使之在避免煙雨下洗所要求較高出口流速與減少煙囪下酸霧所要求較低流速之間達(dá)到最佳平衡。

經(jīng)優(yōu)化計(jì)算，本工程煙囪內(nèi)徑為8.5m，采用鋼煙囪內(nèi)襯鈦合金，設(shè)計(jì)流速為19.5m/s。

(2)煙囪設(shè)計(jì)。煙囪排煙筒線(xiàn)形及內(nèi)襯表面選用盡可能的平滑，以保證煙囪排煙筒內(nèi)煙氣流速不超過(guò)酸液液膜撕裂的臨界流速。設(shè)置積液排液裝置，避免液體會(huì)重新進(jìn)入煙氣流并被攜帶出煙囪。煙氣中的液滴沉積在煙囪排煙筒的內(nèi)表面上，在自身重力的作用下，酸液向下流動(dòng)，沿?zé)焽枧艧熗餐脖谙滦兄翆?dǎo)流平臺(tái)，酸液沿傾斜設(shè)置的導(dǎo)流板匯聚于排酸口處，通過(guò)耐酸排液管排往煙囪外指定位置。在排酸管口設(shè)置防塵網(wǎng)，防止較大顆粒的濕灰塊進(jìn)入，防止排酸管道堵塞，保持排酸液管的通暢。

3 脫硫塔流場(chǎng)數(shù)值模擬

CFD軟件(Computational Fluid Dynamics，CFD)即計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)。萬(wàn)州港電公司委托華北電力大學(xué)對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行前后的脫硫塔進(jìn)行數(shù)值模擬，為節(jié)省人力、物力與時(shí)間對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)和運(yùn)行最核心的脫硫塔部分進(jìn)行數(shù)值模擬。

3.1 脫硫塔內(nèi)設(shè)置煙氣均布設(shè)施的影響

設(shè)置煙氣均布設(shè)施前后的煙氣速度場(chǎng)模擬結(jié)果見(jiàn)圖1。

圖1 有無(wú)煙氣均布設(shè)施的煙氣速度場(chǎng)

從圖1可知，在沒(méi)有煙氣均布設(shè)施的流場(chǎng)中，煙氣流動(dòng)出現(xiàn)了明顯的偏流，在脫硫塔進(jìn)口的遠(yuǎn)端塔壁附近出現(xiàn)了較高的流速區(qū)，這種現(xiàn)象一直到一二噴淋層中間截面仍很明顯，一方面影響了脫硫漿液的高效利用，另一方面局部的較高的煙氣流速導(dǎo)致煙氣對(duì)液滴的攜帶能力增強(qiáng)，對(duì)除霧器工作不利。而在有煙氣均布設(shè)施的流場(chǎng)中，雖然在煙氣均布設(shè)施以下的區(qū)域仍有偏流存在，但當(dāng)煙氣經(jīng)過(guò)煙氣均布設(shè)施后，進(jìn)口的近端與遠(yuǎn)端流場(chǎng)的差距基本消除，這說(shuō)明煙氣均布設(shè)施對(duì)煙氣產(chǎn)生了良好的均流作用，同時(shí)，煙氣以均勻流速進(jìn)入除霧器，對(duì)保證除霧器的除霧功能的充分發(fā)揮具有極大的作用。

3.2 噴淋層對(duì)脫硫塔內(nèi)流場(chǎng)的影響

從圖2可以看出，無(wú)噴淋時(shí)，雖然煙氣均布設(shè)施糾正了一部分的煙氣偏流，但流場(chǎng)在入口的近端與遠(yuǎn)端的分布不均并未完全消除，加入噴淋后，在湍流器、噴淋層的共同作用下，偏流完全消失，煙氣流場(chǎng)實(shí)現(xiàn)良好的均勻分布。

在噴淋層投運(yùn)的情況下，都能很好的均布湍流器到除霧器的流場(chǎng)，使得進(jìn)入除霧器的煙氣有均勻的速度分布，所以噴淋層的噴嘴噴射的角度和方向也對(duì)脫硫塔內(nèi)流場(chǎng)起到十分重要的作用。

圖2 有無(wú)噴淋層時(shí)煙氣流速分布示意

3.3 除霧器的影響

除霧器對(duì)流場(chǎng)具有疏理作用，除霧器后的流場(chǎng)如圖3所示。

圖3 除霧器后的流場(chǎng)

研究表明，脫硫石膏漿液霧滴直徑一般在1000～2000μm，經(jīng)碰撞后還會(huì)產(chǎn)生少量在15μm左右的液滴，99.99%的22μm以上的霧滴以及50%的15～22μm的霧滴能夠被除霧器除去。而對(duì)于15μm以下的霧滴，除霧器無(wú)法攔截。除霧器的運(yùn)行實(shí)踐表明，當(dāng)霧滴攜帶量≤50mg/m3，在現(xiàn)有排煙溫度下即可避免石膏雨的出現(xiàn)，而在理想的工作煙速的情況下，除霧器可以達(dá)到≤30mg/m3的液滴攜帶量。可見(jiàn)通過(guò)流速控制來(lái)避免石膏雨在技術(shù)上是可行的，而流場(chǎng)均勻性對(duì)理想流速的獲取是關(guān)鍵和重要的。針對(duì)“石膏雨”問(wèn)題，在本工程的除霧器上也所采取的相應(yīng)的措施:在邊角處增加除霧器異形模塊，最大面積布置除霧器;設(shè)置管式除霧器，阻擋大液滴進(jìn)入屋脊式除霧器層，進(jìn)一步均勻煙氣分布;優(yōu)化沖洗水方式，改進(jìn)沖洗水的噴嘴布置和沖洗水量與沖洗邏輯。

3.4 出口煙道優(yōu)化對(duì)塔內(nèi)流場(chǎng)的均布作用

根據(jù)流體力學(xué)的基本原理，除霧器之后煙道布置也會(huì)對(duì)除霧器中的流場(chǎng)產(chǎn)生干擾，為保證除霧器在最佳條件下工作，重新對(duì)出口煙道也進(jìn)行了優(yōu)化，即將出口煙道由“側(cè)出”改為“頂出”，以及將煙道的直角彎改為圓弧彎、由等截面管道改為漸擴(kuò)形管道等減小阻力損失等措施。圖4分別為出口煙道優(yōu)化前和優(yōu)化后的脫硫塔流場(chǎng)分布。

圖4 出口煙道優(yōu)化前后的脫硫塔速度場(chǎng)

從圖4可以看出，在對(duì)脫硫塔出口煙道優(yōu)化之后，加大了出口與除霧器之間的距離，煙氣有更加充分的流動(dòng)空間，在偏轉(zhuǎn)之前煙氣有充分的運(yùn)動(dòng)時(shí)間和空間，使除霧器區(qū)域的均勻流場(chǎng)范圍明顯擴(kuò)大了，而且減小了出口的阻力。通過(guò)模擬可以看出，對(duì)脫硫塔出口煙道的優(yōu)化必要且合理。

4 結(jié)語(yǔ)

“石膏雨”是石灰石－石膏濕法脫硫系統(tǒng)中的一個(gè)實(shí)際問(wèn)題，在神華神東電力萬(wàn)州項(xiàng)目上，從脫硫吸收塔內(nèi)部流場(chǎng)調(diào)整、結(jié)構(gòu)設(shè)置、煙氣流速、邊界條件設(shè)定、煙囪結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方面優(yōu)化設(shè)計(jì)，相信可以有效地改善和減小煙氣中攜帶石膏漿液現(xiàn)象。

［1］HJ/T 179－2005，火電廠煙氣脫硫工程技術(shù)規(guī)范石灰石/石灰－石膏法［S］.

［2］DL/T 5240－2010，火力發(fā)電廠燃燒系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算技術(shù)規(guī)程［S］.

［3］DL/T 5418－2009.火電廠煙氣脫硫吸收塔施工及驗(yàn)收規(guī)程［S］.

［4］胡曉貝.燃煤電廠煙氣脫硫裝置的優(yōu)化仿真設(shè)計(jì)研究［D］.北京:華北電力大學(xué)，2013.

［5］趙毅冊(cè)，程軍.流體力學(xué)［M］.上海:同濟(jì)大學(xué)出版社，2004.

［6］李文科.工程流體力學(xué)［M］.合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，2007.

Discussion on control design and operation optimization of gypsum rain in wet FGD process without GGH

To solve the gypsum rain phenomenon in the wet desulfurization process of thermal power plant w ith no GGH，Shenhua Wanzhou Electric Power Com pany designs and operates by the desulfurizing absorption tower internal flow adjustment，structure setup，flue gas velocity，boundary conditions setting，chimney structure optim ization etc.，largely reduce the gypsum rain phenomenon of the wet desulfurization.

gypsum rain;wet FGD;design optim ization

X701.3

:B

:1674－8069(2015)02－028－04

2014-12-09;

:2015-01-03

李貞強(qiáng)(1980-)，男，河南南陽(yáng)人，工程師，長(zhǎng)期從事熱動(dòng)及環(huán)化專(zhuān)業(yè)。E－mail:9458501@qq.com