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脱硫废水烟道蒸发热源的选择

北极星环保网来源:科技资讯 李飞2018/7/26 9:43:38我要投稿

北极星环保网讯:烟道蒸发是实现脱硫废水零排放的有效措施,其蒸发热源的选择关系到系统的安全性和经济性,对系统运行具有重要意义。本文从理论和实际应用的角度总结了废水蒸发热源的选取原则,并结合某典型600MW机组案例分析了省煤器入口、SCR脱硝反应器入口、空预器入口和电除尘器入口烟气作为废水蒸发热源的合理性和可行性。结果表明,省煤器入口、SCR脱硝反应器入口和电除尘器入口的烟气不宜作为脱硫废水的蒸发热源;空预器入口烟气是废水最佳蒸发热源,设置与空预器并联的烟道旁路可减少废水蒸发的残留物对空预器本体的影响。

石灰石-石膏湿法脱硫工艺因脱硫效率高和技术适应性强等优点被广泛应用于国内各类型燃煤机组,工艺以钙基为脱硫剂,在其与烟气充分接触的过程中,烟气中的二氧化硫被转化为亚硫酸根或硫酸根进入脱硫废水,同时原烟气中的重金属和氯元素等也进入了废水,随着废水的循环反复利用,污染物的浓度被不断提高,导致脱硫废水水质极其复杂,成为了另一处理难题。总体而言,燃煤机组脱硫废水中的污染物质主要包括悬浮物、重金属(如Pb、Hg、Cr和Cd等)以及氯元素(含量高达1~2万mg/L),排放会对生态和环境造成重大的污染。

目前,多數电厂采用三联箱的化学沉淀工艺去除脱硫废水污染物,但该方法运行费用高,无法去除氯根,难以实现废水的零排放。2015年,国务院在《水污染行动计划》中要求严格加强工业废水污染防治力度,脱硫废水的零排放成为了业内关注的热点。

为了实现废水的零排放,近年来国内主要采用的技术可分为蒸发结晶和烟道蒸发两类。其中,烟道蒸发是指将脱硫废水喷射入锅炉尾部烟道,利用排烟余热将水分蒸发,残留的固体颗粒物随烟气进入电除尘器被捕捉,该技术由于工艺流程简单、成本较低受到了业内广泛的关注。

在实际应用中,蒸发热源的选择关系到系统的安全性和经济性,对系统运行具有重要意义。本文从理论和实际应用的角度分析了废水蒸发热源的选取原则,以某典型600 MW机组为案例分析了省煤器入口、SCR脱硝反应器入口、空预器入口和电除尘器入口烟气作为蒸发热源的合理性和可行性,并提出了相应的建议。

1 蒸发热源的选取原则

在典型的燃煤机组锅炉尾部烟道系统中,烟气一般会依次经过省煤器、SCR脱硝反应器、空气预热器、电除尘器和脱硫塔等设备,如图1所示。其中,省煤器用于加热锅炉给水,空气预热器用于加热锅炉进风。脱硫废水蒸发热源的选取主要需考虑系统安全性、热能充足和能量分级利用等原则。

1.1 系统安全性

系统安全性主要是指脱硫废水蒸发设备投运后,不可影响机组其他设备的正常运行,如空预器、电除尘器、烟道和风机等。废水在烟道中蒸发后可能导致的问题主要有:(1)低温腐蚀:废水蒸发吸收烟气热量,当烟气温度降低到其酸露点以下时,其中的酸性物质会附着于烟道内壁和设备内部,造成低温腐蚀,影响正常运行和设备寿命。(2)SCR催化剂中毒:废水在烟道中蒸发后,其携带的碱金属和碱土金属等若与SCR催化剂接触,会导致其中毒甚至失活,影响机组脱硝效率和催化剂寿命。(3)电除尘器故障:当废水在烟道中蒸发不完全时,残留的水分会随烟气进入电除尘器,影响其正常运行,甚至引起设备故障。

1.2 热能充足

热能充足是指烟气携带的热能需在既定的空间(时间)内将所有脱硫废水蒸发。对于现役机组而言,空间是节能减排技改工程的主要限制因素,而充足的热能是废水能在既定空间内完全蒸发的必要条件。近年来,国内燃煤机组长期处于低负荷运行,其排烟温度较额定工况有着不同程度的降低。在蒸发热源选取的时候,务必考虑机组变负荷情况下烟气的参数,确保废水蒸发设备在系统多种工况下均能正常运行。

1.3 能量分级利用

能量分级利用主要是出于节能和经济性的考虑,一般而言,将高品位的热能用于加热相应高参数的工质可提高能量利用率。对于典型的燃煤机组而言,高温烟气首先被用于加热锅炉给水,其次在经过SCR脱硝反应器后再次被用于加热锅炉进风(一次风和二次风)。等量的废水蒸发虽然需要相等的烟气热能,但若消耗高温烟气携带的高品质热能,势必会降低锅炉效率,增加机组煤耗。因此,在满足系统安全和热能充足的前提下,需尽量利用更低温烟气的热能蒸发脱硫废水,以提高系统热经济性。

2 案例分析

因为脱硫废水蒸发后产生的固体颗粒物必须由电除尘器捕捉,所以蒸发热源只能在电除尘器之前选择。以某典型600MW燃煤机组为例,表1列举了其3个典型工况下锅炉尾部烟气各段的温度(包括省煤器入口、SCR入口、空预器入口和电除尘器入口等4段)。

在30%~100%THA工况下,省煤器入口烟气温度高达351℃~451℃,该段烟气热能品质最高,足以蒸发脱硫废水。但由于该段烟气被用于加热锅炉给水,其蒸发废水的热能损失会造成锅炉效率的显著下降。

SCR脱硝反应器入口烟气温度约为262℃~353℃,热能充足,但废水蒸发后形成结晶盐与固体杂质会引起SCR催化剂中毒,会导致脱硝效率下降,并降低催化剂寿命。

空预器的入口烟气温度约为261℃~352℃,足以蒸发脱硫废水,但该段烟气用于加热锅炉进风,蒸发消耗烟气热能会引起锅炉一次风、二次风温度的降低,增大机组煤耗。此外,废水蒸发产生的结晶盐(如氯盐)等杂质可能引起空预器的堵塞和腐蚀。

电除尘器入口烟气温度为98℃~125℃。因该段烟道位于空预器之后,烟气热量未用于加热其他工质,所以用于蒸发脱硫废水不会引起机组煤耗的增高,是理论上的最佳蒸发热源。马双忱等人用数值模拟和实验的方法分别研究了烟气温度和废水液滴蒸发的关系,其模拟结果表明当液滴平均粒径为100μm时,烟气温度必须高于140℃时废水才可完全蒸发;其实验结果表明,烟气温度达到180℃以上时废水才能有效蒸发。电除尘器前烟气温度较低,因此不宜选作废水蒸发热源,尤其是在全国燃煤机组长期处于低负荷运行的背景下,烟气温度进一步降低,废水蒸发系统的安全风险非常大。

综上所述,综合考虑系统运行安全性、热能的充足性和能量分级利用原则,空预器之前的烟气为最佳蒸发热源,该段烟气在机组各负荷下热能充足,虽然会造成锅炉效率的降低,但运行的可靠性非常高。为了降低废水蒸发产生的结晶盐等固体颗粒物对空预器造成不良影响,可以设置与空预器并联的烟道旁路蒸发废水。如图2所示,可在空预器入口处引部分高温烟气进入烟道旁路上安装的废水蒸发器,将脱硫废水雾化喷射于蒸发器内,利用高温烟气余热将水分蒸发,产生的结晶盐和固体杂质随旁路烟气回到空预器之后的主烟道,最终进入电除尘器被捕捉。

3 结语

本文从理论和实际应用的角度总结了废水蒸发热源的选取原则,并结合某典型600MW机组案例分析了省煤器入口、SCR脱硝反应器入口、空预器入口和电除尘器入口烟气作为废水蒸发热源的合理性和可行性,总结如下:(1)省煤器入口、SCR脱硝反应器入口和电除尘器入口的烟气不宜作为脱硫废水的蒸发热源;(2)空预器入口烟气是废水最佳蒸发热源,可设置与空预器并联的旁路减少废水蒸发的残留物对空预器本体的影响。

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