火電機組脫硫系統超低排放改造節能優化
來源:熱力發電 作者:李興華 牛擁軍等 日期:2018-07-09

很多已投運的超低排放環保設施也暴露出設計裕量過大、改造過度、運行能耗過高等問題。本文針對燃煤電廠脫硫系統超低排放改造項目,從工程設計邊界條件、設計方案、運行方式等方面進行優化研究,提出節能優化措施。
 
1脫硫系統設計邊界條件確定
 
脫硫系統設計邊界條件的確定,決定了其改造工藝方案的選擇。《火力發電廠煙氣脫硫設計技術規程》規定:煙氣脫硫裝置的設計工況宜采用鍋爐BMCR、燃用設計煤種工況下的煙氣條件;已建電廠加裝煙氣脫硫裝置時,宜根據實測煙氣參數確定煙氣脫硫裝置的設計工況和校核工況,并充分考慮煤源變化趨勢。
 
我國多數火電機組燃煤煤質波動較大,而目前我國超低排放改造要求環保指標極其嚴格,不允許每小時污染物排放均值超標。因此,為減低環保風險,目前火電機組脫硫裝置增容提效改造普遍存在改造設計煤質裕度過大、硫分虛高的現象。加之,當前國內燃煤火電機組整體負荷率偏低,往往造成多數機組脫硫裝置實際運行工況嚴重偏離設計工況,運行能耗較高,運行經濟性較差。因此,在對現役機組煙氣脫硫裝置進行超低排放改造時,應合理確定設計邊界條件。設計煤種宜根據電廠近3年實際燃煤情況,選擇可覆蓋近3年燃煤質量95%以上的硫分參數,或綜合考慮煤源變化、燃煤摻燒趨勢等選擇合適的設計硫分參數,不建議以短期燃煤煤種硫分峰值作為設計硫分。
 
2脫硫系統設計方案優化
 
在確定脫硫系統超低排放改造方案時,應在確保改造方案環保排放達標的前提下,盡量降低投資和能耗指標。脫硫系統能耗指標包括電耗、脫硫劑耗量、水耗、氣耗等,其中電耗成本約占其整體能耗成本的70%,因此本文所稱能耗泛指電耗。為更直觀地體現脫硫裝置污染物減排的能耗代價,便于比較不同負荷工況下脫硫系統的能耗指標,本文提出了單位減排能耗的概念,即脫除單位質量SO2需要消耗的電量,計算公式如下:
 
 
式中:
 
k為單位減排能耗,包括脫硫增壓風機電耗,對于取消增壓風機或引風機增壓風機二合一設置的機組,應包含因脫硫系統阻力引起的引風機電耗增加值,kW˙h/kg;P為脫硫設備總軸功率,kW;Q為煙氣流量(標準狀態,干基,φ(O2)=6%,下同),m3/h;CRSO2為原煙氣SO2質量濃度,mg/m3;CCSO2為凈煙氣SO2質量濃度,mg/m3。
 
節能優化目標是以最低的單位質量污染物減排能耗達到超低排放環保指標,即盡可能在脫硫改造方案設計選擇時降低脫硫系統電耗,并在低負荷工況下實現脫硫系統靈活調節與節能運行。
 
2.1煙氣系統
 
目前,脫硫裝置煙氣系統改造的主流方案是取消增壓風機,將引風機和增壓風機合并設置,由引風機克服脫硫裝置煙氣系統阻力。西安熱工研究院有限公司劉家鈕等對某電廠1000MW機組引風機與脫硫增壓風機合并改造進行了方案對比研究,結果表明在機組1000MW滿負荷運行工況下,改造前引風機和增壓風機總功率為6581.2kW,引風機、脫硫增壓風機合并改造后引風機總功率為5395.6kW,改造后煙氣系統風機總功率減少1185.6kW,廠用電率下降0.237%,節能效果顯著。
 
取消增壓風機后,還需對引風機出口至脫硫吸收塔入口間煙道進行優化設計,以減少煙道阻力。石清鑫等對某電廠300MW機組取消增壓風機后引風機出口至GGH原煙氣側入口煙道設計進行優化研究,一種方案是采用矩形管道聯接拆除增壓風機后的煙道,優化方案為拆除增壓風機及相關煙道,新建鋼煙道使兩側引風機煙氣匯流,然后從匯流煙道一側開孔連接至GGH原煙氣側入口煙道,結果表明采用優化方案煙道阻力可在滿負荷工況下降低約260Pa。
 
對于保留增壓風機設置的脫硫系統,要防止引風機和增壓風機中的一臺在高效區運行,而另一臺在低效區運行的情況。在機組和脫硫系統安全運行的前提下,可通過調整增壓風機入口壓力,尋找不同負荷工況下引風機和增壓風機最節能的聯合運行方式。一般情況下,增壓風機和引風機電流之和為最小值時風機綜合能耗最低。如果引風機壓頭裕量較大或機組日常運行負荷率較低,可考慮設置增壓風機旁路煙道及增壓風機前后擋板,在低負荷工況下停運增壓風機,煙氣經旁路煙道由引風機克服脫硫系統阻力。但低負荷時引風機運行工況為小流量高壓頭,容易引起風機失速,所以能否設置增壓風機旁路煙道及旁路煙道通流面積的選擇應根據引風機運行性能曲線確定。
 
2.2吸收塔系統
 
影響煙氣脫硫系統脫硫效率的因素包括吸收塔結構設計、運行參數控制、吸收劑品質等。在脫硫系統設計邊界條件確定后,影響吸收塔脫硫效率的主要設計因素包括煙氣流速、噴淋漿液總流量、噴淋層及噴嘴布置、是否設置塔內強化傳質構件等。
 
以某600MW機組進行脫硫裝置超低排放改造為例,其設計吸收塔入口SO2質量濃度為3000mg/m3,出口SO2質量濃度不超過35mg/m3,設計脫硫效率為98.83%。改造方案1為噴淋空塔方案,設置5層噴淋層,每層噴淋層對應設置1臺流量為10500m3/h的漿液循環泵,最下層噴淋層對應漿液循環泵A,漿液循環泵揚程為19.8m,噴淋層中心線間距2m。方案2為托盤塔方案,設置4層噴淋層和1層合金托盤,每層噴淋層對應設置1臺流量為10500m3/h的漿液循環泵,最下層噴淋層對應漿液循環泵A,漿液循環泵揚程19.8m,噴淋層中心線間距2m。吸收塔改造方案對比見表1。
 
表12種吸收塔改造方案對比
 
 
吸收塔系統的主要電耗為漿液循環泵電耗及吸收塔阻力引起的引風機(或增壓風機)電耗,包括漿液循環泵軸功率和吸收塔阻力導致的風機軸功率。噴淋空塔方案和托盤塔方案的吸收塔電耗對比見表2。
 
表2不同改造方案的吸收塔電耗對比
 
 
雖然相對于噴淋空塔方案,托盤塔方案吸收塔阻力增加500Pa,引起風機電耗增加510kW,但噴淋空塔方案多設置1層噴淋層,其對應的循環泵軸功率為1097kW,兩者疊加得出在設計工況下運行時托盤塔方案可節能587kW,減少廠用電率約0.1%。
 
 

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