600MW燃煤机组烟气脱硫装置的仿真设计研究
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摘要：以某燃煤电厂600mw 机组配套的烟气脱硫装置为研究对象，确定了处理工况条件，采用湿式石灰石-石膏工艺，对FGD系统进行了总体设计，完成了脱硫系统的选型与设计，并且进行了运行成本分析。
关键词：石灰石-石膏湿法；烟气脱硫；设计
中图分类号：X511 文献标识码：A
文章编号：1674-9944（2013）01-0250-04
1 引言
我国火电厂主要以燃煤电厂为主，伴随着发电行业的快速发展，燃煤电厂产生了大量有危害的SO2气体。根据2012年新的《火电厂大气污染物排放标准》[1]，燃煤电厂SO2的排放限值降到100mg/m3，对烟气脱硫（FGD）系统的要求更高，同时脱硫效率高、运行可靠的湿式石灰石-石膏[2]法将会有更广泛的应用。
本文以某燃煤电厂600MW机组配套的烟气脱硫装置为研究对象，对石灰石/石膏法FGD系统进行了总体设计，湿式石灰石-石膏法FGD工艺是目前世界上燃煤电厂应用最广泛、技术最成熟的湿法脱硫技术[3]。该技术采用石灰石（CaCO3）浆液作洗涤剂，在反应塔（吸收塔）中对烟气进行洗涤，从而除去烟气中的SO2。
2 湿式石灰石-石膏法脱硫工艺
湿式石灰石-石膏法烟气脱硫工艺系统主要包括：烟气系统、吸收塔系统、石灰石浆液制备与供给系统、石膏脱水系统、FGD辅助设备系统。工艺流程见图1。
由图1可知，自锅炉来烟气经除尘后进入FGD系统，由增压风机升压经GGH高温侧降温后进入吸收塔，若不设GGH则直接进入吸收塔，本工艺按不设GGH考虑。从吸收塔中下部进入吸收塔的烟气与上部喷淋的石灰石浆液逆流接触，SO2被浆液洗涤，脱硫后的清洁烟气通过除雾器除去雾滴后由吸收塔出口排出，再经过GGH低温侧升温至80℃，进入烟囱排放，如果无GGH则直接进入烟囱排放。吸收SO2后的浆液进入吸收塔底部的循环氧化反应槽，浆液中的CaSO3被鼓入的空气氧化成CaSO4。当Ca2+、SO2-4浓度达到一定的过饱和度时，结晶析出二水硫酸钙，然后通过石膏浆液排出泵送至石膏脱水系统。同时吸收剂制备和输送系统往塔底注入新鲜的石灰石浆液，提升浆液pH值，使之能在下一个循环中重新吸收SO2。
3 燃煤电厂原始资料
该工程设计新建某燃煤电厂机组容量为600MW，机组配备1台最大连续出力1913t/h的锅炉，电厂燃煤设计煤种、校核煤种均为淮南煤。最热月（7月）平均最高气温为30℃；最冷月平均最低气温为12.5℃。历年平均气压1013.3kPa。最热月平均相对湿度79%，最冷月平均相对湿度为51.5%。
3.1 锅炉概况
锅炉按露天布置设计，类型为超临界一次中间再热螺线管圈直流锅炉，锅炉主要设计参数见表1。
3.2 燃煤电厂主要分析资料
煤质资料见表2，石灰石粉分析资料见表3。
3.3 FGD入口烟气参数
FGD入口烟气参数是脱硫工艺的主要涉及数据，烟气的含硫量和其他相关的数据要求，对脱硫系统的设计提供了依据，见表4；锅炉B-MCR工况烟气中污染物成分，见表5。
3.4 性能保证
烟气脱硫系统根据下述要求进行设计[4]。
（1）在锅炉燃用设计煤质BMCR工况下，处理全烟气量时的脱硫效率不小于95%，脱硫装置出口SO2浓度不超过41mg/Nm3（设计煤种）。
（2）在任何正常运行工况下，除雾器出口烟气携带的水滴含量低于75mg/Nm3（干基）。
（3）当烟气温度和粉尘浓度分别增加到最高160℃和最大400mg/Nm3（湿基）时，烟气脱硫系统能安全、可靠和连续运行。
（4）在锅炉BMCR工况条件下，要求：烟气脱硫系统中的设备有一定的容余量；烟气脱硫系统具有应付停机的有效措施；烟气脱硫系统应能适应锅炉的起动和停机，并能跟随锅炉负荷的波动。
（5）石膏品质：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（以无游离水分的石膏作为基准），溶解于石膏中的F-含量低于0.01%Wt（以无游离水分的石膏作为基准）。
（6）烟气脱硫系统的服务寿命不低于30年。
4 工艺系统设计
4.1 烟气系统设计
FGD系统进出口烟道在锅炉BMCR工况下，保持速度为20m/s左右，靠近吸收塔入口处的烟道可采用计算机模型进行设计计算，以确定入口烟道与塔径匹配的尺寸。通过参考文献，发现83%～87%的入口宽度与吸收塔直径比值为宜，此处入口烟道宽度按占塔径85%设计。其余烟道设计符合《火力发电厂烟风煤粉管道设计技术规程》规定，烟气最大流速不超过15m/s。
该烟气系统按省去GGH考虑，FGD系统入口前的原烟道可不采取防腐措施，采用碳钢制作即可，壁厚不小于6mm；但至少要从塔入口前5m 处开始使用鳞片树脂或衬胶等防腐材料，即所有接触到低温饱和烟气冷凝液或从吸收塔循环来的雾气或液体的烟道采用玻璃鳞片树脂内衬，烟道壁厚不小于6mm，内衬不小于1.6mm。烟道需设置低位点以满足冷凝液的排放，但膨胀节和挡板不能布置在低位点。烟道外部要充分加固和支撑，以防止振动，所有防腐烟道仅采取外部加强筋。
对于600MW机组，可设置1台动叶可调轴流式风机，或设置2台静叶可调轴流式风机，其宜安装在FGD系统入口处。在增压风机前设有入口原烟气挡板，其同出口净烟气挡板和旁路挡板共用1套1用1备的密封风系统。一般旁路挡板处于关闭状态，进、出口挡板开启，密封风系统保证100%烟气进入FGD系统。而当FGD系统故障或引风机出口烟温超过极限温度时，进、出口挡板关闭，旁路挡板应快速开启，从全关状态到全开状态的时间大致在10～15s。由于旁路挡板具有快速打开的功能，因此采用单百叶窗挡板门，而进、出口挡板采用双百叶窗挡板门。
挡板门的选材需考虑到其所处的环境，FGD进口原烟气挡板叶片及框架材料为Q235-A，密封片采用1.4529合金；FGD出口净烟气挡板叶片为1.4529合金，密封片为C-276，框架为Q235-A+1.4529内衬；旁路挡板净烟气侧叶片材料为1.4529，原烟气侧为Q235-A，密封片为C-276，框架为Q235-A+1.4529内衬。
4.2 吸收塔系统设计
吸收塔采用逆流喷淋空塔，具体尺寸见图2。一套600MW机组配备一台吸收塔，吸收塔自下向上分为反应槽、吸收区和除雾区。反应槽中下部设有氧化系统，采用空气喷枪和搅拌器组合式，并由单独的氧化风机供气。每塔设置2运1备氧化风机，若2套FGD装置就近布置或对称布置时，可考虑备用风机公用。搅拌器一般设在离底部2.0m处，倾斜角为10°。
吸收塔中部为吸收区域，主要为浆液喷淋系统。喷淋层布置在吸收区上部，按4层喷淋层设计，每层喷淋层由分配母管/支管和喷嘴组成，母管和支管在吸收塔端面内平行对称布置，形成一个网状管路系统。喷淋层的一侧与循环管道连接，通过浆液循环泵将石灰石浆液均匀地输送至每个喷嘴。该喷淋系统采用顶层单向喷淋，采用单向下喷喷嘴，其余2～4层采用双向喷淋，采用上下双向喷嘴。常用喷嘴有中空锥喷嘴和螺旋锥喷嘴，喷射角分90°和120°两种。上喷喷嘴选用喷射角为120°的中空锥喷嘴，下喷喷嘴选用喷射角为90°的中空锥喷嘴。靠近塔壁的上下喷喷嘴均选用喷射角为90°的螺旋锥喷嘴。浆液再循环泵安装在泵房内，每层喷淋层对应一台循环泵，确保浆液覆盖率为200%～300%。
除雾区设置在吸收塔的上部，选用折流板除雾器，在不设GGH的情况下，除雾器的布置方式采用屋脊式。另外，除雾器还需设置3层冲洗层，定期对除雾器进行清洗。
4.3 石灰石浆液制备与输送系统设计及设备选型
石灰石浆液制备系统按2套FGD装置合用1套设计，即2套FGD装置设置2台湿式球磨机及相应的石灰石浆液旋流器、2台称重式给料机，每台球磨机配1个磨机再循环箱和2台磨机再循环泵。每台FGD装置的石灰石耗量为4.79t/h，石灰石储仓的有效容积是530m3，满足设计煤种BMCR工况下连续运行3d的石灰石耗量；每台FGD装置的石灰石浆液需求量为23.95t/h，石灰石浆液箱的有效容积为250m3，满足两台机组6h连续运行的耗量，石灰石浆液输送泵流量为31m3/h。
4.4 石膏脱水系统设计与设备选型
同石灰石浆液制备系统一样，每两台机组合用一套。石膏脱水系统的出力按不低于石膏产量的150%设计。每套脱水系统设置两台石膏脱水机，单台设备出力按设计工况下石膏产量的75%选择。每座吸收塔设置石膏排出泵2台，一台运行，一台备用，对应一台石膏浆液旋流器和一台真空皮带脱水机。设置一台废水旋流器，其处理量按系统产生的废水量设计。
4.5 吸收塔结构图和尺寸图
根据设计结果，采用AutoCAD绘图软件绘制了系统塔尺寸图和结构图，见图2和图3。
5 工程概算
该项目脱硫装置静态投资为12503万元，单位造价104元/kW。
各工艺系统投资构成详见表6，单位以万元计。
设备年利用小时数：该工程投产后设备年利用小时数按5500h计算。
石灰石粉消耗及价格：脱硫装置石灰石粉价格为120元/t。石灰石消耗量为4.4t/h。
定员及工资标准：电厂脱硫新增定员10人，年人均工资为50000元，福利费综合费率按工资总额的55%计算。
用水量：脱硫装置用水量按消耗水64t/h计算。
修理费：按脱硫装置造价的1.5%预提。
用电量：脱硫装置用电量6000kW・h，年耗电1823万kW・h，电价按0.30元/kW・h。
折旧率：固定资产折旧采用直线法，净残值率为5%，在本次技术经济分析中，为简化计算，固定资产折旧按综合折旧率提取，折旧年限取15年，折旧率为6.33%。
以上费用总计为21696.8万元。
该工程脱硫装置静态投资单位造价为104元/kW，低于限额指标，因此该工程的投资水平可认为是合理的。
6 结语
湿式石灰石/石膏烟气脱硫工艺技术成熟，运行可靠，可脱除95%以上的SO2，环境效益显著。FGD装置在国内燃煤电厂中的应用越来越广泛，随着国内脱硫核心技术的逐步掌握和设备、材料国产化率的逐步提高，FGD系统的优化设计将成为重要的研究方向。
参考文献：
[1] 牛治国，张 勇，陈鸿伟.我国燃煤电厂烟气脱硫技术进展[J].河北化工，2006（1）：43～45.
[2] 杨巧云.火电厂脱硫技术综述[J].环境保护科学，2008，34（3）：8，11.
[3] 陈绍敏.大型燃煤电厂在选择烟气脱硫装置系统及辅助设备选型探讨[J].电站辅机，2005（3）：9～12.
[4] 王 琼.火电厂石灰石/石膏湿法烟气脱硫系统的设计及优化[D].武汉：武汉大学，2005.