中电投远达环保工程有限公司 重庆 400000
摘要：为了预防“石膏雨”及其较强的腐蚀性对周边环境的影响，作为世界首台海拔最高的超超临界机组——西宁2×660MW火力发电机组的脱硫系统，经对吸收塔增设沸腾式传质构件，以降低烟气在塔内的流速；同时，采取调整除雾器的设计参数和结构型式，优先考虑屋脊式，并按两层设计，预留第三层除雾器的空间等措施，以达到“出口烟气含水率不大于50mg/Nm3(干基)”的目的。在1#机组性能检测中，有效的预防了“石膏雨”，显著的降低了出口粉尘数量。
关键词： 烟气脱硫装置；石膏雨除雾器；出口烟气；含水率；烟气流速
1、工程概述
西宁火电厂位于青海省湟中县北侧的西宁经济技术开发区甘河工业园西区内，厂址东距西宁市约35km。该发电厂内布置了2×660MW超超临界燃煤间接空冷机组，FGD脱硫及SCR脱硝设施同步建设，并留有扩建2台660MW超超临界燃煤机组设施的条件。该发电厂脱硫系统采用石灰石-石膏湿法脱硫工艺，不设换热器（gas gasheater，GGH）装置，直接将净烟气从烟囱排出，烟囱采用内衬防腐材料，形成“湿烟囱”排放的方案。该方案虽有效地避免了GGH的堵塞问题，但由于“湿烟囱”无烟气再热措施，排烟温度较低，吸收塔出口带有饱和水的净烟气在排出过程中与部分石膏粉尘冷凝形成液滴，自烟囱口排出后不能有效地抬升、扩散到大气中，导致净烟气不能迅速消散，特别是当地区温度、气压较低或在阴霾天气的时间段，烟气中携带的粉尘及液滴聚集在烟囱附近，落到地面形成“石膏雨”。石膏雨”酸性强，对电厂及周边环境产生污染，腐蚀现象严重。
由于该项目邻近西北地区藏传佛教的活动中心塔尔寺不足4Km，该寺为国家级文物保护重点单位，古建筑群落密集，文物古迹繁多。因此，从保护文物古迹和睦民族关系的角度出发，对脱硫设施的原有设计方案要求进行优化，尽可能降低出口粉尘颗粒的数量和浓度。
2、“石膏雨”产生的主要原因
“石膏雨”产生的主要原因包括：净烟气温度、烟囱烟气流速、塔内烟气流速及装置除雾器除雾效果、扩散条件（环境温度及相对湿度）、烟囱类型及防腐材料等。具体分析如下：
2.1、净烟气温度因素
当不设置GGH时，净烟气出口至烟囱排放过程中烟气处于饱和状态，在流经烟道和烟囱过程中，温度有3℃~5℃降低，饱和烟气变成过饱和，析出大量冷凝水（以抚顺2×300MW机组脱硫装置为例，若净烟气温度从排烟温度55℃降到50℃，则每小时析出冷凝液约93.5吨）。这些冷凝液一部分被烟囱底部收集装置收集，另一部分被高速流动的烟气带出烟囱，在烟囱附近落下形成“石膏雨”。
2.2、吸收塔内因素
脱硫装置净烟气中的含粉尘和石膏颗粒的液滴主要来源于吸收塔喷淋层喷嘴雾化后的细小液滴，液滴经过碰撞会形成直径在15μm左右的雾滴，而除雾器对直径大于22μm的液滴去除率为99.99%，对直径15~22μm的液滴去除率为50%，直径15μm以下的雾滴无法拦截，因此烟气中带有一定量的浆液是不可避免的。吸收塔内烟气流速不超过4m/s，除雾器流速一般不超过7.5m/s进行设计，电厂实际运行的烟气量超过设计值时，导致塔内流速超过设计流速，通过除雾器通道的烟气流速过高造成烟气二次带水，使得直径大于22μm的液滴去除率降低，从而除雾器效果将大大降低，甚至失效，大量含有粉尘和石膏颗粒的液滴将会随烟气被带入烟道，进入烟囱，形成净烟气带浆现象。
2.3、烟囱内烟气流速因素
含粉尘及石膏颗粒的液滴随烟气进入烟囱，烟囱内烟气流速高时，大量的液滴易被高速烟气带出烟囱，从而加剧“石膏雨”现象出现。图1和图2为直筒型烟囱内液滴速度分布图，由图可知，烟囱内液滴速度随烟气流速升高而增大，因此，当烟囱内烟气流速增加时，液滴随烟气排出烟囱的几率增大。
图3是不同速度下含粉尘和石膏颗粒的液滴随烟气排出烟囱的比例（即液滴逃逸率）变化曲线。由图可知，当烟囱内烟气流速在15m/s以下时，液滴逃逸率较低（3%以内）；当烟气流速增加至20m/s左右时，液滴逃逸率显著上升至30%~45%。烟气流速继续增加时，液滴逃逸率缓慢增加。因此，烟囱内烟气流速在目前烟囱的设计流速20m/s左右时，烟气流速的大小会显著影响“石膏雨”现象的程度。
图3：液滴逃逸率与烟囱内烟气流速的关系
（CFD模拟值）
2.4、烟囱结构及防腐形式因素
烟囱结构（直筒或锥筒）会影响烟囱内烟气流速，烟气出口烟气流速高有利于烟气抬升及扩散，但烟气流速过高超过酸液液膜撕裂的临界流速，烟囱内壁的冷凝液会被烟气冲刷带出，在烟囱附近落下，而该临界流速与内衬表面的粗糙度有关。另外，粗糙的防腐层表面易造成烟气携带的污染物附着，日积月累，形成较大的颗粒团，最终随烟气带出烟囱，形成“石膏”。
2.5、环境温度和相对湿度因素
烟囱出口烟气处于饱和状态，环境温度低和相对湿度大，当烟气在扩散过程中，温度进一步降低，冷凝液继续析出。烟气排出烟囱后与环境空气混合，环境空气对析出的冷凝液具备一定的受纳能力，温度越高，饱和湿空气含水量越大，即对冷凝液受纳能力较强，反之，则较弱。即在当外界环境温度低、相对湿度大时，烟囱排放出的烟气会急剧冷却而迅速过饱和，导致大量的冷凝液析出，环境空气不能受纳的冷凝液会在烟囱周边落下形成“石膏雨”。
3、“石膏雨”问题解决措施
对于取消GGH的烟气脱硫装置，“石膏雨”问题解决措施主要是控制塔内及烟囱内烟气流速，保证除雾器良好运行。结合西宁火电燃煤锅炉煤质较差的可能性，造成烟气量及烟气含尘浓度均远偏离设计值的现状，目前解决“石膏雨”问题最主要是加强煤质监控，保证煤质尽量稳定，符合或接近设计要求。在煤质条件波动较大时，对于新建电厂需采取如下措施，从而预防“石膏雨”现象发生；
1）吸收塔内烟气流速一般控制在3.8~4m/s，本工程吸收塔的烟气流速为3.5m/s，其吸收塔的流速远小于设计范围值,从而降低“石膏雨”现象发生的可能性。
2）尽管石膏雨的发生和系统烟气流量、烟气温度、烟气流速等关系更为密切，是个综合性问题，但在设计过程中，仍希望通过脱硫设备尤其是除雾器的选型从系统冗余上大幅降低其发生的可能,因此，将除雾器出口烟气含水率由总承包合同技术协议约定的“不大于75mg/Nm3(干基)”调整为“不大50mg/Nm3(干基)”，由此减少石膏雨发生的可能性。
经计算，设置2级及以上除雾器均可满足出口烟气含水率＜50mg/Nm3(干基)。但是，如果除雾器的级数超过2级，则预留加装第三级除雾器的空间将被耗去而不再有预留空间(系统的扩张/升级性能大大降低)，或者(保持预留加装空间)增加吸收塔塔身高度以容纳增加的除雾器。若采取增加塔身高度则带来的系列后果可能有：1)因为吸收塔重量的增加需要加固基础、2)运行水耗大幅增加、3)塔身造价增加、4)除雾器造价增加、5)电/气动阀门及相关管线增加、6)维护工作量增加…。故保持除雾器2级并预留加装空间的原始方案不变，通过调整除雾器的设计参数和结构型式来到达出口烟气含水率＜50mg/Nm3(干基)的目的。因此，在除雾器选型时，采用全球知名的厂商——蒙特斯(Munters)空气处理设备(北京)有限公司的屋脊式除雾器，并按两层设计，保证在整个吸收塔截面均匀布置，并预留第三层除雾器的空间。从而提高除雾效果。
3）烟囱内筒选用直筒+出口收缩型式，可降低烟囱内烟气流速，避免液滴被高速烟气带出；同时，出口收缩可提高烟囱出口烟气流速便于烟气扩散。另外，烟囱内径设计中还考虑了湿烟囱内烟气流速控制，从而避免大量含粉尘和石膏的液滴随高速烟气排出烟囱。
4、运行状况
经过上述的设计优化，并提高了出口粉尘浓度参数后，西宁火电厂1#机组于2015年12月30日顺利通过168小时试运行，脱硫效率达到99.2%，SO2排放值平均仅9.5 mg/Nm3，各项指标均优于设计指标，具体如下：
5、结语
通过西宁火电厂1#超超临界燃煤间接空冷机组脱硫装置168试运行期间出口参数可以看出：针对在高海拔、低气压地区的火力发电厂，完全可以采取对吸收塔内流速裕量、除雾器类型优选及设计裕量、烟囱型式优选和流速等方面的控制，以及对除雾器等脱硫设备进行改造升级，完全可以有效达到预防“石膏雨”、降低粉尘浓度的目的。
参考文献
[1]郭程程、李娜，火电厂石膏雨治理方案的研究与应用[J]. 电力科技与环保，第2期（2013）
[2]赵玉成，石灰石石膏法烟气脱硫技术在大气污染治理中的应用[J].新疆化工，第2期（2011）
[3]陈龙，石灰石—石膏湿法脱硫“石膏雨”现象分析及其治理措施探究[J].《工业技术》第2期（2014）
作者简介：金铭（1973.10—），男，重庆人，高级工程师，长期从事燃煤电厂的烟气治理研究与施工
论文作者:金铭,张继超
论文发表刊物:《电力技术》2016年第5期
论文发表时间:2016/10/15
标签：烟气论文; 烟囱论文; 流速论文; 石膏论文; 粉尘论文; 吸收塔论文; 西宁论文; 《电力技术》2016年第5期论文;