烟塔合一脱硫工艺系统设计
脱硫的设计主要包括烟风系统、石灰石浆液系统、石膏浆液系统、废水处理系统、工艺水系统、吸收塔系统等。为提高脱硫的安全可靠性, 建议这些系统设计时可从如下考虑:
1 烟风系统
(1) 保证各段烟气流速及其变化的均匀性, 钢烟道设计流速约小于15 m/s, 要有足够的厚度和强度(特别是对要进行防腐处理的烟道) , 并尽可能减少降温, 以免酸性冷凝水腐蚀原烟气烟道。输送净烟气的FRP 烟道设计流速一般不大于18 m/s, 速度太快容易冲刷烟道内壁的糊接口部位和导流板等, 速度过低容易在烟道内沉积烟尘和石膏。
(2) 阻力分配尽量均匀, 尽量减少紊流。在有弯头的地方尽量增设导流板, 如增压风机出口90°弯头、FRP 烟道90°弯头和三通部分, 以降低烟气的紊流, 除合理分配烟气阻力外, 还能减少冲刷和沉积,减少增压风机或其他设备、FRP 烟道的振动。
(3) 有防止烟气异常的措施。在烟气温度偏高、除尘器异常造成FGD 吸收塔入口烟尘浓度超过允许极限的情况( 如烟尘浓度超过180 mg/m3, 最高可到250 mg/m3) 下, 采取诸如增设事故冷却水的措施,可提高系统的安全性。
华能北京热电厂在设计时, 考虑当原烟气温度超过140 ℃、净烟气温度大于60 ℃或3 台浆液循环泵全跳时( 根据不同的锅炉燃煤情况, 各电厂可能有所不同) , 必须进行喷水减温( 包括启动除雾器上层冲洗水门) , 减温的幅度根据吸收塔的耐温情况有所不同, 但减温水的喷嘴一定要选择高等级合金材料。
(4) FRP 烟道必须设置足够大的疏水管道。为防止烟气遇冷凝结, 在FGD 前后设置有疏水系统, 但FGD 前的降温冷凝幅度很小, 烟气温度仍然高于100 ℃, 几乎没有凝结水, 也可以不设疏水。烟气温度约为50 ℃的净烟气, 出口膨胀节、FRP 烟道底部低点必须设置满足异常情况( 如除雾器效果变差、沉积、堵塞造成净烟气带冷凝水和石膏等杂质、检修冲洗时) 的冷凝水排放管道。
疏水管道设计时, 不能只满足除雾器在正常工况下(如出口液滴含量小于75 mg/m3 或100 mg/m3)的要求, 实际在多数情况下, 平板式除雾器在FGD90%以上的大负荷情况下可能远远大于上述要求, 此时疏水量可能大大增加。如果疏水管道直径偏小, 容易造成石膏浆液存积的部位后移至FRP 烟道甚至到烟塔内, 从而更多的回滴到中央竖井平台或烟塔收水器/步道上。
(5) 烟气系统的烟气冷却装置, 要强化防腐设计。考虑到脱硫- 烟塔合一的经济性, 这种方式一般设有烟气冷却装置, 用以回收进入吸收塔前的烟气热量, 提高全厂的热效率。
为提高烟气余热回收装置的可靠性, 余热回收装置一般采用耐酸钢(ND 钢) 、PTFE 包覆碳钢, 还可选用高等级合金钢。对采用ND 钢的烟气冷却器,特别要对换热管的联箱进行防腐设计, 必要时还要对耐酸钢支撑梁进行防腐。对烟气冷却器的烟道内壁, 采用高等级合金( 如1.452 9 合金) 材料进行贴壁纸式的防腐, 可大大提高烟道的抗腐蚀能力。
(6) 吸收塔入口烟道, 采用合金材料。吸收塔入口烟道及支撑, 由于温度高低、干湿交错, 加上烟尘、石膏沉积明显, 建议采用更高等级的合金材料( 如C276) , 以延长吸收塔入口烟道的寿命。
2 石灰石浆液系统
(1) 严格石灰石品质, 增加粒度分布范围。无破碎系统的FGD 石灰石湿式球磨机系统, 要求石灰石的粒径上限一般小于20 mm, 但无下限。但从实际运行情况看, 由于直径小于20 mm 的石灰石是由大块石灰石筛选后过筛留下的, 因此其中含有很多杂物,这些杂物有的呈细粉状, 并含有大量的石英砂, 很容易造成系统磨损, 同时可使石灰石仓底蓬料, 严重时使球磨机入口成糊状, 堵塞球磨机入口。因此在选择石灰石时, 不应只局限于纯度、粒度, 还要有粒度分布范围, 以提高石灰石卸料系统的可靠性。
(2) 增设去除杂物装置。石灰石卸料系统不一定要设除尘设备, 或电磁除铁器, 但一定要有清除过多杂物的措施, 包括在振动给料系统处设木块去除系统( 如果可能的话) , 在球磨机出口设置杂物清除、冲洗装置(措施) 。在石灰石旋流器、石膏旋流器、地沟等处设置滤网。因为这些杂物堵塞可能造成FGD 整个系统瘫痪, 严重危胁FGD 的安全运行。
(3) 设计要方便检修和清理作业。石灰石浆液再循环箱和浆液箱应设置方便清理的人孔和通道( 包括照明) , 因为再循环箱很容易沉积堵塞, 而且堵塞后容易冒浆。石灰石浆液制备系统的地面应考虑防腐, 箱体、设备周围最好有地沟, 地沟应设轻便、活动的盖板, 且有方便清理的通道, 因为地沟的清理非常频繁。石灰石浆液管道、球磨机入口管道等应设有方便拆卸、检修的平台。浆液输送管道设置再循环管道时, 应每隔一定距离设置冲洗水和检修清理平台、爬梯。石灰石浆液管线过长时, 整个浆液输送管道可以尝试不设保温, 改为室内栈桥的形式, 因为拆卸很频繁, 同时须设伴热管道。
(4) 设计选择合适的材料。石灰石浆液管道可选择衬胶(主要是丁基橡胶) 管道, 但浆液泵出口的大小头、接通各种表计(如密度计) 的支管最好采用耐磨合金钢, 因为采用FRP 管道可能会在3 个月内磨穿漏浆, 即使采用丁基橡胶, 可能使用时间也不长。测量表计的套筒应采用合金制作, 如采用PVC 等塑料类制品, 易被冲洗水顶开泄漏, 造成测量不准。
(5) 设计考虑合理的流量和坡度。石灰石浆液输送泵及管道的流量选择, 应考虑测量用浆液回流造成的流量降低。回流管线的坡度最好是顺流, 无上坡。
(6) 设计考虑合理的保温伴热措施。测量结果表明, 未加伴热的管线, 在室外温度约为10 ℃, 且基本无风情况下, 与之类似的管线, 如流量为3~4 t/h 的废水输送管线( 管径为DN50) , 大约每50 m 就会降低1 ℃。因此合理的保温伴热设计也是提高FGD 系统可靠性和安全性的重要方面。对石灰石浆液管线或其他浆液管线( 包括废水处理系统的管线) , 不建议缠用电伴热带, 如有必要, 可用暖气伴热, 或者直接放在以室内布置方式的栈桥内。
3 石膏浆液系统
(1) 合理的材质选择。与泵接出的石膏排浆管道大小头最好不要采用钢衬胶, 因其可能会在很短的时间( 连续运行时间小于3 个月) 内被冲刷、腐蚀、穿孔, 可采用耐磨合金材料。石膏旋流器底流分配槽( 包括旋流器支撑) 要设计耐磨防腐层或采用防腐合金材料, 并要方便清理, 同时设计压缩空气搅拌系统。真空皮带脱水系统的冲洗槽( 包括皮带脱水机支撑) 要设计耐磨防腐层或采用防腐合金材料, 并要方便清理。
(2) 设计合理的冲洗水。每隔一定距离, 石膏排浆管线要设置冲洗水系统, 不能只在泵进出口冲洗。由于石膏容易沉积, 在吸收塔内浆液浓度较小时, 石膏浆液必须循环, 此时可能要启动分段冲洗水, 冲洗石膏输送管道。
(3) 设计必要的滤网。石膏旋流器顶流要设计滤网, 以免过大、过多的杂质进入废水旋流器给料箱,加速给料箱沉积, 造成搅拌器与电机联轴器断裂。
(4) 设计要方便检修。石膏系统的底流和顶流管线, 以及管线上的阀门一定要方便拆卸检修。在检修场地要有方便清洁/冲洗的手段。
(5) 设计足够的通风。石膏浆液系统的房间一定要设计足够的通风散热, 以便排除湿气, 减少湿气对电气、热控元件的腐蚀, 以及对土建结构的侵蚀。
4 吸收塔系统
4.1 吸收塔本体的设计
吸收塔要有足够的强度, 以防止振动。吸收塔要设计足够的检修人孔, 以便出现故障时减少搭设脚手架的时间, 缩短检修工期。
4.2 吸收塔附属设备的设计
(1) 吸收塔搅拌器要在1 台或2 台搅拌器出现故障时不导致停运FGD。吸收塔浆液泵滤网最好设计成耐冲刷的合金材质。吸收塔喷淋层设计时, 最好在浆液循环管道与FRP 喷淋层母管接口处设计挡流板, 防止石膏浆液淤积在吸收塔壁浆液循环管道的开孔凹台处。
(2) 吸收塔两级除雾器除在上一级底部、下一级顶部和底部设置冲洗水外, 在除雾器上一级顶部至少应设人工快速冲洗的冲洗水接口, 对无烟气旁路系统的FGD, 如有必要, 还可设计在线连续冲洗装置甚至3 层除雾器。因为除雾器顶层很可能在运行较短的时间内, 会有局部石膏沉积堵塞, 严重时可导致烟气拱开少数除雾器, 此时净烟气石膏等浆液液滴含量增大若干倍, 甚至引起FRP 烟道沉积的石膏等酸性物质重量增加。
除雾器的设计是保证FGD 系统可靠性的关键之一。设计良好的除雾器可保证后续FRP 烟道沉积物量很小, 系统阻力也不大。如果设计不良, 可能造成除雾器阻力增加很快, 净烟气沉积物非常多( 如在FRP 烟道内, FGD 每运行100 h, 沉积物量就可增加1 mm) , 严重时可导致FRP 烟道的沉积物量超出设计2~3 倍, 甚至引起FRP 烟道振动加剧和挠度增加, 威胁系统的安全可靠运行。
(3) 吸收塔的氧化空气系统, 每台吸收塔的氧化风机至少应设计互为备用的2 台, 氧化空气的减温水系统应设计伴热管道。
(4) 吸收塔的浆液循环系统, 建议设计成至少在2/3 的浆液循环泵投入运行后, 即可完全满足设计的FGD 出口SO2 排放浓度, 而排放浓度的确定, 对处于经济发达地区或城市周边的电厂, 设计时最好考虑比现有排放浓度严格1 倍以上。在全部浆液循环泵投入运行后, 可完全满足锅炉在燃烧所适应的任何煤种时排放的SO2。
(5) 吸收塔顶部的放散阀门, 应设计采用耐温耐腐蚀的材质, 而且最初投运时, 一般会泄漏, 另外在阀门上设计有防雨蓬, 但热的FGD 湿烟气容易在防雨蓬上凝结, 回流到放散阀的电动执行机构上,因此要考虑防雨蓬的冷凝液回流腐蚀执行结构的
问题。
5 工艺水系统
工艺水的水源一定要稳定, 最好设计2 路水源,互为备用或同时使用, 以保证系统的安全可靠。工艺水系统最好设计成双母管制, 以便可互相切换检修。如有必要, 可以将除雾器冲洗水和其他工艺水系统合并, 由于用水量的波动, 可以考虑部分工艺水泵改为变频泵进行稳压。
球磨机系统的工艺水, 特别是磨机的冷却水, 要有防止各种浆液冲洗水返流回工艺水系统的可能,同时设置观察窗, 如果工艺水的硬度比较高, 应注意冷却水系统的结垢问题。
对不同用处的工艺水, 最好设置隔离阀门, 以便各系统在检修时不相互影响。
对真空皮带机系统的工艺水系统, 可考虑将滤布冲洗水和滤饼冲洗水系统合并成双母管系统, 并要考虑在与皮带机本机冲洗水接口的软管连接处,加装稳固的管卡, 且要考虑在万一接口软管断开时,工艺水不会喷射到皮带机的控制柜上。
对吸收塔搅拌器和浆液循环泵减速机、球磨机冷却水、真空泵密封水等, 其水压要求不一致, 应设计各自的减压措施。
废水处理系统的工艺水, 要考虑其水质对化学药品( 如聚丙烯酰胺) 的影响。
如果工艺水的硬度、碱度太大或其他水质不好,可能造成吸收塔内浆液出现高达1 m 左右的泡沫,出现虚假液位, 此时要考虑采取解决水质不好或加入消泡剂的措施。
送到事故冷却水系统的工艺水要求稳定、可靠,一般可选择低压消防水系统, 当遇到低压消防水系统检修时, 还可设计与工艺水补充水系统相连接。工艺水系统一定要设计经济合理安全的伴热系统, 特别是对事故冷却系统的伴热, 不推荐采用电伴热带, 因为电伴热带若出现故障, 不容易发现。对这部分管道和阀门, 尽可能采取可靠的伴热保温措施。
6 废水处理系统
废水输送管线要有足够的冲洗水和排空系统。废水加药系统要有防人身伤害措施。氧化箱、中和箱等箱罐一定要设计方便的排泥系统。澄清浓缩器要设计事故排空系统。脱水设备及出泥要采取防雨水浇灌、防横流的措施。
7 压缩空气系统
最好设计成独立的压缩空气系统, 特别是仪用压缩空气, 因为如与其他压缩空气系统相连通( 如锅炉输灰系统) , 可能出现飞灰返流回压缩空气系统,造成仪用压缩空气带入大量飞灰, 这些飞灰可能带到诸如真空皮带脱水机系统、燃气吹灰系统, 影响系统的安全运行。压缩空气管道要设计疏水排放系统,即使使用电厂的压缩空气, 也要有疏水管道, 以便在一旦压缩空气管道由于返回水源导致受冻堵塞时可通过烘烤排空。压缩空气系统有必要设计保温, 特别是对北方电厂( 与电厂压缩空气系统相连接) , 因为一旦电厂压缩空气总系统的电加热器出现故障而无法加热时, 压缩空气管道可受冻被堵, 危及压缩空气用户- 真空脱水机的安全, 进而影响全厂FGD 的安全运行。压缩空气管道最好选用不锈钢管道, 以减少铁锈进入压缩空气的另一重要用户——烟气在线监测仪的反吹系统。
8 电控系统
FGD- 烟塔系统的供电系统一定要稳定、可靠, 6kV 设备的电源来自不同的6 kV 系统。如增压风机来自各相应机组的6 kV 系统, 公用系统的6 kV 设备( 如球磨机) 应接自互为备用的脱硫6 kV 段, 各吸收塔的6 kV 浆液循环泵来自不同的6 kV 系统, 这样可保证接自6 kV 系统的设备不会因某一上级电源跳闸而全部事故停运。但为了保证增压风机和浆液循环泵能同时停运, 在设计时除控制系统做到全部跳浆液循环泵时必须跳增压风机外, 在电源接线时, 也可考虑增压风机的电源与浆液循环泵的电源来自同一6 kV 系统。同时, 重要转动机械及设备设置保安电源, 这样可大大提高系统的安全可靠性。
9 其他
为了尽量减少FGD 系统的缺陷, 特别是I 类缺陷, 应设计一定的设备/备品备件余量, 这些余量可以是库房备用, 也可是在线备用, 根据实际情况确定备用类型。
对吸收塔区域/石膏区域的地坑, 为了减少互相影响( 特别是调试初期) , 建议每台吸收塔/石膏脱水/石灰石制备区域分别设置地坑和搅拌器、集水坑泵和管道。
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