烟气脱硫系统阻力增大原因分析及处理措施

彭宜藻,郭福明

(江苏华电扬州发电有限公司,江苏 扬州 225005)

0 引言

随着近年来环保要求的不断提高,各火电机组相继安装了脱硫装置,以减少锅炉燃烧后尾气中SO2的排放。江苏华电扬州发电有限公司目前装机容量 880MW,1台 220MW机组和 2台 330MW机组,每台机组均安装了脱硫装置,采用的是 1炉 1塔石灰石/石膏湿法烟气脱硫,#5机组容量 220MW,脱硫装置于 2003年1月正式投入运行,至今运行已有 6年多时间;#6、#7机组容量 330MW,脱硫装置分别于 2005年11月和 2005年12月正式投运。

江苏华电扬州发电有限公司 4套脱硫系统均采用日本川崎技术,烟气脱硫系统由入口挡板门、增压风机、烟气换热器 GGH(Gas-Gas Heater)、除雾器、出口挡板门及烟气管道组成。锅炉吸风机排出的烟气经过烟气入口挡板门后,进入脱硫增压风机升压,升压后的烟气经过 GGH原烟气侧降温,降温后的烟气从吸收塔中部进入,然后向上流动,在此过程中与向下喷淋的循环浆液接触,烟气中的 SO2被吸收,吸收塔内部设置了垂直隔板,隔板底部浸入浆液面中,上部留一段空间作为烟气通道,洗涤后的烟气流动到吸收塔上部后沿隔板另一侧向下流动,至吸收塔水平出口后进入除雾器(江苏华电扬州发电有限公司除雾器布置在吸收塔出口烟道),除去液滴后的烟气进入 GGH净烟气侧升温,最后经烟气出口挡板、烟囱排向大气。根据江苏华电扬州发电有限公司这几年的运行情况看,烟气脱硫系统阻力增加的主要原因是 GGH、吸收塔喷淋层、除雾器等元件及吸收塔进出口烟道堵塞。

1 烟气脱硫系统阻力增加对运行的影响

烟气流经 GGH、吸收塔、除雾器及烟道时均会受到阻力,脱硫增压风机的作用就是提高烟气压力,克服脱硫设备对烟气的阻力。在设计时,已计算了各部件的阻力并留有一定的富余度。随着运行时间的增加和运行环境变化,这些部件结垢后烟气通流面积减小,烟气通过时阻力就会增加,当超过一定范围时,就会对脱硫系统的运行产生较大影响,具体有5个方面:

(1)GGH堵塞和积垢,使热电阻增大,降低传热效果,造成吸收塔入口烟气温度增加,GGH净烟气出口温度降低,GGH换热器的热交换能力降低。

(2)除雾器元件堵塞和积垢,造成烟气通流面积减小,局部流速、流量增加,加剧积垢的形成;同时,造成除雾效果降低,从而使经过除雾器的烟气中夹带浆液颗粒增大,进而加快 GGH换热元件的堵塞。

(3)除雾器、GGH换热元件、喷淋层、烟道压损增加将使增压风机的功耗增加,影响能耗。超过增压风机极限时,运行工况发生变化,气流阻塞造成增压风机失速,严重时多个叶片间的烟气通道被气流阻塞而引起喘振,风机振动增大,导致叶片折断、轴变形断裂等严重后果。江苏华电扬州发电有限公司几套脱硫系都曾发生过增压风机失速现象,随着系统运行时间的增加,失速区域有扩大趋势,表现为增压风机导叶开到一定开度后,增压风机振动突然增大,声音异常,电流减小,出口压力减小,入口压力增大,对安全运行造成一定影响。作者分析认为,这是由于烟气脱硫系统阻力增加引起风机运行工况的变化,最终导致风机失速。

(4)烟气脱硫系统阻力增大后,增压风机不能满足全烟气脱硫的要求,锅炉引风机出来的烟气不能及时排出,将会引起锅炉炉膛压力上升,影响锅炉带负荷能力。在此情况下,为了满足锅炉带负荷的要求,只能将旁路挡板门打开一些,这样就不能达到全烟气脱硫的目的,影响脱硫效果。

(5)烟气脱硫系统压力增加,会导致旁路烟道的烟气泄漏量增加,影响脱硫效果。

2 GGH换热元件阻力增大的原因分析及措施

2.1 造成 GGH换热原件阻力增大的原因

GGH的作用主要是降低进入吸收塔原烟气的温度,同时提高排向烟囱的净烟气温度,防止烟气温度低于 SO2露点温度而腐蚀烟道及烟囱等设备。经过一段时间后,GGH换热元件会因堵塞使烟气通流面积减小,从而造成烟气压力损耗。造成换热元件堵塞的原因有以下 2点:

(1)烟气中灰尘黏附在换热元件表面。锅炉燃烧后的烟气经过电除尘器后通过吸风机排出,在正常情况下,电除尘器的效率在 99.7%以上,进入脱硫系统的灰尘质量浓度小于 300mg/m3,但 GGH长时间运行以后,灰尘会逐步积累在换热元件表面,加上有时候电除尘器运行不太正常,灰尘容易积在上面,如果吹灰器效果不理想,会很快造成 GGH换热元件结垢,从而减小烟气通流面积。

(2)除雾器除雾效率不好。由于烟气在吸收塔内保持一定的流速,喷淋浆液雾化以后的细小液滴会随着烟气流动,烟气中带有大量的浆液,经过除雾器以后绝大部分浆液会被除去,但仍有部分石膏浆液会随着烟气带至 GGH,石膏具有很强的黏附性,这一部分浆液中的石膏颗粒非常容易黏附在 GGH换热元件表面,随着水分的蒸发,在 GGH换热元件形成积垢。长时间运行后会堵塞烟气通道,严重时会覆盖整个 GGH表面。特别是除雾器严重结垢或者排放效率低,导致烟气中含有大量的、大颗粒的雾滴,这些水分与烟气中的 SO3,SO2发生反应生产硫酸和亚硫酸,黏附在传热元件表面,与烟气中的灰尘、石膏结合形成难以去除的硬垢;尤其在除雾器进行冲洗时更会加剧此种状况,使 GGH通流面积减小,烟气难以通过,GGH差压增加。

(3)GGH吹灰器效果不好。为了防止 GGH换热元件积垢影响烟气通过,其本身配置了 GGH吹灰器,但由于脱硫装置本身运行环境比较恶劣,装置经常发生故障影响吹扫,使 GGH换热元件积垢速度加快。根据江苏华电扬州发电有限公司运行情况分析,在吹灰器出现故障后,GGH的压差迅速增大,恢复正常吹扫后,不容易达到之前的水平。安装时,吹灰器的行程不能覆盖整个传热元件表面,或者吹扫介质参数没有达到运行要求(如蒸汽压力低、温度低、疏水不够导致汽中带水),影响吹灰器的吹扫效果。

2.2 降低 GGH阻力的措施

为了减少 GGH换热元件的积灰和结垢,保证系统稳定运行,使 GGH的压损降至最低限度,江苏华电扬州发电有限公司根据运行经验,采取了以下 7项措施:

(1)与锅炉运行人员加强联系,控制烟气中SO3,SO2的含量,控制排烟温度。实际运行结果表明:锅炉排烟温度升高,烟气中的 SO3浓度就会增大,这是由于温度对 SO2转换成 SO3的化学过程影响很大(成指数关系),由于炉温升高,SO3浓度将快速增大。排烟温度升高也会导致烟气中的飞灰等小颗粒与硫酸的吸附率降低,脱硫系统对SO2的脱除效率比较高,而 SO3脱除率比较低,所以,SO3与 SO2相比,对 GGH换热元件积垢造成的影响要比其大。

(2)在脱硫系统中,烟气气流分布尽量均匀,过高或过低的流速都会影响到除雾器的正常运行,加剧堵塞;进入 GGH传热元件表面的流速偏差不能超过 10%。可在弯头处加装导流板,采取控制气流的措施进行控制。

(3)按照要求设定吹灰器的各种介质参数和吹灰行程,以确保能够覆盖住全部元件表面。根据传热元件的状况定期进行吹灰,如有必要,在锅炉启、停期间或工况发生变化时,加大吹灰的频率。

(4)在可能的前提下,尽量选用过热蒸汽而不是压缩空气,这不仅仅是由于压力和过热度的原因,合格的过热蒸汽的吹灰效果要好于压缩空气。

(5)加强电除尘装置的运行维护,确保电除尘器的除尘效果,减小原烟气中灰尘含量。

(6)根据 GGH进出口压差情况,增加吹灰器吹扫频率,同时与锅炉运行联系,保证蒸汽品质。必要时进行高压水冲洗。

(7)如果运行过程中蒸汽吹扫和高压冲洗都达不到理想效果时,在脱硫系统停运后,进行大流量冲洗。如果大流量冲洗仍不能达到效果,可以联系专业冲洗公司对换热元件进行处理。

3 除雾器元件阻力增大的原因分析及措施

3.1 除雾器元件阻力增大的原因分析

除雾器的作用是除洗涤后烟气中的石膏浆液滴,除雾器共分为 2级。江苏华电扬州发电有限公司的除雾器布置在吸收塔出口水平烟道上,为了防止石膏浆液沉积在除雾器元件上,每级除雾器前、后两侧均安装了冲洗喷嘴,通过冲洗水将除雾器元件上的石膏浆液除去,随冲洗水重新回到吸收塔。实际上经过一段时间运行后,仍会有一定量的垢沉积在除雾器元件上,随着运行时间的增加,结垢程度越严重,甚至将整个烟气通道堵塞,严重影响脱硫系统的稳定运行。有的电厂还发生过除雾器元件因结垢严重而脱落(除雾器安装于吸收塔顶部),砸坏运行设备,造成脱硫系统被迫停运的事故。通过初步检查,其垢主要由结构比较疏松的物理垢和比较坚硬的化学垢混合组成,根据经验,物理垢比较容易除去,通过冲洗基本上能除去,而化学垢不容易清除。除雾器结垢的成因有以下 5点:

(1)冲洗不及时。烟气正常通过除雾器时会有一定的压降,超过一定数值后,说明存在堵塞现象,必须及时对除雾器元件进行冲洗。设备运行初期,除雾器结垢情况比较少,除雾器的压降也不明显,往往不太引起运行人员的注意,忽略了对除雾器的冲洗,没有按时进行冲洗,等发现压差明显增大时再引起重视,其效果已受到影响。

(2)冲洗水流量和压力不能达到设计要求。除雾器冲洗时由1个阀门控制 1根冲洗管道(布置在水平烟道内的除雾器冲洗管道有水平布置,也有的垂直布置,不同的除雾器厂家设计不一样;布置在吸收塔顶部的除雾器冲洗一般都是上、下冲洗),每根管道上按照一定的间距安装喷嘴,由于每个喷嘴的位置不一样,如果冲洗水压力低于设计值时,在冲洗时,后面的喷嘴有可能压力不足而达不到理想的冲洗效果。

(3)在运行过程中,会有部分冲洗喷嘴堵塞。随着运行时间的增加,部分喷嘴可能会由于水质影响而堵塞,更多的可能被石膏浆液堵塞。由于除雾器冲洗是间隔进行的,而夹带浆液滴的烟气是连续流动的,部分喷嘴口与烟气流动是逆向的,烟气中液滴会进入喷嘴,从而使浆液滴黏附在喷嘴上,如果下一次冲洗时不能冲掉,就会不断累积,该喷嘴所覆盖的区域就会堆积石膏,造成除雾器局部堵塞。除雾器部分结垢后,烟气通流面积减小,未堵塞区域的烟气流量及流速会比原来增加,黏附的浆液也会增加,从而增加了这部分区域冲洗难度,加速堵塞,形成恶性循环,使烟气阻力更加增大,影响系统的运行。

(4)吸收塔浆的 pH值控制不好。要保证脱硫效果就要使吸收塔保持一定的 pH值,pH值较高时,脱硫效果提高,但 pH值的提高意味着浆液中CaCO3含量增加,CaCO3含量高的浆液更容易结垢;另外,浆液的 pH值高时,会抑制亚硫酸钙氧化为硫酸钙,从而使浆液中亚硫酸钙含量增加,加速结垢。

(5)烟气流速高。烟气流速高则使烟气中夹带的液滴量增加,从而使除雾器元件上黏附的石膏浆液增加,容易结垢。

3.2 减小除雾器元件结垢的措施

为了减少除雾器的结垢,要加强运行过程中的调整,停运期间要做好除雾器的检查和维护工作,尽量延长除雾器健康运行周期,作者建议采取以下 6项措施:

(1)加强运行监视,及时冲洗。运行人员要从思想上引起足够的重视,了解除雾器在不同负荷下正常运行的压差,对运行参数进行认真分析,如果发现差压大于正常值,说明可能有堵塞现象,及时对除雾器元件进行冲洗,不能因为暂时没有影响到正常运行而忽视冲洗。

(2)确保除雾器冲洗水的流量和压力。在脱硫系统正常投运前,要调整除雾器的压力和流量,最好在启动前派人进入除雾器内部,观察冲洗情况,结合设计要求,通过调节除雾器冲洗水手动总门来确定冲洗水压力和流量,做好阀门开度标记和记录,一般手动阀门调整好后不再经常调整。在正常运行时,要确保冲洗水参数,如果发现参数异常,要进行认真分析,如果压力大而流量降低有可能是有喷嘴堵塞,如果流量大而压力低,则有可能有阀门内漏或喷嘴脱落。

(3)控制 pH值。为了达到一定的脱硫效果,必须使浆液的 pH值保持在一定值,但是过高的 pH值增加了结垢的可能。运行人员为了提高脱硫效率,有时会过量加入石灰石浆液,从而使 pH值过高,虽然脱硫效率会有一定程度提高,但 pH值过高使除雾器、浆液管道、吸收塔等结垢的可能大大增加,而且浪费石灰石。

(4)与锅炉运行人员加强联系,调整锅炉燃烧,控制烟气流量。烟气流量的增加,使烟气流速增加,烟气中夹带的石膏浆液滴也会相应增加。如果烟气含氧量过高,说明送风量太大或漏风量太大,脱硫运行人员要及时联系锅炉运行人员进行调整。

(5)加强除雾器的维护检查。利用脱硫系统停运的机会,打开除雾器人孔进行检查,查看除雾器喷嘴情况;检查是否有堵塞、脱落和损坏现象;检查是否有除雾器冲洗母管有无损坏、漏水情况;检查除雾器喷嘴覆盖情况;检查是否有无冲洗不到的死区、喷嘴与除雾器元件的距离是否过大、检查除雾器冲洗水门有无内漏情况。冲洗门内漏将会极大地影响其他部位的冲洗效果。检查除雾器元件的结垢情况,停运后根据上述情况进行彻底冲洗,必要时进行人工清理。

(6)调整除雾器的冲洗程序。不同的设计单位除雾器的冲洗程序不完全相同,有的是根据吸收塔液位进行控制冲洗次数,有的是根据烟气流量来控制冲洗次数,有的是根据除雾器差压来控制冲洗次数,每种方式都各有其优点,但也有其局限性。各电厂可根据除雾器结垢情况确定适合的冲洗程序,根据实际情况看,一级除雾器堵塞比较严重,所以,冲洗程序可适当增加一级除雾器的冲洗次数和冲洗时间。补充吸收塔水时,尽量通过除雾冲洗来补充,以加强对除雾器元件的冲洗。

2008年8月,江苏华电扬州发电有限公司根据除雾器结垢分布情况,对#6、#7脱硫系统除雾器冲洗程序进行了改进,2009年3月和 5月,分别对#7、#6脱硫系统进行小修,检查除雾器时,发现没有新的结垢,说明了对除雾器冲洗程序的改进是有效的。

4 烟气脱硫系统其他部位阻塞

烟气脱硫系统除了 GGH堵塞及除雾器堵塞外,在长时间运行过程中,还有吸收塔烟气入口部位和吸收内部支撑横梁容易结垢。会对烟气流通造成一定影响,但其堵塞程度要比前 2项小得多。

入口烟道处主要是由于喷淋浆液黏附在烟道入口立柱上形成的。吸收塔烟气入口处是烟气与浆液交接处,干湿界面会随着烟气压力的变化及浆液循环量的变化而偏移,喷淋浆液在其下落过程中会落在烟道支撑立柱上,又经过热烟气的烘烤而结垢,长时间运行后逐步堆积,减小烟气入口通道,增加烟气脱硫系统的阻力。这种情况一方面可通过设计进行改进,减少浆液飘至入口烟道处;另一方面可定期对烟气入口处的立柱进行冲洗,减少堆积,冲洗水回流至吸收塔内。

吸收塔内支撑横梁(特别是回流区)及隔板等处的结垢目前没有太好的办法,适当控制吸收塔浆液密度对减缓结垢应该是有作用的。

5 结束语

随着烟气脱硫要求的提高和运行经验的积累,各电厂对烟气脱硫系统堵塞问题引起的不稳定运行情况更加重视,研究也进一步深入,可根据各自的情况进行有益的探索。目前,在投产的脱硫装置中取消 GGH换热装置,短期来说烟气阻力减小,增压风机的容量也可以减小,降低了能耗,但长期运行对其他方面的影响还需要进一步跟踪分析。

[1]孙克勤,钟秦.火电厂烟气脱硫系统设计、建造及运行[M].北京:化学工业出版社,2005.