[摘要]火電機組超低排放改造有效降低了燃煤電廠的污染物排放總量，但部分改造后的脫硫系統(tǒng)在運行中暴露出設計裕量過大、改造過度、運行能耗過高等問題。對此本文提出：應合理確定脫硫系統(tǒng)設計邊界條件，根據(jù)實際燃煤及煤源選擇合適的設計煤質(zhì)硫分；優(yōu)化脫硫系統(tǒng)設計方案，選擇節(jié)能設備，設計方案應兼顧不同負荷工況下脫硫系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)與節(jié)能運行；調(diào)整運行方式、優(yōu)化運行參數(shù)，并使用脫硫增效劑等。上述措施可為同類工程設計優(yōu)化提供參考。

[關(guān)鍵詞]脫硫系統(tǒng)；超低排放；節(jié)能優(yōu)化；設計方案；脫硫增效劑

2015 年 12 月國家發(fā)改委、環(huán)境保護部、國家能源局聯(lián)合印發(fā)了《全面實施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》（環(huán)發(fā)[2015]164 號），要求將東部地區(qū)超低排放改造任務總體完成時間提前至2017 年前，中部地區(qū)力爭在 2018 年前基本完成，西部地區(qū)在 2020 年前完成[1]。截至目前，全國燃煤電廠已完成 50%以上裝機容量機組的超低排放改造，有效降低了火電機組污染物排放總量。然而，很多已投運的超低排放環(huán)保設施也暴露出設計裕量過大、改造過度、運行能耗過高等問題。

本文針對燃煤電廠脫硫系統(tǒng)超低排放改造項目，從工程設計邊界條件、設計方案、運行方式等方面進行優(yōu)化研究，提出節(jié)能優(yōu)化措施。

1 脫硫系統(tǒng)設計邊界條件確定

脫硫系統(tǒng)設計邊界條件的確定，決定了其改造工藝方案的選擇。《火力發(fā)電廠煙氣脫硫設計技術(shù)規(guī)程》規(guī)定：煙氣脫硫裝置的設計工況宜采用鍋爐BMCR、燃用設計煤種工況下的煙氣條件；已建電廠加裝煙氣脫硫裝置時，宜根據(jù)實測煙氣參數(shù)確定煙氣脫硫裝置的設計工況和校核工況，并充分考慮煤源變化趨勢。

我國多數(shù)火電機組燃煤煤質(zhì)波動較大，而目前我國超低排放改造要求環(huán)保指標極其嚴格，不允許每小時污染物排放均值超標。因此，為減低環(huán)保風險，目前火電機組脫硫裝置增容提效改造普遍存在改造設計煤質(zhì)裕度過大、硫分虛高的現(xiàn)象。加之，當前國內(nèi)燃煤火電機組整體負荷率偏低，往往造成多數(shù)機組脫硫裝置實際運行工況嚴重偏離設計工況，運行能耗較高，運行經(jīng)濟性較差。因此，在對現(xiàn)役機組煙氣脫硫裝置進行超低排放改造時，應合理確定設計邊界條件。設計煤種宜根據(jù)電廠近 3年實際燃煤情況，選擇可覆蓋近 3年燃煤質(zhì)量 95%以上的硫分參數(shù)，或綜合考慮煤源變化、燃煤摻燒趨勢等選擇合適的設計硫分參數(shù)，不建議以短期燃煤煤種硫分峰值作為設計硫分。

2 脫硫系統(tǒng)設計方案優(yōu)化

在確定脫硫系統(tǒng)超低排放改造方案時，應在確保改造方案環(huán)保排放達標的前提下，盡量降低投資和能耗指標。脫硫系統(tǒng)能耗指標包括電耗、脫硫劑耗量、水耗、氣耗等，其中電耗成本約占其整體能耗成本的 70%，因此本文所稱能耗泛指電耗。為更直觀地體現(xiàn)脫硫裝置污染物減排的能耗代價，便于比較不同負荷工況下脫硫系統(tǒng)的能耗指標，本文提出了單位減排能耗的概念，即脫除單位質(zhì)量 SO2需要消耗的電量，計算公式如下：

節(jié)能優(yōu)化目標是以最低的單位質(zhì)量污染物減排能耗達到超低排放環(huán)保指標，即盡可能在脫硫改造方案設計選擇時降低脫硫系統(tǒng)電耗，并在低負荷工況下實現(xiàn)脫硫系統(tǒng)靈活調(diào)節(jié)與節(jié)能運行。

2.1 煙氣系統(tǒng)

目前，脫硫裝置煙氣系統(tǒng)改造的主流方案是取消增壓風機，將引風機和增壓風機合并設置，由引風機克服脫硫裝置煙氣系統(tǒng)阻力。西安熱工研究院有限公司劉家鈺等對某電廠 1000MW 機組引風機與脫硫增壓風機合并改造進行了方案對比研究，結(jié)果表明在機組1 000MW 滿負荷運行工況下，改造前引風機和增壓風機總功率為 6581.2kW，引風機、脫硫增壓風機合并改造后引風機總功率為5395.6kW，改造后煙氣系統(tǒng)風機總功率減少1185.6 kW，廠用電率下降 0.237 %，節(jié)能效果顯著。

取消增壓風機后，還需對引風機出口至脫硫吸收塔入口間煙道進行優(yōu)化設計，以減少煙道阻力。石清鑫等對某電廠300MW 機組取消增壓風機后引風機出口至 GGH 原煙氣側(cè)入口煙道設計進行優(yōu)化研究，一種方案是采用矩形管道聯(lián)接拆除增壓風機后的煙道，優(yōu)化方案為拆除增壓風機及相關(guān)煙道，新建鋼煙道使兩側(cè)引風機煙氣匯流，然后從匯流煙道一側(cè)開孔連接至 GGH 原煙氣側(cè)入口煙道，結(jié)果表明采用優(yōu)化方案煙道阻力可在滿負荷工況下降低約 260Pa。

對于保留增壓風機設置的脫硫系統(tǒng)，要防止引風機和增壓風機中的一臺在高效區(qū)運行，而另一臺在低效區(qū)運行的情況。在機組和脫硫系統(tǒng)安全運行的前提下，可通過調(diào)整增壓風機入口壓力，尋找不同負荷工況下引風機和增壓風機最節(jié)能的聯(lián)合運行方式。一般情況下，增壓風機和引風機電流之和為最小值時風機綜合能耗最低。如果引風機壓頭裕量較大或機組日常運行負荷率較低，可考慮設置增壓風機旁路煙道及增壓風機前后擋板，在低負荷工況下停運增壓風機，煙氣經(jīng)旁路煙道由引風機克服脫硫系統(tǒng)阻力。但低負荷時引風機運行工況為小流量高壓頭，容易引起風機失速，所以能否設置增壓風機旁路煙道及旁路煙道通流面積的選擇應根據(jù)引風機運行性能曲線確定。

2.2 吸收塔系統(tǒng)

影響煙氣脫硫系統(tǒng)脫硫效率的因素包括吸收塔結(jié)構(gòu)設計、運行參數(shù)控制、吸收劑品質(zhì)等。在脫硫系統(tǒng)設計邊界條件確定后，影響吸收塔脫硫效率的主要設計因素包括煙氣流速、噴淋漿液總流量、噴淋層及噴嘴布置、是否設置塔內(nèi)強化傳質(zhì)構(gòu)件等。

以某 600MW 機組進行脫硫裝置超低排放改造 為 例 ， 其 設 計 吸 收 塔 入 口 SO2質(zhì) 量 濃 度 為3000mg/m3，出口SO2質(zhì)量濃度不超過35mg/m3，設計脫硫效率為 98.83%。改造方案 1 為噴淋空塔方案，設置 5 層噴淋層，每層噴淋層對應設置 1 臺流量為 10500m3/h 的漿液循環(huán)泵，最下層噴淋層對應漿液循環(huán)泵A，漿液循環(huán)泵揚程為19.8 m，噴淋層中心線間距2m。方案2為托盤塔方案，設置4層噴淋層和1層合金托盤，每層噴淋層對應設置1臺流量為10500m3/h的漿液循環(huán)泵，最下層噴淋層對應漿液循環(huán)泵A，漿液循環(huán)泵揚程19.8m，噴淋層中心線間距2m。吸收塔改造方案對比見表1。

表1 2種吸收塔改造方案對比

吸收塔系統(tǒng)的主要電耗為漿液循環(huán)泵電耗及吸收塔阻力引起的引風機(或增壓風機)電耗，包括漿液循環(huán)泵軸功率和吸收塔阻力導致的風機軸功率。噴淋空塔方案和托盤塔方案的吸收塔電耗對比見表2。

表2不同改造方案的吸收塔電耗對比

雖然相對于噴淋空塔方案，托盤塔方案吸收塔阻力增加500Pa，引起風機電耗增加510 kW，但噴淋空塔方案多設置1層噴淋層，其對應的循環(huán)泵軸功率為1097kW，兩者疊加得出在設計工況下運行時托盤塔方案可節(jié)能587kW，減少廠用電率約0.1 % 。

2.3氧化風系統(tǒng)

石灰石一石膏濕法脫硫裝置吸收塔氧化風管布置方式主要有矛槍式和管網(wǎng)式，如圖1所示。矛槍式氧化風管一般布置在吸收塔漿液攪拌器內(nèi)側(cè)上方，通過攪拌器旋流的推力促進氧化空氣分布，距吸收塔底部距離一般約為2m。管網(wǎng)式氧化風管一般布置在距吸收塔漿池液面6~7 m位置，該方式下氧化空氣噴口距離液面的高度小于矛槍式布置方式，因此氧化風機揚程更低，電耗消耗量相對較小;同時氧化空氣分布更均勻，氧化效果更好。

圖1氧化風管布置方式

氧化風機可選擇羅茨式和離心式。羅茨式風機為容積式風機，結(jié)構(gòu)簡單，但效率較低，一般為60%~70%。離心式風機可分為單級離心風機和多級離心風機，效率可達到85%以上。另外，羅茨風機為容積式風機，無法調(diào)節(jié)流量，而離心式風機具有較好的流量調(diào)節(jié)功能，可實現(xiàn)流量調(diào)節(jié)范圍400%~100%，同時依然保持較高的效率?？梢?，在不同機組負荷或不同入口SO2質(zhì)量濃度下，脫硫系統(tǒng)離心風機均具有較強的節(jié)能效果及較好的調(diào)節(jié)性和適應性。

以上述某電廠600MW機組脫硫裝置超低排放改造為例，吸收塔氧化風管采用管網(wǎng)式布置方式，埋深7 m，每座吸收塔設置2臺100%容量氧化風機，一用一備，氧化風機流量13000m3/h，揚程100kPa，設計工況下單臺離心式風機軸功率比羅茨式風機低約170 kW，節(jié)能效果顯著。

2.4石膏脫水系統(tǒng)

石灰石一石膏濕法煙氣脫硫副產(chǎn)物石膏漿液，一般需要經(jīng)過石膏旋流器和真空脫水機兩級脫水處理。真空脫水機是二級脫水系統(tǒng)的核心設備，也是主要的耗能設備，主要分為圓盤脫水機和真空皮帶脫水機。某電廠30t/h處理能力的圓盤脫水機總電耗約53.5kW，同等處理能力的真空皮帶脫水機總電耗約207kW，可見圓盤脫水機能耗約為真空皮帶脫水機的1/4，節(jié)能效果顯著。另外，圓盤脫水機還具有占地面積小、節(jié)水的特點，但其造價相對較高，且實際運行中也存在陶瓷盤片易堵塞、更換頻率高、維護成本較高的問題。

目前，有廠家推出了濾布真空盤式脫水機，其結(jié)構(gòu)和陶瓷式圓盤脫水機類似，將盤片更換為框架外敷濾布式，降低了運行維護成本。但運行效果還有待長期運行后進一步驗證。

3脫硫系統(tǒng)運行方式優(yōu)化

3.1吸收塔系統(tǒng)運行優(yōu)化

液氣比是影響脫硫效率的最主要參數(shù)。在機組負荷一定時，漿液循環(huán)泵投運臺數(shù)決定了總的漿液循環(huán)量，即決定了液氣比。西安熱工研究院有限公司針對多個電廠脫硫裝置在不同負荷和不同燃煤含硫量工況下，進行了大量漿液循環(huán)泵運行優(yōu)化試驗。試驗結(jié)果表明在滿足環(huán)保達標排放的前提下，通過優(yōu)化漿液循環(huán)泵投運臺數(shù)及不同漿液循環(huán)泵組合方式，可有效降低廠用電率和運行成本.

目前，火電機組整體年利用小時數(shù)較低，脫硫裝置經(jīng)常在低負荷工況運行，環(huán)保設施如何在低負荷工況下靈活并節(jié)能運行是超低排放改造后應該重點關(guān)注的問題。因此，在脫硫系統(tǒng)超低排放改造方案設計時，不僅要優(yōu)化設計工況運行電耗，而且應兼顧低負荷工況時脫硫系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)，降低低負荷運行工況下SO2單位減排能耗。對前文600MW機組吸收塔改造提出2種漿液循環(huán)泵配置方案。方案A吸收塔4層噴淋層對應的漿液循環(huán)泵流量相同，優(yōu)點是設備備品備件規(guī)格一致，便于檢修維護。方案B采用漿液循環(huán)泵流量差異化配置，雖然在設計工況下全部漿液循環(huán)泵投運時運行能耗略高于方案A，但在機組低負荷工況時可有效降低運行電耗。2種漿液循環(huán)泵配置方案對比見表30由表3可見，采用漿液循環(huán)泵A, B, C和循環(huán)泵A, B, D組合泵運行時能耗分別比方案A低167kW和148 kW，運行調(diào)節(jié)方式更為靈活。

表3 2種漿液循環(huán)泵配置方案對比

脫硫系統(tǒng)吸收塔漿液pH值對吸收SO2的影響極為顯著，圖2為某電廠脫硫系統(tǒng)吸收塔漿液pH值對脫硫效率的影響.

圖2 吸收塔漿液pH值對脫硫效率的影響

由圖2可見，在一定范圍內(nèi)吸收塔漿液pH值和脫硫效率呈近線性關(guān)系。pH值越高總傳質(zhì)系數(shù)越大，因此有利于SO2的吸收;但pH值太高不利于CaSO3氧化，會影響石膏品質(zhì)。在實際運行時，漿液循環(huán)泵投運方式應和漿液pH值協(xié)調(diào)運行。

3.2使用脫硫增效劑

使用脫硫增效劑的作用是加速石灰石溶解、提高石灰石活性及強化液相傳質(zhì)效果，從而有效提高吸收漿液利用率和脫硫效率。在機組負荷和脫硫系統(tǒng)入口SO2質(zhì)量濃度一致的情況下，使用脫硫增效劑后，可停運1臺漿液循環(huán)泵，同時獲得更高的脫硫效率。對于600 MW機組，按1臺漿液循環(huán)泵軸功率為700900 kW計算，停運1臺漿液循環(huán)泵后吸收塔阻力降低約200~300 Pa，風機能耗下降200~300 kW，可降低廠用電率0.15%一0.20% 。

使用脫硫增效劑極大地提高了石灰石的消溶速度和活性，提升了石灰石的利用率，可有效降低石灰石消耗量。試驗表明，在脫硫裝置入口SO2質(zhì)量濃度超出設計值約30%情況下，石膏中的CaSO3·1 /2H2O含量也一直處于正常水平?？梢姡褂妹摿蛟鲂┛商岣呙摿蜓b置吸收系統(tǒng)氧化空氣利用率，進而提高脫硫裝置對燃煤含硫量及其入口SO2質(zhì)量濃度的適應范圍。

4結(jié)語

針對燃煤電廠脫硫系統(tǒng)超低排放改造項目的節(jié)能優(yōu)化，首先應合理確定設計邊界條件，根據(jù)實際燃煤及煤源選擇合適的設計煤質(zhì)硫分。其次，應優(yōu)化設計方案，選擇節(jié)能設備，設計方案應兼顧不同負荷工況下脫硫系統(tǒng)的靈活調(diào)節(jié)與節(jié)能運行。最后，應調(diào)整運行方式，優(yōu)化運行參數(shù)，并使用脫硫增效劑，在滿足環(huán)保達標排放的前提下降低單位減排能耗。