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某300MW燃煤機組脫硫廢水旁路煙道蒸發系統設計
時間:2020-05-13 08:31:33

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摘要:燃煤電廠脫硫廢水處理采用旁路煙道蒸發處理工藝具有投資運行成本低、系統簡單等優點,系統的運行效果和運行穩定性受機組負荷、煙氣溫度、煙氣流場等多個因素的影響。根據某300MW燃煤機組煙氣參數和脫硫廢水水質水量波動情況,對旁路煙道蒸發系統進行了優化設計。脫硫廢水旁路煙道蒸發系統運行參數顯示:系統運行穩定,達到了設計要求;蒸發水量為5m3/h的工況下,脫硫廢水蒸發后粉煤灰氯離子質量分數在0.25%以內,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。

關鍵詞:脫硫廢水;旁路煙道蒸發;300MW燃煤機組;煙氣溫度;水質;水量;粉煤灰;零排放

0 引言

隨著國家和地方環境保護政策的日益嚴格,火電廠廢水的處理回用乃至“零排放”處理成為近年來火電廠環保工作的重點。石灰石-石膏濕法脫硫工藝目前在燃煤電廠煙氣脫硫中應用廣泛,產生的脫硫廢水由于水質復雜、處理難度大,成為全廠廢水“零排放”處理的關鍵環節。近年來,多效蒸發結晶工藝、機械蒸汽再壓縮蒸發結晶工藝、主煙道霧化蒸發工藝以及旁路煙道蒸發工藝等多種脫硫廢水“零排放”處理工藝相繼出現并進行了示范應用,為脫硫廢水的有效處理提供了技術支撐,收到了較好的效果。其中,旁路煙道蒸發工藝由于系統簡單、投資成本低、對主煙道系統影響小等優點受到了大量關注,也在多家電廠得到了應用。但脫硫廢水旁路煙道蒸發處理工藝尚處于起步階段,系統運行穩定性受煙氣、水質、水量等多個因素的影響,系統設計的合理性直接影響系統運行的效果和穩定性。

脫硫廢水旁路煙道蒸發系統的設計優化可采取數學建模計算、流場模擬計算等方法,在此基礎上,結合實驗室的小試及中試試驗進一步驗證計算結果,對設計參數通過數學計算-實驗室試驗之間的迭代進行優化。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的影響。研究結果表明:隨著液滴粒徑的增加,蒸發時間先緩慢增加,到達80μm后蒸發時間增加明顯;提高煙氣入口溫度,液滴蒸發時間變短,基本成線性關系。根據旁路煙道蒸發處理系統引接的空氣預熱器(以下簡稱空預器)入口前煙氣溫度和蒸發廢水量等數據,可以對引接的高溫煙氣量進行調節。此外,由于高溫條件有利于廢水液滴的蒸發,因此可根據引接煙氣的溫度調節廢水的霧化粒徑,控制廢水液滴的蒸發時間,從而優化旁路煙道蒸發塔的設計尺寸,確保旁路煙道蒸發系統運行中不會出現廢水液滴粘壁的情況。

另外,脫硫廢水旁路煙道蒸發系統的設計還需要考慮系統運行對后續除塵系統運行及粉煤灰品質的影響,確保廢水蒸發處理系統運行不會影響除塵系統穩定運行,不會對粉煤灰品質造成顯著影響。有研究表明,為保證脫硫廢水能被及時蒸發并維持旁路煙道蒸發系統的穩定運行,空預器入口前煙氣溫度需控制在200℃以上。廢水蒸發系統的運行會導致一、二次風溫度降低,一級省煤器出口給水溫度也會有所降低,由此導致鍋爐煤耗有所增加,因此,需要控制進入旁路煙道蒸發處理系統的廢水量。同時,通過控制蒸發的脫硫廢水水量,可以確保粉煤灰品質滿足綜合利用的要求。目前的研究大多側重于旁路煙道蒸發系統的設計和模擬計算,對系統配置、系統運行結果的論述相對較少,對系統的整體設計也相對較少。

本文以某300MW燃煤機組脫硫廢水旁路煙道蒸發系統為例,根據機組運行的煙氣參數和脫硫廢水水質、水量參數設計旁路煙道蒸發干燥系統,為脫硫廢水旁路煙道蒸發系統的設計以及應用提供參考。

1 脫硫廢水水質、水量情況

脫硫廢水水量的確定與燃煤煤質、工藝水水質、煙氣溫度以及脫硫系統運行等多個因素有關。根據現場試驗,在燃煤煤質穩定、脫硫工藝水水質穩定(氯離子質量濃度為200mg/L左右)、脫硫塔內漿液中氯離子質量濃度控制在12000mg/L左右且脫硫系統能夠正常穩定運行的工況下,脫硫廢水水量約為10m3/h。脫硫廢水經三聯箱系統處理后的出水水質情況見表1。

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水質分析結果顯示,經過三聯箱處理后,脫硫廢水中的重金屬離子基本被去除,固體懸浮物質量濃度顯著降低,但依然含有高質量濃度的溶解性鹽和鈣鎂離子,氯離子質量濃度約為9860mg/L,水質較為復雜。

2 機組煙氣情況

旁路煙道蒸發系統運行所用的煙氣取自空預器入口前煙道,滿負荷工況下空預器入口前煙氣參數見表2。

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3 工藝系統設計說明

3.1 工藝系統流程及系統設計說明

噴霧干燥廢水處理工藝系統主要包括廢水給料系統、煙氣系統、噴霧干燥塔系統和除灰系統,工藝流程如圖1所示。

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3.1.1 廢水給料系統

脫硫系統產生的廢水經現有的三聯箱石灰漿液調質后進入清水箱儲存,清水箱內的廢水由廢水輸送泵輸送至噴霧干燥塔的緩沖箱中,再經廢水提升泵送入干燥塔的高位給料箱中,自流進入噴霧塔。廢水給料系統主要包括箱罐及相應的泵等,部分設備可以利舊。脫硫廢水三聯箱處理系統的三聯箱可以用作廢水調質反應箱,清水箱可以用于儲存調質后的廢水。

3.1.2 煙氣系統

煙氣系統主要包括煙氣擋板、膨脹節和煙道等。

(1)煙氣擋板。煙氣擋板包括入口擋板和出口擋板,入口擋板設置在空預器前主煙道引出管道上,出口擋板設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構,執行機構為電驅動,其中入口擋板采用調節型,出口擋板采用開關型。每套干燥系統包括2個入口電動調節擋板、2個入口手動擋板及1個出口電動開關擋板。擋板的密封風采用鍋爐送風機輸送的空氣。

(2)煙道。旁路煙道蒸發系統的煙道主要為噴霧干燥塔與空預器主煙道和除塵器前主煙道連接的煙道,煙道根據可能發生的最差運行條件(例如:煙氣溫度、壓力、流量以及脫硫廢水的水質、水量等)進行設計,并滿足煙道自重荷載、風雪荷載、地震荷載、灰塵積累、內襯和保溫材料質量等相關設計要求。噴霧干燥塔出口凈煙道最小壁厚按不低于6mm設計,煙道內煙氣流速按不超過15m/s設計,煙道承壓按照±5000Pa設計。煙道采用具有氣密性的雙面焊接結構,所有非法蘭連接的接口都進行連續焊接。煙道外部設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定運行。煙道設計時應盡量減小煙道系統的壓降,其布置方式、形狀和內部部件(如導流板和轉彎處導向板)等均應進行優化設計。

3.1.3 噴霧干燥塔系統

噴霧干燥塔系統是旁路煙道蒸發系統的核心裝置,主要包括噴霧干燥塔、旋轉霧化器、氣體分布器等。

(1)噴霧干燥塔。噴霧干燥塔采用Q345鋼,塔體尺寸根據廢水處理量、煙氣溫度等進行設計。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而接觸干燥塔內壁,干燥塔直徑設計時考慮一定的余量。經過計算,該項目蒸發干燥塔的內徑設計為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),塔頂設置檢修房,并設置檢修起吊裝置。

(2)旋轉霧化器。旋轉霧化器是整個旁路煙道蒸發工藝最核心的設備,其工作原理是將調質后的脫硫廢水泵送至高速旋轉的霧化盤,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速度和廢水量,旋轉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。連續穩定的噴霧性能是干燥過程能保持穩定的基礎,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生顯著改變,使漿液霧滴在接近飽和溫度時瞬間干化,不會有水分凝結在干燥塔壁上,這一點對于一個單旋轉霧化器來說是至關重要的。旋轉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。旋轉霧化器的轉速可以通過變速箱控制在10000~14000r/min,根據處理水量和煙氣溫度、煙氣量等參數可以調整霧化器轉速,確保廢水液滴能被及時蒸發。

(3)氣體分布器。在脫硫廢水旁路煙道蒸發工藝中,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,從而提高系統運行的安全性、穩定性。氣體分布器的作用是均勻煙氣流場分布,促進噴霧干燥塔內霧化液滴與高溫煙氣之間的有效混合,促進廢水液滴及時蒸發,提高系統運行的穩定性。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

其他輔助系統包括壓縮空氣系統、循環冷卻水及清洗水系統。壓縮空氣主要用于將蒸發干燥塔底部的灰渣氣力輸送至灰庫和旋轉霧化器泄壓。旋轉霧化器運行時轉速達10000r/min以上,高速旋轉產生大量的熱,使得旋轉霧化器處于高溫狀態,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,需要接一路循環冷卻水用于冷卻高速運行中的旋轉霧化器。設置清洗水系統的主要作用為:

(1)噴霧干燥塔系統啟動和停運前,先通入清洗水對旋轉霧化裝置進行沖洗;

(2)清洗脫硫廢水管道及泵等,避免脫硫廢水對設備造成腐蝕。

3.2 旁路煙道蒸發處理系統主要技術參數

旁路煙道蒸發系統主要技術參數見表3,噴霧干燥塔主要設備技術參數見表4。

3.3 系統運行情況分析

對旁路煙道蒸發系統的運行進行測試,滿負荷工況下,蒸發脫硫廢水水量為5m3/h和6m3/h時,粉煤灰中氯離子質量分數分別為0.250%和0.300%。GB/T50146—2014《粉煤灰混凝土應用技術規范》規定,粉煤灰用于摻配制預應力混凝土時的最大摻配比例為15%;GB50164—2011《混凝土質量控制標準》規定,對于預應力混凝土,混凝土拌合物中水溶性氯離子的質量分數最大為0.060%(最嚴格要求)。因此,在旁路煙道蒸發系統最大設計蒸發水量工況下(蒸發水量為6.0m3/h),粉煤灰摻配制預應力混凝土的摻配比例為15%時,預應力混凝土拌合物中水溶性氯離子質量分數約為0.045%,滿足氯離子質量分數小于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,對于旁路煙道蒸發系統,蒸發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系統處理的水量。

4 結論與建議

脫硫廢水旁路煙道蒸發處理工藝具有系統簡單、對主機系統運行影響小等優點,但系統運行對鍋爐效率和發電煤耗有一定影響。因此,在工藝方案論證、實施時需綜合考慮,尤其是廢水水量較大時,可將其濃縮減量后通過旁路煙道蒸發系統進行處理。

為確保系統安全穩定運行,系統設計時需要綜合考慮廢水水質、水量以及空預器入口前煙氣的溫度等參數,系統運行過程中應根據廢水水量和空預器入口前煙氣溫度等參數通過調節入口擋板開度來控制引接的煙氣量,使干燥塔出口煙氣溫度與除塵器入口前主煙道內煙氣溫度基本一致,盡可能減少空預器入口前煙氣用量,降低對鍋爐運行效率和發電煤耗的影響。


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