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电厂脱硫、脱硝

1引言
自20世纪70年代初，日本、美国率先实施控制SO2排放战略以来，许多国家相继制定了严格的SO2排放标准和中长期控制策略，加速了控制SO2排放的步伐大大促进了FGD技术的发展。在众多的FGD工艺中，石灰石石膏湿法脱硫工艺成为烟气脱硫技术的主流，具有发展历史长、技术成熟、运行经验丰富、石灰石来源丰富、石膏可综合利用商业化程度高、脱硫效率高、单塔处理烟气量大等优点。湿法石灰石石膏烟气脱硫技术在美国和全世界分别占了67％和82％，可见湿法石灰石石膏脱硫技术是一种普遍受迎的FGD技术。到目前为止，我国已经投运和在建的火电厂烟气脱硫装置，尤其是300MW上的火电机组配套安装的脱硫装置大多采用石灰石湿法烟气脱硫。本文将通过某电厂的脱硫系统，分析脱硫系统。
2 湿法脱硫工艺特点
石灰石石膏湿法脱硫工艺作为目前国内比较成熟的技术，具有以下优点：
1）技术成熟、可靠，国外应用广泛，国内也有运行经验。
2）脱硫效率高>=95%，有利于地区和电厂实行总量控制。
3）适用于大容量机组。
4）吸收剂(石灰石)资源丰富，价廉易得。
5）系统运行稳定、煤种和机组负荷变化适应性广。
6）脱硫副产品石膏可以综合利用，经济效益显著。
7）高速气流设计增强了物质传递能力，降低了系统的成本，标准设计烟气流速达到4.0 m/s
8）最优的塔体尺寸，系统采用最优尺寸，平衡了SO2去除与压降的关系，使得资金投入和运行成本最低。
9）吸收塔液体再分配装置，有效避免烟气爬壁现象的产生，提高经济性，降低能耗。
10）单塔处理烟气量大，SO2脱除量大。
11）设备布置紧凑减少了场地需求。
石灰石石膏湿法脱硫工艺优点明显，但同样也缺点突出：
1）系统复杂、运行维护工作量大。
2）水消耗较大，存在废水处理问题。
3）系统投资较大、运行维护费用高、装置占地面积也相对较大。

3 湿法脱硫反应原理
石灰石石膏湿法脱硫工艺的主要反应是在吸收塔中进行的，送入吸收塔的吸收剂—石灰石(石灰)浆液与经烟气换热器冷却后进入吸收塔的烟气接触混合，烟气中的二氧化硫(SO2)与吸收剂浆液中的碳酸钙(CaCO3)以及鼓入的空气中的氧气(O2)发生化学反应，生成二水硫酸钙(CaSO4·2H2O)即石膏；脱硫后的烟气依次经过除雾器除去雾滴、烟气再热器加热升温后，经烟囱排入大气。该工艺的化学反应原理如下[3]

某电厂采用的是日本川崎重工业株式会社的川崎石灰石－石膏脱硫技术，该技术的反应原理如图1－1所示。在这个反应过程中，pH值的控制对反应很重要，较高的pH值有利于吸收反应的发生，而较低的pH值有利于氧化和结晶反应的进行。

图2-3-1川崎石灰石－石膏法反应原理图

4 湿法脱硫工艺系统简介
一套完整的湿法脱硫工艺系统通常包括：SO2吸收氧化系统即吸收塔系统、烟气系统、吸收剂制备系统、石膏脱水系统、废水处理系统。各系统关系如下：在整个脱硫系统中，吸收塔系统是核心，SO2的脱除，中间产物的氧化，以及副产物石膏浆的结晶全部在吸收塔中完成，其它系统则是为吸收塔系统提供服务，而且根据要求不同，其它系统或可以简化，或可以取消，如果取消石膏脱水系统，则变为石膏抛弃法，这时废水处理系统也相应取消，烟气系统的简化主要在于烟气再热器的取舍，而吸收剂制备系统的简化则是取消石灰石磨制设备（球磨机），直接购买石灰石粉进行配制浆液。

4.1 烟气系统
烟气系统包括烟道烟气挡板、增压风机和气－气加热器（GGH）等关键设备。吸收塔入口烟道及出口至挡板的烟道，烟气温度较低，烟气含湿量较大，容易对烟道产生腐蚀，需进行防腐处理。烟气挡板是脱硫装置进入和退出运行的重要设备，分为FGD主烟道烟气挡板和旁路烟气挡板。前者安装在FGD系统的进出口，它是由双层烟气挡板组成，当关闭主烟道时，双层烟气挡板之间连接密封空气，以保证FGD系统内的防腐衬胶等不受破坏[33]。旁路挡板安装在原锅炉烟道的进出口。某单台机组烟风系统流程如

图2-4-1烟风系统流程图
经湿法脱硫后的烟气从吸收塔出来一般在43—55℃之间，含有饱和水汽、残余的SO2、SO3、HCl、HF、NOX，其携带的SO42-、SO32-盐等会结露，如不经过处理直接排放，易形成酸雾，且将影响烟气的抬升高度和扩散。为此电厂FGD系统配有一套气－气换热器（GGH）烟气再热装置。气－气换热器是蓄热加热工艺的一种，即常说的GGH。它用未脱硫的热烟气（一般130～150℃）去加热已脱硫的烟气，一般加热到80℃左右，然后排放，以避免低温湿烟气腐蚀烟道、烟囱内壁并可提高烟气抬升高度。从电除尘器出来的烟气温度高达130～150℃，因此进入FGD前要经过GGH降温器降温，避免烟气温度过高，损坏吸收塔的防腐材料和除雾器。
4.2 吸收塔系统
吸收塔系统吸收系统的主要设备是吸收塔，它是FGD设备的核心装置，系统在塔中完成对SO2、SO3等有害气体的吸收。湿法脱硫吸收塔有许多种结构，如填料塔、湍球塔喷射鼓泡塔、喷淋塔等等，其中喷淋塔因为具有脱硫效率高、阻力小、适应性、可用率高等优点而得到较广泛的应用，因而目前喷淋塔是石灰石/石膏湿法烟气脱硫工艺中的主导塔型。喷淋层设在吸收塔的中上部，吸收塔浆液循环泵对应各自的喷淋层。每个喷淋层都是由一系列喷嘴组成，其作用是将循环浆液进行细化喷雾。一个喷淋层包括母管和支管，母管的侧向支管成对排列，喷嘴就布置在其中。喷嘴的这种布置安排可使吸收塔断面上实现均匀的喷淋效果，见图1－3。吸收塔循环泵将塔内的浆液循环打入喷淋层，为防止塔内沉淀物吸入泵体造成泵的堵塞或损坏及喷嘴的堵塞，循环泵前都装有网格状不锈钢滤网（塔内）。单台循环泵故障时，FGD系统可正常进行，若全部循环泵均停运，FGD系统将保护停运，烟气走旁路。

图2-4-2吸收塔原理
氧化空气系统是吸收系统内的一个重要部分，氧化空气的功能是保证吸收塔反应池内生成石膏。氧化空气注入不充分将会引起石膏结晶的不完善，还可能导致吸收塔内壁的结垢，因此，对该部分的优化设置对提高系统的脱硫效率和石膏的品质显得尤为重要。吸收系统还包括除雾器及其冲洗设备。除雾器安装在吸收塔的后面，用以去除吸收塔来的雾滴。吸收塔元件装有水冲洗系统，将定期进冲洗，以防止雾滴中的石膏、灰尘和其它物质堵塞元件。1.4.3浆液制备系统某电厂石灰石浆液制备系统两塔共用一套，包括2台湿式球磨机的给料机、2台湿式球磨机（每台容量为两台锅炉BMCR工况时石灰石用量的75％）、球磨机配套的浆液再循环箱、1个石灰石浆液箱、4台石灰石浆液给料泵（每套脱硫系统两台）、4台球磨机浆液再循环泵（每台球磨机两台）、2个石灰石旋流器站等。由皮带秤给料装置按需求量把石灰石（直径小于20mm）从石灰石储仓送至湿式球磨机进行研磨。FGD补给水或滤液将按与送入石灰石成定比的量而加入湿式球磨机的入口石灰石在湿式球磨机中被磨成粉末并自流至浆液再循环箱，然后再由球磨机浆液再循环泵抽吸至旋流分离器。旋流分离器底流（它负责将超过尺寸的材料送返）应再循环至湿式球磨机入口而溢流则自排入每个石灰石浆液箱中。石灰石浆液由石灰石浆液给料泵从石灰石浆液箱泵分别打入两台机组的吸收塔。
4.3 石膏脱水系统
石膏脱水系统两塔共用一套，包括旋流器（石膏水力旋流器2套、废水水力旋流器1套）、箱体、过滤器（包括2台用于石膏水力旋流器站过滤器）、石膏脱水系统内工艺泵、2台真空皮带脱水机(每台真空皮带脱水机出力为2台锅炉BMCR工况产生石膏量的75％)及其辅助设备。石膏浆液由每台石膏浆液排放泵输送至初级脱水系统。
第一级脱水系统包括石膏水力旋流站和废水旋流站。石膏水力旋流器溢流至废水旋流站，底流将通往第二级脱水系统。
第二级脱水系统包括两（2）台真空带式过滤器，位于第一级水力旋流站的下方。脱水后，石膏饼将由输送装置送至石膏贮仓。从真空带式过滤器滤出的滤液将流至滤液箱，回到FGD系统中使用。滤液由滤液泵抽吸至吸收塔反应塔或石灰石浆液制备系统再次使用。废水旋流器的溢流将流至FGD废水排污坑并由废水排污泵抽吸至FGD废水处理系统。废水旋流器的底流回到吸收塔或石膏浆液箱。
第二级脱水系统包括两台真空带式过滤器，位于第一级水力旋流站的下方。脱水后，石膏饼将由输送装置送至石膏贮仓。
4.4 排放系统
排放系统主要由事故浆池、区域浆池及排放管路组成。
4.5 热工自控系统（DCS）
为了保证烟气脱硫效果和烟气脱硫设备的安全经济运行，系统装备了完整的热工测量、自动调节、控制、保护及热工信号报警装置[5]。其自动化水平将使运行人员无需现场人员配合，在控制室内即可实现对烟气脱硫设备及其附属系统的启、停及正常运行工况的监视、控制和调节，系统同时具备异常与事故工况时的报警、连锁和保护功能。定州电厂整套控制系统采用西门子公司的Teleperm XP分散控制系统（以下简称DCS），该分散控制系统主要由AS620B自动控制系统、ES680工程设计系统、OM650过程控制和管理系统、电源系统以及通讯总线系统五大部分组成。

图2－4-5 DCS系统配置图

1）DCS控制柜及其它机柜
本系统中的DCS主要机柜配置如下：基本DCS控制柜6面（6对AP），通讯接口柜1面，计算机柜2面，继电器柜6面，端子柜9面，电源柜3面。
2）OM650过程控制和管理系统
主要配置包括：2台OT操作员站（4台CRT、配套鼠标和键盘）、4台PU处理单元、2台SU服务单元配套UPS、MOD磁光驱、图形及记录激光打印机3台。
3）ES680工程设计系统
ES680工程师站包括：主机、CRT、激光打印机及配套鼠标、键盘、UPS、磁带机。
4）电源系统
本系统共有DCS电源柜3个。每个DCS电源柜的供电采用双回路供电，其中一路为不间断电源（UPS），另一路为低压厂用保安电源，3个电源柜合计要求总容量为30KVA。两路电源进入电源柜后经自动切换装置提供DCS设备所需的交流电源并为部分现场仪表供电。两路电源经交直流转换后的两路24VDC电源并行送至各控制机柜，通过各控制柜内的二极管解耦后向各机架供电。
5）通讯总线系统
总线系统主要有三层（分别均为冗余配置）：终端总线、工厂总线、机柜总线。其中，终端总线负责PU、SU、OT、ES等设备之间的通讯；并通过与机组DCS公用系统终端总线之间的网桥实现脱硫DCS和机组DCS的通讯。工厂总线负责AS、CM、OM、ES等设备之间的通讯。机柜总线负责控制器和各I/O模件或驱动控制模件之间的通讯。