中图分类号：X77 文献标识码：A 文章编码：1003-2738（2011）11-0279-03 摘要：本研究针对乌拉特发电厂原烟气脱硫(FGD)系统运行不稳定、脱硫效率低等问题对其进行升级改造。改造方案主要是从FGD系统的增容、烟气换热器(GGH)利弊分析以及系统的防腐、节能优化等几个方面进行分析讨论。根据分析结果和该发电厂的实际情况，制定了一系列改造方案，从而使该电厂烟气脱硫系统能够适应各种负荷的变化，同时使其脱硫效率及其它各项指标达到要求，排放的污染物在设计条件下符合国家排放标准。本研究还对烟气脱硫系统进行了优化设计，提出节能运行措施，从而保障系统可靠、高经济性能地运行。
关键词：烟气脱硫；石灰石-石膏法；脱硫效率
引言
中国是燃煤大国，煤炭约占一次能源消费总量的75％，燃煤火电厂的二氧化硫（SO2）排放量约占全国总排放量的40％。为遏制酸雨污染，“十一五”纲要提出到2010年SO2排放量减少10％的目标。国家也出台了一系列促进火电厂排污控制的法律、法规和政策，采取多种措施加快SO2治理[1]。由于火力发电厂成为SO2的主要排放源之一，因此提高发电厂的烟气脱硫技术是有效控制SO2排放的关键。目前，世界上烟气脱硫技术的种类达数百种之多，其中石灰石湿法脱硫是技术成熟、高效的脱硫方法，已全面应用于燃煤电厂，成为我国电力行业减排SO2的主要手段[2]。
乌拉特发电厂烟气脱硫工程由武汉凯迪电力环保有限公司承包建设，工程建设规模为2×300MW机组全烟气湿法脱硫，采用一炉一塔系统配置，共两套脱硫系统（石灰石浆液制备系统和石膏脱水系统）。设计燃煤硫分1.34％（进口SO2浓度为3004 mg/Nm3），设计煤种BMCR工况脱硫效率≥95%，两套系统分别于2006年7月、9月投入运行。经过两年的运行，由于设计煤种的偏离，系统运行困难，达不到设计脱硫效率。因此，在目前及今后长时间内燃煤不能改变的情况下，电厂方决定对其烟气脱硫系统进行升级改造，以达到环保要求。
一、系统概述及存在问题
原系统根据燃煤含硫量1.34%、FGD入口烟气二氧化硫浓度为3004 mg/Nm3设计。但自机组投运以来，受国内电煤供应市场影响，实际燃煤含硫量波动，最小含硫量为2.06%，最大含硫量为2.56%，平均含硫量远高于2台机组脱硫装置的设计值，导致脱硫系统运行不稳定，需要进行增容改造。
燃煤参数变化对脱硫系统的影响主要会表现在以下几方面：
（1）由于硫含量的增加，循环泵的流量不能满足要求，导致脱硫效率达不到要求；
（2）由于含硫量的增加，氧化风量不能满足亚硫酸钙氧化的要求；
（3）设计供浆量无法满足实际工况需要，塔内pH值难以保证；
（4）二级脱水的能力不满足石膏处理量的要求。在连续运行状态下，吸收塔内密度无法有效控制，且由于氧化结晶过程受限，脱水效果不好。
在入口SO2浓度为6127 mg/Nm3时要求脱硫系统的效率应不小于95%。这意味着原有浆液循环量不够，导致浆液池的容积不足，大量亚硫酸钙氧化成硫酸钙需要的氧化风量增加，石膏浆液需要外排的能力不足，石膏脱水系统处理能力偏小，脱硫效率达不到设计值、排放指标不合格、管道结垢严重、设备及管道磨损严重、pH值控制不住、副产物石膏质量不好、设备故障率增加等不利影响。
二、系统具体改造方案
（一）石灰石浆液制备与输送系统的改造。
由于燃烧煤质含硫量的增加，原制浆系统出力不足的部分通过新增一套外购合格石灰石粉制浆系统补充。原湿式球磨机制浆系统的出力为2×8.5 t/h，改造后制浆系统的出力需求为2×11.69 t/h，外购石灰石粉制浆系统的正常出力应大于2×11.48 t/h-2×8.5 t/h=5.96 t/h，按照该发电厂的要求，新增石灰石粉仓应满足2台炉脱硫石灰石耗量补充部分3天可用容量，即（2×11.48 t/h-2×8.5t/h）×24h×3=430 m3。当一台湿式磨机故障停运时，新增外购石灰石粉制浆系统的最大出力加一台湿式磨机系统的出力能够满足脱硫系统的供浆要求。新增石灰石制浆系统下粉设备（包括叶轮给料机、螺旋称重给料机、插板阀等）的最大出力满足2×11.48 t/h-8.5 t/h=14.46 t/h，由于石灰石粉仓下部设置两个出料口，所以每个出料口的出力最小约为7.5 t/h，设计出力为10 t/h，此设计出力同时也大于两台湿式球磨机正常运行时外购石灰石粉制浆系统所需的5.96 t/h。同时石灰石粉仓配备相应的流化风设备和除尘设备。
外购石灰石粉制浆系统新增一个石灰石制浆罐，容积为70 m3，满足两台炉燃用改造后脱硫设计煤种时BMCR工况下，补充部分4小时的石灰石浆液量。新增制浆系统设置两台石灰石浆液转运泵，一运一备，将新增制浆系统的石灰石浆液输送至原制浆系统的石灰石浆液罐。此石灰石浆液转运泵利旧原吸收塔浆液排出泵，排出泵的流量为80 m3/h。
原吸收塔石灰石浆液供浆泵两塔共设置两台，一运一备，每台泵流量为60 m3/h，两塔共用一台石灰石浆液泵供浆；改造后吸收塔的石灰石供浆量为34 m3/h，现增加一台与原参数相同的石灰石供浆泵，每塔对应一台石灰石供浆泵，两运一备。
（二）SO2吸收系统的改造。
1.浆液循环系统改造。
根据改造要求的烟气量和SO2浓度进行计算，得出液气比L/G=20.8 L/Nm3作为本次吸收塔的设计依据，根据此液气比及烟气量计算每塔所需的浆液循环量为25800 m3/h。研究采用更换新的浆液循环泵、增加循环泵减速机、利旧原6台浆液循环泵的电动机、利旧原吸收塔喷淋管道及喷嘴的方案；根据利旧原循环泵电动机和喷淋层的原则计算，利旧喷淋层对应的三台浆液循环泵流量为6000 m3/h，另外每塔新增一台浆液循环泵、减速机、电动机及与循环泵相对应的浆液喷淋层和浆液喷淋喷嘴，新增的浆液循环系统的循环量为25800-3×6000=7800 m3/h[3]。
2.吸收塔本体改造。
根据浆液循环量和浆液的停留时间计算，改造后的吸收塔浆池容积约1790 m3。具体改造方案为：在原吸收塔的北侧增加与原吸收塔相通的浆池增加吸收塔的浆池容积，改造后吸收塔浆池为长圆孔形，新增吸收塔浆池部分的高度为10.5 m，原吸收塔与新增吸收塔浆池交接部分的壁板进行拆除，并在拆除部分的适当位置设置支撑立柱，吸收塔浆池以上至吸收塔的锥顶部分利旧，并将吸收塔12.4 m直径部分加高2.2 m，吸收塔除雾器上移2.2 m，原吸收塔除雾器高度位置设置第四层喷淋层，吸收塔锥顶部分拆除重新制作[4]。
3.氧化系统改造。
在含硫量为6127 mg/Nm3时，根据物料平衡计算，亚硫酸钙充分氧化所需的氧化风量每塔应不小于11100 Nm3/h。原系统两塔共用三台氧化风机（Q = 5551 Nm3/h, △P=120 kPa），本改造采用增加两台与原参数相同的氧化风机方案，共五台，每塔两台运行，四运一备。
4.吸收塔搅拌器改造。
由于原吸收塔采用喷枪式氧化，故本次设计仍采用该氧化方式，即将氧化喷枪布置在搅拌器前端，按照吸收塔变径改造方案模式，共设吸收塔搅拌器5台，利旧原每塔4台的吸收塔搅拌器，新增一台与原规格型号相同的搅拌器；按照吸收塔加大浆池改造方案模式，共设吸收塔搅拌器6台，利旧原每塔4台的吸收塔搅拌器，新增两台搅拌器；由于氧化空气量和搅拌器的数量都发生改变，因此必须对氧化空气喷枪进行重新设计。
5.吸收塔托盘改造。
原吸收塔喷淋层下面设置托盘，托盘的设置可以使浆液循环量降低约15％，即约3870 m3/h，按照循环泵扬程为23 m计算，按照托盘可使循环泵的运行电耗减小330 kW；而按照托盘后使吸收塔的阻力降增加约600 Pa，阻力增加使增压风机的运行电耗增加约420 kW；安装吸收塔托盘方案比取消吸收塔托盘方案的运行电耗增加90 kW，因此，本研究推荐将吸收塔托盘取消，且在吸收塔循环浆液量设计中按取消托盘方案设计。
(三）石膏脱水系统的改造。
根据现有物料平衡计算，改造后吸收塔的石膏排浆量为每塔100 m3/h，石膏生成量为20.43 t/h，原有脱水系统不满足新的产能要求，需要进行改造。
取消石膏脱水楼+20.000 m层原石膏浆液旋流器（处理量为45 m3/h），更换两台处理量较大的石膏浆液旋流器，石膏旋流器的处理量为100 m3/h。石膏的产量增加较大，石膏脱水楼+13.000 m层原真空带式过滤机的出力为16.6 t/h，不能满足改造后系统的出力要求，考虑到石膏楼布置位置的因素，保留原两台真空带式过滤机，新增一台真空带式过滤机的方案布置较困难，且石膏楼皮带机层的空闲位置未考虑真空带式过滤机的荷载，加固较复杂且困难。因此，本研究考虑将原有两台真空带式过滤机取消，更换成两台大出力的真空带式过滤机方案，更换后的真空带式过滤机的处理量为27 t/h，经核算真空泵的电机能够满足新增真空泵的要求，所以更换真空泵，利旧真空泵电动机。石膏脱水楼+9.000 m层原真空带式过滤机的滤布冲洗水箱、滤布冲洗水泵、滤饼冲洗水箱、滤饼冲洗水泵的容量较小，不能满足新增带式过滤机的性能要求，所以更换新的滤布/滤饼冲洗水箱、水泵。
由于石膏出力量增加，改造后滤液水量为226 m3/h，原滤液水泵的流量为120 m3/h，不能满足系统的要求，新增一台与原参数相同的滤液水泵，共三台滤液水泵，两运一备，两台的处理量为240 m3/h，满足系统的要求。
（四）工艺水系统的改造。
改造后的FGD系统所需的设备冷却水约30 t/h，原工业水泵的流量为50 m3/h，足以满足设备冷却水量的要求。
改造后的吸收塔补水采用除雾器冲洗水补水方案，以便保证除雾器的充分冲洗，避免除雾器堵塞，经核算吸收塔除雾器冲洗水泵的流量为104 m3/h，能够满足除雾器冲洗的要求。除除雾器冲洗水外，工艺水的连续用水点为皮带机真空泵密封水、氧化空气冷却水，两台真空泵的耗水量为30 m3/h，氧化空气冷却耗水量为2 m3/h，总耗水量约为32 m3/h，原工艺水泵的流量为60 m3/h，能够满足系统的要求，因此，工艺水系统设备全部利旧。
三、取消GGH的利弊分析及改造方案
（一）取消GGH的利弊分析。
取消GGH可使系统具有以下优点：一方面，降低FGD系统的投资和运行费，GGH投资约占脱硫装置总投资的15％左右。增加GGH使得增压风机的扬程增加约1000 Pa，取消GGH后的每台增压风机的轴功率比安装GGH时少750 kW左右。另一方面，提高系统的运行可靠性和可用率：由于GGH部件的腐蚀和换热元件堵塞造成的增压风机的运行故障已经成为FGD系统长期稳定运行的瓶颈之一，降低了FGD系统的可用率，增加了维修费用。不安装GGH，占地面积减少，FGD的烟气系统得以简化，因此FGD系统的可靠性有了提高，达到高可用率运行[5]。
不安装GGH也会带来一些问题：由于对原烟气的降温幅度有所增加，因此FGD系统的工艺水耗要比安装GGH时约增加30-50%；如果不采用GGH，必须适量增加吸收塔的直径以适应烟气较高的饱和温度，从而成本也就有相应的上升[6]；由于净烟气温度较低，在环境空气中的水分接近饱和、气象扩散条件不好时，烟气离开烟囱出口时会形成冷凝水滴，形成所谓“烟囱雨”；需要对氮氧化物落地浓度和最大落地浓度点离烟囱的距离进行核算，并取得有关环保部门的批准；不安装GGH对脱硫后净烟气引起的尾部烟道和烟囱的腐蚀问题必须予以足够的重视。
（二）GGH的改造方案。
乌拉特电厂 GGH 在实际运行中有堵塞/腐蚀严重的情况，如果FGD系统继续保留GGH需实施全面改造。原GGH设备为豪顿华公司供货，原设备信息如表1所示：
在FGD系统已定的情况下，要针对GGH堵塞进行改造，我们认为应该从换热元件波型上入手，将原来易堵灰、难清洗的DU型元件更换为巴克杜尔的大通道直波纹的LS型。
大通道的波纹板与紧凑型波纹板相比，最重要的是：在烟气流通方向上是直通的，没有小的波纹。其特点为：烟气流通截面大，波型平滑，在GGH运行中石膏等副产物不易附着，也易于清除，因而GGH不易堵塞，GGH长期运行后压力损失不会上升。这样的波型最适宜于GGH的易于腐蚀、易于堵塞的环境。事实上，选用该波形的GGH，因为压力损失小，增压风机等设备所需投运功率大大降低，且容易清洗，所以大大降低了电厂的实际运行费用。
为满足改造需求，本研究根据业主实际要求重新进行热力计算，确定新换热元件的高度、面积等。
为了达到防堵效果，在使用大通道波型时，维持450 mm的元件高度，排烟温度80℃是无法满足的。如果高度不变、或者增加得很少且依然能满足80℃出口净烟气温度，那么使用的波型仍旧为紧凑、易堵型，无法达到改造目的。采用直通道、大波型元件（LS型），如果要求排烟温度80℃，增加换热元件高度至600 mm。
四、FGD系统的防腐及节能运行优化
（一）FGD系统的防腐措施。
在脱硫系统中，需要防腐的部位主要有吸收塔、烟道、盛有腐蚀性液体的浆液罐、浆液管道、地坑和地沟等，其中烟道和吸收塔的防腐面积最大，所占费用比例也最高[7]。本次脱硫技改项目的设备防腐我们采用玻璃鳞片为主（吸收塔、烟道、箱罐），镍基合金（吸收塔入口干湿界面）和FRP（坑、池）为辅的防腐方案。
1.吸收塔采用鳞片材料防腐，根据各部位运行温度、介质条件、磨损程度、经济合理性等方面的因素，具体方案如表3所示。
2.所有可能接触到低温饱和烟气冷凝液或从吸收塔带来的雾气和液滴的净烟道、与烟囱接口旁路水平烟道、所有内部结构如内撑杆和导流板等，都采用鳞片树脂内衬进行防腐保护，具体方案如表4所示。
3.石灰石浆液箱、事故浆液箱、滤液水箱等金属设备的使用条件并不苛刻，防腐的方案很多，有玻璃鳞片、橡胶或FRP。其中玻璃鳞片和橡胶的性能相当，FRP的性能较差。但从价格上，FRP最低。从综合性价比以及施工和今后的维护工作考虑，一般以玻璃鳞片防腐为主。
4.坑池、围堰等的防腐采用FRP玻璃钢，该材料具有良好的强度和刚性、耐化学腐蚀性和韧性，内衬使用寿命一般可≥10年。
（二）FGD系统的节能运行优化。
烟气脱硫系统节能降耗的前提条件是系统SO2的达标排放；SO2达标排放的能力是由系统可靠性来保证的；运行优化是实现系统节能降耗的有力措施和手段，需要从系统及运营成本两方面着手分析[8]。
(1)设备运行可靠性。
为了实现设备运行的可靠性，需要从以下几个方面加强系统的监测与控制：
a热控仪器仪表，包括CEMS、pH计、密度计、液位计等；
b接触浆液的设备、管道、阀门等，避免结构、腐蚀和堵塞；
c优化控制吸收塔各参数，包括液气比、pH值、钙硫比、浆液密度、浆液反应停留时间等，以保证吸收塔浆液的良好化学反应氛围。
（2）提高系统经济性。
提高系统的经济性是保障系统能够稳定运行的一个重要因素，可以从以下几个方面进行分析和改进：
a定量分析脱硫运行的经济性水平；
b诊断系统和设备实际运行状况，查找节能潜力；
c改进设备和系统运行方式；
d制定行之有效的技术改造方案等。
五、结论
本研究针对乌拉特发电厂的烟气脱硫工艺存在的问题，根据我国的发展政策，从FGD的增容、GGH以及系统防腐、节能运行优化等几个方面对其进行升级改造，以期能够适应各种负荷的变化，同时使其脱硫效率及其它各项指标达到要求，排放的污染物在设计条件下不超出要求的保证排放值，为经济与环境的友好发展做出贡献。
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