高硫煤火电厂串塔脱硫系统水平衡及运行优化分析

卿绍伟*，梁晏萱，孔祥贞，吴朝晖，龙海波



高硫煤火电厂串塔脱硫系统水平衡及运行优化分析

卿绍伟1*，梁晏萱2，孔祥贞2，吴朝晖2，龙海波2

（1.重庆大学动力工程学院，重庆，400044；2.华能重庆珞璜发电有限责任公司，重庆，402283）

为适应国家对燃煤电厂超净排放的要求，需要对火电厂脱硫系统进行增容改造。以华能重庆珞璜发电厂2×360MW机组原U型液柱塔（一级塔）与新建圆柱形喷淋塔（二级塔）组成的串塔湿法脱硫系统为对象，结合脱硫系统的设计参数和运行情况，对进出一、二级塔的各种水量进行了详细的计算分析。结果表明，虽然一级塔被烟气携带走大量的水，但烟气携带给二级塔的净水量很小。从系统水平衡、经济性的角度考虑，应增大一级塔除雾器冲洗水容量，尽量降低二级塔排出泵送入一级塔的补水量。

湿法脱硫系统；双塔串联；水平衡；运行优化

引言

我国西南地区蕴藏大量的中高硫煤炭资源，相比于低硫煤具有明显的价格优势。因此，选用中高硫煤炭成为燃煤电厂降低发电成本的重要举措之一。近年来，随着国家对环保问题越来越重视，相继发布的一系列文件要求我国燃煤发电机组在2020年前实现污染物超净排放[1]，即在基准含氧量6%的情况下，烟尘、SO2和NO分别达到10、35和50mg/m3。基于此，各燃煤电厂纷纷进行烟气脱硫系统出力增容改造，以适应燃用中高硫煤、达到超净排放的要求。

石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺是我国燃煤机组主要采用的脱硫技术。目前，串塔脱硫因具有明显的优点（如：改造工作量少、脱硫效率高、脱硫负荷适应性好等），成为湿法脱硫系统增容改造的首选方案之一[2]。

1 脱硫系统水平衡

脱硫系统水平衡是指进出脱硫系统的水量相等。其中，进入脱硫系统的水量包括：原烟气带水、氧化风机增湿水、皮带滤布滤饼冲洗水（工业水）、真空皮带密封水、除雾器冲洗水、石灰石浆液所含水等；离开脱硫系统的水量包括：石膏内外在水、脱硫外排水、净烟气携带水等。

脱硫系统运行时，局部子系统用水量过大，可能会造成其他子系统供水不足，从而对脱硫系统的正常运行产生不良影响。为了保证脱硫系统的正常稳定运行，不仅要保证脱硫各子系统用水需求，还需对脱硫吸收塔液位进行严格控制。这是因为，吸收塔液位的高低会不同程度地影响到脱硫系统的脱硫效率、塔内氧化反应、石膏品质、安全稳定运行等[3,4]。

1.1 串塔脱硫水平衡

对于串塔脱硫系统而言，需要分别计算一级塔、二级塔的水平衡，并严格控制塔内液位，根据实际情况采取调整措施实现双塔水平衡控制。实际运行时，烟气流经一级塔会带走大量的水，造成一级塔水位降低，同时将大量的水带入二级塔，造成二级塔水位升高。为了实现双塔水平衡，常用的措施包括[2,5]：（1）新增1台平衡旋流器，二级塔石膏排出泵将石膏浆液送至旋流器，溢流通过自流进入一级塔；（2）将一级塔、二级塔连通，形成U型串联双塔脱硫结构，实现同液位调节；（3）直接将二级塔塔内浆液通过吸收塔排出泵送入一级塔，并且当二级吸收塔回收石膏时，二级吸收塔的回收石膏的滤液水回一级吸收塔。

1.2 珞璜电厂二期2×360MW机组串塔脱硫系统水平衡分析

华能重庆珞璜电厂二期串塔脱硫系统如图1所示。原烟气进入U型液柱塔，流经顺流塔和逆流塔脱硫，经除雾器去除液滴后离开一级塔，然后进入二级塔进一步脱硫、除雾后离开二级塔。正常运行时，二级塔排出泵可以把浆液直接排至一级塔，石膏脱水系统滤液可以全部流入一级塔。

图1 U型液柱塔+喷淋塔双塔脱硫系统工艺流程简图

一级塔、二级塔塔内水平衡图如图2所示。一级塔进入水包括：原烟气携带水、除雾器冲洗水、石灰石浆液携带水、氧化风机增湿水、二级塔排出泵排出浆液携带水、石膏脱水系统滤液回流；一级塔排出水包括：一级塔净烟气携带水、石膏排出浆液内外在水。值得注意的是，当石膏脱水系统外排废水时，石膏脱水系统滤液回流量将减少。

二级塔进入水包括：一级塔净烟气携带水、除雾器冲洗水、石灰石浆液携带水、氧化风机增湿水；二级塔排出水包括：净烟气携带水、排出泵排出浆液含水或排出石膏浆液所含内外在水。

实际运行时，烟气在流动过程中从一级塔携带大量水进入二级塔。若无相关措施，双塔水位将严重偏离正常水位。珞璜二期脱硫系统的处理方式是：二级塔排出泵直接将浆液送入一级塔。通常，二级塔通过调节排出泵流量容易实现塔内液位平衡，而一级塔的液位平衡控制的难度和复杂度都大大增加。

图2 U型液柱塔+喷淋塔双塔塔内水平衡示意图

2 串塔脱硫系统双塔塔内水平衡计算分析

华能重庆珞璜电厂的入口烟气参数如表1所示，双塔脱硫塔主要设计/运行参数如表2所示。本节分别就进出一级塔、二级塔的各种水量进行详细的计算分析。

表1 脱硫装置入口烟气组分及污染物成分

表2 吸收塔主要设计/运行参数表

2.1 烟气携带水

（1）一级塔烟气携带水

原烟气主要携带少量气态水进入一级塔。烟气在一级塔经石灰石浆液洗涤后，烟气中的水蒸汽达到饱和，并携带大量液态水。经一级塔出口除雾器除雾后，携带少量液态水流出一级塔。

原烟气携带水蒸汽量：

为了计算一级塔出口烟气携带的水蒸汽量，我们首先通过Antoine方程计算一级塔出口烟气温度下的干饱和蒸汽分压：

烟气经吸收塔除雾器作用以后，烟气中液态水的含量小于75mg/Nm3，一级塔出口烟气携带的液态水量为：

于是，可以得到烟气携带出一级塔的净水量：

（2）二级塔烟气携带水

为了计算二级塔出口烟气携带的水蒸汽量，我们首先通过Antoine方程计算二级塔出口烟气温度下的干饱和蒸汽分压：

烟气经吸收塔除雾器作用以后，烟气中液态水的含量小于75mg/Nm3，二级塔出口烟气携带的液态水量为：

于是，可以得到烟气带入二级塔的净水量：

2.2 二级塔石膏排出泵排入一级塔浆液

正常运行时，烟气会将大量的水从一级塔带入二级塔，造成一级塔水位下降、二级塔水位上升。因此，为了实现双塔水位平衡，需要将二级塔的浆液通过石膏排出泵送入一级塔。假设按照等体积量补充，则有

Case 1: 不计一级塔除雾器冲洗水

Case 2: 计及一级塔除雾器冲洗水

2.3 石膏排出液

正常运行时，当一、二级吸收塔浆液密度为1120-1150 kg/m3时，启动脱水系统运行，此时一、二级塔排出泵排出石膏浆液至石膏脱水系统。根据相关设计参数，可知一、二级塔洗涤吸收的SO2量为：

一级塔吸收SO2量：(1200000×8300-1305365×1500)=8001.95 kg/h

二级塔吸收SO2量：1305365×(1500-35)=1912.36kg/h，

查找石膏浆液的含固量、密度对照表，取石膏脱水系统运行时石膏浆液的平均密度为1135kg/m3，对应的含固量为21%。考虑到二级塔排出泵将大量浆液排至一级塔，因此一、二级塔排至石膏脱水系统的石膏浆液体积量分别为

一级塔, Case 1:

Case 2:

二级塔, Case 1:

Case 2:

由表2可知，一、二级塔石膏排出泵流量分别为290、250m3/h，完全能够满足正常运行时排出石膏浆液的需求。

2.4 滤液回流

正常运行时，石膏脱水系统的滤液都回流至一级塔。因此回流滤液分为两部分组成，即一、二级塔排出石膏浆液的回流滤液体积。由于石膏脱水后其表面会附着水，按石膏产量的10%计算，表面附着水量为：(21505+5139.47)*10%=2664.4 kg/h。因此，一、二级塔排出石膏浆液的回流滤液总体积流量为：

一、二级塔排出石膏浆液的回流滤液体积流量分别为：

一级塔，Case 1：

Case 2：

二级塔，Case 1：

Case 2：

2.5 外排废水

脱硫系统需要定期外排一定的废水，以降低石灰石浆液中氯离子、氟离子的浓度，保证烟气脱硫效率。原烟气中含有一定量的HCL、HF，假定经过脱硫后净烟气以及石膏中不含氯离子和氟离子，并忽略工艺用水中的氯离子和氟离子，则通过质量守恒可得：

2.6 补充石灰石浆液

由式(14)可知，一、二级塔消耗石灰石的量为：

一级塔消耗CaCO3量：8001.95/64×100×1.03=12878.14kg/h

二级塔消耗CaCO3量：1912.36/64×100×1.03=3077.7kg/h，

新鲜石灰石浆液的浓度按30%计算，则一、二级塔加入石灰石浆液中的水量为：

一级塔：12878.14/3×7=30049kg/h

二级塔：3077.7/3×7=7181.3kg/h，

2.7 塔内水平衡分析

由上述计算可知，在众多水量中，一级塔被烟气携带走的净水量最大，接近70m3/h，明显大于一级塔除雾器冲洗水量48.5 m3/h。因此，实际运行时，需要将二级塔的浆液通过石膏排出泵送入一级塔补水。若二级塔按照等体积量向一级塔补充浆液，且不计一级塔除雾器补充水（Case 1），FGD系统的水平衡计算结果如表3所示。可知对一级塔而言，不计除雾器冲洗水时，塔内反而获得净水量为24.5 m3/h。为了实现塔内水平衡，应该将滤液回流水排至石灰石浆液制备系统，但仍难以实现系统水平衡。

若二级塔按照等体积量向一级塔补充浆液，且计及一级塔除雾器补充水（Case 2），FGD系统的水平衡计算结果如表4所示。对一级塔而言，不考虑除雾器冲洗水时，塔内损失净水量为：21060kg/h，该值明显低于除雾器的补水量48500kg/h；对二级塔而言，不计除雾器冲洗水时，塔内损失水量为：33089kg/h，该值在除雾器的补水量范围之内（18000-135000kg/h）。

以上分析表明，二级塔通过石膏排出泵排出浆液向一级塔补充水时，排出浆液量不宜过大，且排出浆液量的大小应该考虑一级塔除雾器补水量。实际运行时，二级塔石膏排出泵排出浆液至一级塔补水的量还可以进一步降低，以增加一级塔除雾器冲洗水量，保证除雾器的工作性能。

表3 双塔水平衡计算结果

表4 双塔水平衡计算结果

3 结束语

针对华能重庆珞璜电厂二期2×360MW机组串塔脱硫系统进行了详细的水平衡计算分析，发现一级塔被烟气携带走的净水量最大，实际运行时需要通过二级塔石膏排出泵排出浆液至一级塔补水。然而，二级塔从烟气中获得的净水量很小，二级塔的补水主要通过二级塔除雾器冲洗水补充。可见，二级塔排出泵排出浆液至一级塔补水的同时，必然增大二级塔除雾器冲洗水，也就是说增大了运行成本。因此，从经济性的角度考虑，可以适当增大一级塔除雾器的补水容量，尽量降低二级塔石膏排出泵排出浆液至一级塔的补水量。

[1] 中华人民共和国国家发展和改革委员会. 煤电节能减排升级与改造行动计划(2014-2020年). 2014, 发改能源2093号文件.

[2] 林朝扶, 兰建辉, 梁国柱, 等. 串联吸收塔脱硫技术在燃超高硫煤火电厂的应用[J]. 广西电力, 2013, 36(5): 11-15.

[3] 魏新. 大唐景泰发电厂2×660MW机组串塔脱硫改造水平衡分析[J]. 技术探讨, 2015, 5(6): 2015F8124.

[4] 黄雪山. 湿法脱硫系统吸收塔液位控制策略研究[J]. 科技创新与应用, 2012, 12月(上): 19.

[5] 程立华, 张立权, 李付宁. 330MW机组脱硫系统串塔技术改造[J]. 山东工业技术, 2012, 12月(上): 84-85.

Analysis of Water Balance and Operation Optimization of Series-connected Flue Gas Desulphurization System in High Sulfur Coal-fired Power Plant

QING Shaowei1*, LIANG Yanxuan2, KONG Xiangzhen2, WU Chaohui2, LONG Haibo2

(1.Power Engineering Institute, Chongqing University, Chongqing, 400044, China;2. Chongqing Huaneng Luohuang Power Generation Co. , Ltd. , Chongqing, 402283, China)

In order to meet the requirement of super clean emission, it needs to increase the capacity of wet flue gas desulphurization system in coal-fired power plant. For the case of series-connected U-type double contact flow scrubber tower (the first stage tower) and cylindrical spray tower (the second stage) for 2×360MW unit in Huaneng Luohuang power plant, various kinds of water that pass in and out the two towers are calculated and analyzed in detail respectively, based on the design parameters and operation conditions. Results shown that, although plenty of water in the first stage tower is carried away by flue gas, the second stage tower gains very little net water from the flue gas. From the system water balance and operation economic points of view, the capacity of demister flush water in the first stage tower should be enlarged, and the complementary water from the second stage tower to the first tower should be reduced as much as possible.

wet flue gas desulphurization system; series-connected double absorption tower; water balance; operation optimization

10.19551/j.cnki.issn1672-9129.2018.01.035

TM61.8

A

1672-9129(2018)01-0089-04

卿绍伟, 梁晏萱, 孔祥贞, 等. 高硫煤火电厂串塔脱硫系统水平衡及运行优化分析[J]. 数码设计, 2018, 7(1): 89-92.

QING Shaowei, LIANG Yanxuan, KONG Xiangzhen, et al. Analysis of Water Balance and Operation Optimization of Series-connected Flue Gas Desulphurization System in High Sulfur Coal-fired Power Plant [J]. Peak Data Science, 2018, 7(1): 89-92.

2017-11-13；

2017-12-12。

卿绍伟(1981-)，男，四川，博士生，讲师，重庆大学动力工程学院，研究方向：从事热力系统仿真与控制的教学与科研工作。E-mail:2646069240@qq.com