濕法脫硫工藝的拓展性創新與應用
摘要:結合工程實際 ,介紹了濕法脫硫技術的拓展性創新“ 三爐一塔、一爐調峰” 脫硫技術 ,在研究分析該技術的特殊性和難點的基礎上 ,進行了有針對性的研究開發 ,提出了有效的設計思路和控制策略。
關鍵詞:濕法脫硫,創新,開發,應用
0 引言
影響脫硫工程建設的因素很多 ,主要包括電廠所在區域的環境容量、環保法規、資源狀況和機組容量、燃煤硫分、機組壽命、年運行時間、副產品的處置、場地條件、建設難度等。特別是在建設初期未考慮安裝脫硫裝置的老機組 ,將會面臨空間狹小、機組
容量偏小、資金籌措難、脫硫電價尚未落實等困難。為了實現脫硫成本、 效益的最大化 ,應充分結合電廠的內、 外部資源條件進行優化設計。
國電天津第一熱電廠 3臺 220 t /h鍋爐煙氣脫硫技改工程是國家《兩控區酸雨和二氧化硫污染防治“十五” 規劃 》的重點治理項目 ,也是中國國電集團公司重點脫硫技改項目、天津市“藍天工程” 項目、天津市環保局專項資金支持的重點項目。國電
環境保護研究院在執行該項目時 ,根據電廠的實際情況 ,本著經濟、有效、SO2減排最大化的原則 ,充分利用電廠經拆除、搬遷、改造后騰出的場地 ,在總結國內外“一爐一塔” 和“二爐一塔” 脫硫工程經驗教訓的基礎上 ,對 3臺鍋爐共用 1套脫硫裝置且保證1臺鍋爐能隨時啟停 ,具有調蜂能力的濕法脫硫工藝進行了拓展性的開發 ,提出了“三爐一塔、一爐調峰” 的設計方案 ,并在工程建設中得到了有效的實施 ,取得了成功的經驗 ,填補了國內空白 ,開創了現有中小型機組脫硫的新思路。
1 工藝的提出
天津第一熱電廠地處天津市中心 ,是承擔天津城區供熱的老廠 ,機組采用母管制布置。由于電廠所處區域環境敏感度高 ,為達到天津市的 SO2 排放要求 ,即使燃用硫分為 0.97%的煤炭 ,仍需建設脫硫效率高達 95.5%的脫硫裝置。因電廠在建設初期沒有預留脫硫建設場地 ,為了能夠在有限的建設空間內實現 SO2減排最大化 ,達到排放標準 ,我們確定采用國內外廣泛應用、脫硫效率較高的石灰石—石膏濕法脫硫工藝。
由于電廠鍋爐容量較小 ,燃煤硫分僅 0.97%,且6臺爐共用1座煙囪 ,每側3臺鍋爐對稱布置。若采用常規的一爐一塔 ,顯然不經濟;若采用已有成功應用經驗的二爐一塔 ,其經濟性將大大提高;但是 ,結合天津第一熱電廠的實際情況 ,我們認為實現3臺鍋爐同時全部脫硫是一個更有價值和實際意義的方案。對此 ,國電環境保護研究院進行了專題研究 ,提出了“ 三爐一塔、一爐調峰” 的設計方案 ,對濕法脫硫工藝進行了拓展性創新開發。
雖然“ 三爐一塔、一爐調峰” 脫硫方案在國內尚無先例 ,存在一定的技術風險 ,但根據目前的技術水平 ,其存在的技術問題是可以解決的。中國國電集團、 天津市環保局在對方案進行專家論證的基礎上,給予了肯定和支持。
2 工藝簡介
天津第一熱電廠擬脫硫的 3臺鍋爐運行工況較復雜 ,只在冬季供熱期才同時滿負荷運行 ,一年中有8個月是2臺爐運行,調峰時還有1臺爐運行的情況。這為脫硫工藝系統的設計和實現增加了難度。三爐一塔、一爐調峰脫硫工藝系統流程見圖1。
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3 工藝流程的特殊性
與常見的“一爐一塔” 和“二爐一塔” 工藝相比 ,“三爐一塔、一爐調峰” 工藝流程存在諸多特殊性 ,在研究開發時重點考慮的因素有:
(1)由于電廠需要 3臺爐頻繁調峰運行 ,在工藝系統的設計上 ,考慮到調峰的方便性 ,把離煙囪最近的 11號爐用作調峰 ,設置入口、旁路煙道及擋板門 ,從而保證在任何工況下 ,該鍋爐都可以自由進、出脫硫系統。同時 ,還避免了脫硫系統運行期間 , 3
臺鍋爐都無法停爐檢修的問題。
(2)總煙氣量來自 3臺鍋爐 ,故系統設置了 3臺循環泵 ,這樣可以在工藝設計上考慮一一對應運行的可能性 ,這種運行方式相對比較經濟。由于任何一臺鍋爐的啟、 停以及負荷變化都會造成總煙氣量大幅度變化 ,考慮到脫硫系統與鍋爐間的相互影響 ,特別是脫硫增壓風機與鍋爐送、引風機之間的協調和穩定運行 ,增壓風機采用了動葉可調軸流風機。
(3)煙氣量變化時 , FGD系統內煙道氣流速度波動范圍很大 ,如果脫硫裝置在較低負荷下運行 ,煙道底部很容易積灰 ,并在吸收塔入口煙道發生垢下腐蝕。為解決這一問題 ,我們采用提高煙道內煙氣流速的方案 ,保證 2臺爐運行時流速合理 , 3臺爐運行時可以正常工作。
除了上述 3方面因素外 ,還要根據電廠實際煙氣情況 ,綜合考慮脫硫系統內部其他因素對較大煙氣量變化的適應性。
4 控制方案的確定
4 . 1 擋板門的控制方式
在“三爐一塔” 中 ,如何實現擋板門的實際價值 ,對脫硫系統和機組的正常運行有重大意義。從圖 1可以看出 ,工藝方案中共設置了5個擋板門 ,除了常規脫硫系統中的入口、出口和旁路擋板門之外,調峰鍋爐獨立設置了入口和旁路 2套擋板門。調峰鍋爐具有相對獨立的進、出脫硫系統的自由性。當脫硫系統正常投入時 ,調峰鍋爐可以自由選擇是否進入脫硫系統 ,也就是說 ,調峰鍋爐的入口、旁路擋板門執行機構動作不影響脫硫系統其他 3個擋板門的狀態。但是 ,當脫硫系統未正常投入時 ,調峰鍋爐的自由性將受整個脫硫系統的影響,從控制對象的角度來說 ,系統中 5套擋板門將彼此影響。
4 . 2 增壓風機的控制方式
動葉可調軸流風機的應用 ,在一定程度上緩解了煙氣量大幅度變化對脫硫系統及機組的影響。在不影響機組正常運行的前提下 ,實現動葉執行機構的自動控制是脫硫系統運行的難點。在“三爐一塔、一爐調峰” 工藝中 ,由于大范圍的煙氣量變化及實際的煙道布置狀況 ,動葉執行機構的位置使煙氣的設計流向發生改變 ,實際運行中發現:在一定的負荷下 ,動葉位置將導致凈煙氣通過原煙道再次進入吸收塔。此時 ,應將原煙氣 SO2 濃度和溫度變化率作為參考量 ,確定動葉是否處于最佳位置。
4 . 3 鍋爐負荷變化時的控制系統反應方案
“ 三爐一塔、一爐調峰” 脫硫工藝流程中 ,鍋爐負荷變化帶來的煙氣量擾動 ,要求系統內各個控制回路和控制參數都要作適當調整;大部分自動控制回路必須切換為手動控制。在脫硫控制系統中 ,鍋爐負荷是通過鍋爐蒸發量間接反映的。鍋爐負荷通常作為加漿流量和增壓風機壓力控制的前饋信號參與控制 ,它可使控制系統快速反應。在以往的鍋爐負荷測試過程中發現:鍋爐負荷的起伏 ,對脫硫系統有較大影響。
5 控制方案的難點
脫硫系統作為火電廠的大型輔助設備 ,自動化水平應與機組保持一致 ,以實現脫硫系統的啟動、正常運行工況的監視和調整、停機以及事故處理。就整個脫硫系統控制的復雜程度來講 ,遠不如火電廠熱力設備 ,但是該系統在整套設備運行中的參數檢測、控制指標等方面具有其特殊性 ,即不同于火電熱控方式 ,卻具備化工過程控制的特點。
在脫硫系統中 ,部分重要的被控對象具有較大的延遲和慣性 ,主要反映在液、固物料的質量和化學反應慣性上 ,基本上與蓄熱量無關。另外 ,脫硫系統的控制不僅要準確反映其系統內部的工藝特點 ,還要考慮整套系統對機組運行的影響 ,而且這種影響將作為整個脫硫系統運行的前提條件。
目前 ,在國、內外設計、應用的脫硫系統中 ,三爐一塔工藝方案比較少見。在天津第一熱電廠脫硫項目中 ,除了工藝上做一些特殊性考慮 ,且在控制方案的制定上也給予相應的反映外 ,還對常見濕法脫硫控制策略在一些細節上作了適當調整。在確定控制方案時 ,著重考慮了擋板門的控制、增壓風機壓力控制、 鍋爐負荷變化控制。這三個方面是反映三爐一塔特殊性和難點的靈魂。
6 工程建設概況
天津第一熱電廠脫硫系統于 2006年10月31日通過天津市環保局組織的環保驗收。脫硫效率達到99% ,除塵效率 80% ,脫硫裝置各項技術指標均達到或超過設計要求。
到目前為止 ,該工程已創造了多個國內第一 ,其中最主要的有:
(1)首次采用“三爐一塔、一爐調峰” 的濕法脫硫工藝;
(2)煙道改造工程時間最短 (15 d) ,工程量最大(5個擋板門、 煙道增高加固、 新建煙道 ) ;
(3)首次采用液壓頂升倒裝法完成變徑吸收塔的安裝;
(4)施工場地嚴重緊缺、無組裝場地 ,且建設場地中存在承擔電廠 6臺鍋爐連續運行的灰溝 ,使得施工作業面不能同時展開 ,只能工序施工 ,而工程進度不低于常規脫硫工程的建設周期。“三爐一塔、一爐調峰” 脫硫工藝目前已申報多項國家專利。
7 結語
工程實踐證明:“三爐一塔、一爐調峰” 脫硫技術既可充分利用濕法脫硫工藝脫硫效率高、負荷適應性強的特點 ,又可最大限度地減少占地面積和單位投資成本 ,能在有限的場地和投資條件下 ,實現SO2減排最大化。該技術的成功開發和應用 ,為我國“十一五” 期間近 1億 kW中小型老機組的脫硫改造提供了性價比高、實施性強的擁有自主知識產權的脫硫技術 ,填補了國內空白 ,開創了現有中小型機組脫硫的新思路。
天津第一熱電廠脫硫技改工程的成功投運大大削減了 SO2及煙塵的排放 ,對天津市及其周邊地區大氣環境質量的改善 ,確保“十一五” 天津市二氧化硫排放總量削減 10%和“藍天工程” 目標的實現打下了堅實的基礎 ,對樹立國電集團良好的企業形象具有重要意義。
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