燃煤機組脫硫廢水旁路煙道蒸發(fā)系統(tǒng)設(shè)計
摘要：燃煤電廠脫硫廢水處理采用旁路煙道蒸發(fā)處理工藝具有投資運行成本低、系統(tǒng)簡單等優(yōu)點，系統(tǒng)的運行效果和運行穩(wěn)定性受機組負荷、煙氣溫度、煙氣流場等多個因素的影響。根據(jù)某300MW燃煤機組煙氣參數(shù)和脫硫廢水水質(zhì)水量波動情況，對旁路煙道蒸發(fā)系統(tǒng)進行了優(yōu)化設(shè)計。脫硫廢水旁路煙道蒸發(fā)系統(tǒng)運行參數(shù)顯示：系統(tǒng)運行穩(wěn)定，達到了設(shè)計要求；蒸發(fā)水量為5m3/h的工況下，脫硫廢水蒸發(fā)后粉煤灰氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)在0.25%以內(nèi)，不影響粉煤灰的綜合利用，鍋爐效率下降約0.43百分點。為了盡可能降低對鍋爐效率的影響，可對脫硫廢水進行濃縮減量處理。
0 引言
隨著國家和地方環(huán)境保護政策的日益嚴(yán)格，回用乃至“零排放”處理成為近年來火電廠環(huán)保工作的重點。石灰石-石膏濕法脫硫工藝目前在燃煤電廠煙氣脫硫中應(yīng)用廣泛，產(chǎn)生的脫硫廢水由于水質(zhì)復(fù)雜、處理難度大，成為全廠廢水“零排放”處理的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。近年來，多效蒸發(fā)結(jié)晶工藝、機械蒸汽再壓縮蒸發(fā)結(jié)晶工藝、主煙道霧化蒸發(fā)工藝以及旁路煙道蒸發(fā)工藝等多種脫硫廢水“零排放”處理工藝相繼出現(xiàn)并進行了示范應(yīng)用，為脫硫廢水的有效處理提供了技術(shù)支撐，收到了較好的效果。其中，旁路煙道蒸發(fā)工藝由于系統(tǒng)簡單、投資成本低、對主煙道系統(tǒng)影響小等優(yōu)點受到了大量關(guān)注，也在多家電廠得到了應(yīng)用。但脫硫廢水旁路煙道蒸發(fā)處理工藝尚處于起步階段，系統(tǒng)運行穩(wěn)定性受煙氣、水質(zhì)、水量等多個因素的影響，系統(tǒng)設(shè)計的合理性直接影響系統(tǒng)運行的效果和穩(wěn)定性。
脫硫廢水旁路煙道蒸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化可采取數(shù)學(xué)建模計算、流場模擬計算等方法，在此基礎(chǔ)上，結(jié)合實驗室的小試及中試試驗進一步驗證計算結(jié)果，對設(shè)計參數(shù)通過數(shù)學(xué)計算-實驗室試驗之間的迭代進行優(yōu)化。通過建模理論計算和Fluent軟件模擬，研究廢水霧化粒徑、煙氣入口溫度對脫硫廢水蒸發(fā)的影響。研究結(jié)果表明：隨著液滴粒徑的增加，蒸發(fā)時間先緩慢增加，到達80μm后蒸發(fā)時間增加明顯；提高煙氣入口溫度，液滴蒸發(fā)時間變短，基本成線性關(guān)系。根據(jù)旁路煙道蒸發(fā)處理系統(tǒng)引接的空氣預(yù)熱器（以下簡稱空預(yù)器）入口前煙氣溫度和蒸發(fā)廢水量等數(shù)據(jù)，可以對引接的高溫?zé)煔饬窟M行調(diào)節(jié)。此外，由于高溫條件有利于廢水液滴的蒸發(fā)，因此可根據(jù)引接煙氣的溫度調(diào)節(jié)廢水的霧化粒徑，控制廢水液滴的蒸發(fā)時間，從而優(yōu)化旁路煙道蒸發(fā)塔的設(shè)計尺寸，確保旁路煙道蒸發(fā)系統(tǒng)運行中不會出現(xiàn)廢水液滴粘壁的情況。
另外，脫硫廢水旁路煙道蒸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計還需要考慮系統(tǒng)運行對后續(xù)除塵系統(tǒng)運行及粉煤灰品質(zhì)的影響，確保廢水蒸發(fā)處理系統(tǒng)運行不會影響除塵系統(tǒng)穩(wěn)定運行，不會對粉煤灰品質(zhì)造成顯著影響。有研究表明，為保證脫硫廢水能被及時蒸發(fā)并維持旁路煙道蒸發(fā)系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，空預(yù)器入口前煙氣溫度需控制在200℃以上。廢水蒸發(fā)系統(tǒng)的運行會導(dǎo)致一、二次風(fēng)溫度降低，一級省煤器出口給水溫度也會有所降低，由此導(dǎo)致鍋爐煤耗有所增加，因此，需要控制進入旁路煙道蒸發(fā)處理系統(tǒng)的廢水量。同時，通過控制蒸發(fā)的脫硫廢水水量，可以確保粉煤灰品質(zhì)滿足綜合利用的要求。目前的研究大多側(cè)重于旁路煙道蒸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計和模擬計算，對系統(tǒng)配置、系統(tǒng)運行結(jié)果的論述相對較少，對系統(tǒng)的整體設(shè)計也相對較少。本文以某300MW燃煤機組脫硫廢水旁路煙道蒸發(fā)系統(tǒng)為例，根據(jù)機組運行的煙氣參數(shù)和脫硫廢水水質(zhì)、水量參數(shù)設(shè)計旁路煙道蒸發(fā)干燥系統(tǒng)，為脫硫廢水旁路煙道蒸發(fā)系統(tǒng)的設(shè)計以及應(yīng)用提供參考。
1 脫硫廢水水質(zhì)、水量情況
脫硫廢水水量的確定與燃煤煤質(zhì)、工藝水水質(zhì)、煙氣溫度以及脫硫系統(tǒng)運行等多個因素有關(guān)。根據(jù)現(xiàn)場試驗，在燃煤煤質(zhì)穩(wěn)定、脫硫工藝水水質(zhì)穩(wěn)定（氯離子質(zhì)量濃度為200mg/L左右）、脫硫塔內(nèi)漿液中氯離子質(zhì)量濃度控制在12000mg/L左右且脫硫系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定運行的工況下，脫硫廢水水量約為10m3/h。脫硫廢水經(jīng)三聯(lián)箱系統(tǒng)處理后的出水水質(zhì)情況見表1。
水質(zhì)分析結(jié)果顯示，經(jīng)過三聯(lián)箱處理后，脫硫廢水中的重金屬離子基本被去除，固體懸浮物質(zhì)量濃度顯著降低，但依然含有高質(zhì)量濃度的溶解性鹽和鈣鎂離子，氯離子質(zhì)量濃度約為9860mg/L，水質(zhì)較為復(fù)雜。
2 機組煙氣情況
旁路煙道蒸發(fā)系統(tǒng)運行所用的煙氣取自空預(yù)器入口前煙道，滿負荷工況下空預(yù)器入口前煙氣參數(shù)見表2。
3 工藝系統(tǒng)設(shè)計說明
3.1 工藝系統(tǒng)流程及系統(tǒng)設(shè)計說明
噴霧干燥廢水處理工藝系統(tǒng)主要包括廢水給料系統(tǒng)、煙氣系統(tǒng)、噴霧干燥塔系統(tǒng)和除灰系統(tǒng)，工藝流程如圖1所示。
3.1.1 廢水給料系統(tǒng)
脫硫系統(tǒng)產(chǎn)生的廢水經(jīng)現(xiàn)有的三聯(lián)箱石灰漿液調(diào)質(zhì)后進入清水箱儲存，清水箱內(nèi)的廢水由廢水輸送泵輸送至噴霧干燥塔的緩沖箱中，再經(jīng)廢水提升泵送入干燥塔的高位給料箱中，自流進入噴霧塔。廢水給料系統(tǒng)主要包括箱罐及相應(yīng)的泵等，部分設(shè)備可以利舊。脫硫廢水三聯(lián)箱處理系統(tǒng)的三聯(lián)箱可以用作廢水調(diào)質(zhì)反應(yīng)箱，清水箱可以用于儲存調(diào)質(zhì)后的廢水。
3.1.2 煙氣系統(tǒng)
煙氣系統(tǒng)主要包括煙氣擋板、膨脹節(jié)和煙道等。
?。?）煙氣擋板。煙氣擋板包括入口擋板和出口擋板，入口擋板設(shè)置在空預(yù)器前主煙道引出管道上，出口擋板設(shè)置在噴霧干燥塔下部的出口煙道上。煙氣擋板均采用單軸雙擋板結(jié)構(gòu)，執(zhí)行機構(gòu)為電驅(qū)動，其中入口擋板采用調(diào)節(jié)型，出口擋板采用開關(guān)型。每套干燥系統(tǒng)包括2個入口電動調(diào)節(jié)擋板、2個入口手動擋板及1個出口電動開關(guān)擋板。擋板的密封風(fēng)采用鍋爐送風(fēng)機輸送的空氣。
?。?）煙道。旁路煙道蒸發(fā)系統(tǒng)的煙道主要為噴霧干燥塔與空預(yù)器主煙道和除塵器前主煙道連接的煙道，煙道根據(jù)可能發(fā)生的最差運行條件（例如：煙氣溫度、壓力、流量以及脫硫廢水的水質(zhì)、水量等）進行設(shè)計，并滿足煙道自重荷載、風(fēng)雪荷載、地震荷載、灰塵積累、內(nèi)襯和保溫材料質(zhì)量等相關(guān)設(shè)計要求。噴霧干燥塔出口凈煙道最小壁厚按不低于6mm設(shè)計，煙道內(nèi)煙氣流速按不超過15m/s設(shè)計，煙道承壓按照±5000Pa設(shè)計。煙道采用具有氣密性的雙面焊接結(jié)構(gòu)，所有非法蘭連接的接口都進行連續(xù)焊接。煙道外部設(shè)置充分的加固和支撐以防止振動，同時要保證在各種煙氣溫度和壓力下能夠穩(wěn)定運行。煙道設(shè)計時應(yīng)盡量減小煙道系統(tǒng)的壓降，其布置方式、形狀和內(nèi)部部件（如導(dǎo)流板和轉(zhuǎn)彎處導(dǎo)向板）等均應(yīng)進行優(yōu)化設(shè)計。
3.1.3 噴霧干燥塔系統(tǒng)
噴霧干燥塔系統(tǒng)是旁路煙道蒸發(fā)系統(tǒng)的核心裝置，主要包括噴霧干燥塔、旋轉(zhuǎn)霧化器、氣體分布器等。
（1）噴霧干燥塔。噴霧干燥塔采用Q345鋼，塔體尺寸根據(jù)廢水處理量、煙氣溫度等進行設(shè)計。以最大廢水處理量為6m3/h、進出口煙氣溫度分別為360℃和120℃進行計算。此外，為了避免極端工況下廢水沒有及時蒸發(fā)而接觸干燥塔內(nèi)壁，干燥塔直徑設(shè)計時考慮一定的余量。經(jīng)過計算，該項目蒸發(fā)干燥塔的內(nèi)徑設(shè)計為9.0m，筒體高度為17.0m，總高約38.0m（包括頂部檢修房及下部過車通道），塔頂設(shè)置檢修房，并設(shè)置檢修起吊裝置。
?。?）旋轉(zhuǎn)霧化器。旋轉(zhuǎn)霧化器是整個旁路煙道蒸發(fā)工藝最核心的設(shè)備，其工作原理是將調(diào)質(zhì)后的脫硫廢水泵送至高速旋轉(zhuǎn)的霧化盤，在離心力的作用下，廢水伸展為薄膜或被拉成細絲（取決于轉(zhuǎn)速和漿液量），在霧化盤邊緣破裂分散為液滴。液滴直徑的大小取決于旋轉(zhuǎn)速度和廢水量，旋轉(zhuǎn)速度越大液滴直徑越小，廢水量越小霧化后的液滴直徑越小。連續(xù)穩(wěn)定的噴霧性能是干燥過程能保持穩(wěn)定的基礎(chǔ)，該霧化器能保證液體流量變化不大的情況下霧滴的粒徑分布不發(fā)生顯著改變，使?jié){液霧滴在接近飽和溫度時瞬間干化，不會有水分凝結(jié)在干燥塔壁上，這一點對于一個單旋轉(zhuǎn)霧化器來說是至關(guān)重要的。旋轉(zhuǎn)霧化器由一臺功率高達45kW的電機提供動力，考慮到脫硫廢水具有腐蝕性，霧化器的過流部件采用哈氏合金材質(zhì)。旋轉(zhuǎn)霧化器的轉(zhuǎn)速可以通過變速箱控制在10000～14000r/min，根據(jù)處理水量和煙氣溫度、煙氣量等參數(shù)可以調(diào)整霧化器轉(zhuǎn)速，確保廢水液滴能被及時蒸發(fā)。
?。?）氣體分布器。在脫硫廢水旁路煙道蒸發(fā)工藝中，霧化液滴與煙氣的充分混合有利于氣液間的傳熱和廢水液滴的蒸發(fā)，從而提高系統(tǒng)運行的安全性、穩(wěn)定性。氣體分布器的作用是均勻煙氣流場分布，促進噴霧干燥塔內(nèi)霧化液滴與高溫?zé)煔庵g的有效混合，促進廢水液滴及時蒸發(fā)，提高系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性。氣體分布器布置在噴霧干燥塔上部煙氣入口處，不與廢水接觸，采用304不銹鋼。
3.1.4 其他輔助系統(tǒng)
其他輔助系統(tǒng)包括壓縮空氣系統(tǒng)、循環(huán)冷卻水及清洗水系統(tǒng)。壓縮空氣主要用于將蒸發(fā)干燥塔底部的灰渣氣力輸送至灰?guī)旌托D(zhuǎn)霧化器泄壓。旋轉(zhuǎn)霧化器運行時轉(zhuǎn)速達10000r/min以上，高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生大量的熱，使得旋轉(zhuǎn)霧化器處于高溫狀態(tài)，不僅影響霧化裝置的運行效果，而且會縮短其使用壽命。因此，需要接一路循環(huán)冷卻水用于冷卻高速運行中的旋轉(zhuǎn)霧化器。設(shè)置清洗水系統(tǒng)的主要作用為：
（1）噴霧干燥塔系統(tǒng)啟動和停運前，先通入清洗水對旋轉(zhuǎn)霧化裝置進行沖洗；
?。?）清洗脫硫廢水管道及泵等，避免脫硫廢水對設(shè)備造成腐蝕。
3.2 旁路煙道蒸發(fā)處理系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)
旁路煙道蒸發(fā)系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)見表3，噴霧干燥塔主要設(shè)備技術(shù)參數(shù)見表4。
3.3 系統(tǒng)運行情況分析
對旁路煙道蒸發(fā)系統(tǒng)的運行進行測試，滿負荷工況下，蒸發(fā)脫硫廢水水量為5m3/h和6m3/h時，粉煤灰中氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.250%和0.300%。GB/T50146—2014《粉煤灰混凝土應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，粉煤灰用于摻配制預(yù)應(yīng)力混凝土?xí)r的最大摻配比例為15%；GB50164—2011《混凝土質(zhì)量控制標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，對于預(yù)應(yīng)力混凝土，混凝土拌合物中水溶性氯離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大為0.060%（最嚴(yán)格要求）。因此，在旁路煙道蒸發(fā)系統(tǒng)最大設(shè)計蒸發(fā)水量工況下（蒸發(fā)水量為6.0m3/h），粉煤灰摻配制預(yù)應(yīng)力混凝土的摻配比例為15%時，預(yù)應(yīng)力混凝土拌合物中水溶性氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.045%，滿足氯離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.060%的要求，不影響粉煤灰的綜合利用。滿負荷工況下，蒸發(fā)脫硫廢水水量為5m3/h和6m3/h工況下，鍋爐效率分別下降約0.43百分點和0.54百分點，對鍋爐煤耗的影響分別為1.33，1.67g/（kW·h）（以煤耗為310g/（kW·h）計算）。因此，對于旁路煙道蒸發(fā)系統(tǒng)，蒸發(fā)處理水量對鍋爐負荷和機組運行煤耗有一定的影響。為了盡可能降低對鍋爐效率及發(fā)電煤耗的影響，脫硫廢水水量較大時可進行濃縮減量處理，降低通過旁路煙道蒸發(fā)系統(tǒng)處理的水量。
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