1、檢索號：32-Y2003-J36熱機專業技術交流大會論文下關電廠煙氣脫硫系統存在問題及優化改造江蘇省電力設計院2003年11月南京下關電廠煙氣脫硫系統存在問題及優化改造江蘇省電力設計院王志斌江蘇蘇源環保工程股份有限公司周 軍1總述2存在問題2.1活化器啟停有關問題2.2活化器增濕用霧化噴嘴的問題2.3活化器進口垂直煙道底部積灰問題2.4助推風管道的布置問題2.5負壓集灰系統的問題2.6兩相流管道的磨損問題2.7飛灰可燃物含量的問題3優化改造方案3.1石灰石粉四角噴射改造3.2活化器霧化噴咀改造4性能試驗情況5優化改造費用6優化改造效果7優化改造經濟效益分析8結論1.總述下關電廠#1、2脫硫系統

2、引進芬蘭富騰公司的LIFAC脫硫工藝和 設備，自1999年7月投產以來，設備運行狀況良好，系統的投運率 在90%以上，使下關電廠的煙氣SO2排放遠低于規定的排放標準，為 改善大氣環境作出貢獻，并起到了火電廠脫硫環保的示范作用。在火電脫硫取得社會效益的同時，電廠增加了發電成本。下關電 廠脫硫系統的運行成本主要表現在廠用電和脫硫吸收劑的費用。根據 試驗測試，投用LIFAC脫硫系統使廠用電率提高約0.5%。另外，LIFAC 脫硫工藝的鈣硫比為2.5，目前運行一套脫硫系統需消耗石灰石粉約 3.25t/h。按石灰石粉200元/噸計，每小時增加運行費用650元。自下關電廠脫硫系統投產之后，進行了多次性能試

3、驗和優化試 驗，致力于提高脫硫效率的同時降低脫硫成本，增強脫硫系統運行的 經濟性，并提高脫硫系統運行穩定性和可靠性。根據多次試驗的結果 和3年多的運行經驗，于2001-2002年實施了下關電廠#1脫硫系統 改造，目的是降低石灰石粉消耗和脫硫系統電耗，同時提高脫硫效率。下面將論述脫硫系統投運以來所發生的問題及所采取的措施，并 重點對石灰石粉四角噴射改造方案和活化器霧化噴咀改造方案進行 論述和探討。2存在問題在LIFAC煙氣脫硫系統投入運行以來，總體來說達到了設計要 求，但在下面幾個方面也存在著一些問題，通過采取一些改進措施， 有些問題已解決。2.1活化器啟停有關問題外方原設計的活化器啟停順序為在

4、活化器投用或停用時，活化器 出入口擋板門和旁路擋板門同時動作。這樣，就給鍋爐爐膛負壓帶來 較大波動，同時該啟停順序未考慮活化器出入口擋板門已關閉而旁路 擋板門未能及時打開會造成鍋爐熄火的危險工況。并且，原設計的活 化器擋板門的動作為連續方式，而且速度過快，鍋爐燃燒調整難以適 應，造成爐膛負壓波動較大，尤其在擋板門即將全部關閉前更為明顯。經與外方多次討論后，決定修改活化器啟停順序，即在活化器投 用時先打開活化器出入口擋板門，然后再關閉旁路擋板門；在活化器 停用時先打開旁路擋板門，然后再關閉活化器出入口擋板門。同時， 將旁路擋板門的動作方式改為步進式，即動作5s，停止15、，以便 讓爐膛負壓有足夠

5、的調整時間。運行情況表明，這些改進使得活化器 的啟停對鍋爐安全運行的影響減小到了最低的程度。2.2活化器增濕用霧化噴嘴的問題為了使增濕水霧穿透整個煙氣流，活化器增濕用霧化噴嘴整體處 于煙氣中，這樣使噴嘴表面結垢較快，同時結垢易造成噴嘴清掃裝置 卡澀，不能進行正常的清掃工作，經過一段時間后，噴嘴出口處結垢 導致其霧化性能降低，造成脫硫效率的降低，情況嚴重時，會造成活 化器的停運。外方曾提出兩個解決方案，但收效不大。現臨時采取的措施是在 正常運行時對九個噴嘴逐個抽出，進行人工清掃，造成電廠檢修工作 量較大。LIFAC工藝中活化器噴嘴的設計優化是本次優化改造重點需要解 決的問題。2.3活化器進口垂直

6、煙道底部積灰問題在距活化器垂直煙道底部3米處為活化器底部渣再循環裝置的出 口，通過煙氣將灰渣攜帶到活化器內繼續反應，以提高CaO的利用率。 由于距垂直煙道進口太近，且處于水平煙道的交匯處，因此有大量的 紊流存在，而且活化器底灰的含濕量較高（35% ）,造成大量底灰未 能被攜帶上去，從垂直煙道底部排出，降低了脫硫率。同時，低負荷 時，煙氣量減少，流速降低，攜帶率更低，增加了垂直煙道底灰的下 灰量。另一方面，活化器噴嘴霧化性能不好，也將造成灰的濕度加大， 給灰的攜帶造成困難。經與外方協商，決定將垂直煙道煙氣進口處的彎頭和煙道的截面 縮小，提高底渣再循環處的局部流速，增強煙氣的攜帶能力。經過這 一改

7、進，效果明顯，垂直煙道底部下灰量明顯減少，基本達到設計值。對于低負荷下灰量增加這一情況，建議在電廠大修時，對整個垂 直煙道進行改造，減小其截面以提高煙速。2.4助推風管道的布置問題本工程外方設計的助推風管道不太合理。一方面，可能對鍋爐的 燃燒造成了影響；另一方面，這種布置使得石灰石粉在爐內的分布極 不均勻，造成脫硫效率降低且波動較大，還易造成爐膛局部區域出現 結焦。建議對助推風母管的布置做如下修改：一種方法是將助推風母管 做成等斜率漸縮管道，使每個噴嘴處的動壓和靜壓基本相等，從而使 其流量均勻；另一種方法是在去每個噴嘴的支管上增加可調縮孔，調 整每路支管的壓力降來調節流量。最終實施的改造方案將

8、在下文中專 門論述。負壓集灰系統的問題由于LIFAC系統的投用，灰量和灰的性質發生了變化，增加了電 除塵器灰斗下的負壓集灰系統處理的灰量和輸送難度。負壓系統在設 計時雖已考慮了這些因素，但如果活化器運行控制得不好的話，負壓 集灰系統的處理能力將有所下降，幾乎沒有裕量，造成灰系統必須連 續運行，降低了系統的運行可靠性。如果運行工況進一步惡化的話， 將會造成除塵器灰斗積灰，降低電除塵器的除塵效率，導致必須降低 除塵器進口灰濃度，也就是必須停灰再循環系統。而灰再循環系統的 停用，又將造成脫硫效率和吸收劑利用率的降低。建議在今后運行過程中：(1 )加強對活化器的運行控制，尤其是增濕水量和活化器出口煙

9、氣溫度的控制；加強ESP灰斗的保溫和灰斗加熱器的投運，并把加熱器溫度 設定在較高溫度；負壓集灰系統的輸送氣源可以考慮從溫度較高的地方，如引 風機出口處，以避免冷的補氣使粉體冷卻結露。2.6兩相流管道的磨損問題在下關電廠的灰再循環管道和石灰石粉噴射管道的施工圖設計 中，設計院采用了陶瓷鋼鐵復合耐磨焊接彎管。而在現場施工過程中， 外方堅持要改為普通火煨彎管，理由是采用焊接彎頭將會增加系統阻 力，使灰再循環風機和石灰石粉輸送風機壓頭不夠。經過一段時間的 運行，很快發現灰再循環管道的幾處火煨彎管磨穿，造成廠區大面積 粉塵污染。因此決定在灰循環管道上用陶瓷彎管代替火煨彎管。通過運行表 明，這一做法很好的

10、解決了磨損問題，而且，風機的電耗并沒有明顯 增加，系統運行正常。2.7飛灰可燃物含量的問題在下關電廠LIFAC系統性能試驗時，發現在投LIFAC系統前后， 飛灰可燃物含量由1.68%增加到了 2.88%。當然，這也有燃燒調整不 好的問題。但從理論分析來看，LIFAC系統的投入可能增加了飛灰中 的可燃物含量。(1)溫度較低的石灰石粉和助推風的噴入，影響了爐膛內的燃燒動力工況和溫度場分布；（2 ）石灰石粉爐內分布的不均，造成部分CaCO3分解不完全，附 著在焦炭表面，阻止其進一步燃燒；（3）CaCO3分解消耗了氧氣，加強了爐膛上部的還原性氣氛；（4）CaO在高溫下與FeO、Si O、Al O等結合

11、生成的低熔點共2 32 32 3晶體附著在炭粒表面，阻止其燃盡。關于這一問題，還需繼續分析研究后才能下結論。3 .優化改造方案3.1石灰石粉四角噴射改造3.1.1原脫硫系統的工藝和布置原脫硫系統的石灰石粉噴射系統工藝流程見附圖入。石灰石粉噴 射管路從羅茨風機出來后分為兩路，分別引至鍋爐前墻29.7米和 32.2米標高處經5只噴嘴向爐內噴射。為了增加噴射的剛度使石灰 石粉在爐膛上部與煙氣充分混合，專門設置了助推風機向石灰石粉噴 嘴提供助推風。兩路噴射管路用氣動切換閥控制，高負荷時使用上層 噴嘴，低負荷時使用下層噴嘴，以保證負荷工況變化時石灰石粉噴入 合適的溫度區域。3.1.2爐內脫硫分析石灰石粉

12、噴入爐膛進行反應存在一個合適溫度區，溫度過低則不 能完全分解，溫度過高則會產生過燒導致石灰石粉顆粒燒結而失去活 性，無法進一步活化進行脫硫反應。研究表明合適溫度區為8501250 C。經過3年多的運行和多次脫硫系統性能試驗，發現上、下層噴嘴 雖然能噴入8501250C的溫度區域，但石灰石粉仍未能充分分解利 用，脫硫效率還有提高的潛力。對性能試驗結果進行分析認為，在鍋 爐上存在一個四角噴射的層面，標高介于前墻下層石灰石粉噴嘴層與 煤粉噴燃器層之間。在此層面進行四角噴射，石灰石粉顆粒在爐膛中 的滯留時間增加，反應時間延長，爐內混和程度增加，同時顆粒的分 布也得到改善。對石灰石粉噴射系統和燃燒系統進

13、行改造，將石灰石 粉前墻噴射改為四角噴射，可以進一步提高脫硫效率或減小石灰石粉 耗量，降低脫硫成本。另外，抽取部分燃燒空氣將石灰石粉送入爐膛 上部，可以降低煙氣中的NOX的排放。3.1.3溫度場試驗為滿足下關發電廠#1爐脫硫改造工程的要求，進行了 #1爐爐膛 溫度場試驗，用水冷抽氣熱電偶分別測試了 3個負荷點的溫度場。通 過爐膛溫度場測試，取得#1爐燃燒器上部至屏過區域的爐膛溫度場 分布，為脫硫改造工程選擇合適的脫硫噴鈣位置提供有關溫度場參 數。3.1.4四角噴射改造的技術方案比較：方案一：石灰石粉噴嘴布置在鍋爐四角，共布置四只噴嘴，采用 簡易的四角噴射方式。方案二：石灰石粉噴嘴布置在鍋爐的前

14、后墻，共布置6只噴嘴， 前后墻各布置3個，采用前后墻對沖的噴射方式。上述兩個方案各有利弊，從有利于煙氣與石灰石粉的混合程度來看，經計算機模擬，方案二優于方案一。但考慮到此次改造管道布置 難度較大，現場的限制條件較多，鍋爐鋼架、鍋爐管道、平臺扶梯、 電纜橋架等障礙物密集，而到鍋爐四角的管道的彎頭數、長度必須相 等以保證四角噴粉量均勻，經多次現場踏勘，方案二的石灰石粉管道 和燃燒空氣管道在滿足設計原則的前提下難以布置，因此選用方案一。3.1.5 改造內容：根據溫度場測試結果，選定石灰石粉噴嘴層的標高及石灰石粉噴 嘴的位置，并在水冷壁開孔，安裝石灰石粉噴嘴、截止閥、金屬軟管、 膨脹節及管道系統。原石

15、灰石粉下層噴射管路不變，原上層噴射管路 自分配器前引出（DN125）至鍋爐兩側墻中心線處（DN100），再一分 二 （DN65 ）分別引至爐膛四角，以使管路到鍋爐四角的距離相等，保 證四角噴射的石灰石粉量相等。使用從二次風箱抽取的燃燒空氣在鍋 爐爐膛中上部的四角將石灰石粉噴入爐膛，使石灰石粉在爐內最佳溫 度區的滯留時間增加并與煙氣更充分地混合，避免或減少石灰石粉燒 結現象，從而使用較少的石灰石粉即可達到同樣的脫硫效率。石灰石 粉噴嘴的助推和冷卻采用鍋爐燃燒空氣代替原助推風，改造后助推風 機停用，將降低廠界的噪聲水平。用燃燒空氣代替助推風的方案經校 核，確認不會對石灰石粉噴射帶來不利的影響。改造

16、后的上層助推風 管道自膨脹節后拆除。3.1.6爐外管道設計布置的主要原則：彎管的曲率半徑最小為1000mm四路噴射管道的長度和彎頭數應盡量相同彎頭數應盡可能少管道連接應平滑，用法蘭連接材料用普通碳鋼。噴射管道末端近噴口處設置手動閥DN50。在閥門之前使用金屬軟 管，金屬軟管可以在最后一個彎頭處應用，但要確定彎曲半徑大 于 1000 mm。3.2活化器霧化噴咀改造3.2.1原理簡介爐后活化脫硫在高40米、直徑11米的增濕活化塔中進行，水通 過泵供到增濕活化塔的頂部，經9個噴嘴裝置霧化成細小液滴，平均 顆粒直徑小于100微米。這些液滴對煙氣中的SO2和SO3氣體和固態 吸收劑CaO, Ca(OH)

17、2粉末進行增濕活化脫硫反應。通過氣液固三相 接觸的反應，煙氣中的SO2被脫除。3.2.2改造分析爐后活化過程中，水的霧化是一個關鍵的工藝，對噴嘴的性能要 求高。原脫硫系統采用美國噴霧系統公司(Spraying Systems Co)生 產的CasterJet型空氣霧化噴嘴，多用于鋼鐵鑄造(Casting),在煉 鋼工業中已有數十年的應用歷史。同時，該種噴嘴也廣泛用于包括煙 氣處理，如脫硫(FGD)等的環保產業中，南京下關電廠的噴嘴應用 就是其中一例。南京下關電廠幾年來的運行實踐證明：CasterJet型 噴嘴滿足了 LIFAC脫硫工藝的設計要求。目前存在的主要問題是：由 于CasterJet型

18、噴嘴的氣耗量相當大，電廠目前需為這些噴嘴提供約 100Nm3/min的壓縮空氣，能耗極大。FloMax噴嘴是噴霧系統公司擁 有多項專利并已經申請中國專利和商標保護的新型噴嘴。1996年投 入商業應用以來，到1999年全球已有2000多家包括化工，電力，鋼 鐵等不同公司采用。FloMax噴嘴是專為煙氣脫硫脫氮和煙氣冷卻設計的，和其他噴 嘴相比，在煙氣處理的應用方面具有優勢，在一些關鍵性能上有突破 性的提高：第一，采用了特殊的節能設計，CasterJet噴嘴總氣耗量為100 NM3/Min，FloMax噴嘴總氣耗量低于10 NM3/Min，FloMax噴嘴使得 壓縮空氣消耗量顯著降低，僅為Cast

19、erJet型噴嘴的1/10，可取得 顯著的節能效果。通過改造目前正常運行的空壓機中1臺或數臺將可 改為備用而停運。除降低廠用電率之外，每年也將節省可觀的設備運 行和維護費用。第二，FloMax噴嘴采用了特殊的抗堵塞設計。改造后可以拆除目前 使用的噴嘴自動清灰機構，節約了運行和維護成本。通過對LIFAC脫硫系統中霧化噴嘴運行現狀的分析，采用新型的 FloMax噴嘴代替原CasterJet型噴嘴。霧化噴嘴系統進行改造，拆 除舊噴嘴并安裝新型噴嘴，新型霧化噴嘴在改善霧化效果的同時可以 節省79%的壓縮空氣，改造后至少可以少投運一臺空壓機，使脫硫系 統的電耗大幅降低，從而降低脫硫系統的運行費用。另外還

20、可以改善 活化器內部的霧化狀況。富余的氣源可以通過改造另供其他系統，使 下關電廠壓縮空氣偏緊的狀況得到改善。3.2.3改造效益新型噴嘴的主要優點是壓縮空氣的消耗量比原噴嘴大大降低，節 氣率可達79%，使得脫硫系統的電耗顯著降低，具有極大的經濟效益 和節能效果。霧化噴咀改造還可以優化塔內工況，有利于提高脫硫效 率。3.2.4霧化噴嘴改造技術方案比較：鍋爐煙氣進入活化器后與霧化水混合即煙氣增濕，活化器截面直 徑為11米，霧化水在霧化噴嘴中進行3次爆破得到微細液滴。方案一：在活化器上部僅設置一個大流量霧化噴嘴，對流經活化器的 煙氣進行增濕。方案二：在煙氣流通截面上設置九個霧化噴嘴，對流經活化器的煙氣

21、 進行增濕。方案一雖然能節省設備費用，使系統簡化，但煙氣增濕的可靠性 低，一旦噴嘴產生缺陷就會導致活化系統停運，影響脫硫系統投運率。 而且煙氣增濕的層面小，運行中調節難度大，易造成霧化水粘壁甚至 沖刷活化器內壁。方案二則不易出現上述缺陷，便于設備檢修維護， 運行調整的余地大，有利于提高活化器系統的可用率。因此選用方案 二。3.2.5電氣和熱控在DAMATIC控制系統中將對部分新增或改造的設備進行控制，對控制程序、DAMATIC和主機組DCS的信號交換、MCC機柜添加模塊等 進行必要的修改。例如，為了在不同鍋爐負荷下自動控制增濕水的噴 射，對霧化水量順序控制程序進行修改，以達到最佳的液滴尺寸和霧

22、 化效果。性能試驗情況脫硫系統優化改造之后，為了檢驗改造的效果，進一步了解改造 后的系統特性，進行了 3個負荷點歷時3天的熱態試驗和脫硫系統性 能驗證試驗。在排除爐內工況波動、工業水壓波動和燃煤含硫量波動的情況 下，性能試驗的結果表明：改造后脫硫系統運行正常，活化器和霧化 噴嘴不存在濕堵問題，2003年46月#1機組增容改造暨大修期間對 活化塔內部檢查未發現腐蝕現象。Ca/S=2.5時，不同負荷下的脫硫 率提高。活化塔進口煙道雙擋板門處下灰量減少。壓縮空氣耗量和脫 硫系統電耗下降。試驗的部分數據比較見附表A。優化改造費用改造項目的試驗費用10萬，設備、安裝、調試費用38萬，設計 和技術服務費用

23、18萬，合計66萬元。優化改造效果（1）通過改造可以進一步降低SO2排放，改善大氣環境，其社會 效益主要為無形因素，難以用金錢來量化估計。（2）脫硫系統優化改造之后，獲得以下效果：（3）在達到同樣的脫硫率情況下石灰石粉耗量降低，Ca/S從2.5 下降到2.2。（4）使用同樣石灰石粉耗量，使脫硫率增加5%，從而節省排污費 支出。（5）不再使用助推風，系統電耗下降。（6）霧化噴嘴改造，降低空壓機電耗至少200kW。（7）石灰石粉在爐膛的分布更加均勻，鍋爐積灰將減少。優化改造經濟效益分析（1）進一步降低SO2排放，改善大氣環境，減少酸雨對生物、建筑、 水質、資源等的損害，環境效益進一步體現。（2） 石灰石粉耗量減少，改造后Ca/S由2.5降到2.2，較改造前 石灰石粉耗量降低了 0.39t/h，按200元/噸計算，節省石灰石粉費 用77.89元/噸，合389470元/年。（3） 改造后可以少投運一臺空壓機，廠用電節