烟气脱硫工程设计及运行总结
摘 要 介绍了2×220 t／h锅炉烟气脱硫工程的设计及运行，阐述了热电厂的氨-肥法烟气脱硫工艺流程、主要设备配置、设计要求及运行状况。该项目自2010年4月投运以来的结果表明：装置基本达到了设计能力，节能、环保效果很好，脱硫效率≥95％。该装置的成功投运，为今后锅炉烟气脱硫采用国内先进技术提供了参考依据。
关键词 烟气脱硫 设计 运行 总结
Abstract A presentation is given of the design and operation of the fume desulfurization project for a 2×220 t／h boiler and also of the process flow，arrangement of main pieces of equipment，design requirement and operation of fume desulfurization for a heat and power plant by the ammonia—fertilizer process．The project has been in operation since April 2010，and the results show that the plant basically attains the designed capacity，with good energy—saving and environmental protection effect，the desulfurization efficiency being≥95％．The successful operation of the plant provides a reference basis for the adoption of advanced domestic technology in the desulfurization of boiler fume in future．
Keywords fume desulfurization design operation sum—up
中化平原化工有限公司热电厂2×220 t／h循环流化床锅炉(型号UG-220／9．8-M5，单台最大蒸发量为240 t／h，燃煤量为45 t／h，锅炉出口烟气温度135～140 ℃，引风机流量216 000 m’／h，全压5 kPa)脱硫工艺原采用石灰石炉内脱硫，随着环境保护要求的日益严格，烟气脱硫已势在必行。2009年4月，经充分酝酿和市场调研，对2×220 t／h循环流化床锅炉采用氨-肥法全部烟气脱硫工艺进行脱硫升级改造和资源综合利用，并同时对相应的辅助系统及公用工程系统进行改造，保证脱硫效率≥95％。项目于2009年7月开工，2010年4月15日投入运行，2011年3月通过了山东省环保局组织的正式验收。
1 主要设计条件和技术指标
主要设计条件和技术指标如表1所示。
表l 主要设计条件和技术指标
2 氨-肥法脱硫工艺流程
2.1 工艺流程
含硫烟气经锅炉引风机进入脱硫I塔进行洗涤浓缩，温度降至70～90℃进入脱硫Ⅱ塔进行氧化吸收；在吸收段，烟气与氨化吸收液充分接触反应，脱除绝大部分的sO：，最后经除雾器除雾后成为净化尾气，并通过脱硫Ⅱ塔顶部的湿烟囱排放。吸收剂氨水经氨水泵送入脱硫Ⅱ塔，吸收烟气中的S0，生成亚硫酸铵，并在塔底部氧化段被空压机鼓人的空气氧化成硫酸铵溶液；部分硫酸铵溶液溢流人循环槽，经二级循环泵打人脱硫I塔，利用较高的烟气温度对硫酸铵溶液进行洗涤浓缩，在将烟气冷却的同时自身水分得到蒸发，形成固含量5％～10％(质量分数，下同)的硫酸铵浆液由结晶泵送入旋流器进行初步固液分离，分离清液进入料液槽，底流(固含量20％～40％，)进入稠厚器继续沉降分离；稠厚器溢流清液进入料液槽，底流(固含量40％～60％)进入离心机；离心机分离出的清液进入料液槽，含水质量分数3％～5％的硫酸铵湿粉(滤渣)进人干燥机，干燥至含水质量分数<l％即可包装得到成品；料液槽内的清液经料液泵送回系统循环使用。水经工艺水泵进入吸收塔用于补充吸收、浓缩过程中的损耗，以维持系统水平衡。炉在最高负荷下运行，脱硫系统均能正常运行。
(7)烟道设计根据可能发生的最差运行条件(如温度、压力、流量、湿度等)进行设计，并符合《火力发电厂烟气煤粉管道设计技术规程》(DL／T 5121—2000)，烟道最小壁厚为5 mm，烟气流速选用10～15 m／s。
接触腐蚀介质的净烟气湿烟道旁路烟气烟道和局部原烟气烟道应进行防腐，材料(玻璃鳞片树脂、均聚聚丙烯内衬或相当材料)要满足耐磨、防腐蚀、耐高温等性能要求。烟道的走向能满足冷凝液的排放，不产生积水；烟道在低点位设排水设施并有防止积水的措施。膨胀节和挡板不布置在低位点。加强筋的布置也应防止积水。在必要的部位设置疏水点，排水返回至烟气脱硫(FGD)排水坑。排水设施按水流大小确定规格，采用防腐合金材料或者能满足环境要求的其他防腐材料[纤维增强复合塑料(FRP)]制作。采用双挡板气密隔离风门，在装置停运期间可避免上游腐蚀性气体对烟道的腐蚀；烟道顶部覆盖顶板，顶板应能支撑人的行走荷重和至少150 kg的局部荷重，顶板有2。左右的坡度，以便排水；顶板最低点与烟道间距至少为100 mm。
(8)FGD每个烟气挡板门部件按可能发生的最大设计正压或负压值进行设计，零部件材质应能承受烟气的最高温度和所有运行条件下周围介质的腐蚀。设计的烟气挡板门具有开／关功能，其电动执行器的速度应满足工艺装置和引风机的运行要求，开度信号与锅炉联锁。在每个挡板门及其驱动装置处设计安装平台，驱动装置能随挡板门的膨胀和收缩而移动，通过挡板门两边附近的烟道检查孔可进入烟道内部。
(9)膨胀节应根据系统内的最大和最小压力进行设计，其设计和选型应满足在所有运行以及事故条件下都能吸收全部连接设备和烟道的轴向和侧向位移。所有的膨胀节应均能承受烟气高温，不得造成设备损坏和产生泄漏，并且能承受可能发生的最大设计正压和负压再加上1 kPa余量的压力。
接触湿烟气、位于水平烟道段的膨胀节应设排水孔，排水配件采用FRP材料制作，排水返回至FGD的排水坑，以满足环保废水零排放的要求。烟道上的膨胀节设计采用螺栓法兰连接，确保其可以更换。所有膨胀节框架的螺孔间距应相等，并且不得超过100 mm。膨胀节框架设计时应以相同半径波节连续布置，不允许使用铸模节膨胀节；采用螺栓、螺母和垫圈把纤维紧固在框架上，不允许使用双头螺栓。框架的最小深度应为200mm，而且至少预留80 mm的余地，以便于拆卸更换膨胀节的螺栓、螺母和垫圈。在膨胀节每边提供不小于l m的净空间，包括平台扶梯和钢结构通道的距离。
(10)脱硫塔底面的设计应可以完全排放液体，脱硫系统中的氧化部分设置为塔内氧化。脱硫塔设计应能承受压力、管道推力和力矩、、风和地震荷载以及所有其他作用于脱硫塔上的荷载。脱硫塔的支撑和加强件必须能防止塔体倾斜和晃动。塔内喷淋管、除雾器支架等应有足够的强度和刚度。脱硫塔结构的应力根据相应的标准按最大运行荷载设计，包括压力、静压头、外部附加荷载(如管道作用力)、风荷载和地震荷载，设计计算值要求的厚度还应加上腐蚀余度。脱硫塔设置的喷淋层需装设足够的喷嘴(或雾化喷嘴)，且选用防堵塞喷嘴。脱硫塔内导流板和支撑不得积污物、污泥或产生结垢，并易于清洗所有表面，塔内液体和烟气分布应均匀。
①脱硫塔应设计有足够强度以及位置(便于进出塔和检修)、数量、大小合适的人孔门和观察孔，附近设有平台。人孔门尺寸一般为DN500～800 mm或满足检修时物料和备件的运输，采用易开关的形式并装有手柄，如有必要还可在内部设计爬梯。
②脱硫塔设计需考虑pH、浓度、温度、压差以及足够的液位、压力和温度等测量装置。
③脱硫塔设计需考虑氨水和排出硫酸铵浆液的流量测量装置。
④如果需要，脱硫塔可采用隔音、保温措施，并按国家和部门相关规定执行，而且与烟道的隔音、保温性能要求相同。
⑤喷淋管道和喷嘴以螺栓法兰连接、螺丝连接或粘接，但应具有耐温、耐磨、耐腐蚀等性能，且便于检查和维修。
⑥安装在脱硫塔顶部的除雾器的设计、安装和运行应保证可利用率高、除雾效果好。
⑦整个脱硫岛内设有1个事故浆液箱(池)，容积应能贮存脱硫塔浆液池、管道和脱硫塔的冲洗水。
(11)送至脱硫岛界区的氨水质量分数为10％～20％，，供应量需满足FCD所有可能的负荷范围。脱硫岛内的氨水储罐根据现行标准设计，满足2台锅炉脱硫所有负荷情况下的用量；设计具有适当装填系数，并且有防腐性能，底部应设安全阀。在氨水储罐区域设有紧急情况喷淋装置，储罐附近设置洗眼器。
(12)硫酸铵干燥系统应满足2台锅炉烟气量的脱硫副产物的干燥要求，并能满足节能、自动化程度高的要求。干燥系统内的所有设备、箱罐、管道、阀门、泵均应满足系统工艺要求且具有耐磨、耐腐蚀等性能。
(13)根据相应的标准、规范，湿烟囱的结构应力按最大运行荷载设计，包括压力、静压头、外部附加荷载、风荷载和地震荷载，设计计算值另需加上腐蚀余度。湿烟囱的支撑和加强件应能防止烟囱倾斜和晃动，并保证足够的强度、刚度和韧性，设计使用寿命不短于30年。
(14)烟气脱硫系统DCS的选型应与锅炉DCS一致，由DCS系统完成操作控制、运行参数控制、设备切换控制并且具备系统自诊断、报警保护等功能，操作人员可在脱硫装置集中控制室内通过LCD及键盘和鼠标对系统进行监视和控制操作。在进脱硫装置管道前设置1套SO2和烟尘在线连续监测系统(CEMS)，监测项目为SO2、氮氧化物、烟尘浓度、温度、压力和烟气流量；在脱硫系统烟囱设置1套SO2烟尘在线连续监测系统(CEMS)，监测项目为SO2、氮氧化物、烟尘浓度、温度、压力、烟气流量，统计日、月、季和年的总排放量，同时留有与环保部门的通讯接口。CEMS检测功能除满足脱硫系统运行监控需要外，还必须满足环保监控要求。采样点要预留手工检测孔，以满足性能测试要求。
(15)FGD装置的设备选型需考虑具有互换性，所有电气设备应选用技术成熟并且有运行经验的国内知名品牌产品，以保证装置安全、稳定运行。选用户内、户外防腐蚀型电机，电机外壳防护等级：室外，IP54或者更高；室内，IP44或者更高；接线盒至少为IP65。
5 主要改进措施
2×220 t／h锅炉烟气脱硫装置于2010年4月15日投入运行之后，逐渐暴露出因堵塞、腐蚀引起的运行周期较短等方面的问题。根据装置运行状况并结合外出考察，借鉴相关企业的运行经验，经不断改进，目前该装置运行基本正常，最长运行周期达到80 d。
(1)试运行中，发现脱硫I塔浓缩段漏液严重，在塔底聚集了大量料液，影响正常运行。现将预洗塔内升气孔和浓缩段底板去除，原结晶槽、循环槽退出工艺运行，其功能由预洗塔全部代替。
(2)结晶泵和料液泵的进、出口不锈钢管道和电动调节阀磨损严重，采用玻璃钢材质管道对进、出口不锈钢管道进行了更换，耐磨、耐腐蚀性能得到提高；将结晶泵和料液泵由电动调节阀调节改为变频操作，既可减少料液对管道的冲刷影响，又可降低电耗。
(3)喷淋管道塔内连接法兰经常损坏，支撑钢梁因受冲击而损坏严重。现将塔内法兰连接部分改为直管连接，并调整部分对钢梁冲击严重的喷头位置，延长喷淋主管和钢梁的使用周期。
(4)脱硫I塔存在积料问题和泵类设备、离心机设备腐蚀、磨损问题，解决方法如下。
①增设冲洗管道，包括烟道冲洗和脱硫I塔底部冲洗两部分。烟道冲洗管道是利用脱硫II塔循环料液密度较小的特点，从塔底部排污口引出管线至脱硫I塔烟气进口，利用液体自身压力，将液体从脱硫II塔转移至脱硫I塔，具有冲洗烟道和补液的双重作用。脱硫塔I塔底部冲洗是对1＃二级循环泵(正常运行时备用)出口进行改造，引出管道从两侧人孔门进入脱硫I塔，通过定期开启，利用脱硫I塔自身料液冲洗、搅动底部沉料，减缓塔底部沉料速率。2011年8月，根据实际需要，将冲洗泵原DNl00 mm管道更换为DNl25 mm，通过提高流量以进一步提高搅动效果。
②在塔外增设100 m3循环沉灰池，当塔内料液密度超过规定值或灰含量超标而影响正常出料时，利用循环沉灰池进行塔外循环、沉灰，饱和清液回用，同时离心机正常出料，可有效地将塔内料液密度控制在1．2～1．3 g／cm3，延缓塔内积料速率，减少料液对设备的腐蚀、冲刷，延长运行周期。从实际运行情况来看，效果较为明显，硫酸铵产品质量提高，离心机和二级循环泵已超过以往运行周期。
③调整部分工艺指标：尽量控制脱硫I塔低液位运行，使塔内有尽可能多的液体参与二级循环、后续硫酸铵循环，减缓底部料液沉积速率；将脱硫II塔吸收液pH由5～6提高至6～7，以减轻料液对设备的腐蚀，延长设备的使用周期。
④原使用的不锈钢材质的泵耐料液腐蚀、冲刷性能不佳，经常损坏。为此，将1＃一级循环泵、1＃二级循环泵、l＃结晶泵和l＃料液泵改用塑料泵，2＃结晶泵改用搪瓷泵，对延长泵类设备的运行周期、降低维修工作量有明显作用。
6 部分运行数据分析
6.1 消耗数据及运行成本分析
随机抽取2010年7月至9月运行数据，分析3个月的生产运行情况。以氨水(质量分数8％)172元／m3、电价0．35元／(kw·h)、工艺水2元／m3、蒸汽120元／t计。锅炉烟气脱硫装置消耗数据及运行成本分析如表3所示。
表3 锅炉烟气脱硫装置消耗数据及运行成本分析(以吨硫酸铵计)
通过表3的数据分析，对比硫酸铵的销售价格，项目的建设满足了国家环境保护的要求，实现了环境的友好。
6.2 环境监测数据
2010年11月24日至25日，山东省环境监测中心站对中化平原化工有限公司2×220 t／h锅炉烟气脱硫装置进行了现场监测，监测数据表明项目的运行基本达到了设计要求。
(1)在监测期间，锅炉的生产负荷为81．1％一92．8％，满足建设项目竣工环境保护验收监测要求。
(2)按GB 475—1996《商品煤样采取方法》在锅炉入口处取混合煤样，按GB／T 212 -2008《煤的工业分析方法》进行煤质分析，分析结果(质量分数)为：灰分26．90％，挥发分19．60％，水分6．96％，含硫量0．99％。监测期间，4＃和5＃锅炉用煤量为3 096 t，平均用煤量为65 t／h。
(3)烟气黑度监测结果为小于林格曼l级，除尘器进口、脱硫塔出口SO2排放监测结果如表4所示，脱硫塔出口NOx排放监测结果如表5所示。
表4除尘器进口、脱硫塔出口SO2排放监测结果
注：1)4＃锅炉折算后实测质量浓度为26 mg／m3，验收标准为400 mg/m3。
表5脱硫塔出口NOx排放监测结果
注：1)4＃和5＃锅炉折算后实测质量浓度为240 mg／m3，验收标准为650 mg/m3。
7 结 语
(1)目前，中化平原化工有限公司热电厂锅炉烟气脱硫装置运行正常，烟气污染物年排放量全部控制在总量控制指标范围内，为改善区域大气环境质量作出了积极的贡献，实现了较好的环境效益和社会效益。对于系统运行中存在的脱硫I塔烟气进塔烟道处易堵塞、底部氧化分布器空气量小而起不到流化作用、烟道闸板阀关闭不严、稠厚器内积料及腐蚀比较严重、离心机磨损严重等问题仍需进一步改进。
(2)锅炉烟气脱硫装置运行周期的长短取决于烟气中的尘含量及操作控制水准，其中烟气中的尘含量应控制在100 mg／m3(标态)以下。
(3)烟气中烟尘含量较高(≥400 mg／m3，标态)时，细灰不容易形成沉淀和被离心机分离，在系统内越积越多。细灰含量的增加，影响了硫酸铵结晶颗粒的长大，致使结晶颗粒细小，悬浮、混杂在溶液中，形不成沉淀，其结果是溶液密度不断增大、对设备冲刷加剧、运行周期缩短。
(4)锅炉烟气脱硫装置正常运行中，应视脱硫I塔溶液密度情况定期排放沉淀，然后再回收利用。脱硫I塔溶液密度应控制在1．25 g／cm3左右，氧化率在98％以上，pH在2．5～3．5，含灰质量分数控制在5％以下；脱硫II塔溶液密度控制在1．12 g／cm3以下，氧化率97％以上，pH在6．0左右。装置大修时，溶液应尽量排放彻底，待沉淀后再回收溶液。
(5)定期从系统内引出部分溶液，经静止沉淀后重新返回系统使用。
(6)每次大修期间，都要检查脱硫塔内部支架和内壁的磨损腐蚀情况，防止因防腐蚀层破损而出现重大安全问题。检查重点：脱硫II塔烟囱和塔体的锥型焊接部位，检查外观、定期测厚；脱硫I塔和脱硫II塔之间的联通管与两塔的焊接处，检查外观、测厚，是否存在破损、腐蚀，内部是否出现堵塞。