純水設備解讀：煙道蒸發結晶脫硫廢水零排放技術
［關 鍵 詞］煙道；蒸發結晶；脫硫廢水；零排放；控制戰略；空預器；排煙溫度；灰品質
石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術，因其具有煤種適用范圍廣、脫硫效率高、反應速度快、運行利息低等優點，被國內燃煤電站普遍采用。濕法脫硫洗滌煙氣的過程中，煙氣中的飛灰會進入石膏漿液內，其中所含氯離子、重金屬離子等有害物質也隨之進入到煙氣脫硫系統中，并在石膏處置工藝過程中隨著沖洗水進入脫硫廢水環節，形成了富含重金屬和氯離子的脫硫廢水。為了維持脫硫裝置漿液循環系統的物質平衡，防止脫硫設備被腐蝕，保證石膏質量，必需從脫硫系統中排放一定量的廢水。燃煤電站脫硫廢水存在總量少、污染物含量大、易發生二次污染等問題，故采用煙道（主煙道和旁路煙道）蒸發結晶的方式實現煙氣脫硫廢水零排放，具有重大的現實意義。
煙道蒸發結晶廢水零排放技術因其成本較低、占地面積小、維護費用低等優點被國內專家學者廣泛研究。國內外學者通過建模計算分析得出：彎曲煙道可使液滴在煙道中停留的時間更長；為確保液滴在進入除塵器前完全蒸發，同時考慮蒸發效果、能耗利息和實際條件，建議工程應用中將霧化液滴直徑控制在60μm煙溫控制約為130℃。基于上述理論研究，華能某發電公司將煙道蒸發結晶廢水零排放技術應用于新建超超臨界 2660MW機組，該機組由西安熱工研究院有限公司負責調試。
1系統介紹
該機組采用煙道蒸發結晶廢水零排放技術，主煙道和旁路煙道均布置了脫硫廢水噴霧裝置（空氣霧化噴嘴）圖 1為該工程方案的整體示意。由圖 1可見：空氣預熱器（空預器）入口至低溫省煤器為主煙道，主煙道噴霧裝置分布于空預器出口的豎直煙道內，且置于同一截面的煙道兩側；工業純水設備旁路煙道在選擇性催化還原（SCR脫硝反應器入口煙道有4個取煙口，每2個取煙口匯到1個旁路煙道中，旁路煙道內布置有噴霧裝置，2段旁路蒸發煙道再分別匯到空預器出口的水平主煙道中。脫硫廢水在鋼制緩沖箱內沉淀后，由廢水泵打入若干個廢水霧化裝置中，廢水與壓縮空氣在霧化裝置中混合形成直徑小于60μm霧滴，再經噴嘴噴入高溫煙氣中迅速蒸發結晶。脫硫廢水霧滴中含有的重金屬等污染物轉化為結晶物或鹽類等固體，隨煙氣中的飛灰一起被電除塵器收集下來。脫硫廢水緩沖箱內的沉淀物經壓濾機處置后外運，蒸發的水蒸氣則重新進入脫硫系統，從而實現了廢水零排放。該系統可實現噴入霧滴壓力、流量的自動調節。
脫硫廢水經高度霧化后噴入煙道內，絕大部分液滴微粒在煙氣的拖拽作用下，與煙氣流動堅持一致。極少數液滴微粒因布朗運動在煙道內自由擴散，并吸附了煙氣中的灰份擴散到煙道壁上，高溫下液滴微粒中水份瞬間蒸干，灰份黏結在煙道壁上，經過臨時運行灰份逐漸累積加厚，形成積灰。設計脫硫廢水零排放系統時，通過計算流體動力學（CFD模擬分析，確定微粒擴散至煙道壁的位置和分布規律，運行期間利用吹灰蒸汽定時自動多點位吹掃煙道，及時掃清煙道壁灰份，防止煙道內部積灰。吹灰器根據脫硫廢水蒸發的煙道結構，設計為多層交叉形式，采用回轉式伸縮結構，確保吹掃面積達到95%以上，同時對灰分易黏結的煙道壁板進行防腐處置。
該脫硫廢水零排放系統采用集中控制，通過采集分布在煙道內多部位的傳感器信號，將機組負荷、煙氣流量和排煙溫度等數據傳入數據處置及運算單元進行綜合分析，從而獨立控制各廢水霧化裝置的噴霧量，最大限度地利用煙氣熱量蒸發廢水。同時，設置專用維護模塊，機組負荷低、煙氣流量小和排煙溫度低等蒸發條件欠佳的工況時，霧化裝置減少或停止噴霧，確保該系統不對機組運行造成任何有利影響。
另外，該脫硫廢水零排放系統為防止脫硫廢水中的雜質造成系統管路的污染和堵塞，還配備了清水自動沖洗和狀態監控設備，可實現整條廢水管路和沿程設備的定期清水自動沖洗，沖洗裝置的沖洗流量、壓力可自動調節。
2系統工作流程
煙道蒸發結晶脫硫廢水零排放技術設計有主煙道和旁路煙道，系統控制應遵循主煙道蒸發優先，且根據空預器入口煙溫調節噴霧量的原則。該系統工作流程如下：
1當負荷升高，SCR脫硝反應器入口煙溫高于200℃時，對脫硫廢水零排放系統旁路煙道進行暖管，暖管結束后先投運霧化壓縮空氣，并打開脫硫廢水至旁路煙道截止閥，控制霧化壓縮空氣壓力和廢水管至噴霧裝置的壓力達到0.5MPa后，方可投運脫硫廢水零排放系統旁路煙道。通過調整旁路煙道過煙量和廢水噴霧量，保證空預器入口煙溫高于105℃且無較大波動。該工況下，脫硫廢水全部在高溫旁路煙道內蒸發處理。
2隨著機組負荷的繼續升高，工業純水設備當空預器入口煙溫高于110℃時，打開脫硫廢水至主煙道調節閥，投運脫硫廢水零排放系統主煙道。通過調整噴霧量保證空預器入口煙溫高于 110℃。此時，可適當調整主煙道和旁路煙道的廢水噴霧量，使大部分脫硫廢水在主煙道蒸發。若主煙道無法消納所有脫硫廢水，則同步開大旁路煙道調節閥和脫硫廢水至主、旁煙道調節閥，確保噴霧后空預器入口煙氣溫度高于110℃且不發生大擾動的前提下，提高脫硫廢水的處置量。該脫硫廢水零排放系統的設計廢水噴入量為3m3/h
3系統運行的影響
為了研究脫硫廢水零排放系統對機組主參數、重要設備和灰品質等的影響，西安熱工研究院有限公司在該機組基建調試期間進行了滿負荷工況下未投運脫硫廢水零排放系統和分別投運脫硫廢水零排放系統主、旁路煙道的對比試驗。試驗控制主、旁路煙道脫硫廢水噴入量為3m3/h
3.1對空預器的影響
由于脫硫廢水零排放系統利用空預器后煙氣或其旁路高溫煙氣對脫硫廢水進行蒸發結晶，所以首先通過試驗研究該系統投運對空預器運行參數的影響。試驗結果見表 1
從表 1可以看出，當投入脫硫廢水零排放系統主煙道時，由于噴嘴設在空預器后的煙道內，噴霧不影響空預器的煙氣換熱能力，故對熱一、二次風溫度沒有影響，僅因脫硫廢水在空預器入口煙道內蒸發吸熱使空預器入口煙溫下降了4℃。當投入脫硫廢水零排放系統旁路煙道時，由于從SCR脫硝反應器入口煙道抽取了局部（1.67%~4.05%高溫煙氣進入旁路系統蒸發脫硫廢水，這部分高溫煙氣未參與空預器換熱，因此與未投運脫硫廢水零排放系統相比，空預器出口熱一、二次風溫均降低了2℃。
由表 1還可以看出，脫硫廢水零排放系統主煙道和旁路煙道投運后，空預器一、二次風及煙氣側進出口壓差基本不變。這是由于當脫硫廢水零排放系統旁路煙道投運時，少量煙氣（1.67%~4.05%用于旁路蒸發脫硫廢水，從而減少了流經空預器的煙氣量，導致煙氣速度降低，因阻力與速度的平方成正比，所以煙氣阻力略有下降，而速度降低又使得空預器換熱元件上的積灰略有增多，從而抵消了速度下降導致的阻力下降。
當投運脫硫廢水零排放系統主煙道時，由于空預器后煙道脫硫廢水蒸發吸熱使得煙溫降低，導致煙氣比體積下降，抵消了局部脫硫廢水蒸發后的煙氣體積增量，空預器內的煙氣流動未受影響。因此，投運脫硫廢水零排放系統主煙道及旁路煙道時無需特別加強空預器的吹灰效果。
3.2對低溫省煤器的影響
脫硫廢水零排放系統經主煙道或旁路煙道蒸發后的煙氣首先進入低溫省煤器與凝結水換熱。表2為脫硫廢水零排放系統投運對低溫省煤器運行參數影響情況。由表 2可見，脫硫廢水零排放系統主煙道投運后，低溫省煤器入口煙溫隨空預器入口煙溫相應降低 4℃，低溫省煤器入口煙溫受凝結水流量自動控制。通過降低低溫省煤器凝結水流量，使低溫省煤器入口母管凝結水溫度降低 2℃，低溫省煤器入口煙溫則維持 90℃不變。與投運脫硫廢水零排放系統主煙道相比，投運旁路煙道對低溫省煤器入口煙溫及其入口母管凝結水溫度影響較小。
3.3對機組主參數影響
由于脫硫廢水零排放系統是機組正常運行時投運，工業純水設備所以需研究該系統投運對機組主參數的影響情況，結果見表 3由表3可見：滿負荷工況下投入脫硫廢水零排放系統主煙道后，與未投運脫硫廢水零排放系統相比，主蒸汽參數未變化，空預器入口排煙溫度下降4℃，一級省煤器入口給水溫度下降 1℃，總煤量不變；投運脫硫廢水零排放系統旁路煙道后，主蒸汽參數未變化，空預器入口排煙溫度僅下降 1℃，但由于從一級省煤器前抽取局部煙氣到旁路煙道蒸發廢水，使得進入一級省煤器換熱的煙氣量減少，故與投運脫硫廢水零排放系統旁路煙道前相比，一級省煤器入口給水溫度降低了3℃，總煤量增加 1t/h對機組經濟性稍有影響。
綜上所述，脫硫廢水零排放系統對機組主參數無較大影響，可安全投運，同時該系統對鍋爐整體效率和機組經濟性的影響較小。
3.4對電除塵效率、脫硫耗水量及輸灰流動性影響
由于脫硫廢水在煙道內蒸發結晶，提高了進入電除塵器煙氣的濕度，有利于提高電介質強度，降低粉塵比電阻，減小氣體的黏度，同時提高了煙氣中粉塵質量濃度，有利于提高除塵效率。
蒸發后的大部分水蒸氣隨除塵后的煙氣進入脫硫塔，脫硫塔噴淋冷卻作用下，重新凝結進入脫硫漿液循環系統，可明顯降低脫硫工藝的耗水量。
與此同時，煙氣濕度的增加會導致電除塵器收集的粉煤灰流動性變差，所以需要結合灰的流動情況對煙道脫硫廢水噴入量進行調整。當輸灰用氣量增多，輸灰壓力增大，輸灰時間延長時，說明灰的流動性降低，則停止增加脫硫廢水噴入量，待輸灰系統通暢后再增加脫硫廢水噴入量。為此，1號鍋爐灰斗內壁增加厚度 1~2mm316L薄鋼板內襯，以增強灰的流動性。
3.5對灰品質的影響
對投運脫硫廢水零排放系統前后脫硫系統吸收塔氯離子含量、廢水處置量以及粉煤灰總量進行計算。
結果發現：未投運脫硫廢水零排放系統之前粉煤灰中的氯離子質量分數較少（煤中的氯離子主要以氣態 HCl形式進入吸收塔）約為 0.004%機組滿負荷運行時，工業純水設備投運脫硫廢水零排放系統后（煙道噴射流量為 3t/h設計噴射流量）粉煤灰中氯離子質量分數增至 0.136%通用硅酸鹽水泥》GB1752007中要求，水泥中氯離子質量分數不大于 0.06%利用粉煤灰生產硅酸鹽水泥時，粉煤灰添加量占硅酸鹽水泥的20%~40%則制成的硅酸鹽水泥氯離子質量分數為0.027%~0.054%不大于 0.06%符合硅酸鹽水泥要求。
4結論及建議
1脫硫廢水零排放系統主煙道需在機組較高負荷（空預器入口煙溫高于 110℃）下投運。主煙道投運后，會降低空預器入口煙溫和低溫省煤器入口母管凝結水溫度，對熱一、二次風溫及一級省煤器入口給水溫度幾乎無影響，不影響機組主參數和機組正常運行。
2投運脫硫廢水零排放系統旁路煙道，煙氣溫度高，蒸發效果好，可實現在機組低負荷工況（SCR脫硝反應器入口煙溫高于 200℃）下脫硫廢水零排放系統平安可靠運行。與投運脫硫廢水零排放系統主煙道相比，投運旁路煙道時空預器入口煙溫和低溫省煤器入口母管凝結水溫度降幅較小，但同時降低了熱一、二次風溫及一級省煤器入口給水溫度，機組煤耗略有增加，對機組經濟性有一定影響。
3煙道蒸發結晶廢水零排放系統具有自動化水平高、操作方便、運維費用低，可明顯降低脫硫工藝的耗水量，對設備及粉煤灰品質影響較小等優點，一種低耗高效的脫硫廢水零排放技術，具有廣泛的推廣應用價值。
4由于該鍋爐空預器進出口的空間跨度滿意足旁路煙氣完全蒸發的要求，因此旁路煙道的入口取自一級省煤器入口。這會影響一級省煤器的換熱效果和機組煤耗。建議將旁路煙道入口設在空預器入口，盡量減少脫硫廢水煙道旁路蒸發對機組經濟性的影響。
5該脫硫廢水零排放系統脫硫廢水采用壓縮空氣霧化，增大了壓縮空氣的消耗量。該系統配有專用壓縮空氣系統，建議嘗試采用高質量防堵機械霧化噴頭，可節省壓縮空氣損耗量，減少電耗和設備占地面積，同時簡化系統工藝流程。
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