浅析石灰石-石膏法烟气脱硫系统的工艺和设备选择.pdf

!热力发电#$（%）收稿日期：!#$#&%#作者简介：!何育东（%&(），男，%#年毕业于南京东南大学动力工程系。现任国电热工研究院电站清洁燃烧国家工程研究中心高级工程师，主要从事锅炉及辅机、脱硫装置的试验研究。浅析石灰石 石膏法烟气脱硫系统的工艺和设备选择何育东%，丹慧杰%，段建中，赖!宇$，屈小华$，苏文通$，周秋玲$（%)国电热工研究院，陕西 西安*%#$；)西安交通大学，陕西 西安*%#+；$)重庆发电厂，重庆&$#,$）摘!要!在对我国已投运的石灰石 石膏法烟气脱硫装置调研的基础上，结合我国现阶段的脱硫工艺技术和制造水平，对石灰石 石膏法烟气脱硫系统的工艺和设备选择提出一些个人观点：（%）吸收塔类型；（）锅炉与脱硫塔的组合方式；（$）烟气加热装置；（+）制浆系统；（,）防腐耐磨技术及材料；（&）关键设备。此外，还介绍了石灰石 石膏法烟气脱硫装置的发展趋势。关键词!电站锅炉；烟气脱硫；石灰石 石膏法；工艺；设备中图分类号-,%!文献标识码.!文章编号%#$&+（#$）%#&#+!石灰石 石膏法烟气脱硫工艺是目前最为成熟、运行可靠性最高、应用最为广泛的一种脱硫工艺。我国电站锅炉已运行的十余套脱硫装置中，也多以此工艺为主。随着我国新的环保政策和法规的陆续出台，今后%#年将是脱硫装置迅猛发展的时期。很多电厂已开始或计划进行脱硫装置的项目准备，而石灰石 石膏法因其高可靠性受到了很多用户的青睐。在对我国已投运的石灰石 石膏法烟气脱硫装置调研的基础上，结合我国现阶段的脱硫工艺技术和制造水平，对石灰石石膏法烟气脱硫装置（/01）中脱硫工艺和设备的选择提出了如下观点，供广大用户参考。脱硫工艺和设备的选择是个系统工程，与技术的可靠性、设备造价、运行和维护费用、国内外相关工艺技术和制造水平、燃煤的含硫量、场地布置、周围环境资源、新建或改造脱硫装置以及电厂的寿命等因素密切相关。一般来说，燃用低硫煤电厂/01 的可靠性较燃用高硫煤的要高，好的石灰石 石膏法/01 装置的可用率可以达到2以上。自#世纪#年代初期从国外引进全套的石灰石 石膏法装置迄今，我国已经有华能珞璜电厂、太原第一热电厂、北京第一热电厂（北京一热）、杭州半山电厂、重庆发电厂、广东连州发电厂等几套/01 装置陆续投运，最大处理烟气量（标态、湿态、&23下）已经达到了%*&4%#+5$6 7。国内独立设计的成套/01 装置也已经在石景山热电厂运行，另有数套装置预计在年内投运。在引进、消化和吸收的基础上，/01 的有些关键设备已实现了国产化，石景山热电厂/01 装置国产化率就达到了(#2，且设备运行良好，从而大大降低了/01 装置的造价。以下将依据上述事实进行讨论。!吸收塔类型石灰石 石膏法常用的吸收塔型式有喷雾塔（空塔）、填料塔和板式塔。（%）喷雾塔!喷雾型吸收塔是当今国内外的发展方向，在当前石灰石 石膏法中占居主导地位。这种脱硫塔结构简单，对煤种、锅炉负荷变化适应能力强，脱硫效率调节容易，维护方便且不易结垢或堵塞。喷雾型吸收塔喷嘴材料一般采用使用寿命长、耐磨和耐蚀性能良好的陶瓷（如碳化硅）。特别是近几年来，国外正在开发高速塔，即将塔内烟气速度大幅度提高（可达&56 8 以上），因而塔径减小，节约了投资。但如果吸技术经济综述万方数据热力发电!#（$）!%收塔入口段设计不合理，其脱硫效率将受气流不均匀的影响，且循环泵的能耗也较大。（!）填料塔%填料塔是在塔内放置格栅填料，浆液循环泵将石灰石浆液送到溢流型喷嘴，浆液溢流到格栅上，烟气一般顺流（即与液流方向一致）进入吸收塔，在格栅上气流和浆液充分接触传质，完成二氧化硫的吸收过程，从而达到脱硫的目的。这种吸收塔的优点是采用溢流型喷嘴，循环泵能耗较低，喷嘴的磨损情况大为缓解；其缺点是格栅容易被&()*!+!)及&()#堵塞，需定时清洗，维护费用较高。填料塔已呈逐渐被弃用的趋势。（#）板式塔%板式塔（如筛孔板、穿流栅孔板塔）与填料塔相比，具有空塔速度高、生产能力大、质量小、造价较低、检修维护容易、在合适的导流条件下放大效应不明显等优点。目前筛孔板在镁法和海水脱硫工艺中应用较广。只要筛孔板设计及冲洗装置适宜，即使使用石灰石 石膏法也不会产生结垢、堵塞现象。从国外吸收塔的发展史以及国内现有脱硫装置的运行可靠性来看，喷雾型吸收塔在一段时期内仍然会占据主导地位。有些环保公司采用了能耗较小的液柱塔，也有些环保公司尝试结合板式塔和喷雾塔各自的优点，采用喷嘴与筛孔板相结合的方式，省却了一层喷嘴，吸收塔的体积和能耗都得以减小。日本千代田公司的喷射鼓泡塔是将烟气喷入吸收浆液，完成对()!的传质吸收。因其没有浆液循环泵，吸收塔体积又小，初投资较小。其工艺特点对燃用高硫煤和稳定负荷的机组显现了一定的优势。!锅炉与脱硫塔的组合方式锅炉与脱硫塔有!种组合方式：!炉$塔和$炉$塔。!炉$塔目前在中国的最大运行业绩就是重庆发电厂的!台!,-机组共用的$套脱硫装置。!台#,-级以上的机组共用$套脱硫塔，在国外已较为常见，国内也已应用在几台在建机组。采用!炉$塔的方案往往是出于价格和占地面积方面的考虑。对!台!,-机组以下的锅炉采用!炉$塔的方案，目前国内的技术是可靠的，理论上这种方案比$炉$塔的方案节省!./#.的初投资。但对!台#,-级以上的机组共用$套脱硫塔，意味着将采用更大的脱硫塔、增压风机、烟气加热器等设备，或者采用!套增压风机并列的烟风系统，烟气加热器的选择也会受到限制。这不仅意味着可靠性会有所降低，还可能因为大型的关键设备要依赖进口，其造价不一定比采用国产设备的$炉$塔方案低。目前因没有实际工程实绩可以用来对比，无法得出准确结果。在现阶段，估计二者在#,-级机组的竞争力应各有优势，!炉$塔偏重经济性，而$炉$塔偏重可靠性，都是可以接受的方案。#烟气加热装置烟气经过湿法 012 系统洗涤后，已处于湿饱和状态，为了增加烟气的热浮力，减少可见烟团的出现，一般需对净烟气进行加热。常用加热烟气的方法有!种：蒸汽 烟气加热器（(1+）和再生式气 气热交换器（11+）。11+又分回转式和介质循环式（,11+）。北京一热、半山电厂、石景山热电厂采用了回转式 11+，华能重庆珞璜电厂采用了,11+，而重庆发电厂采用了(1+。（$）蒸汽 烟气加热器%该加热器使用蒸汽加热烟气，占地面积小，布置灵活方便，但缺点是：$）运行费用高；!）冷凝水和疏水回收系统复杂，如果一旦腐蚀泄露，必须停运修理，因此系统的可靠性较低；#）高温蒸汽在管道蒸气侧有结垢问题。如果采用合金钢加有机防腐外套的换热管束，国外产品的价格不菲，而国内暂无同类产品的应用业绩。（!）再生式气 气热交换器%该交换器通过载热体或载热介质将热烟气的热量传递给冷烟气。$）回转式烟气换热器占用空间大，但运行成本低，少量的腐蚀和泄露除对总脱硫效率有些影响外，不会对整个系统的安全性造成影响，因此可靠性高。由于这个原因，世界上大多数的湿法 012 装置安装了这种热交换器。回转式烟气换热器的主要问题是原烟气会泄漏到净烟气中，导致净烟气被污染，脱硫效率降低；另外低温区的结垢和腐蚀也是一个常见的问题。!）,11+的优点是无泄漏，占地面积小，布置相对灵活。当烟气中()!浓度很高或要求的脱硫率非常高时，一些公司选择使用,11+。,11+的投资一般会高于回转式 11+，同时也面临着(1+同样的问题。对燃用低硫煤的电厂（例如含硫量在!.以下），在场地不受限制的情况下，回转式 11+几乎是唯一的方案。与其它几种烟气加热方案相比，在初投资、运行维护和可靠性上都极具竞争力。国产回转式 11+经过这几年的技术引进和提高，已经基本解决了泄漏大和结垢腐蚀的问题，一般漏风率已能做到在$.以下，技术经济综述万方数据!热力发电#$（%）可靠性也很高，且价位也比国外同类产品低得多。因此采用国产回转式&，不失为一个好的选择。当燃用高硫煤时，应当考虑回转式&的烟气泄露是否可以满足()排放的要求。!制浆系统石灰石制浆通常有 种系统：干式制浆系统和湿式制浆系统。（%）干式制浆系统!干式制浆系统的工艺流程是，石灰石块经过初步破碎（或粗破碎）后，经筛选机筛选，直径过大的石灰石返回再次破碎，直径符合要求的石灰石用工艺水冲洗并烘干后送入干式磨机磨成一定粒度的石灰石粉并被携带风带出后进入除尘器被收集下来。最后，送入制浆池配成一定浓度的浆液。干式制浆系统可以选用立式旋转磨或卧式钢球磨。（）湿式制浆系统!湿式制浆系统的工艺流程与干式相比，二者在石灰石块入磨之前的工序基本相同，从入磨后到制成浆液的工序，省去了诸如风机、电除尘器、旋风分离器等附属设备。湿式球磨机直接将一定粒度的石灰石块制成浆液，经水力旋流器分离后，合格的浆液送去配浆，不合格的返回再磨。该系统一般采用卧式钢球磨。华能珞璜电厂采用了干式制浆系统，北京一热、半山、重庆、石景山等电厂采用了湿式制浆系统。一般认为，湿式制浆系统比干式制浆系统有以下优势：（%）所用的辅助设备要比干式少，因而投资、占地面积、发生故障的可能性也小。（）电耗低。虽然球磨机比立式磨机的电耗大，但就整个系统而言，湿式制浆系统的电耗相对较低，因而运行费用低。（$）调节更方便。干式制浆系统主要通过调整磨机的运行参数来调节粉量和粒径，而湿式制浆系统可以通过石灰石和水的配比及调整出口水力旋流器的性能直接得到符合一定浓度和粒度要求的石灰石浆液。（*）环境污染小。干式制浆系统的环境污染是扬尘，而湿式制浆系统的环境污染是渗漏。（+）湿式制浆系统噪音较小。总之，干式、湿式两种制浆系统在我国投运的脱硫装置中都有应用，但湿式制浆系统投资省，占地小，可靠性高，调节方便、污染小，因而比干式制浆系统更有竞争力。但作为区域电厂，如果需要考虑向周边地区卖石灰石粉时，干式制粉系统占有优势。#防腐耐磨技术及材料石灰石 石膏法脱硫装置不可避免地会受到腐蚀和磨损，因而系统部件材料的选择十分重要，其在很大程度上影响系统的可靠性、投资和运行维护费用。合适的材料选择应兼顾经济性和可靠性。脱硫装置的防腐防磨技术一般分静态和动态设备两部分。（%）静态设备!静态设备是指吸收塔、再热器、除雾器、烟道、箱罐、浆池的壳体及内支撑。从静态设备的防腐技术来看，绝大多数都使用碳钢或混凝土内衬有机材料防腐层（简称内衬防腐）工艺。而玻璃鳞片树脂内衬技术（简称鳞片衬里）和橡胶衬里是烟气脱硫装置经过多年实践验证了的可行且有效的内衬防腐蚀技术。其中鳞片衬里因其良好的物理、化学特性以及施工和价格方面的优势，几乎是内衬防腐蚀的首选技术。两种内衬技术在脱硫设备中都很普遍。国内研制的鳞片及橡胶衬里技术和材料已在化工行业有十多年的良好应用业绩，性能和国外同类技术已无差异。浆液输送管道一般采用碳钢加橡胶内衬结构，也有采用玻璃钢、不绣钢和有机塑料管道的，它们在价格上差异很大。（）动态设备!动态设备防腐技术是针对泵、搅拌器、风机的防腐。这些动态设备运行在腐蚀和固体颗粒磨损的环境中，无一例外地都采用衬胶、合金材料或合金金属内衬。一般泵壳和叶轮均可采用铸铁加橡胶衬里结构或合金材料。对吸收塔浆液中氯离子浓度较高的系统，也可采用镍基低碳合金钢。具体使用何种形式的材料在确定上比较困难，例如合金钢的价格是衬胶材料的$倍，但寿命不一定是其$倍；有些内衬还含有特殊的抗磨损填充物（如氧化铝）增强耐磨性。从价格上说，衬胶材料大约是普通碳钢的+,-倍，镍基低碳合金钢是普通碳钢的%.倍以上。当然，对合金钢和衬里的化学成分选择要做具体分析，因为脱硫系统中不同区域腐蚀成分和浓度不同，介质中的颗粒浓度也不同，所以不同的工作条件应当选用不同成分的衬里或合金钢。技术经济综述万方数据热力发电!#（$）!%!关键设备（$）烟气挡板门%脱硫系统的烟气挡板主要是系统旁路和进出口挡板，是关系到锅炉安全运行的关键部件，在选择上应当考虑密封特性、调节特性和耐腐蚀性能。国产烟气挡板门在脱硫设备中已有业绩，质量有待进一步考证。国外产品质量可靠，但价位较高。（!）增压风机%增压风机是&(的电耗大户，动叶可调轴流式风机高效区宽，负荷适应能力强。国产的动叶可调轴流式风机较国外同类产品价格低得多，而技术工艺水平接近。（#）吸收塔喷淋层和除雾器%目前喷淋层几乎都采用国外设备；除雾器也是国外产品占主导地位。（)）回转式*%对燃用中低硫煤的电厂，在场地不受限制的情况下，回转式*几乎是唯一的方案。国产回转式*经过这几年的技术提高，已经解决了泄漏大和结垢腐蚀的问题，可靠性是有保障的，而价位也比国外同类产品低得多。（+）吸收塔循环泵%吸收塔浆液循环泵工作环境恶劣，除需要很强的耐腐蚀和抗磨损性能外，还应有较长的寿命。目前国内的产品还没有好的使用业绩。（,）石灰石破碎及制备系统%湿式制浆系统比干式制浆系统投资少，占地小。国产湿式球磨机在国内已经有了运行业绩，且运行效果不错，价位也比国外同类产品低得多。（-）石膏脱水机%国内已有生产真空皮带脱水机的厂家，且已有用于石膏脱水的业绩报道。国外真空皮带脱水机价位相对较高。（.）防腐蚀防磨损技术和材料%国内研制的鳞片及橡胶衬里技术和材料有十多年良好应用业绩，并已应用于烟气脱硫装置，性能和国外同类技术已无差异。各种衬胶泵在化工行业的应用也很普及。（/）关键的电气设备%关键的电气设备主要是指高压、低压控制开关柜和变压器。国内产品具有价格优势，国外产品可靠性高一些。（$）控制系统%国内产品具有价格优势，技术日渐成熟；国外产品可靠性高一些。#石灰石 石膏法烟气脱硫装置的发展趋势%石灰石 石膏法仍然是目前主流烟气脱硫技术，但一些工艺有待进一步改进。例如：（$）在脱硫塔内部应适当增加气液接触设备，降低所需的液气比，以节约动力费用。（!）改进喷嘴型式，降低喷前压力，减少动力消耗。（#）改进氧化系统，提高氧化空气的利用率。（)）改变工艺，促进石膏晶体的快速生长，促使其结晶粗大，以易于浓缩分离和脱水。（+）采用粒径较粗的 0102#粉末，降低对制浆系统的性能要求。（,）已脱硫的烟气经自然通风冷却塔排放，这样做可以降低压头损失，减少能量需求，省去庞大的烟气换热器，降低投资和运行成本，增加系统运行的可靠性。参 考 文 献$%郭东明3 硫氮污染物防治工程技术及其应用 4 3 化学工业出版社，!$3!%钟秦3 燃煤烟气脱硫脱硝技术及工程实例 4 3 化学工业出版社，!3信息报道电力用燃料标准汇编（第!版）出版火电占我国发电装机的-5以上，而火电成本的-5为燃料，因此，了解火电厂所用燃料的性质及其测试方法，对合理利用燃料，提高燃料利用率，指导火电厂运行，进而降低发电成本有极其重要的作用。电力用燃料标准汇编（第!版）是在$/年第$版的基础上，增加了截止!#年/月所颁布的新的有关煤炭、燃油标准，全书共收入国家标准/)项，煤炭行业标准,项，电力行业标准$-项。与第$版相比，新增国家标准!/项，煤炭行业标准$项，电力行业标准)项。因此，第!版将会给煤炭和电力行业从事煤炭和燃油生产、供应、运销、制备、检验，以及使用的企业和人员以更全面的指导。电力用燃料标准汇编（第!版）全书计$)!万字，!#年$月第一版第一次由中国标准出版社出版，全国各地新华书店有售。（杜晓光 供稿）技术经济综述万方数据