純水設(shè)備解讀：煙道蒸發(fā)結(jié)晶脫硫廢水零排放技術(shù)
［關(guān) 鍵 詞］煙道；蒸發(fā)結(jié)晶；脫硫廢水；零排放；控制戰(zhàn)略；空預(yù)器；排煙溫度；灰品質(zhì)
石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)，因其具有煤種適用范圍廣、脫硫效率高、反應(yīng)速度快、運行利息低等優(yōu)點，被國內(nèi)燃煤電站普遍采用。濕法脫硫洗滌煙氣的過程中，煙氣中的飛灰會進入石膏漿液內(nèi)，其中所含氯離子、重金屬離子等有害物質(zhì)也隨之進入到煙氣脫硫系統(tǒng)中，并在石膏處置工藝過程中隨著沖洗水進入脫硫廢水環(huán)節(jié)，形成了富含重金屬和氯離子的脫硫廢水。為了維持脫硫裝置漿液循環(huán)系統(tǒng)的物質(zhì)平衡，防止脫硫設(shè)備被腐蝕，保證石膏質(zhì)量，必需從脫硫系統(tǒng)中排放一定量的廢水。燃煤電站脫硫廢水存在總量少、污染物含量大、易發(fā)生二次污染等問題，故采用煙道（主煙道和旁路煙道）蒸發(fā)結(jié)晶的方式實現(xiàn)煙氣脫硫廢水零排放，具有重大的現(xiàn)實意義。
煙道蒸發(fā)結(jié)晶廢水零排放技術(shù)因其成本較低、占地面積小、維護費用低等優(yōu)點被國內(nèi)專家學(xué)者廣泛研究。國內(nèi)外學(xué)者通過建模計算分析得出：彎曲煙道可使液滴在煙道中停留的時間更長；為確保液滴在進入除塵器前完全蒸發(fā)，同時考慮蒸發(fā)效果、能耗利息和實際條件，建議工程應(yīng)用中將霧化液滴直徑控制在60μm煙溫控制約為130℃。基于上述理論研究，華能某發(fā)電公司將煙道蒸發(fā)結(jié)晶廢水零排放技術(shù)應(yīng)用于新建超超臨界 2660MW機組，該機組由西安熱工研究院有限公司負責調(diào)試。
1系統(tǒng)介紹
該機組采用煙道蒸發(fā)結(jié)晶廢水零排放技術(shù)，主煙道和旁路煙道均布置了脫硫廢水噴霧裝置（空氣霧化噴嘴）圖 1為該工程方案的整體示意。由圖 1可見：空氣預(yù)熱器（空預(yù)器）入口至低溫省煤器為主煙道，主煙道噴霧裝置分布于空預(yù)器出口的豎直煙道內(nèi)，且置于同一截面的煙道兩側(cè)；工業(yè)純水設(shè)備旁路煙道在選擇性催化還原（SCR脫硝反應(yīng)器入口煙道有4個取煙口，每2個取煙口匯到1個旁路煙道中，旁路煙道內(nèi)布置有噴霧裝置，2段旁路蒸發(fā)煙道再分別匯到空預(yù)器出口的水平主煙道中。脫硫廢水在鋼制緩沖箱內(nèi)沉淀后，由廢水泵打入若干個廢水霧化裝置中，廢水與壓縮空氣在霧化裝置中混合形成直徑小于60μm霧滴，再經(jīng)噴嘴噴入高溫煙氣中迅速蒸發(fā)結(jié)晶。脫硫廢水霧滴中含有的重金屬等污染物轉(zhuǎn)化為結(jié)晶物或鹽類等固體，隨煙氣中的飛灰一起被電除塵器收集下來。脫硫廢水緩沖箱內(nèi)的沉淀物經(jīng)壓濾機處置后外運，蒸發(fā)的水蒸氣則重新進入脫硫系統(tǒng)，從而實現(xiàn)了廢水零排放。該系統(tǒng)可實現(xiàn)噴入霧滴壓力、流量的自動調(diào)節(jié)。
脫硫廢水經(jīng)高度霧化后噴入煙道內(nèi)，絕大部分液滴微粒在煙氣的拖拽作用下，與煙氣流動堅持一致。極少數(shù)液滴微粒因布朗運動在煙道內(nèi)自由擴散，并吸附了煙氣中的灰份擴散到煙道壁上，高溫下液滴微粒中水份瞬間蒸干，灰份黏結(jié)在煙道壁上，經(jīng)過臨時運行灰份逐漸累積加厚，形成積灰。設(shè)計脫硫廢水零排放系統(tǒng)時，通過計算流體動力學(xué)（CFD模擬分析，確定微粒擴散至煙道壁的位置和分布規(guī)律，運行期間利用吹灰蒸汽定時自動多點位吹掃煙道，及時掃清煙道壁灰份，防止煙道內(nèi)部積灰。吹灰器根據(jù)脫硫廢水蒸發(fā)的煙道結(jié)構(gòu)，設(shè)計為多層交叉形式，采用回轉(zhuǎn)式伸縮結(jié)構(gòu)，確保吹掃面積達到95%以上，同時對灰分易黏結(jié)的煙道壁板進行防腐處置。
該脫硫廢水零排放系統(tǒng)采用集中控制，通過采集分布在煙道內(nèi)多部位的傳感器信號，將機組負荷、煙氣流量和排煙溫度等數(shù)據(jù)傳入數(shù)據(jù)處置及運算單元進行綜合分析，從而獨立控制各廢水霧化裝置的噴霧量，最大限度地利用煙氣熱量蒸發(fā)廢水。同時，設(shè)置專用維護模塊，機組負荷低、煙氣流量小和排煙溫度低等蒸發(fā)條件欠佳的工況時，霧化裝置減少或停止噴霧，確保該系統(tǒng)不對機組運行造成任何有利影響。
另外，該脫硫廢水零排放系統(tǒng)為防止脫硫廢水中的雜質(zhì)造成系統(tǒng)管路的污染和堵塞，還配備了清水自動沖洗和狀態(tài)監(jiān)控設(shè)備，可實現(xiàn)整條廢水管路和沿程設(shè)備的定期清水自動沖洗，沖洗裝置的沖洗流量、壓力可自動調(diào)節(jié)。
2系統(tǒng)工作流程
煙道蒸發(fā)結(jié)晶脫硫廢水零排放技術(shù)設(shè)計有主煙道和旁路煙道，系統(tǒng)控制應(yīng)遵循主煙道蒸發(fā)優(yōu)先，且根據(jù)空預(yù)器入口煙溫調(diào)節(jié)噴霧量的原則。該系統(tǒng)工作流程如下：
1當負荷升高，SCR脫硝反應(yīng)器入口煙溫高于200℃時，對脫硫廢水零排放系統(tǒng)旁路煙道進行暖管，暖管結(jié)束后先投運霧化壓縮空氣，并打開脫硫廢水至旁路煙道截止閥，控制霧化壓縮空氣壓力和廢水管至噴霧裝置的壓力達到0.5MPa后，方可投運脫硫廢水零排放系統(tǒng)旁路煙道。通過調(diào)整旁路煙道過煙量和廢水噴霧量，保證空預(yù)器入口煙溫高于105℃且無較大波動。該工況下，脫硫廢水全部在高溫旁路煙道內(nèi)蒸發(fā)處理。
2隨著機組負荷的繼續(xù)升高，工業(yè)純水設(shè)備當空預(yù)器入口煙溫高于110℃時，打開脫硫廢水至主煙道調(diào)節(jié)閥，投運脫硫廢水零排放系統(tǒng)主煙道。通過調(diào)整噴霧量保證空預(yù)器入口煙溫高于 110℃。此時，可適當調(diào)整主煙道和旁路煙道的廢水噴霧量，使大部分脫硫廢水在主煙道蒸發(fā)。若主煙道無法消納所有脫硫廢水，則同步開大旁路煙道調(diào)節(jié)閥和脫硫廢水至主、旁煙道調(diào)節(jié)閥，確保噴霧后空預(yù)器入口煙氣溫度高于110℃且不發(fā)生大擾動的前提下，提高脫硫廢水的處置量。該脫硫廢水零排放系統(tǒng)的設(shè)計廢水噴入量為3m3/h
3系統(tǒng)運行的影響
為了研究脫硫廢水零排放系統(tǒng)對機組主參數(shù)、重要設(shè)備和灰品質(zhì)等的影響，西安熱工研究院有限公司在該機組基建調(diào)試期間進行了滿負荷工況下未投運脫硫廢水零排放系統(tǒng)和分別投運脫硫廢水零排放系統(tǒng)主、旁路煙道的對比試驗。試驗控制主、旁路煙道脫硫廢水噴入量為3m3/h
3.1對空預(yù)器的影響
由于脫硫廢水零排放系統(tǒng)利用空預(yù)器后煙氣或其旁路高溫煙氣對脫硫廢水進行蒸發(fā)結(jié)晶，所以首先通過試驗研究該系統(tǒng)投運對空預(yù)器運行參數(shù)的影響。試驗結(jié)果見表 1
從表 1可以看出，當投入脫硫廢水零排放系統(tǒng)主煙道時，由于噴嘴設(shè)在空預(yù)器后的煙道內(nèi)，噴霧不影響空預(yù)器的煙氣換熱能力，故對熱一、二次風溫度沒有影響，僅因脫硫廢水在空預(yù)器入口煙道內(nèi)蒸發(fā)吸熱使空預(yù)器入口煙溫下降了4℃。當投入脫硫廢水零排放系統(tǒng)旁路煙道時，由于從SCR脫硝反應(yīng)器入口煙道抽取了局部（1.67%~4.05%高溫煙氣進入旁路系統(tǒng)蒸發(fā)脫硫廢水，這部分高溫煙氣未參與空預(yù)器換熱，因此與未投運脫硫廢水零排放系統(tǒng)相比，空預(yù)器出口熱一、二次風溫均降低了2℃。
由表 1還可以看出，脫硫廢水零排放系統(tǒng)主煙道和旁路煙道投運后，空預(yù)器一、二次風及煙氣側(cè)進出口壓差基本不變。這是由于當脫硫廢水零排放系統(tǒng)旁路煙道投運時，少量煙氣（1.67%~4.05%用于旁路蒸發(fā)脫硫廢水，從而減少了流經(jīng)空預(yù)器的煙氣量，導(dǎo)致煙氣速度降低，因阻力與速度的平方成正比，所以煙氣阻力略有下降，而速度降低又使得空預(yù)器換熱元件上的積灰略有增多，從而抵消了速度下降導(dǎo)致的阻力下降。
當投運脫硫廢水零排放系統(tǒng)主煙道時，由于空預(yù)器后煙道脫硫廢水蒸發(fā)吸熱使得煙溫降低，導(dǎo)致煙氣比體積下降，抵消了局部脫硫廢水蒸發(fā)后的煙氣體積增量，空預(yù)器內(nèi)的煙氣流動未受影響。因此，投運脫硫廢水零排放系統(tǒng)主煙道及旁路煙道時無需特別加強空預(yù)器的吹灰效果。
3.2對低溫省煤器的影響
脫硫廢水零排放系統(tǒng)經(jīng)主煙道或旁路煙道蒸發(fā)后的煙氣首先進入低溫省煤器與凝結(jié)水換熱。表2為脫硫廢水零排放系統(tǒng)投運對低溫省煤器運行參數(shù)影響情況。由表 2可見，脫硫廢水零排放系統(tǒng)主煙道投運后，低溫省煤器入口煙溫隨空預(yù)器入口煙溫相應(yīng)降低 4℃，低溫省煤器入口煙溫受凝結(jié)水流量自動控制。通過降低低溫省煤器凝結(jié)水流量，使低溫省煤器入口母管凝結(jié)水溫度降低 2℃，低溫省煤器入口煙溫則維持 90℃不變。與投運脫硫廢水零排放系統(tǒng)主煙道相比，投運旁路煙道對低溫省煤器入口煙溫及其入口母管凝結(jié)水溫度影響較小。
3.3對機組主參數(shù)影響
由于脫硫廢水零排放系統(tǒng)是機組正常運行時投運，工業(yè)純水設(shè)備所以需研究該系統(tǒng)投運對機組主參數(shù)的影響情況，結(jié)果見表 3由表3可見：滿負荷工況下投入脫硫廢水零排放系統(tǒng)主煙道后，與未投運脫硫廢水零排放系統(tǒng)相比，主蒸汽參數(shù)未變化，空預(yù)器入口排煙溫度下降4℃，一級省煤器入口給水溫度下降 1℃，總煤量不變；投運脫硫廢水零排放系統(tǒng)旁路煙道后，主蒸汽參數(shù)未變化，空預(yù)器入口排煙溫度僅下降 1℃，但由于從一級省煤器前抽取局部煙氣到旁路煙道蒸發(fā)廢水，使得進入一級省煤器換熱的煙氣量減少，故與投運脫硫廢水零排放系統(tǒng)旁路煙道前相比，一級省煤器入口給水溫度降低了3℃，總煤量增加 1t/h對機組經(jīng)濟性稍有影響。
綜上所述，脫硫廢水零排放系統(tǒng)對機組主參數(shù)無較大影響，可安全投運，同時該系統(tǒng)對鍋爐整體效率和機組經(jīng)濟性的影響較小。
3.4對電除塵效率、脫硫耗水量及輸灰流動性影響
由于脫硫廢水在煙道內(nèi)蒸發(fā)結(jié)晶，提高了進入電除塵器煙氣的濕度，有利于提高電介質(zhì)強度，降低粉塵比電阻，減小氣體的黏度，同時提高了煙氣中粉塵質(zhì)量濃度，有利于提高除塵效率。
蒸發(fā)后的大部分水蒸氣隨除塵后的煙氣進入脫硫塔，脫硫塔噴淋冷卻作用下，重新凝結(jié)進入脫硫漿液循環(huán)系統(tǒng)，可明顯降低脫硫工藝的耗水量。
與此同時，煙氣濕度的增加會導(dǎo)致電除塵器收集的粉煤灰流動性變差，所以需要結(jié)合灰的流動情況對煙道脫硫廢水噴入量進行調(diào)整。當輸灰用氣量增多，輸灰壓力增大，輸灰時間延長時，說明灰的流動性降低，則停止增加脫硫廢水噴入量，待輸灰系統(tǒng)通暢后再增加脫硫廢水噴入量。為此，1號鍋爐灰斗內(nèi)壁增加厚度 1~2mm316L薄鋼板內(nèi)襯，以增強灰的流動性。
3.5對灰品質(zhì)的影響
對投運脫硫廢水零排放系統(tǒng)前后脫硫系統(tǒng)吸收塔氯離子含量、廢水處置量以及粉煤灰總量進行計算。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)：未投運脫硫廢水零排放系統(tǒng)之前粉煤灰中的氯離子質(zhì)量分數(shù)較少（煤中的氯離子主要以氣態(tài) HCl形式進入吸收塔）約為 0.004%機組滿負荷運行時，工業(yè)純水設(shè)備投運脫硫廢水零排放系統(tǒng)后（煙道噴射流量為 3t/h設(shè)計噴射流量）粉煤灰中氯離子質(zhì)量分數(shù)增至 0.136%通用硅酸鹽水泥》GB1752007中要求，水泥中氯離子質(zhì)量分數(shù)不大于 0.06%利用粉煤灰生產(chǎn)硅酸鹽水泥時，粉煤灰添加量占硅酸鹽水泥的20%~40%則制成的硅酸鹽水泥氯離子質(zhì)量分數(shù)為0.027%~0.054%不大于 0.06%符合硅酸鹽水泥要求。
4結(jié)論及建議
1脫硫廢水零排放系統(tǒng)主煙道需在機組較高負荷（空預(yù)器入口煙溫高于 110℃）下投運。主煙道投運后，會降低空預(yù)器入口煙溫和低溫省煤器入口母管凝結(jié)水溫度，對熱一、二次風溫及一級省煤器入口給水溫度幾乎無影響，不影響機組主參數(shù)和機組正常運行。
2投運脫硫廢水零排放系統(tǒng)旁路煙道，煙氣溫度高，蒸發(fā)效果好，可實現(xiàn)在機組低負荷工況（SCR脫硝反應(yīng)器入口煙溫高于 200℃）下脫硫廢水零排放系統(tǒng)平安可靠運行。與投運脫硫廢水零排放系統(tǒng)主煙道相比，投運旁路煙道時空預(yù)器入口煙溫和低溫省煤器入口母管凝結(jié)水溫度降幅較小，但同時降低了熱一、二次風溫及一級省煤器入口給水溫度，機組煤耗略有增加，對機組經(jīng)濟性有一定影響。
3煙道蒸發(fā)結(jié)晶廢水零排放系統(tǒng)具有自動化水平高、操作方便、運維費用低，可明顯降低脫硫工藝的耗水量，對設(shè)備及粉煤灰品質(zhì)影響較小等優(yōu)點，一種低耗高效的脫硫廢水零排放技術(shù)，具有廣泛的推廣應(yīng)用價值。
4由于該鍋爐空預(yù)器進出口的空間跨度滿意足旁路煙氣完全蒸發(fā)的要求，因此旁路煙道的入口取自一級省煤器入口。這會影響一級省煤器的換熱效果和機組煤耗。建議將旁路煙道入口設(shè)在空預(yù)器入口，盡量減少脫硫廢水煙道旁路蒸發(fā)對機組經(jīng)濟性的影響。
5該脫硫廢水零排放系統(tǒng)脫硫廢水采用壓縮空氣霧化，增大了壓縮空氣的消耗量。該系統(tǒng)配有專用壓縮空氣系統(tǒng)，建議嘗試采用高質(zhì)量防堵機械霧化噴頭，可節(jié)省壓縮空氣損耗量，減少電耗和設(shè)備占地面積，同時簡化系統(tǒng)工藝流程。
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