600MW燃煤機組煙氣脫硫裝置的仿真設計研究

胡志光，胡曉貝

（華北電力大學 環境科學與工程學院，河北 保定071003）

1 引言

我國火電廠主要以燃煤電廠為主，伴隨著發電行業的快速發展，燃煤電廠產生了大量有危害的SO2氣體。根據2012年新的《火電廠大氣污染物排放標準》［1］，燃煤電廠SO2的排放限值降到100mg／m3，對煙氣脫硫（FGD）系統的要求更高，同時脫硫效率高、運行可靠的濕式石灰石－石膏［2］法將會有更廣泛的應用。

本文以某燃煤電廠600MW機組配套的煙氣脫硫裝置為研究對象，對石灰石／石膏法FGD系統進行了總體設計，濕式石灰石－石膏法FGD工藝是目前世界上燃煤電廠應用最廣泛、技術最成熟的濕法脫硫技術［3］。該技術采用石灰石（CaCO3）漿液作洗滌劑，在反應塔（吸收塔）中對煙氣進行洗滌，從而除去煙氣中的SO2。

2 濕式石灰石－石膏法脫硫工藝

濕式石灰石－石膏法煙氣脫硫工藝系統主要包括：煙氣系統、吸收塔系統、石灰石漿液制備與供給系統、石膏脫水系統、FGD輔助設備系統。工藝流程見圖1。

圖1 石灰石－石膏濕法FGD工藝流程

由圖1可知，自鍋爐來煙氣經除塵后進入FGD系統，由增壓風機升壓經GGH高溫側降溫后進入吸收塔，若不設GGH則直接進入吸收塔，本工藝按不設GGH考慮。從吸收塔中下部進入吸收塔的煙氣與上部噴淋的石灰石漿液逆流接觸，SO2被漿液洗滌，脫硫后的清潔煙氣通過除霧器除去霧滴后由吸收塔出口排出，再經過GGH低溫側升溫至80℃，進入煙囪排放，如果無GGH則直接進入煙囪排放。吸收SO2后的漿液進入吸收塔底部的循環氧化反應槽，漿液中的CaSO3被鼓入的空氣氧化成CaSO4。當Ca2＋、SO2－4濃度達到一定的過飽和度時，結晶析出二水硫酸鈣，然后通過石膏漿液排出泵送至石膏脫水系統。同時吸收劑制備和輸送系統往塔底注入新鮮的石灰石漿液，提升漿液pH值，使之能在下一個循環中重新吸收SO2。

3 燃煤電廠原始資料

該工程設計新建某燃煤電廠機組容量為600MW，機組配備1臺最大連續出力1913t／h的鍋爐，電廠燃煤設計煤種、校核煤種均為淮南煤。最熱月（7月）平均最高氣溫為30℃；最冷月平均最低氣溫為12.5℃。歷年平均氣壓1013.3kPa。最熱月平均相對濕度79%，最冷月平均相對濕度為51.5%。

3.1 鍋爐概況

鍋爐按露天布置設計，類型為超臨界一次中間再熱螺線管圈直流鍋爐，鍋爐主要設計參數見表1。

表1 鍋爐主要設計參數

3.2 燃煤電廠主要分析資料

煤質資料見表2，石灰石粉分析資料見表3。

3.3 FGD入口煙氣參數

FGD入口煙氣參數是脫硫工藝的主要涉及數據，煙氣的含硫量和其他相關的數據要求，對脫硫系統的設計提供了依據，見表4；鍋爐B－MCR工況煙氣中污染物成分，見表5。

3.4 性能保證

煙氣脫硫系統根據下述要求進行設計［4］。

表2 煤質分析

表3 石灰石粉分析資料

表4 FGD入口煙氣參數

表5 鍋爐B－MCR工況煙氣中污染物成分

（1）在鍋爐燃用設計煤質BMCR工況下，處理全煙氣量時的脫硫效率不小于95%，脫硫裝置出口SO2濃度不超過41mg／Nm3（設計煤種）。

（2）在任何正常運行工況下，除霧器出口煙氣攜帶的水滴含量低于75mg／Nm3（干基）。

（3）當煙氣溫度和粉塵濃度分別增加到最高160℃和最大400mg／Nm3（濕基）時，煙氣脫硫系統能安全、可靠和連續運行。

（4）在鍋爐BMCR工況條件下，要求：煙氣脫硫系統中的設備有一定的容余量；煙氣脫硫系統具有應付停機的有效措施；煙氣脫硫系統應能適應鍋爐的起動和停機，并能跟隨鍋爐負荷的波動。

（5）石膏品質：自由水分低于10%，CaSO4·2H2O含量高于90%，溶解于石膏中的Cl－含量低于0.01%Wt（以無游離水分的石膏作為基準），溶解于石膏中的F－含量低于0.01%Wt（以無游離水分的石膏作為基準）。

（6）煙氣脫硫系統的服務壽命不低于30年。

4 工藝系統設計

4.1 煙氣系統設計

FGD系統進出口煙道在鍋爐BMCR工況下，保持速度為20m／s左右，靠近吸收塔入口處的煙道可采用計算機模型進行設計計算，以確定入口煙道與塔徑匹配的尺寸。通過參考文獻，發現83%～87%的入口寬度與吸收塔直徑比值為宜，此處入口煙道寬度按占塔徑85%設計。其余煙道設計符合《火力發電廠煙風煤粉管道設計技術規程》規定，煙氣最大流速不超過15m／s。

該煙氣系統按省去GGH考慮，FGD系統入口前的原煙道可不采取防腐措施，采用碳鋼制作即可，壁厚不小于6mm；但至少要從塔入口前5m處開始使用鱗片樹脂或襯膠等防腐材料，即所有接觸到低溫飽和煙氣冷凝液或從吸收塔循環來的霧氣或液體的煙道采用玻璃鱗片樹脂內襯，煙道壁厚不小于6mm，內襯不小于1.6mm。煙道需設置低位點以滿足冷凝液的排放，但膨脹節和擋板不能布置在低位點。煙道外部要充分加固和支撐，以防止振動，所有防腐煙道僅采取外部加強筋。

對于600MW機組，可設置1臺動葉可調軸流式風機，或設置2臺靜葉可調軸流式風機，其宜安裝在FGD系統入口處。在增壓風機前設有入口原煙氣擋板，其同出口凈煙氣擋板和旁路擋板共用1套1用1備的密封風系統。一般旁路擋板處于關閉狀態，進、出口擋板開啟，密封風系統保證100%煙氣進入FGD系統。而當FGD系統故障或引風機出口煙溫超過極限溫度時，進、出口擋板關閉，旁路擋板應快速開啟，從全關狀態到全開狀態的時間大致在10～15s。由于旁路擋板具有快速打開的功能，因此采用單百葉窗擋板門，而進、出口擋板采用雙百葉窗擋板門。

擋板門的選材需考慮到其所處的環境，FGD進口原煙氣擋板葉片及框架材料為Q235－A，密封片采用1.4529合金；FGD出口凈煙氣擋板葉片為1.4529合金，密封片為C－276，框架為Q235－A＋1.4529內襯；旁路擋板凈煙氣側葉片材料為1.4529，原煙氣側為Q235－A，密封片為C－276，框架為Q235－A＋1.4529內襯。

4.2 吸收塔系統設計

吸收塔采用逆流噴淋空塔，具體尺寸見圖2。一套600MW機組配備一臺吸收塔，吸收塔自下向上分為反應槽、吸收區和除霧區。反應槽中下部設有氧化系統，采用空氣噴槍和攪拌器組合式，并由單獨的氧化風機供氣。每塔設置2運1備氧化風機，若2套FGD裝置就近布置或對稱布置時，可考慮備用風機公用。攪拌器一般設在離底部2.0m處，傾斜角為10°。

吸收塔中部為吸收區域，主要為漿液噴淋系統。噴淋層布置在吸收區上部，按4層噴淋層設計，每層噴淋層由分配母管／支管和噴嘴組成，母管和支管在吸收塔端面內平行對稱布置，形成一個網狀管路系統。噴淋層的一側與循環管道連接，通過漿液循環泵將石灰石漿液均勻地輸送至每個噴嘴。該噴淋系統采用頂層單向噴淋，采用單向下噴噴嘴，其余2～4層采用雙向噴淋，采用上下雙向噴嘴。常用噴嘴有中空錐噴嘴和螺旋錐噴嘴，噴射角分90°和120°兩種。上噴噴嘴選用噴射角為120°的中空錐噴嘴，下噴噴嘴選用噴射角為90°的中空錐噴嘴。靠近塔壁的上下噴噴嘴均選用噴射角為90°的螺旋錐噴嘴。漿液再循環泵安裝在泵房內，每層噴淋層對應一臺循環泵，確保漿液覆蓋率為200%～300%。

除霧區設置在吸收塔的上部，選用折流板除霧器，在不設GGH的情況下，除霧器的布置方式采用屋脊式。另外，除霧器還需設置3層沖洗層，定期對除霧器進行清洗。

4.3 石灰石漿液制備與輸送系統設計及設備選型

石灰石漿液制備系統按2套FGD裝置合用1套設計，即2套FGD裝置設置2臺濕式球磨機及相應的石灰石漿液旋流器、2臺稱重式給料機，每臺球磨機配1個磨機再循環箱和2臺磨機再循環泵。每臺FGD裝置的石灰石耗量為4.79t／h，石灰石儲倉的有效容積是530m3，滿足設計煤種BMCR工況下連續運行3d的石灰石耗量；每臺FGD裝置的石灰石漿液需求量為23.95t／h，石灰石漿液箱的有效容積為250m3，滿足兩臺機組6h連續運行的耗量，石灰石漿液輸送泵流量為31m3／h。

4.4 石膏脫水系統設計與設備選型

同石灰石漿液制備系統一樣，每兩臺機組合用一套。石膏脫水系統的出力按不低于石膏產量的150%設計。每套脫水系統設置兩臺石膏脫水機，單臺設備出力按設計工況下石膏產量的75%選擇。每座吸收塔設置石膏排出泵2臺，一臺運行，一臺備用，對應一臺石膏漿液旋流器和一臺真空皮帶脫水機。設置一臺廢水旋流器，其處理量按系統產生的廢水量設計。

4.5 吸收塔結構圖和尺寸圖

根據設計結果，采用AutoCAD繪圖軟件繪制了系統塔尺寸圖和結構圖，見圖2和圖3。

5 工程概算

該項目脫硫裝置靜態投資為12503萬元，單位造價104元／kW。

各工藝系統投資構成詳見表6，單位以萬元計。

圖2 吸收塔尺寸

圖3 吸收塔結構

表6 總概算

設備年利用小時數：該工程投產后設備年利用小時數按5500h計算。

石灰石粉消耗及價格：脫硫裝置石灰石粉價格為120元／t。石灰石消耗量為4.4t／h。

定員及工資標準：電廠脫硫新增定員10人，年人均工資為50000元，福利費綜合費率按工資總額的55%計算。

用水量：脫硫裝置用水量按消耗水64t／h計算。

修理費：按脫硫裝置造價的1.5%預提。

用電量：脫硫裝置用電量6000kW·h，年耗電1823萬kW·h，電價按0.30元／kW·h。

折舊率：固定資產折舊采用直線法，凈殘值率為5%，在本次技術經濟分析中，為簡化計算，固定資產折舊按綜合折舊率提取，折舊年限取15年，折舊率為6.33%。

以上費用總計為21696.8萬元。

該工程脫硫裝置靜態投資單位造價為104元／kW，低于限額指標，因此該工程的投資水平可認為是合理的。

6 結語

濕式石灰石／石膏煙氣脫硫工藝技術成熟，運行可靠，可脫除95%以上的SO2，環境效益顯著。FGD裝置在國內燃煤電廠中的應用越來越廣泛，隨著國內脫硫核心技術的逐步掌握和設備、材料國產化率的逐步提高，FGD系統的優化設計將成為重要的研究方向。

［1］ 牛治國，張 勇，陳鴻偉.我國燃煤電廠煙氣脫硫技術進展［J］.河北化工，2006（1）：43～45.

［2］ 楊巧云.火電廠脫硫技術綜述［J］.環境保護科學，2008，34（3）：8，11.

［3］ 陳紹敏.大型燃煤電廠在選擇煙氣脫硫裝置系統及輔助設備選型探討［J］.電站輔機，2005（3）：9～12.

［4］ 王 瓊.火電廠石灰石／石膏濕法煙氣脫硫系統的設計及優化［D］.武漢：武漢大學，2005.