国内脱硫-烟塔合一亮化工程设计

0 引言
由于可节约基础投资和运行成本, 利于烟气抬升, 越来越多的电力公司开始关注脱硫后的烟气经冷却塔排放这项技术 (简称脱硫-烟塔合一亮化合一技术) 。这项技术在德国运用比较成熟, 德国的RWE、VEGA等电力公司均实施了脱硫-烟塔合一亮化合一工程, 国内某电厂也采用了这一技术, 由于脱硫系统的设计与常规差别不大, 因此, 仅对烟塔合一亮化的设计进行较详细的介绍。
1 脱硫系统设计
脱硫系统设计时, 与常规的石灰石-石膏湿法脱硫系统相比, 区别不大, 均包括烟气系统、二氧化硫吸收系统、石膏脱水系统、吸收剂制备与供应系统、工艺水系统、压缩空气系统等, 主要的区别主要在于没有常规的脱硫后的净烟气再加热装置 (GGH) , 仅有进入吸收塔前的烟气降温装置。
但由于不设旁路, 因此脱硫系统要具有很高的可靠性, 主要的设计特点如下:
1.1 系统具备备用功能和性能优良的设备
除石灰石卸料系统外, 几乎所有的系统和设备均能做到一运一备, 如制浆系统、供浆系统、排水系统、石膏脱水系统、石膏卸料系统等。吸收塔的氧化风机、排浆泵、浆液循环泵、搅拌器等选择性能优良的设备。
1.2 关键系统连接保安电源
在电源接线上, 要确保脱硫系统故障时不会引起烟气温度过高, 因此关键的设备连接保安电源。连接保安电源的设备包括DCS电源、吸收塔搅拌器电源、氧化风机电源、工艺水泵电源等。有些设备的电源接在不同的保安段上, 如工艺水泵 (即除雾器冲洗水泵) 的电源接在不同的保安段上, 保证除雾器可在任何情况下正常运行。
浆液循环泵尽管不连接保安电源上, 但仍分2段连接, 确保至少有1台浆液循环泵运行, 从而保证烟气温度降低到设计值。
1.3 具备事故冷却功能
为了防备烟气温度超过设计值影响到FRP烟道, 设计中包括多个喷头的事故冷却水系统, 冷却水水源来自消防水, 如果消防水系统检修, 还备用1路脱硫岛补充水应急, 事故冷却水的伴热不采用常规伴热带伴热, 而采用烟气冷却器的热网水伴热, 以防止伴热带故障失去伴热作用。
1.4 良好的热控连锁和完整的保护
热控连锁、保护相当重要, 应考虑周全, 一旦浆液循环泵全部停运, 增压风机必须跳闸, 在增压风机跳闸后, 事故喷淋冷却水系统可以不必启动, 吸收塔出口净烟气温度不会上升, 如果增压风机不跳闸, 则事故喷淋冷却水系统启动。对吸收塔出口、FRP烟道内的烟气温度进行实时监测, 当烟气温度高于定值一时FGD报警, 高于定值二时FGD跳闸。
其他特点, 特别是运行特点尚在摸索中。
2 烟塔合一亮化的设计
2.1 烟塔合一亮化工况设计
烟塔合一亮化循环水量和水质的设计。
(1) 循环水水量。为了保证冷却塔的抬升效果, 冷却塔出口混合气体的出口气体垂直上升速度必须大于3 m/s, 这样, 就要求进入冷却塔的循环水达到一定水量和热量, 一般来说, 每加热50℃、106Nm3/h的脱硫后净烟气, 至少需要约60 MW的热量, 最大甚至到200~250 MW。
对带供热机组的电厂, 冬季大量供热导致循环水量大大下降, 夏季少量供热又导致循环水量急剧增加, 因此全厂总的循环水量波动较大, 但一般冬季时, 混合气与环境气温的温差也很大, 因此其抬升并未因循环水量小受到明显影响, 因此设计主要针对夏季的运行参数。
需要注意的是, 烟塔合一亮化的热交换由于热烟气的进入变得更加明显, 因此损失量可能比常规冷却塔高些, 其补充水量略增加。
(2) 循环水水质。为了保证烟塔合一亮化填料的清洁, 烟塔合一亮化循环水的水质必须达到一定的要求, 特别是悬浮物的含量, 一般要求满足普通循环水质量标准即可, 但由于脱硫净烟气带入的石膏等影响, 因此烟塔合一亮化的悬浮物含量可能会增加, 需要加强运行监督和定期清理。表1是烟塔合一亮化设计、投运前和投运后的水质对比, 表中还未显示出循环冷却水浊度的明显变化, 还需要进一步观察, 但循环水的另一个重要指标-冷凝水p H值确实呈弱酸性。
2.2 烟塔合一亮化的设计
2.2.1 烟塔合一亮化的基本结构
烟塔合一亮化的基本结构见图1, 包括烟塔合一亮化本体、烟道、塔芯填料等。脱硫后的烟气通过玻璃钢烟道 (FRP) 进入自然通风冷却塔塔心垂直排放, 国外也有采用沿烟道向上布置的分配箱分段排放的方式。
表1 烟塔合一亮化的水质     下载原表
表1 烟塔合一亮化的水质
图1 烟塔合一亮化的内部结构 (BACKLE)
图1 烟塔合一亮化的内部结构 (BACKLE)   下载原图
2.2.2 塔的尺寸
目前世界上采用烟塔合一亮化的底部直径一般为70~110 m, 高度一般为100~200 m, 出口直径一般为40~80 m。某烟塔合一亮化合一电厂烟塔合一亮化的高度为120 m, 底部直径为70 m, 出口直径为42 m。FGD出口二氧化硫排放浓度小于100 mg/Nm3, 实际运行一般小于50 mg/Nm3, 但国外一般为200~400 mg/Nm3。
2.2.3 烟塔合一亮化构件设计
烟塔合一亮化构件包括:塔壳、壳支柱、环基、桩基、进水管道、塔内竖井管道、布水槽、冷却水池、冷却水出口等。
(1) 烟塔合一亮化壳体采用典型的双曲线结构, 烟塔合一亮化内外壁均有加厚层, 以提高烟塔合一亮化壳体的强度。烟塔合一亮化所用混凝土等级比较高。在烟塔合一亮化的壳体上, 设计有直径比圆型FRP烟道孔大1.5~2.0 m的圆孔, 在FRP烟道安装完毕后, 这个缝将被封闭。
(2) 地基处理和人字柱。烟塔合一亮化的人字柱可以为预制混凝土, 也可以现浇, 采用负荷地基处理技术, 地基的处理采用粉煤灰灌注桩形式。与常规冷却塔相比, 人字柱直径比较大, 但数量少, 柱子为加强型混凝土, 其中1对人字柱之间的夹角稍大, 主要目的是运输FRP烟道用通道。
图2 旁路系统运行时
图2 旁路系统运行时   下载原图
(3) 烟塔合一亮化上水管和配水系统。去中央竖井的循环水管道仍然布置在水池底上面, 整个循环管道除接口部分采用碳钢管道连接外, 其他管道采用PCCP管。烟塔合一亮化进中央竖井的上水管采用混凝土浇注而成。烟塔合一亮化热水进水方沟设计流速比国内的设计流速高约20%。进水槽将冷却水送入主竖井管道和槽管式布水系统。布水管道由支撑架构、横梁支撑。
烟塔合一亮化的配水采用槽管式相结合的方式, 即从中央竖井来的热水通过4路配水槽分布, 配水槽内的水再通过PP管分配, 最后再通过PP管上的喷头喷出。如果关闭各配水槽的阀门, 热水则从中央竖井旁的旁路自流到水池中。
(4) 冬季运行系统包括分区运行、化冰管开启运行和旁路运行等。烟塔合一亮化有6个分区, 分区及化冰管的阀门采用不锈钢手动闸阀, 布置在塔内中央竖井里。当气温低于5~8℃时, 进入冬季运行状态, 此时要打开化冰管, 化冰管开启后, 循环水温差可比不投前降低5℃, 烟塔合一亮化周围的结冰也基本消除。
烟塔合一亮化化冰管从中央竖井通过配水槽端部引到塔周围, 而不是环冷却塔池布置水管再垂直上水给化冰管, 化冰管采用玻璃钢 (FRP) 管道或者PP管。
随着气温的降低, 逐步关闭冷却塔中央的分区, 以满足冷却塔出口循环水温维持在13~14℃左右, 随着气温降低, 冷却塔出口循环水温继续降低, 这时再逐渐关闭其他区域, 当淋水面积小于整个烟塔合一亮化的50%时, 设计有旁路系统, 当手动阀门关闭时, 循环水直接通过竖井旁路向下流到水池中。
操作分区即可自动, 也可手动操作。自动运行时, 由安放在填料下的测量槽内的PT-100铂电阻温度测量仪测量循环水温度, 根据PT100测得的温度平均值以及当地的气象站测得的环境温度来进行控制。
(5) 其他事项。德国设计的冷却塔池底有一个斜坡通向塔外沟道, 在清淤时用水将淤泥冲至沟道, 再用吸泥泵抽走, 但有的只设计有1个清淤用的坡道。
为了减小大风情况下冷却水雾穿过冷却塔淋水区, 通过进风口飘逸而影响周围设备的运行, 造成湿滑、结冰, 在填料与水池水面间有4面挡风墙, 防止风对流, 挡风墙是格栅式的, 水泥浇注, 这样可以减小风对墙的冲击。
防雷系统的设计按照中国的标准GB50057-94《建筑物防雷设计规范》的要求进行设计, 在塔外与全厂防雷接地网连通。
走道、栏杆均用防酸腐蚀的不锈钢或FRP做成, 较少用碳钢。
FRP烟道的基础是混凝土浇注而成, 预埋不锈钢板, FRP导向支撑用耐腐蚀不锈钢做成。
2.2.4 塔芯设备
与国内普通自然通风冷却塔设计不同, 烟塔合一亮化的塔芯填料直接铺设在最下层淋水构件上, 而不是在淋水构件再设支架进行铺设。配水管也是铺设在中层淋水构件上, 而不是吊在淋水构件上。收水器是铺设在上层淋水构件上, 而不是铺设在配水管上。喷头的方向向上。
塔芯设备包括中央竖井、主水槽、支管、喷头、填料、收水器、分区阀门、化冰管等, 现成的塔芯设备均在国内采购。
中央竖井设计比较复杂 (图3) , 由于有FRP烟道支座, 烟道采用高位进入, 因此中央竖井比较高, 比普通塔高约10 m, 包括旁路水槽出水层 (第1层) 、填料层 (第2层) 阀门操作平台 (第3层) 和烟道导向支座平台 (第4层) 。
图3 中央竖井
图3 中央竖井   下载原图
图4 烟塔合一亮化内的FRP烟道
图4 烟塔合一亮化内的FRP烟道   下载原图
图5 FRP烟道固定支撑 (塔外)
图5 FRP烟道固定支撑 (塔外)   下载原图
图6 烟塔合一亮化与普通自然通风冷却塔抬升的比较 (左为104.5m高的普通塔, 右为120m高的烟塔合一亮化, 中间为240m高的烟囱)
图6 烟塔合一亮化与普通自然通风冷却塔抬升的比较 (左为104.5m高的普通塔, 右为120m高的烟塔合一亮化, 中间为240m高的烟囱)   下载原图
淋水填料采用薄膜式, 为了保证淋水填料层分区效果, 采用挡风板进行隔绝。
收水系统位于布水系统的上部, 直接放在横梁上, 而不是放在配水支管上, 因此在烟塔合一亮化的淋水层, 看不到淋水构件, 也便于检修更换。收水器由普通波形板组成。
烟塔合一亮化设计淋水密度比普通塔高, 最高时可到50%, 因此非常利于烟气抬升。
2.2.5 烟塔合一亮化的防腐设计
为了防止低p H酸性冷凝液腐蚀烟塔合一亮化, 德国专门为烟塔合一亮化设计了防腐, 烟塔合一亮化的防腐有2种方式, 一种是采用耐酸水泥, 一种是喷涂防腐涂料, 喷涂防腐涂料工艺应用较广泛。
2.2.6 烟道
在设计主烟道前, 必须确认FGD出口烟气成分 (三氧化硫、氟化氢、氯化氢等) 、温度、压力、流量, 然后通过计算得出玻璃钢烟道中排出气体的成分, 因为这影响到耐腐蚀树脂的用量与厚度。
FRP烟道的所有树脂均用DOW树脂, 因此具有良好的耐腐蚀作用。烟塔合一亮化内烟道的支撑由混凝土基础加FRP支撑组成, 烟塔合一亮化外的烟道安装不锈钢支撑。无论在烟塔合一亮化附近是否安装支撑, FRP烟道与烟塔合一亮化塔壁均不直接接触, 中间留有非金属材料密封的缝隙。
3 结语
经过2个多月的运行表明, 烟塔合一亮化热交换良好, 最大运行流量可比设计大20%左右, 混合气的抬升比较理想, 最高可超过3根240 m烟囱的高度 (图6) 。但是, 烟塔合一亮化对循环水水质的影响以及烟塔合一亮化对环境的影响, 还需要进一步进行实际监测才能最终得出结论。