无GGH湿法脱硫工艺的“石膏雨”防治设计与运行优化

李贞强

(神华神东电力重庆万州港电有限责任公司，重庆 404027)

无GGH湿法脱硫工艺的“石膏雨”防治设计与运行优化

李贞强

(神华神东电力重庆万州港电有限责任公司，重庆 404027)

为了解决火力发电厂无GGH湿法脱硫工艺出现的“石膏雨”问题，神华万州发电厂从脱硫吸收塔内部流场调整、结构设置、烟气流速、边界条件设定、烟囱结构优化等方面进行设计和优化运行，在很大程度上减少了湿法脱硫的“石膏雨”现象的发生。

石膏雨;湿法烟气脱硫;设计优化

0 引言

火电厂湿法脱硫工艺一般采取有GGH和无GGH两种方案。有GGH的电厂的可以消除“石膏雨”现象，但极易存在换热元件堵塞，能耗高、基建投资高、后期维护成本高，烟气泄漏所造成的排放超标等问题;而无GGH的电厂可以消除这些不利因素，但许多电厂在运行过程中出现了烟囱出口烟气携带石膏液滴现象，在烟囱附近形成“石膏雨”，连续的“石膏雨”对周边居民生活及电厂生产产生了不良影响。“石膏雨”成为国内石灰石－石膏湿法烟气脱硫机组运行的一大难题。神华神东电力万州发电厂为了避免该项目出现“石膏雨”现象，调研类似电厂经验，优化到本项目中，并在大型计算机上建立脱硫塔的数值模型，利用计算流体力学(CFD)技术验证优化效果。

1 工程简介及成因分析

1.1 工程简介

神华神东电力万州发电厂规划容量4× 1000MW，一期工程拟建设2×1000MW超超临界燃煤发电机组，同步配套建设石灰石－石膏湿法烟气脱硫装置，脱硫效率不低于96%。脱硫装置烟气系统不设置旁路烟道及GGH，不单独设置脱硫增压风机，脱硫增压风机与锅炉引风机合并设置，2台机组合用1座双内筒烟囱。燃煤由神华神东电力供给，煤源为宁东煤。水源来自长江三峡库区蓄水。平均气压992.5Pa，极端最低气温－3.7℃，多年平均风速0.8m/s。本项目的脱硫系统一个重要的技术特点为塔内在液面和最下层喷淋层之间有一层湍流层(内含湍流子)。

1.2 “石膏雨”成因分析

“石膏雨”其原因有:一是由于取消了GGH，导致排烟温度低，降低了过饱和湿烟气的有效排放高度，以致在烟囱附近低空大气中形成“降雨”;二是由于脱硫塔内烟气流场分布不均匀，局部流速超出了除雾器的临界速度，以致净烟气携带石膏浆液，并随“降雨”一同落下，形成二次污染;三是环境温度以及相对湿度影响，相对湿度较高的天气由于大气吸收水分的能力较弱从而使得出现石膏雨的机会更大或程度更重。

在导致石膏雨的这些原因中，排烟温度低是形成“石膏雨”的重要条件，它决定了“雨”的形成与否;由于烟气流场不均匀造成的局部流速偏离除雾器的最佳工作区间是形成石膏雨的最终原因，它决定了“雨”中夹带石膏成分;设置湿式除尘器需要增加高昂的初投资且设备占地大，对总平面布置图影响较大，场地限制的项目无法考虑增加湿式除尘器;同时湿除方案的后期运营维护成本也极高;环境因素是不可控因素，避免“石膏雨”的技术措施应将对环境因素的敏感性降到最低。

2 优化设计及运行措施

2.1 脱硫系统

在脱硫系统设计上采取合理的措施，“石膏雨”的发生是可以避免或降低的。无GGH脱硫装置设计上采取的措施主要体现在脱硫塔烟气流速流场、除雾器的选型、钙硫比和液气比等方面。

(1)减小FGD实际入口烟气量与设计参数的偏差。据调研和了解电厂出现“石膏雨”现象时，其FGD进口烟气参数及煤质发热量与设计值相差较大，运行煤质的低位发热量明显低于设计值，导致机组满负荷时烟气流量增加，锅炉的热效率降低。因此，在脱硫系统设计时，实际燃烧煤质应在设计值范围内，以保证FGD系统在设计工况下稳定运行。脱硫塔设计流速在3.6m/s左右，能较好的控制烟气携带浆液液滴。

(2)减少FGD内部烟气进入除雾器前流场不均。为了减少FGD内部烟气的流场不均，可采取措施:脱硫塔内设置烟气均布设施;调整脱硫塔内喷淋层喷嘴的角度与方向减小偏流现象;最上层喷淋层的喷淋出口压力，增加喷淋液滴粒径，提高喷淋层对小颗粒雾滴的捕集，减少烟气夹带;提高除雾器层与相邻喷淋层间间距，提高烟气均布效果;提高除雾器与出口烟道之间的高度＞4m，降低烟气经过除雾器层后的二次夹带等。

(3)选择合适的除雾器类型。平板式除雾器设计流速一般在3.5～4.5m/s左右，而屋脊式除雾器设计流速比平板式除雾器范围大，一般为3.8～7m/s左右。另外，屋脊式除雾器的结构较平板式除雾器增加了除雾器的除雾面积，为提高其可利用率，宜选用能有效减少浆液夹带和安全性更好的屋脊式除雾器。为防止除雾器结垢堵塞，除雾器冲洗水量和频率的调节，应适应除雾器压差参数的变化。为了使流经除雾器的烟气分布均匀，可增加一级管式除雾器作为脱硫塔第一级除雾器，既可有效去除大雾滴，又能均布塔内烟气，提高后级除雾器的除雾效果。管式除雾器和二级屋脊式除雾器可组合成三级除雾器，同时通过最大限度减少除雾器盲区，可以把三级除雾器后的液滴含量降低到≤50mg/m3，从而减少“雨”的形成。

(4)采用较小液气比。采用较低的液汽比达到系统脱硫效率，可减少烟气携带液滴，从而减少“石膏雨”的产生。此外，脱硫塔石膏浆液喷淋层的喷嘴入口压力高，喷出浆液中小粒径的比例增多易形成“石膏雨”，因此在设计上对浆液循环泵至喷嘴入口处的管道、喷淋层及管件等沿程阻力应详细计算，保证喷嘴的雾化效果。

(5)运行操作中的注意事项。“石膏雨”多出现在锅炉高负荷运行期间，这与烟气流量有关。当机组带大负荷时，在保证锅炉正常燃烧用氧前提下，适当减少风量，控制炉膛负压与升压风机压力，降低烟气流量和流速。

电厂在运行方面应注意以下方面:加强除雾器压差参数监控，防止除雾器结垢堵塞;确保冲洗水量及冲洗压力，严格控制除雾器冲洗周期;合理调整脱硫塔pH值，pH值应控制在5.2～5.8之间;脱硫装置中浆液密度会随石灰石中的碳酸镁含量变化，一般情况浆液密度控制在1.15 kg/L以下，所对应浆液固含量在20%以下;脱硫运行，应和集控运行多联系，尤其在升降负荷时;当机组高负荷时，在保证锅炉正常燃烧需氧量的前提下，适当减少风量，控制炉膛负压，降低烟气流量和流速，在机组低负荷时，合理减少喷淋层的投运数量，降低液气比。除尘器运行方式依据负荷、煤种及烟囱出口浊度及时调整，尽量降低脱硫塔入口烟尘浓度。

2.2 烟囱

(1)烟气流速选择。为避免出现石膏雨现象，烟囱内径和出口烟气流速计算严格按照《火力发电厂燃烧系统设计计算技术规程》(DL/T 5240－2010)的要求。

烟囱出口烟气速度选取如同烟囱高度一样，根据锅炉所在地区的烟尘及排放物的扩散条件来确定。为了确定合理的排烟筒内烟速和出口烟速，应综合考虑经济性、安全可靠性及有利于降低地面污染物浓度等因素，对排烟筒的流速进行优化，使之在避免烟雨下洗所要求较高出口流速与减少烟囱下酸雾所要求较低流速之间达到最佳平衡。

经优化计算，本工程烟囱内径为8.5m，采用钢烟囱内衬钛合金，设计流速为19.5m/s。

(2)烟囱设计。烟囱排烟筒线形及内衬表面选用尽可能的平滑，以保证烟囱排烟筒内烟气流速不超过酸液液膜撕裂的临界流速。设置积液排液装置，避免液体会重新进入烟气流并被携带出烟囱。烟气中的液滴沉积在烟囱排烟筒的内表面上，在自身重力的作用下，酸液向下流动，沿烟囱排烟筒筒壁下行至导流平台，酸液沿倾斜设置的导流板汇聚于排酸口处，通过耐酸排液管排往烟囱外指定位置。在排酸管口设置防尘网，防止较大颗粒的湿灰块进入，防止排酸管道堵塞，保持排酸液管的通畅。

3 脱硫塔流场数值模拟

CFD软件(Computational Fluid Dynamics，CFD)即计算流体动力学。万州港电公司委托华北电力大学对优化设计和运行前后的脱硫塔进行数值模拟，为节省人力、物力与时间对优化设计和运行最核心的脱硫塔部分进行数值模拟。

3.1 脱硫塔内设置烟气均布设施的影响

设置烟气均布设施前后的烟气速度场模拟结果见图1。

图1 有无烟气均布设施的烟气速度场

从图1可知，在没有烟气均布设施的流场中，烟气流动出现了明显的偏流，在脱硫塔进口的远端塔壁附近出现了较高的流速区，这种现象一直到一二喷淋层中间截面仍很明显，一方面影响了脱硫浆液的高效利用，另一方面局部的较高的烟气流速导致烟气对液滴的携带能力增强，对除雾器工作不利。而在有烟气均布设施的流场中，虽然在烟气均布设施以下的区域仍有偏流存在，但当烟气经过烟气均布设施后，进口的近端与远端流场的差距基本消除，这说明烟气均布设施对烟气产生了良好的均流作用，同时，烟气以均匀流速进入除雾器，对保证除雾器的除雾功能的充分发挥具有极大的作用。

3.2 喷淋层对脱硫塔内流场的影响

从图2可以看出，无喷淋时，虽然烟气均布设施纠正了一部分的烟气偏流，但流场在入口的近端与远端的分布不均并未完全消除，加入喷淋后，在湍流器、喷淋层的共同作用下，偏流完全消失，烟气流场实现良好的均匀分布。

在喷淋层投运的情况下，都能很好的均布湍流器到除雾器的流场，使得进入除雾器的烟气有均匀的速度分布，所以喷淋层的喷嘴喷射的角度和方向也对脱硫塔内流场起到十分重要的作用。

图2 有无喷淋层时烟气流速分布示意

3.3 除雾器的影响

除雾器对流场具有疏理作用，除雾器后的流场如图3所示。

图3 除雾器后的流场

研究表明，脱硫石膏浆液雾滴直径一般在1000～2000μm，经碰撞后还会产生少量在15μm左右的液滴，99.99%的22μm以上的雾滴以及50%的15～22μm的雾滴能够被除雾器除去。而对于15μm以下的雾滴，除雾器无法拦截。除雾器的运行实践表明，当雾滴携带量≤50mg/m3，在现有排烟温度下即可避免石膏雨的出现，而在理想的工作烟速的情况下，除雾器可以达到≤30mg/m3的液滴携带量。可见通过流速控制来避免石膏雨在技术上是可行的，而流场均匀性对理想流速的获取是关键和重要的。针对“石膏雨”问题，在本工程的除雾器上也所采取的相应的措施:在边角处增加除雾器异形模块，最大面积布置除雾器;设置管式除雾器，阻挡大液滴进入屋脊式除雾器层，进一步均匀烟气分布;优化冲洗水方式，改进冲洗水的喷嘴布置和冲洗水量与冲洗逻辑。

3.4 出口烟道优化对塔内流场的均布作用

根据流体力学的基本原理，除雾器之后烟道布置也会对除雾器中的流场产生干扰，为保证除雾器在最佳条件下工作，重新对出口烟道也进行了优化，即将出口烟道由“侧出”改为“顶出”，以及将烟道的直角弯改为圆弧弯、由等截面管道改为渐扩形管道等减小阻力损失等措施。图4分别为出口烟道优化前和优化后的脱硫塔流场分布。

图4 出口烟道优化前后的脱硫塔速度场

从图4可以看出，在对脱硫塔出口烟道优化之后，加大了出口与除雾器之间的距离，烟气有更加充分的流动空间，在偏转之前烟气有充分的运动时间和空间，使除雾器区域的均匀流场范围明显扩大了，而且减小了出口的阻力。通过模拟可以看出，对脱硫塔出口烟道的优化必要且合理。

4 结语

“石膏雨”是石灰石－石膏湿法脱硫系统中的一个实际问题，在神华神东电力万州项目上，从脱硫吸收塔内部流场调整、结构设置、烟气流速、边界条件设定、烟囱结构优化等方面优化设计，相信可以有效地改善和减小烟气中携带石膏浆液现象。

［1］HJ/T 179－2005，火电厂烟气脱硫工程技术规范石灰石/石灰－石膏法［S］.

［2］DL/T 5240－2010，火力发电厂燃烧系统设计计算技术规程［S］.

［3］DL/T 5418－2009.火电厂烟气脱硫吸收塔施工及验收规程［S］.

［4］胡晓贝.燃煤电厂烟气脱硫装置的优化仿真设计研究［D］.北京:华北电力大学，2013.

［5］赵毅册，程军.流体力学［M］.上海:同济大学出版社，2004.

［6］李文科.工程流体力学［M］.合肥:中国科学技术大学出版社，2007.

Discussion on control design and operation optimization of gypsum rain in wet FGD process without GGH

To solve the gypsum rain phenomenon in the wet desulfurization process of thermal power plant w ith no GGH，Shenhua Wanzhou Electric Power Com pany designs and operates by the desulfurizing absorption tower internal flow adjustment，structure setup，flue gas velocity，boundary conditions setting，chimney structure optim ization etc.，largely reduce the gypsum rain phenomenon of the wet desulfurization.

gypsum rain;wet FGD;design optim ization

X701.3

:B

:1674－8069(2015)02－028－04

2014-12-09;

:2015-01-03

李贞强(1980-)，男，河南南阳人，工程师，长期从事热动及环化专业。E－mail:9458501@qq.com