天津石化热电部技术质量科 天津 300270
摘要：本文阐述了石灰石/石膏湿法烟气脱硫系统水平衡的组成,对脱硫系统各部分的水耗情况进行分析，得出脱硫系统各水耗点理论计算公式，最终建立脱硫系统的水耗数学模型，利用模型举例说明脱硫系统的水消耗情况,提出初步的系统工艺用水方案以及相应的调整措施,为湿法脱硫系统工艺用水提供理论基础。
关键词：湿法脱硫 水耗 数学模型 节水
石灰石/石膏湿法烟气脱硫工艺是利用浆液来洗涤进入脱硫塔的烟气，烟气内的SO2与石灰石浆液(CaCO3) 发生反应最终形成石膏而达到脱硫的目的。此工艺具有技术可靠、效率高、适应能力强等优点，目前在火力发电厂广泛应用。但由于其本身的工艺特性，存在耗水量大和水平衡建立困难等缺点，因此，为烟气脱硫系统安全稳定、优化运行提供科学的依据，需要系统全面研究分析脱硫系统的水平衡和水耗情况，适当的调整工艺路线，实现脱硫系统工艺用水优化的目标。
1. 脱硫系统水平衡
石灰石／石膏湿法脱硫工艺的水系统包括工艺水系统和工业水系统。其中工艺水主要是指直接或间接参与脱硫系统反应的水,即在锅炉烟气脱硫反应过程中参与脱硫反应或服务于脱硫反应的用水。主要有除雾器冲洗水、石灰石浆液制备用水、真空皮带脱水机的滤液、滤饼冲洗水、氧化空气增湿降温水和系统管道及机泵的等不定期冲洗水。工业水主要用于脱硫装置各转动机械的轴封、冷却用水以及等，原则上这部分水可以循环利用，此部分也可称为工艺用水，应按照补水计入脱硫系统用水。[1]
通常来讲，脱硫系统的补水点主要是上述脱硫系统的工艺用水点；脱硫系统耗水主要包括脱硫塔内蒸发水、烟气携带液态水、石膏带走的水量和排放的废水。当脱硫系统正常稳定运行时，系统的各点补水之和应与各点的水耗之和相等，此时，脱硫系统具有稳定的水平衡。
在脱硫系统的实际运行中以脱硫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。显然，对脱硫系统耗水研究是分析脱硫系统水平衡特性的关键。因此，建立脱硫系统的水耗模型，确定影响脱硫水耗的主要因素，可为脱硫系统节水优化工作提供理论基础。
2.脱硫系统水耗模型的建立
2.1脱硫塔内蒸发水[2]
脱硫塔内蒸发水是脱硫系统的最大水耗，进入脱硫塔的锅炉原烟气温度一般为130℃～150℃，烟气中的水蒸汽远没有达到饱和状态。当烟气流经脱硫塔时，与逆向的石灰石浆液进行传热，烟气温度迅速降低的同时脱硫塔内水分发生大量蒸发，烟气中的水蒸汽迅速达到饱和状态，脱硫塔出口烟气在50℃左右且其中的水蒸汽已经达到饱和状态。烟气带走的水蒸汽即为脱硫塔出口净烟气携带水蒸汽与脱硫塔入口原烟气携带水蒸汽量之差。其中，原烟气携带水蒸汽量主要由煤种以及运行工况决定；而净烟气为饱和状态，水蒸汽取决于此时烟气的在此温度和压力状态下含湿量，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汽分压越高，其携带水蒸汽量则越大。综上所述，根据其热力学过程，得出脱硫塔内蒸发水数学表达如下：
M1= -
(2-1)
其中： M1：脱硫塔内蒸发水量，kg/h； Q1：脱硫塔入口标态干烟气量，Nm3/h； Q2：脱硫塔入口标态湿烟气量，Nm3/h； Pw：脱硫塔出口水蒸汽分压，MPa；
当脱硫塔出口湿烟气参数一定时, 烟气的含湿量只取决于水蒸汽分压力的大小, 而水蒸汽的分压力则取决于水蒸汽的温度, 不同温度下干饱和水蒸汽的分压力可以通过Antoine方程Ln(P)=9.3876-3826.36/(T-45.47),此公式T=190～500K之间使用。
2.2 烟气携带液滴水量
烟气经脱硫塔除雾器作用以后, 被烟气带入大气中液态水的质量浓度最大为75 mg/m3，即除雾器的性能保证值，因此烟气带走液态水数学式为：
M2=Q3×75×10-9 (2-2)
其中：M2：烟气以液态水的形式带入到大气中的水量，t/h；Q3：流经除雾器的湿烟气量, m3/h。
2.3 石膏携带水量
石膏中携带的水分主要包括石膏的结晶水以及脱水后在石膏表面附着的游离水。因此，石膏携带水量主要受石膏产量、纯度以及含湿量的综合影响，石膏产量主要受烟气中SO2的脱除量决定。脱硫石膏的结晶水根据相对分子质量计算得出，石膏表面附着水按石膏产量的10%计算，因此石膏携带水量计算公式为：
M3=Gs×36/172+ Gs/Ps×10% (2-3)
其中：M3：石膏携带水量，t/h；Gs：石膏的计算产量，t/h；Ps：石膏的纯度，%。
2.4 脱硫废水量
石灰石／石膏湿法脱硫系统在连续运行过程中，锅炉烟气和石灰石在吸收塔内持续进行反应，脱硫浆液在循环过程中会使Cl-、f-等杂质离子的富集，这些有害成分会造成脱硫设备腐蚀加速，也会造成脱硫浆液品质恶化，影响石灰石的溶解和烟气中SO2的吸收。因此，脱硫系统需要排放一定量的废水，维持系统氯离子的平衡和控制脱硫浆液中某些有害成分的浓度。脱硫废水排放量受脱硫系统入口烟尘浓度、HCl、HF浓度和工业用水Cl-浓度以及石灰石杂质含量的综合影响[3]。计算公式如下：
m×ρm+ Q1×ρ1 =Q3×ρ3+Gs×Ccl×106+M3ρw (2-4)
其中：
M3： 为脱硫废水水量, L/h ；
m： 脱硫用水量, L/h；
ρm ：为脱硫用水中Cl-的质量浓度, mg/L；
ρ1 、ρ3： 分别为进、出吸收塔烟气中Cl-质量浓度, mg/m3；
ρw：废水中Cl-质量浓度,mg/L；
Ccl为石膏中Cl -的质量分数, %。
m、ρm 、Q1、ρ1 可从脱硫工艺的原始资料中得到, 吸收塔出口烟气和石膏中的Cl-质量浓度可视为零, 则式(2-4)简化为:
m×ρm+ Q1×ρ1 =M3ρw (2-5)
由式 (2-5)可知, 当进入吸收塔的烟气量一定时, 脱硫废水量与脱硫系统工艺水中Cl-的质量浓度、烟气中HCl质量浓度和吸收塔内Cl-控制质量浓度有关[5] 。而脱硫废水量主要取决于烟气中HCl质量浓度, 烟气中的HCl来自机组燃煤。所以燃煤中Cl -质量浓度越高, 外排废水量就越大。
综上所述，联立公式(2-1)、(2-2)、(2-3)、(2-5)，脱硫系统水耗模型为：
M=M1+M2+M3+M4 (2-6)
3.典型脱硫系统水耗计算与分析
某热电厂现有7台锅炉，烟气脱硫系统均采用石灰石/石膏湿法烟气脱硫工艺，本文以CFB锅炉的烟气脱硫系统为例，将脱硫装置的设计参数代入脱硫系统水耗模型计算各水耗点的设计工况耗水量。
3.1 脱硫装置设计参数
3.3 分析
通过脱硫系统的模型计算，可以看出湿法脱硫工艺最大的水耗点为脱硫塔内的蒸发水量，为26.8t/h，占总水量的88.38%。上述计算使用的是锅炉烟气脱硫装置的工艺包设计参数，目前CFB锅炉脱硫塔出口烟气温度实际为54℃，若其它条件不变，通过模型计算，脱硫塔蒸发水量可达到37.8t/h。可见，脱硫塔内的蒸发是影响脱硫系统耗水的最主要因素。塔内蒸发水量与锅炉烟气量、脱硫塔出口烟温及煤质等有关，锅炉烟气量越大，烟气带水量就越大；脱硫塔出口烟温越高，烟气达到饱和状态时水蒸汽分压越高，烟气含湿量提高,烟气携带蒸发的水量越大。
对比脱硫系统耗水量，除雾器的冲洗水控制是调节补水的关键因素，通过上述设计工况的水平衡计算可知，进入系统各节点的总水量与脱硫系统向外界输出的总水量相比多出8.3t/h，可以通过增大除雾器冲洗来保证系统的水量平衡。如果将脱硫塔入口烟气温度降到80℃，通过脱硫工艺系统的水平衡计算，蒸发水量将减少到13.5t/h，相比设计值加少了50%，此时通过控制除雾器冲洗水基本满足系统水平衡，但除雾器必须保持一定量冲洗水，及最小冲洗水量来维持其长周期稳定运行。如果锅炉负荷减少，烟气量也随之减少，塔内蒸发水量进一步减少，必然造成脱硫系统的发生水量不平衡现象，因此，考虑脱硫系统节水必须在保证除雾器冲洗水的情况下统筹考虑其水平衡的问题。
4.节水措施
根据上述分析结果，脱硫系统节水的关键在于减少脱硫塔内的蒸发水量，同时将烟囱排放中的水蒸气进行冷凝回用也是主要节水措施，因此，节水措施的初步技术路线选择如下：
4.1 减少脱硫塔内的蒸发水量的措施
在脱硫塔入口加装氟塑料材质的换热器，降低脱硫塔入口烟温到80℃，根据前面的分析，可有效减少烟气中水蒸汽含量，节水效果显著，同时基本满足脱硫系统的水量平衡需求。换热器中的换热介质选用冷除盐水，加热后的除盐水可以与烟囱出口的换热器形成闭式循环换热，余量部分可以再利用。
当脱硫系统总耗水量已经基本与除雾器冲洗水量相当，再加上制浆用水、滤饼滤布冲洗水以及浆液泵轴封冷却水进入系统，将导致水量无法平衡。我部现除雾器冲洗、滤饼、滤布冲洗水以及浆液泵轴封冷却水均属于脱硫系统补水。为了保证脱硫系统运行工况下的水量平衡，可考虑选择以下改造措施加以修正：
◆ 锅炉低负荷运行时烟气量减少, 烟气携带的浆液量也会减少,可调整除雾器冲洗的间隔适当延长，但冲洗持续时间和冲洗周期的调整需综合考虑保持除雾器清洁和维持系统的水平衡；
◆ 改造或调整系统用水的路线，收集脱硫系统机泵轴封冷却水，先作为滤布、滤饼的冲洗水，然后将这部分冲洗水用于石灰石的制浆， 达到减少脱硫系统新鲜水补入的目的。
4.2 冷凝回收排放烟气中的水蒸汽
在烟囱中装设冷凝器，即氟塑料换热器，冷却介质可选用工业循环水，将饱和的烟气中的水蒸汽进行冷凝回收，回收的凝结水可用于除雾器冲洗或制浆用水，然后使用另一组氟塑料换热器对烟气进行加热，热源来自脱硫塔入口的氟塑料换热器，这样既可以减少烟囱水蒸汽的排放，达到节水目的，同时也减小烟囱烟羽的浓度，具有较好的环保效益。
4.3 利用烟囱冷凝回收水和循环水排污水作为脱硫系统的工艺用水，减少新鲜水的消耗。
5．结语
本文研究结果表明，脱硫塔内蒸发水是脱硫系统耗水的关键因素，降低烟气进出脱硫塔的温度差可以显著降低脱硫塔蒸发水量，可以获得显著的节水效果，但也会带来脱硫系统的水不平衡问题，本文对此也提出了相应的改进措施，同时提出了冷凝回收烟气水蒸汽和采用循环水排污水作为补水的思路，因此，通过统筹考虑脱硫系统工艺用水要求以及整体水平衡，科学、合理、有针对性的进行系统改造，可以实现脱硫系统的节水目的，降低脱硫系统运行成本，实现效益和环保的双赢。
参考文献
[1] 宋长清.大机组湿法烟气脱硫系统用水分析[J] 水利电力机械，2006，28(2):11 -14 .
[2] 李吉祥，薛勇 石灰石-石膏法湿式烟气脱硫工艺水计算方法探讨[J] 吉林电力， 2007，35(4):15 -17
[3] 虞启义，徐良斌 石灰石-石膏湿法烟气脱硫废水的处置[J] 电力环境保护，2004，20(3):47 -49
论文作者:张媛苑
论文发表刊物:《防护工程》2017年第20期
论文发表时间:2017/12/15
标签：烟气论文; 系统论文; 水量论文; 水蒸汽论文; 石膏论文; 石灰石论文; 用水论文; 《防护工程》2017年第20期论文;