湿法烟气脱硫装置喷水降温方案设计

朱国宇

(平顶山姚孟发电有限责任公司，河南平顶山 467031)

1 概况

由于湿法烟气脱硫装置技术成熟，脱硫剂石灰石价格低廉，得到了广泛应用。但是随着国家环保政策日趋严格，《火电厂大气污染物排放标准》(GB 13223－2011)已颁布实施，经济发达省份已开始要求取消脱硫旁路烟道，新核准批复的大型火电机组也要求不设脱硫烟气旁路。对于脱硫装置的设备可靠性提出更加严格的要求，为了保证机组的长周期运行，在脱硫装置出现系统失电、浆液循环泵跳闸等异常工况时，为在恢复脱硫装置的正常运行期间，保护脱硫设备避免受到高温烟气的影响，需在脱硫吸收塔入口烟道设置烟气降温系统，使烟气温度降至吸收塔许可温度。

2 设置高温烟气冷却降温系统的必要性

火电厂锅炉引风机出口烟气温度一般在120℃～160℃，而湿法烟气脱硫装置吸收塔内壁防腐材料、玻璃钢喷淋层和聚丙烯(PP)除雾器等塔内件，耐温许可温度要求＜80℃，而吸收塔正常运行温度在50℃左右，满足工况要求。当发生脱硫岛系统失电，浆液循环泵全停时，旁路烟道挡板门联锁打开，高温烟气经旁路烟道、烟囱排放，起到保护吸收塔的作用，但烟囱的内壁防腐材料却受到高温侵袭而发生破坏。当旁路挡板门故障打不开或者不设烟气旁路时，就会对吸收塔和烟囱产生热冲击，破坏，机组也会因此联锁跳闸。为了保障脱硫装置设备和烟囱安全，在脱硫装置入口烟道设置高温烟气冷却降温措施是必要的。

3 高温烟气冷却降温的方式选择

冷却高温烟气的介质可以采取温度较低的空气或水，称之为风冷或水冷。不论是风冷或水冷，都可以采取直接冷却方式或间接冷却方式。

目前，在湿法烟气脱硫装置采用较多的冷却方式是喷水降温直接冷却方式，通过安装在吸收塔入口烟道断截面的喷水降温系统向高温烟气直接喷入冷却水，用水雾的蒸发吸热，使烟气冷却。系统设备相对简单，投资较省，水和动力消耗不大。

4 烟气降温热平衡计算

烟气喷水降温是利用热平衡原理，即高温烟气释放的热量和冷却介质(水或空气)吸收的热量相等。高温烟气释放的热量:

式中:Q1为烟气释放的热量，kJ/h;Qg为烟气量，m3/h;Cpm1、Cpm2为烟气为0～tg1及0～tg2时的平均定压摩尔热容，kJ/(kmol·K);tg1、tg2为烟气冷却前后的温度，℃。

对于多种气体混合的烟气平均摩尔热容应按下式计算:

式中:Cp平均定压摩尔热容，kJ/(kmol·℃);Yi混合气体某一成分所占体积百分比，%;Cpi混合气体某一成分定压摩尔热容，kJ/(kmol·℃)。

冷却介质喷入到高温烟气中吸收的热量为:

式中:Q2为冷却介质吸收的热量;G0为冷却介质的质量，kg/h;Cp1、Cp2为冷却介质在温度为0～tc1及0～ tc2的质量热容，kJ/(kg·K);tc1、tc2为冷却介质在喷水冷却前、后的温度，℃;hc1、hc2为冷却介质在tc1、tc2时的比焓，kJ/kg。

热量平衡公式为:

5 烟气喷水降温在实际工程中的应用

5.1 烟气参数

平顶山姚孟发电有限责任公司3、4号机组烟气脱硫装置入口烟气参数见表1。

表1 3、4号机组烟气脱硫装置入口烟气参数

5.2 物性数据

在脱硫装置入口烟道上布置安装烟气喷水降温系统，冷却水温取25℃，需要将烟气温度降至60℃以下，以保证脱硫设备的安全。所有物性数据查《化学化工物性数据手册无机卷》。

5.3 进出口温度下比热计算

内插法计算进出口温度下气体比热见表2。

表2 进出口温度下的气体比热 kJ/kmol·K

5.4 能量平衡计算

根据上述公式，计算喷水降温前、后烟气平均摩尔热容 30.68、30.45kJ/(kmol·K);烟气释放的热量 Q1=106256564.2kJ，Q2=G0× 2504.82kJ;冷却介质的质量G0=42420.84kg/h。

考虑到负荷、烟气量变化和水源压力波动，喷水取20%裕量，即所需冷却水流量为50905kg/h。

5.5 管径选择

根据《火力发电厂汽水管道设计技术规定》(DL/T 5054－1996)中“离心泵出口管道及其他压力管道”推荐的管道介质流速为2～3m/s，对于直径小，介质参数低的管道，宜采用较低值，且为开式系统，流速选取为2m/s。单相流体的管道，根据推荐的介质流速，计算管子内径:

式中:Di为管子内径，mm;Q介质容积流量，t/h;ω为介质流速，m/s。计算得管子内径为95.9mm。

5.6 喷嘴选择

工业喷嘴的类型主要有以下几种类型:螺旋型、涡旋型、扇形、冲击型、空气雾化型。烟气脱硫装置入口降温对喷嘴的要求是温度降低后热烟气的体积收缩，喷嘴需要细密的雾化效果。保证烟气与液体最充分的接触，这样对于喷嘴的雾化效果以及雾化特征要求较高，一般地可以选用螺旋型喷嘴。

根据喷嘴选型手册，选用3/8"空心锥螺旋喷嘴，材质为316L，最大喷孔直径 φ7.94mm，最大颗粒直径φ3.18mm，喷嘴流量为:

式中:Q为喷嘴流量，L/min;K为喷嘴系数;P为水源压力，bar。根据公式(6)计算喷嘴流量，查喷嘴选型手册，喷嘴系数K为37.6，在水源压力为3bar工况下，计算喷嘴数量至少为13只。

5.7 烟气冷却系统方案设计

喷嘴布置原则要求覆盖率至少为100%，不留死角，保证烟气与液体最充分的接触和在旁路挡板门关闭和开启状态下均能正常使用事故喷淋系统。

(1)水源选择。电厂内设备的冷却水、补充水和冲洗水等工艺用水水源主要取自工业水或循环水，消防水一般不做其他水源使用，且由稳定可靠的电源供给，消防水泵电源是专用电源，更加稳定可靠。鉴于此，事故冷却水源宜选用消防水，正常工作压力不低于3bar，满足喷嘴选型要求。

(2)喷嘴布置位置。结合3号机组烟气脱硫装置实际情况，喷嘴位置布置在旁路烟道联箱内，吸风机出口弯头上平面处，弯头直径4050mm。

(3)内部喷淋管布置。由于有两个吸风机出口弯头，每个出口弯头内布置7只喷嘴，共14只，中心布置一个，直径=2500mm水平环向布置喷嘴6个，每个喷嘴的覆盖面积为直径2000mm。喷嘴安装方向垂直布置且与烟气流向一致，内部喷淋管固定。

(4)阀门选择。电动调节球阀(DN100 PN16)和手动闸阀各一只，快速开启，启停控制操作引至脱硫控制室操作员站，电源宜选择为不间断电源或保安电源。事故冷却水箱一般宜在吸收塔顶部布置不小于10min的冷却水量的水箱。

(5)吸风机出口弯头底部分别安装 PN16 DN100排污闸阀一台，用于在事故喷淋投入后排放不能完全雾化的冷却水，防止冷却水倒流至吸风机内部，引起吸风机振动、损坏叶片。利用现有在线监测(CEMS)系统温度测点，对喷淋效果进行监测，及时调节冷却水量。

(6)启动喷淋。脱硫系统故障时，原烟气温度≥80℃时，联锁开启喷水装置电动调节阀，脱硫运行值班员立即到就地打开吸风机出口弯头事故排污门。旁路挡板门关闭时，冷却后湿烟气经脱硫装置进入烟囱;旁路挡板门打开时，冷却后湿烟气经旁路烟道进入烟囱。

(7)施工时注意事项。喷嘴安装前，应使用压缩空气清除管道内杂物，防止堵塞喷头;水源与喷淋母管接通前，应进行冲洗;烟道内部结束后，清理内部杂物，疏通事故排污管道。

6 烟气冷却降温装置效果检查

2010年7月，在3号机组A级检修期间对3号脱硫装置实施安装了烟气冷却降温系统。在机组300MW负荷工况下试验，调节烟气冷却装置电动调节阀，原烟气温度从130℃逐步降低到50℃，烟气达到湿饱和状态。随着烟气温度的降低，吸风机出口弯头底部排污闸阀有少量冷却水流出。

2010年10月，3号机组在运行期间发生一次脱硫岛失电事故，由于烟囱在施工防腐期间，旁路挡板门处于封闭状态完全隔离状态，3号脱硫装置失电，浆液循环泵全停，工艺水中断，高温烟气经脱硫装置进入烟气，烟气冷却装置电动调节阀联锁打开，烟气温度降至60℃以下，达到了在3号脱硫装置恢复投运期间有效地保护吸收塔内设备安全的目的。

7 结论与建议

随着环保政策日益严格，取消脱硫装置烟气旁路是必然趋势，提高脱硫装置设备可靠性的同时，安装事故烟气冷却系统是必不可少的保护措施。实践证明烟气冷却降温装置设计方案及选型满足实际工况需要，方案简单，调节灵活，投资少。为了保证脱硫装置免受高温烟气侵袭，将此方案逐步推广到1号机组、2号机组和4号机组，均在烟气脱硫装置入口设置喷水降温。经过喷淋降温的烟气温度低于露点温度，对安装喷淋降温装置之后的烟气有一定的腐蚀作用，在维护资金允许的情况下，建议对脱硫原烟道进行防腐。在事故喷淋装置投入期间，脱硫运行人员要重点关注烟气冷却效果，防止排污阀堵塞积水影响吸风机的运行安全。

［1］GB 13223－2011，火电厂大气污染物排放标准［S］.

［2］DL/T 5054－1996，火力发电厂汽水管道设计技术规定［S］.

［3］张殿印，王 纯.除尘工程设计手册［M］.北京:化学工业出版社，2003.

［4］刘光启，王连湘，刘 杰.化学化工物性数据手册(无机卷)［M］.北京:化学工业出版社，2002.