电机组湿法脱硫系统水耗建模与分析

电力18讯：    
0引言

　　我国的大气污染属于典型的燃煤型污染。大量煤炭的利用在满足人们能源要求的同时也向环境排放了大量的SO2、NOx、粉尘等污染物以及CO2等温室气体。其中SO2是对环境造成严重污染最为有害的物质之一，是导致酸雨的主要因素。作为我国燃煤大户的火电机组，其SO2排放量占工业总排放量的55%，是我国SO2排放的主要来源，因此火电机组SO2的控制排放越来越引起我国的重视。至2009年底，全国火电厂脱硫装机容量超过4.0亿KW，约占火电装机总容量的70%。目前，我国95%以上的火电机组脱硫方式均为石灰石/石膏湿法，其在有效控制火电机组SO2排放的同时也大幅增加了电厂水耗。如何在保证电站脱硫系统正常运行的同时有效降低其水耗，对于降低我国火电机组水耗、实现节能降耗而言意义重大。本文以我国火电机组石灰石/石膏湿法脱硫系统为研究对象，基于脱硫系统的水平衡关系，深入研究其水耗特点，建立脱硫系统水耗模型，分析影响脱硫水耗的主要因素，并对脱硫系统的节水优化提出建议。

1脱硫水平衡

　　火电机组石灰石/石膏湿法脱硫工艺的水系统包括工业水系统和工艺水系统。工业水取自机组补水，经过滤处理后注入工业水箱，主要用于冷却脱硫装置大型辅机装置，如湿式球磨机油冷却器用水、湿式球磨机轴承冷却用水、各转动机械的冷却及密封用水等。这部分水可以循环利用，不计入脱硫系统水耗。脱硫系统工艺水则一般取自循环水排水，其用于提供足够的水量以补充脱硫系统运行期间水的散失。

　　脱硫系统稳定运行时，以脱硫系统为控制体，进入系统的各补水点补水之和应与各耗水点水耗之和相等。总体来说，脱硫系统的补水点主要有除雾器冲洗水补水、石灰石浆液制备系统补水、真空皮带脱水机的滤液、滤饼冲洗水补水、GGH冲洗补水、氧化空气增湿降温补水和吸收塔管道等不定期冲洗补水;而脱硫系统水耗主要包括烟气带走的水蒸气、烟气携带液态水、石膏带走的水量和排放的废水。在火电机组脱硫系统的实际运行中以吸收塔水位为基准来调节补水适应耗水的变化，从而实现补水和耗水的平衡。因此耗水点的分析是分析脱硫系统水耗特性的根本和源头。通过对各耗水点水耗的分析和计算，本文建立脱硫系统水耗模型，找出影响脱硫水耗的主要因素，为脱硫系统的水耗预测与进一步节水优化研究提供理论基础。

2脱硫系统水耗模型的建立

2.1烟气带走的水蒸气

　　烟气带走的水蒸气是脱硫系统水耗的最主要方面。来自引风机出口未脱硫的原烟气，其温度一般为130℃~150℃且远未饱和。当烟气流经脱硫吸收塔时，与逆向的石灰石浆液发生传热传质作用，烟气温度迅速降低，同时吸收塔内水分大量蒸发，烟气中的水蒸气迅速达到饱和状态。吸收塔出口处烟气在，：p左右且其中的水蒸气已经达到饱和状态。如式(1)所示，烟气带走的水蒸气即为吸收塔出口净烟气(简称净烟气)携带水蒸气与吸收塔入口原烟气(简称原烟气)携带水蒸气量之差。其中，原烟气携带水蒸气量主要由煤种以及运行工况决定;而净烟气为饱和状态，其携带蒸汽量随烟气温度变化，净烟气温度越高，与之对应的饱和水蒸气分压越高，其携带水蒸气量则越大。

式中：m1 是烟气带走的水蒸气量，t/h;mout是净烟气携带水蒸气，t/h;min是原烟气携带水蒸气量，t/h;mout，dry是干态净烟气质量，t/KWh;dout是净烟气含湿量。Qwet，in是湿态原烟气流量，Nm3/h;Qdry，in是干态原烟气流量， Nm3/h;Mh2o是水蒸气的摩尔质量，g/mol。

2.2烟气携带液态水

　　脱硫后的净烟气在离开吸收塔时会携带一定量的液滴，从而带来脱硫系统的水耗。这部分水耗相对于吸收塔的蒸发水耗而言较小，取除雾器的最低保证值计算，一般烟气最大携带液态水量为75mg/m3，因此净烟气携带液态水量与烟气流量大小有关。

m2=75Qwet，outX10-9 (2)

式中：m2是烟气携带液态水量，t/h;

Qwet，out是湿态净烟气流量， Nm3/h;

2.3石膏带走的水量

　　来自吸收塔的石膏浆液用泵打入石膏脱水系统，经旋流脱水、脱水机脱水后石膏主要成分为

CaSO4H2O，纯度在90%~95%之间。不考虑石膏脱水过程中回收用于其他循环利用的水分，脱硫石膏带走的水主要包括石膏结晶水和石膏所含游离水。一方面脱硫石膏以结晶水的形式带走一部分水分，其大小主要由脱硫吸收塔的SO2脱除量决定，SO2脱除量越大，生成的脱硫石膏量越大，这部分水耗也越大。另一方面经过两级脱水后脱硫石膏含游离水含量约在10%左右，这部分水量也随着脱硫石膏产量的增加而增加。总体而言，石膏带走的水量也相对较小。

式中：m3是石膏带走的水分，t/h;m31是石膏含的结晶水，t/h;m32是石膏所含的游离水，t/hηso2是SO2脱除率;Cso2是原烟气中SO2的浓度，mg/Nm3;Mso2是SO2的摩尔质量，g/mol;Mcaso4h2o是CaSO4H2O的摩尔质量，g/mol;Wcaso4h2o是石膏的纯度;Wh2o是石膏的含水率。

2.4排放的废水

脱硫系统的废水主要来自石膏脱水系统的旋流器溢流液、真空皮带机的滤液或冲洗水废水。排放废水的目的主要是控制氯离子浓度在合格水平从而保证较高的石膏品质。这部分水耗也相对较小。根据氯离子的平衡关系，排放的废水量可由式(4)计算：

　　式中：m4是排放的废水量，t/h;Cp是工艺水中氯离子浓度，mg/L;Cm是吸收塔入口烟气中氯离子浓度，mg/m3;Cw是废水中氯离子浓度，mg/L;ph2o是水的密度，kg/m2。

　　基于以上针对火电机组脱硫系统各耗水点(主要包括烟气带走的水蒸气、烟气携带液态水、石膏带走的水量和排放的废水)的分析，火电机组脱硫系统总的水耗量即系统需补充的工艺水量，水耗模型可表示为

M=m1+m2+m3+m4 (5)

式中：m为脱硫系统水耗总量，t/h。

　　3典型火电机组脱硫系统的水耗分析以某典型火电机组脱硫系统为例，其采用湿法石灰石石膏脱硫工艺，系统配有烟气再热器(GGH)，每个吸收塔对应(套300MW机组。在设计煤种下，脱硫系统的干、湿态原烟气流量分别为23689Nm3/h和2145700Nm3/h(标态，6%O2)，原烟气SO2浓度6600mg/Nm3(标态，6%O2，干基)，原烟气氯浓度50 mg/Nm3，GGH前烟气温度116℃，脱硫率不小于96%。基于以上建立的水耗模型，可得到该火电机组脱硫水耗情况如表1所示：在燃用设计煤种、100%机组负荷时，该脱硫系统总水耗为100.3t/h，其中烟气带走水蒸气、烟气携带液态水、石膏带走的水量和排放的废水分别为83.89t/h、：0.186t/h、11.7t/h和4.53t/h。可见烟气带走水蒸气约为脱硫系统总水耗量的83.6%，是脱硫水耗的主要方面。而通过对脱硫各个水耗点的分析可知，影响脱硫水耗的因素有很多，主要包括机组燃煤品质、烟气流量和烟气温度等。

　　燃煤品质的不同影响着锅炉的烟气流量以及烟气组成，因此也会对脱硫系统的水耗产生影响。例如煤种收到基硫分影响原烟气SO2( 浓度，煤种收到基水分会影响原烟气携带水蒸气量。在燃用设计煤种时，案例机组脱硫系统水耗随烟气流量的变化如图2所示，随着机组由50%负荷到100%负荷，脱硫水耗由52t/h增加为100.3t/h，可以看出，随着机组负荷的增加，烟气流量增加，因此脱硫系统水耗也显著增加。

　　当机组工况和燃煤品质一定时，烟气流量属于不可调因素，因此烟气温度是影响水耗大小的主要因素。对于所选典型机组脱硫系统，在燃用设计煤种、100%机组负荷时，净烟气出吸收塔烟温(简称出塔烟温)与脱硫系统水耗的关系曲线如图3所示。可见脱硫水耗与出塔烟温大致呈线性关系。随着出塔烟温由49℃ 升至50℃，脱硫系统水耗增加14.2t/h。图4为案例机组原烟气进入吸收塔烟温(简称入塔烟温)与出塔烟温的关系，可以看出二者也大致呈线性关系，且出塔烟温随入塔烟温的变化方向与脱硫水耗随出塔烟温的变化方向一致，因此脱硫水耗随入塔烟温的升高也大致呈线性增长关系。

4节水优化措施

　　通过前一部分对水耗影响因素的分析，可知在吸收塔上游锅炉系统、燃煤品质有选择余地的情况下，选用相对较小烟气量的锅炉系统、低硫份的煤种对降低脱硫水耗有积极作用。在锅炉系统及燃煤一定的情况下，出塔烟温是用于控制水耗大小的主要因素。脱硫主反应温度一般在42~58℃之间，以49~50℃为最合适，因此在满足主反应温度要求、保证脱硫效果的前提下，通过降低入塔烟温，从而在一定范围内降低出塔烟温是有效的节水优化方法，据此提出以下几点节水优化措施：

　　1) 尽量将脱硫系统布置在烟道较下游的位置，使原烟气以相对较低的温度进入脱硫吸收塔。

　　2) 在脱硫系统中考虑配置烟气换热器(GGH)，利用原烟气的热量加热净烟气，一方面可使净烟气温度升高、减轻脱硫下游设备的腐蚀问题，同时可有效降低入塔烟温，降低脱硫水耗。

　　3) 对于未设置GGH的脱硫系统，宜采取其他降温措施以降低入塔烟温，如喷水降温等措施。

　　4) 烟气余热利用。采用相关措施将原烟气热量充分利用，如在尾部烟道中安装换热器充分利用烟气余热，可有效降低入塔烟温，进而减少水耗。

5结束语

　　本文以火电机组石灰石/石膏湿法脱硫系统为研究对象，基于脱硫系统的水平衡关系，深入分析了脱硫系统的水耗特性，研究结果表明：烟气携带水蒸气量是产生脱硫水耗的最主要方面;而入塔烟气温度对烟气携带水蒸气量有决定性影响、也是影响脱硫系统水耗的最主要因素;而通过控制原烟气进入脱硫吸收塔的烟气温度、进而降低烟气出塔温度的方法可以有效地降低脱硫系统水耗。