1、19 下关电厂烟气脱硫系统存在问题及优化改造检索号：32-Y2003-J36 热机专业技术交流大会论文下关电厂烟气脱硫系统存在问题及优化改造江苏省电力设计院2003年11月 南京下关电厂烟气脱硫系统存在问题及优化改造江苏省电力设计院 王志斌江苏苏源环保工程股份有限公司 周 军目 录1 总述2 存在问题2.1 活化器启停有关问题2.2 活化器增湿用雾化喷嘴的问题2.3 活化器进口垂直烟道底部积灰问题2.4 助推风管道的布置问题2.5 负压集灰系统的问题2.6 两相流管道的磨损问题2.7 飞灰可燃物含量的问题3 优化改造方案3.1 石灰石粉四角喷射改造3.2 活化器雾化喷咀改造4 性能试验情况5
2、优化改造费用6 优化改造效果7 优化改造经济效益分析8 结论1. 总述下关电厂#1、2脱硫系统引进芬兰富腾公司的LIFAC脱硫工艺和设备，自1999年7月投产以来，设备运行状况良好，系统的投运率在90%以上，使下关电厂的烟气SO2排放远低于规定的排放标准，为改善大气环境作出贡献，并起到了火电厂脱硫环保的示范作用。在火电脱硫取得社会效益的同时，电厂增加了发电成本。下关电厂脱硫系统的运行成本主要表现在厂用电和脱硫吸收剂的费用。根据试验测试，投用LIFAC脱硫系统使厂用电率提高约0.5%。另外，LIFAC脱硫工艺的钙硫比为2.5，目前运行一套脱硫系统需消耗石灰石粉约3.25t/h。按石灰石粉200元
3、/吨计，每小时增加运行费用650元。自下关电厂脱硫系统投产之后，进行了多次性能试验和优化试验，致力于提高脱硫效率的同时降低脱硫成本，增强脱硫系统运行的经济性，并提高脱硫系统运行稳定性和可靠性。根据多次试验的结果和3年多的运行经验，于2001-2002年实施了下关电厂#1脱硫系统改造，目的是降低石灰石粉消耗和脱硫系统电耗，同时提高脱硫效率。下面将论述脱硫系统投运以来所发生的问题及所采取的措施，并重点对石灰石粉四角喷射改造方案和活化器雾化喷咀改造方案进行论述和探讨。2 存在问题在LIFAC烟气脱硫系统投入运行以来，总体来说达到了设计要求，但在下面几个方面也存在着一些问题，通过采取一些改进措施，有些
4、问题已解决。2.1 活化器启停有关问题外方原设计的活化器启停顺序为在活化器投用或停用时，活化器出入口挡板门和旁路挡板门同时动作。这样，就给锅炉炉膛负压带来较大波动，同时该启停顺序未考虑活化器出入口挡板门已关闭而旁路挡板门未能及时打开会造成锅炉熄火的危险工况。并且，原设计的活化器挡板门的动作为连续方式，而且速度过快，锅炉燃烧调整难以适应，造成炉膛负压波动较大，尤其在挡板门即将全部关闭前更为明显。经与外方多次讨论后，决定修改活化器启停顺序，即在活化器投用时先打开活化器出入口挡板门，然后再关闭旁路挡板门；在活化器停用时先打开旁路挡板门，然后再关闭活化器出入口挡板门。同时，将旁路挡板门的动作方式改为步
5、进式，即动作5s，停止15 s，以便让炉膛负压有足够的调整时间。运行情况表明，这些改进使得活化器的启停对锅炉安全运行的影响减小到了最低的程度。2.2 活化器增湿用雾化喷嘴的问题为了使增湿水雾穿透整个烟气流，活化器增湿用雾化喷嘴整体处于烟气中，这样使喷嘴表面结垢较快，同时结垢易造成喷嘴清扫装置卡涩，不能进行正常的清扫工作，经过一段时间后，喷嘴出口处结垢导致其雾化性能降低，造成脱硫效率的降低，情况严重时，会造成活化器的停运。外方曾提出两个解决方案，但收效不大。现临时采取的措施是在正常运行时对九个喷嘴逐个抽出，进行人工清扫，造成电厂检修工作量较大。LIFAC工艺中活化器喷嘴的设计优化是本次优化改造重
6、点需要解决的问题。2.3 活化器进口垂直烟道底部积灰问题在距活化器垂直烟道底部3米处为活化器底部渣再循环装置的出口，通过烟气将灰渣携带到活化器内继续反应，以提高CaO的利用率。由于距垂直烟道进口太近，且处于水平烟道的交汇处，因此有大量的紊流存在，而且活化器底灰的含湿量较高（35%），造成大量底灰未能被携带上去，从垂直烟道底部排出，降低了脱硫率。同时，低负荷时，烟气量减少，流速降低，携带率更低，增加了垂直烟道底灰的下灰量。另一方面，活化器喷嘴雾化性能不好，也将造成灰的湿度加大，给灰的携带造成困难。经与外方协商，决定将垂直烟道烟气进口处的弯头和烟道的截面缩小，提高底渣再循环处的局部流速，增强烟气的
7、携带能力。经过这一改进，效果明显，垂直烟道底部下灰量明显减少，基本达到设计值。对于低负荷下灰量增加这一情况，建议在电厂大修时，对整个垂直烟道进行改造，减小其截面以提高烟速。2.4 助推风管道的布置问题本工程外方设计的助推风管道不太合理。一方面，可能对锅炉的燃烧造成了影响；另一方面，这种布置使得石灰石粉在炉内的分布极不均匀，造成脱硫效率降低且波动较大，还易造成炉膛局部区域出现结焦。建议对助推风母管的布置做如下修改：一种方法是将助推风母管做成等斜率渐缩管道，使每个喷嘴处的动压和静压基本相等，从而使其流量均匀；另一种方法是在去每个喷嘴的支管上增加可调缩孔，调整每路支管的压力降来调节流量。最终实施的改
8、造方案将在下文中专门论述。2.5 负压集灰系统的问题由于LIFAC系统的投用，灰量和灰的性质发生了变化，增加了电除尘器灰斗下的负压集灰系统处理的灰量和输送难度。负压系统在设计时虽已考虑了这些因素，但如果活化器运行控制得不好的话，负压集灰系统的处理能力将有所下降，几乎没有裕量，造成灰系统必须连续运行，降低了系统的运行可靠性。如果运行工况进一步恶化的话，将会造成除尘器灰斗积灰，降低电除尘器的除尘效率，导致必须降低除尘器进口灰浓度，也就是必须停灰再循环系统。而灰再循环系统的停用，又将造成脱硫效率和吸收剂利用率的降低。建议在今后运行过程中：（1）加强对活化器的运行控制，尤其是增湿水量和活化器出口烟气温
9、度的控制；（2）加强ESP灰斗的保温和灰斗加热器的投运，并把加热器温度设定在较高温度；（3）负压集灰系统的输送气源可以考虑从温度较高的地方，如引风机出口处，以避免冷的补气使粉体冷却结露。2.6 两相流管道的磨损问题在下关电厂的灰再循环管道和石灰石粉喷射管道的施工图设计中，设计院采用了陶瓷钢铁复合耐磨焊接弯管。而在现场施工过程中，外方坚持要改为普通火煨弯管，理由是采用焊接弯头将会增加系统阻力，使灰再循环风机和石灰石粉输送风机压头不够。经过一段时间的运行，很快发现灰再循环管道的几处火煨弯管磨穿，造成厂区大面积粉尘污染。因此决定在灰循环管道上用陶瓷弯管代替火煨弯管。通过运行表明，这一做法很好的解决了
10、磨损问题，而且，风机的电耗并没有明显增加，系统运行正常。2.7 飞灰可燃物含量的问题在下关电厂LIFAC系统性能试验时，发现在投LIFAC系统前后，飞灰可燃物含量由1.68%增加到了2.88%。当然，这也有燃烧调整不好的问题。但从理论分析来看，LIFAC系统的投入可能增加了飞灰中的可燃物含量。（1）温度较低的石灰石粉和助推风的喷入，影响了炉膛内的燃烧动力工况和温度场分布；（2）石灰石粉炉内分布的不均，造成部分CaCO3分解不完全，附着在焦炭表面，阻止其进一步燃烧；（3）CaCO3分解消耗了氧气，加强了炉膛上部的还原性气氛；（4）CaO在高温下与Fe2O3、Si2O3、Al2O3等结合生成的低熔
11、点共晶体附着在炭粒表面，阻止其燃尽。关于这一问题，还需继续分析研究后才能下结论。3优化改造方案3.1 石灰石粉四角喷射改造3.1.1 原脱硫系统的工艺和布置原脱硫系统的石灰石粉喷射系统工艺流程见附图A。石灰石粉喷射管路从罗茨风机出来后分为两路，分别引至锅炉前墙29.7米和32.2米标高处经5只喷嘴向炉内喷射。为了增加喷射的刚度使石灰石粉在炉膛上部与烟气充分混合，专门设置了助推风机向石灰石粉喷嘴提供助推风。两路喷射管路用气动切换阀控制，高负荷时使用上层喷嘴，低负荷时使用下层喷嘴，以保证负荷工况变化时石灰石粉喷入合适的温度区域。3.1.2 炉内脱硫分析石灰石粉喷入炉膛进行反应存在一个合适温度区，温
12、度过低则不能完全分解，温度过高则会产生过烧导致石灰石粉颗粒烧结而失去活性，无法进一步活化进行脱硫反应。研究表明合适温度区为8501250。经过3年多的运行和多次脱硫系统性能试验，发现上、下层喷嘴虽然能喷入8501250的温度区域，但石灰石粉仍未能充分分解利用，脱硫效率还有提高的潜力。对性能试验结果进行分析认为，在锅炉上存在一个四角喷射的层面，标高介于前墙下层石灰石粉喷嘴层与煤粉喷燃器层之间。在此层面进行四角喷射，石灰石粉颗粒在炉膛中的滞留时间增加，反应时间延长，炉内混和程度增加，同时颗粒的分布也得到改善。对石灰石粉喷射系统和燃烧系统进行改造，将石灰石粉前墙喷射改为四角喷射，可以进一步提高脱硫效
13、率或减小石灰石粉耗量，降低脱硫成本。另外，抽取部分燃烧空气将石灰石粉送入炉膛上部，可以降低烟气中的NOX的排放。3.1.3 温度场试验为满足下关发电厂#1炉脱硫改造工程的要求，进行了#1炉炉膛温度场试验，用水冷抽气热电偶分别测试了3个负荷点的温度场。通过炉膛温度场测试，取得#1炉燃烧器上部至屏过区域的炉膛温度场分布，为脱硫改造工程选择合适的脱硫喷钙位置提供有关温度场参数。3.1.4 四角喷射改造的技术方案比较：方案一：石灰石粉喷嘴布置在锅炉四角，共布置四只喷嘴，采用简易的四角喷射方式。方案二：石灰石粉喷嘴布置在锅炉的前后墙，共布置6只喷嘴，前后墙各布置3个，采用前后墙对冲的喷射方式。上述两个方
14、案各有利弊，从有利于烟气与石灰石粉的混合程度来看，经计算机模拟，方案二优于方案一。但考虑到此次改造管道布置难度较大，现场的限制条件较多，锅炉钢架、锅炉管道、平台扶梯、电缆桥架等障碍物密集，而到锅炉四角的管道的弯头数、长度必须相等以保证四角喷粉量均匀，经多次现场踏勘，方案二的石灰石粉管道和燃烧空气管道在满足设计原则的前提下难以布置，因此选用方案一。3.1.5 改造内容：根据温度场测试结果，选定石灰石粉喷嘴层的标高及石灰石粉喷嘴的位置，并在水冷壁开孔，安装石灰石粉喷嘴、截止阀、金属软管、膨胀节及管道系统。原石灰石粉下层喷射管路不变，原上层喷射管路自分配器前引出（DN125）至锅炉两侧墙中心线处（D
15、N100），再一分二（DN65）分别引至炉膛四角，以使管路到锅炉四角的距离相等，保证四角喷射的石灰石粉量相等。使用从二次风箱抽取的燃烧空气在锅炉炉膛中上部的四角将石灰石粉喷入炉膛，使石灰石粉在炉内最佳温度区的滞留时间增加并与烟气更充分地混合，避免或减少石灰石粉烧结现象，从而使用较少的石灰石粉即可达到同样的脱硫效率。石灰石粉喷嘴的助推和冷却采用锅炉燃烧空气代替原助推风，改造后助推风机停用，将降低厂界的噪声水平。用燃烧空气代替助推风的方案经校核，确认不会对石灰石粉喷射带来不利的影响。改造后的上层助推风管道自膨胀节后拆除。3.1.6 炉外管道设计布置的主要原则： 弯管的曲率半径最小为1000mm 四
16、路喷射管道的长度和弯头数应尽量相同 弯头数应尽可能少 管道连接应平滑，用法兰连接 材料用普通碳钢。 喷射管道末端近喷口处设置手动阀DN50。在阀门之前使用金属软管，金属软管可以在最后一个弯头处应用，但要确定弯曲半径大于1000 mm。3.2 活化器雾化喷咀改造3.2.1 原理简介炉后活化脱硫在高40米、直径11米的增湿活化塔中进行，水通过泵供到增湿活化塔的顶部，经9个喷嘴装置雾化成细小液滴，平均颗粒直径小于100微米。这些液滴对烟气中的SO2和SO3气体和固态吸收剂CaO，Ca(OH)2 粉末进行增湿活化脱硫反应。通过气液固三相接触的反应，烟气中的SO2被脱除。3.2.2 改造分析炉后活化过程
17、中，水的雾化是一个关键的工艺，对喷嘴的性能要求高。原脱硫系统采用美国喷雾系统公司(Spraying Systems Co)生产的CasterJet型空气雾化喷嘴，多用于钢铁铸造（Casting），在炼钢工业中已有数十年的应用历史。同时，该种喷嘴也广泛用于包括烟气处理，如脱硫（FGD）等的环保产业中，南京下关电厂的喷嘴应用就是其中一例。南京下关电厂几年来的运行实践证明：CasterJet型喷嘴满足了LIFAC脱硫工艺的设计要求。目前存在的主要问题是：由于CasterJet型喷嘴的气耗量相当大，电厂目前需为这些喷嘴提供约100Nm3/min 的压缩空气，能耗极大。FloMax喷嘴是喷雾系统公司拥有
18、多项专利并已经申请中国专利和商标保护的新型喷嘴。1996年投入商业应用以来，到1999年全球已有2000多家包括化工，电力，钢铁等不同公司采用。FloMax喷嘴是专为烟气脱硫脱氮和烟气冷却设计的，和其他喷嘴相比，在烟气处理的应用方面具有优势，在一些关键性能上有突破性的提高：第一，采用了特殊的节能设计，CasterJet喷嘴总气耗量为100 NM3/Min，FloMax喷嘴总气耗量低于10 NM3/Min，FloMax喷嘴使得压缩空气消耗量显著降低，仅为CasterJet型喷嘴的1/10，可取得显著的节能效果。通过改造目前正常运行的空压机中1台或数台将可改为备用而停运。除降低厂用电率之外，每年也
19、将节省可观的设备运行和维护费用。第二，FloMax喷嘴采用了特殊的抗堵塞设计。改造后可以拆除目前使用的喷嘴自动清灰机构，节约了运行和维护成本。通过对LIFAC脱硫系统中雾化喷嘴运行现状的分析，采用新型的FloMax喷嘴代替原CasterJet型喷嘴。雾化喷嘴系统进行改造，拆除旧喷嘴并安装新型喷嘴，新型雾化喷嘴在改善雾化效果的同时可以节省79%的压缩空气，改造后至少可以少投运一台空压机，使脱硫系统的电耗大幅降低，从而降低脱硫系统的运行费用。另外还可以改善活化器内部的雾化状况。富余的气源可以通过改造另供其他系统，使下关电厂压缩空气偏紧的状况得到改善。3.2.3 改造效益新型喷嘴的主要优点是压缩空气
20、的消耗量比原喷嘴大大降低，节气率可达79%，使得脱硫系统的电耗显著降低，具有极大的经济效益和节能效果。雾化喷咀改造还可以优化塔内工况，有利于提高脱硫效率。3.2.4 雾化喷嘴改造技术方案比较：锅炉烟气进入活化器后与雾化水混合即烟气增湿，活化器截面直径为11米，雾化水在雾化喷嘴中进行3次爆破得到微细液滴。方案一：在活化器上部仅设置一个大流量雾化喷嘴，对流经活化器的烟气进行增湿。方案二：在烟气流通截面上设置九个雾化喷嘴，对流经活化器的烟气进行增湿。方案一虽然能节省设备费用，使系统简化，但烟气增湿的可靠性低，一旦喷嘴产生缺陷就会导致活化系统停运，影响脱硫系统投运率。而且烟气增湿的层面小，运行中调节难
21、度大，易造成雾化水粘壁甚至冲刷活化器内壁。方案二则不易出现上述缺陷，便于设备检修维护，运行调整的余地大，有利于提高活化器系统的可用率。因此选用方案二。3.2.5 电气和热控在DAMATIC控制系统中将对部分新增或改造的设备进行控制，对控制程序、DAMATIC和主机组DCS的信号交换、MCC机柜添加模块等进行必要的修改。例如，为了在不同锅炉负荷下自动控制增湿水的喷射，对雾化水量顺序控制程序进行修改，以达到最佳的液滴尺寸和雾化效果。4. 性能试验情况脱硫系统优化改造之后，为了检验改造的效果，进一步了解改造后的系统特性，进行了3个负荷点历时3天的热态试验和脱硫系统性能验证试验。在排除炉内工况波动、工
22、业水压波动和燃煤含硫量波动的情况下，性能试验的结果表明：改造后脱硫系统运行正常，活化器和雾化喷嘴不存在湿堵问题，2003年46月#1机组增容改造暨大修期间对活化塔内部检查未发现腐蚀现象。Ca/S=2.5时，不同负荷下的脱硫率提高。活化塔进口烟道双挡板门处下灰量减少。压缩空气耗量和脱硫系统电耗下降。试验的部分数据比较见附表A。5. 优化改造费用改造项目的试验费用10万，设备、安装、调试费用38万，设计和技术服务费用18万，合计66万元。6. 优化改造效果（1） 通过改造可以进一步降低SO2排放，改善大气环境，其社会效益主要为无形因素，难以用金钱来量化估计。（2） 脱硫系统优化改造之后，获得以下效
23、果：（3） 在达到同样的脱硫率情况下石灰石粉耗量降低，Ca/S从2.5下降到2.2。（4） 使用同样石灰石粉耗量，使脱硫率增加5%，从而节省排污费支出。（5） 不再使用助推风，系统电耗下降。（6） 雾化喷嘴改造，降低空压机电耗至少200kW。（7） 石灰石粉在炉膛的分布更加均匀，锅炉积灰将减少。7. 优化改造经济效益分析（1） 进一步降低SO2排放，改善大气环境，减少酸雨对生物、建筑、水质、资源等的损害，环境效益进一步体现。 （2） 石灰石粉耗量减少，改造后Ca/S由2.5降到2.2，较改造前石灰石粉耗量降低了0.39t/h，按200元/吨计算，节省石灰石粉费用77.89元/吨，合389470
24、元/年。（3） 改造后可以少投运一台空压机，厂用电节省200kWh/h，按0.3元/kWh计算，可节省1000000kWh/年，合30万元/年。（4） 改造后SO2排放可以降低0.03822t/h，即每年少排放二氧化硫191.1t，SO2排放费按1000元/吨计算，则可节省费用191100元/年。（5） 因此，如果按照改造后脱硫效率不变的情况下运行脱硫系统，总计可节省689470元/年，静态投资回收期为0.96年；如果按照提高脱硫效率运行脱硫系统，总计可节省491100元/年，静态投资回收期为1.34年。8. 结论根据下关电厂脱硫系统3年以来的运行经验和多次试验的结果，通过技术经济分析比较和方
25、案论证，脱硫系统的优化改造项目得以实施并取得了显著的效果。在注重环保的当代，此项目成功之后，为此类电力脱硫技术的开发提供新的途径，对脱硫工艺的推广和示范产生积极意义。通过技术改造，脱硫系统的脱硫效率提高，成本降低，系统性能进一步优化，同时还可以节能降耗，节省厂用电。因此，无论从环保上还是从节能上来说，对脱硫系统进行优化改造都获得了成功。参考资料 LIFAC烟气脱硫技术总结，江蛟等，2000年8月 燃煤烟气脱硫，中国地质大学出版社，张新生等主编，1991 硫氮污染物的控制对策及治理技术，中国环境科学出版社，1994 下关电厂炉内喷钙炉后活化烟气脱硫工程评述，电力环境保护，周军等，2001年6月 SHAND电厂LIFAC工艺装置及最初运行，M.E.Ball，T.A.Enwald附图A下关电厂脱硫系统工艺流程简图附表A 试验数据比较表（部分）试验项目数据比较改造后脱硫效率+8.5%改造后空压机运行台数-1台活化器双挡板门处下灰量-55%雾化压力从0.4Mpa升至0.5Mpa时的脱硫效率+3.1%灰再循环给料机转速因子从50升至75提升脱硫效率+1.7%前墙喷射切换至四角喷射时脱硫效率+2.8%
