國內脫硫-煙塔合一亮化工程設計

0 引言
由于可節約基礎投資和運行成本, 利于煙氣抬升, 越來越多的電力公司開始關注脫硫后的煙氣經冷卻塔排放這項技術 (簡稱脫硫-煙塔合一亮化合一技術) 。這項技術在德國運用比較成熟, 德國的RWE、VEGA等電力公司均實施了脫硫-煙塔合一亮化合一工程, 國內某電廠也采用了這一技術, 由于脫硫系統的設計與常規差別不大, 因此, 僅對煙塔合一亮化的設計進行較詳細的介紹。
1 脫硫系統設計
脫硫系統設計時, 與常規的石灰石-石膏濕法脫硫系統相比, 區別不大, 均包括煙氣系統、二氧化硫吸收系統、石膏脫水系統、吸收劑制備與供應系統、工藝水系統、壓縮空氣系統等, 主要的區別主要在于沒有常規的脫硫后的凈煙氣再加熱裝置 (GGH) , 僅有進入吸收塔前的煙氣降溫裝置。
但由于不設旁路, 因此脫硫系統要具有很高的可靠性, 主要的設計特點如下:
1.1 系統具備備用功能和性能優良的設備
除石灰石卸料系統外, 幾乎所有的系統和設備均能做到一運一備, 如制漿系統、供漿系統、排水系統、石膏脫水系統、石膏卸料系統等。吸收塔的氧化風機、排漿泵、漿液循環泵、攪拌器等選擇性能優良的設備。
1.2 關鍵系統連接保安電源
在電源接線上, 要確保脫硫系統故障時不會引起煙氣溫度過高, 因此關鍵的設備連接保安電源。連接保安電源的設備包括DCS電源、吸收塔攪拌器電源、氧化風機電源、工藝水泵電源等。有些設備的電源接在不同的保安段上, 如工藝水泵 (即除霧器沖洗水泵) 的電源接在不同的保安段上, 保證除霧器可在任何情況下正常運行。
漿液循環泵盡管不連接保安電源上, 但仍分2段連接, 確保至少有1臺漿液循環泵運行, 從而保證煙氣溫度降低到設計值。
1.3 具備事故冷卻功能
為了防備煙氣溫度超過設計值影響到FRP煙道, 設計中包括多個噴頭的事故冷卻水系統, 冷卻水水源來自消防水, 如果消防水系統檢修, 還備用1路脫硫島補充水應急, 事故冷卻水的伴熱不采用常規伴熱帶伴熱, 而采用煙氣冷卻器的熱網水伴熱, 以防止伴熱帶故障失去伴熱作用。
1.4 良好的熱控連鎖和完整的保護
熱控連鎖、保護相當重要, 應考慮周全, 一旦漿液循環泵全部停運, 增壓風機必須跳閘, 在增壓風機跳閘后, 事故噴淋冷卻水系統可以不必啟動, 吸收塔出口凈煙氣溫度不會上升, 如果增壓風機不跳閘, 則事故噴淋冷卻水系統啟動。對吸收塔出口、FRP煙道內的煙氣溫度進行實時監測, 當煙氣溫度高于定值一時FGD報警, 高于定值二時FGD跳閘。
其他特點, 特別是運行特點尚在摸索中。
2 煙塔合一亮化的設計
2.1 煙塔合一亮化工況設計
煙塔合一亮化循環水量和水質的設計。
(1) 循環水水量。為了保證冷卻塔的抬升效果, 冷卻塔出口混合氣體的出口氣體垂直上升速度必須大于3 m/s, 這樣, 就要求進入冷卻塔的循環水達到一定水量和熱量, 一般來說, 每加熱50℃、106Nm3/h的脫硫后凈煙氣, 至少需要約60 MW的熱量, 最大甚至到200~250 MW。
對帶供熱機組的電廠, 冬季大量供熱導致循環水量大大下降, 夏季少量供熱又導致循環水量急劇增加, 因此全廠總的循環水量波動較大, 但一般冬季時, 混合氣與環境氣溫的溫差也很大, 因此其抬升并未因循環水量小受到明顯影響, 因此設計主要針對夏季的運行參數。
需要注意的是, 煙塔合一亮化的熱交換由于熱煙氣的進入變得更加明顯, 因此損失量可能比常規冷卻塔高些, 其補充水量略增加。
(2) 循環水水質。為了保證煙塔合一亮化填料的清潔, 煙塔合一亮化循環水的水質必須達到一定的要求, 特別是懸浮物的含量, 一般要求滿足普通循環水質量標準即可, 但由于脫硫凈煙氣帶入的石膏等影響, 因此煙塔合一亮化的懸浮物含量可能會增加, 需要加強運行監督和定期清理。表1是煙塔合一亮化設計、投運前和投運后的水質對比, 表中還未顯示出循環冷卻水濁度的明顯變化, 還需要進一步觀察, 但循環水的另一個重要指標-冷凝水p H值確實呈弱酸性。
2.2 煙塔合一亮化的設計
2.2.1 煙塔合一亮化的基本結構
煙塔合一亮化的基本結構見圖1, 包括煙塔合一亮化本體、煙道、塔芯填料等。脫硫后的煙氣通過玻璃鋼煙道 (FRP) 進入自然通風冷卻塔塔心垂直排放, 國外也有采用沿煙道向上布置的分配箱分段排放的方式。
表1 煙塔合一亮化的水質     下載原表
表1 煙塔合一亮化的水質
圖1 煙塔合一亮化的內部結構 (BACKLE)
圖1 煙塔合一亮化的內部結構 (BACKLE)   下載原圖
2.2.2 塔的尺寸
目前世界上采用煙塔合一亮化的底部直徑一般為70~110 m, 高度一般為100~200 m, 出口直徑一般為40~80 m。某煙塔合一亮化合一電廠煙塔合一亮化的高度為120 m, 底部直徑為70 m, 出口直徑為42 m。FGD出口二氧化硫排放濃度小于100 mg/Nm3, 實際運行一般小于50 mg/Nm3, 但國外一般為200~400 mg/Nm3。
2.2.3 煙塔合一亮化構件設計
煙塔合一亮化構件包括:塔殼、殼支柱、環基、樁基、進水管道、塔內豎井管道、布水槽、冷卻水池、冷卻水出口等。
(1) 煙塔合一亮化殼體采用典型的雙曲線結構, 煙塔合一亮化內外壁均有加厚層, 以提高煙塔合一亮化殼體的強度。煙塔合一亮化所用混凝土等級比較高。在煙塔合一亮化的殼體上, 設計有直徑比圓型FRP煙道孔大1.5~2.0 m的圓孔, 在FRP煙道安裝完畢后, 這個縫將被封閉。
(2) 地基處理和人字柱。煙塔合一亮化的人字柱可以為預制混凝土, 也可以現澆, 采用負荷地基處理技術, 地基的處理采用粉煤灰灌注樁形式。與常規冷卻塔相比, 人字柱直徑比較大, 但數量少, 柱子為加強型混凝土, 其中1對人字柱之間的夾角稍大, 主要目的是運輸FRP煙道用通道。
圖2 旁路系統運行時
圖2 旁路系統運行時   下載原圖
(3) 煙塔合一亮化上水管和配水系統。去中央豎井的循環水管道仍然布置在水池底上面, 整個循環管道除接口部分采用碳鋼管道連接外, 其他管道采用PCCP管。煙塔合一亮化進中央豎井的上水管采用混凝土澆注而成。煙塔合一亮化熱水進水方溝設計流速比國內的設計流速高約20%。進水槽將冷卻水送入主豎井管道和槽管式布水系統。布水管道由支撐架構、橫梁支撐。
煙塔合一亮化的配水采用槽管式相結合的方式, 即從中央豎井來的熱水通過4路配水槽分布, 配水槽內的水再通過PP管分配, 最后再通過PP管上的噴頭噴出。如果關閉各配水槽的閥門, 熱水則從中央豎井旁的旁路自流到水池中。
(4) 冬季運行系統包括分區運行、化冰管開啟運行和旁路運行等。煙塔合一亮化有6個分區, 分區及化冰管的閥門采用不銹鋼手動閘閥, 布置在塔內中央豎井里。當氣溫低于5~8℃時, 進入冬季運行狀態, 此時要打開化冰管, 化冰管開啟后, 循環水溫差可比不投前降低5℃, 煙塔合一亮化周圍的結冰也基本消除。
煙塔合一亮化化冰管從中央豎井通過配水槽端部引到塔周圍, 而不是環冷卻塔池布置水管再垂直上水給化冰管, 化冰管采用玻璃鋼 (FRP) 管道或者PP管。
隨著氣溫的降低, 逐步關閉冷卻塔中央的分區, 以滿足冷卻塔出口循環水溫維持在13~14℃左右, 隨著氣溫降低, 冷卻塔出口循環水溫繼續降低, 這時再逐漸關閉其他區域, 當淋水面積小于整個煙塔合一亮化的50%時, 設計有旁路系統, 當手動閥門關閉時, 循環水直接通過豎井旁路向下流到水池中。
操作分區即可自動, 也可手動操作。自動運行時, 由安放在填料下的測量槽內的PT-100鉑電阻溫度測量儀測量循環水溫度, 根據PT100測得的溫度平均值以及當地的氣象站測得的環境溫度來進行控制。
(5) 其他事項。德國設計的冷卻塔池底有一個斜坡通向塔外溝道, 在清淤時用水將淤泥沖至溝道, 再用吸泥泵抽走, 但有的只設計有1個清淤用的坡道。
為了減小大風情況下冷卻水霧穿過冷卻塔淋水區, 通過進風口飄逸而影響周圍設備的運行, 造成濕滑、結冰, 在填料與水池水面間有4面擋風墻, 防止風對流, 擋風墻是格柵式的, 水泥澆注, 這樣可以減小風對墻的沖擊。
防雷系統的設計按照中國的標準GB50057-94《建筑物防雷設計規范》的要求進行設計, 在塔外與全廠防雷接地網連通。
走道、欄桿均用防酸腐蝕的不銹鋼或FRP做成, 較少用碳鋼。
FRP煙道的基礎是混凝土澆注而成, 預埋不銹鋼板, FRP導向支撐用耐腐蝕不銹鋼做成。
2.2.4 塔芯設備
與國內普通自然通風冷卻塔設計不同, 煙塔合一亮化的塔芯填料直接鋪設在最下層淋水構件上, 而不是在淋水構件再設支架進行鋪設。配水管也是鋪設在中層淋水構件上, 而不是吊在淋水構件上。收水器是鋪設在上層淋水構件上, 而不是鋪設在配水管上。噴頭的方向向上。
塔芯設備包括中央豎井、主水槽、支管、噴頭、填料、收水器、分區閥門、化冰管等, 現成的塔芯設備均在國內采購。
中央豎井設計比較復雜 (圖3) , 由于有FRP煙道支座, 煙道采用高位進入, 因此中央豎井比較高, 比普通塔高約10 m, 包括旁路水槽出水層 (第1層) 、填料層 (第2層) 閥門操作平臺 (第3層) 和煙道導向支座平臺 (第4層) 。
圖3 中央豎井
圖3 中央豎井   下載原圖
圖4 煙塔合一亮化內的FRP煙道
圖4 煙塔合一亮化內的FRP煙道   下載原圖
圖5 FRP煙道固定支撐 (塔外)
圖5 FRP煙道固定支撐 (塔外)   下載原圖
圖6 煙塔合一亮化與普通自然通風冷卻塔抬升的比較 (左為104.5m高的普通塔, 右為120m高的煙塔合一亮化, 中間為240m高的煙囪)
圖6 煙塔合一亮化與普通自然通風冷卻塔抬升的比較 (左為104.5m高的普通塔, 右為120m高的煙塔合一亮化, 中間為240m高的煙囪)   下載原圖
淋水填料采用薄膜式, 為了保證淋水填料層分區效果, 采用擋風板進行隔絕。
收水系統位于布水系統的上部, 直接放在橫梁上, 而不是放在配水支管上, 因此在煙塔合一亮化的淋水層, 看不到淋水構件, 也便于檢修更換。收水器由普通波形板組成。
煙塔合一亮化設計淋水密度比普通塔高, 最高時可到50%, 因此非常利于煙氣抬升。
2.2.5 煙塔合一亮化的防腐設計
為了防止低p H酸性冷凝液腐蝕煙塔合一亮化, 德國專門為煙塔合一亮化設計了防腐, 煙塔合一亮化的防腐有2種方式, 一種是采用耐酸水泥, 一種是噴涂防腐涂料, 噴涂防腐涂料工藝應用較廣泛。
2.2.6 煙道
在設計主煙道前, 必須確認FGD出口煙氣成分 (三氧化硫、氟化氫、氯化氫等) 、溫度、壓力、流量, 然后通過計算得出玻璃鋼煙道中排出氣體的成分, 因為這影響到耐腐蝕樹脂的用量與厚度。
FRP煙道的所有樹脂均用DOW樹脂, 因此具有良好的耐腐蝕作用。煙塔合一亮化內煙道的支撐由混凝土基礎加FRP支撐組成, 煙塔合一亮化外的煙道安裝不銹鋼支撐。無論在煙塔合一亮化附近是否安裝支撐, FRP煙道與煙塔合一亮化塔壁均不直接接觸, 中間留有非金屬材料密封的縫隙。
3 結語
經過2個多月的運行表明, 煙塔合一亮化熱交換良好, 最大運行流量可比設計大20%左右, 混合氣的抬升比較理想, 最高可超過3根240 m煙囪的高度 (圖6) 。但是, 煙塔合一亮化對循環水水質的影響以及煙塔合一亮化對環境的影響, 還需要進一步進行實際監測才能最終得出結論。