湿法脱硫系统的节能降耗优化措施

程永新，胡玲玲

（中国电力工程顾问集团中南电力设计院，武汉430071）

湿法脱硫系统的节能降耗优化措施

程永新，胡玲玲

（中国电力工程顾问集团中南电力设计院，武汉430071）

从水耗、电耗、石灰石消耗等方面对火电机组脱硫系统能耗特性进行分析，提出工艺设计、设备选型及运行调整的优化措施，并结合某电厂660 MW机组湿法烟气脱硫系统进行案例分析及定量计算。同时提出其它节能降耗优化设计措施，从而降低脱硫系统的投资和运行成本，以最小的投入和消耗来满足环保的要求，可供类似工程设计参考。

湿法烟气脱硫；石灰石；低温省煤器；节能降耗；优化措施

0 引言

为确保燃煤发电厂SO2排放指标满足GB 13223-2011《火电厂大气污染物排放标准》的严格要求，大量湿法烟气脱硫系统随之投运。目前，火电机组脱硫主要采用FGD（石灰石-石膏湿法烟气脱硫）技术，在脱除SO2、改善环境的同时，也增加了能耗。因此，分析脱硫系统能耗特性、研究节能优化方法意义重大，符合我国“十二五”规划要求的节能降耗、促进经济可持续发展的政策方针。

目前，针对FGD系统的能耗特点及节能优化的研究主要是基于现场运行经验得出的部分定性结论。文献1—5介绍了FGD系统的研究情况，定性分析了FGD系统中影响烟气系统能耗的主要因素，并提出一些概括性的节能方法，但对FGD系统能耗特性的定量分析和详细的优化设计方案研究则较少。

本文以火电机组脱硫系统为研究对象，分析主要耗能设备的特性，从工艺设计、设备选型及运行调整等方面进行分析，提出相应的优化措施。同时，结合某发电厂660 MW火电机组的FGD系统，从节水、节电、节约石灰石等方面进行案例分析及定量计算，力求降低脱硫系统的投资及运行成本，对脱硫系统设计具有一定参考意义。

1 工程案例设计参数

某工程建设2×660 MW超超临界燃煤机组，采用石灰石-石膏湿法脱硫工艺，吸收塔采用单塔双循环技术，燃煤含硫量Sar为0.92%，设计脱硫效率为97.9%，满足烟囱出口SO2排放浓度小于50 mg/m3（标准状态）的要求。脱硫吸收塔进口的烟气参数如表1所示。

表1 脱硫吸收塔进口的烟气参数

2 脱硫系统水耗特点及节水措施

2.1 脱硫系统水耗特点

湿法脱硫工艺的缺点是耗水量相对较大，尤其是在北方缺水地区，成为制约电厂建设规模的主要因素之一。在电厂用水指标不断降低的情况下，如何降低FGD系统的耗水量显得至关重要。因此，有必要对FGD系统水量平衡进行分析。

根据质量守恒定律，FGD系统的工艺水量加上烟气带入的水量应等于烟气带出的水量、石膏副产品带离系统的附着水和结晶水量、排放废水量之和。当原烟气进入吸收塔时，烟气温度被浆液冷却到50℃左右，并释放大量的热量，同时脱硫反应也是放热反应，这两部分热量将会导致吸收塔浆液中的水分蒸发变成水蒸汽，随烟气经烟囱排入大气，这是脱硫系统主要的水耗所在[6]。

因此，降低脱硫系统蒸发水耗主要是要降低吸收塔入口烟气温度。措施之一是在吸收塔入口设置低温省煤器或脱硫系统安装GGH（气-气换热器）。有GGH的系统，其吸收塔蒸发水耗明显低于无GGH的脱硫系统。根据已投运脱硫系统的工程数据资料，单台300 MW和600 MW机组的脱硫系统有GGH时，系统蒸发水耗分别会降低约20～25 t/h和50 t/h[7]。但是，GGH在运行过程中也存在易堵塞、运行维护费用较高等问题，因此，在是否设置GGH的问题上，必须综合考虑降低水耗与脱硫系统稳定及经济运行的需要。本工程案例采用了取消GGH、在吸收塔入口设置低温省煤器的设计。

2.2 脱硫塔入口设置低温省煤器

低温省煤器布置在吸收塔入口，用凝结水冷却烟气温度，将烟气温度从约128℃降低到85℃，系统结构如图1所示。

经计算，安装低温省煤器后，单台机组可节水约49 t/h，按年利用5 500 h、水价3.1元/吨计，单台机组全年可节水约27万t、节省水费约83.7万元。

2.3 其它节水措施

通过对FGD系统的水平衡分析，要降低其水耗，降低吸收塔入口烟气温度是主要措施，但结合耗水量等其它影响因素，可同时考虑以下节水措施。

图1 低温省煤器方案系统结构

2.3.1 烟道和烟囱冷凝液的回收利用

携带饱和水蒸汽的净烟气经过烟道和烟囱时，烟温逐渐降低，烟气中的水蒸汽冷凝析出，一部分随烟气带出烟囱，另一部分则附着在烟道和烟囱壁上。饱和烟气的凝结水量可根据热平衡方法进行计算，案例中单台机组烟囱冷凝液水量约2.4 t/h。可在烟囱内筒设计液滴回收装置回收冷凝液，从而节约脱硫系统工艺水补水量。

2.3.2 提高脱水机脱水性能，减少石膏含水率

石膏结晶水是生成石膏晶体所必需的，也是无法节省的。目前FGD系统实际运行中，石膏的游离水含量约为10%，对于石膏中的游离水损失，可以通过提高真空皮带的脱水效率进一步降低。如案例中单台机组石膏产量约为15.9 t/h，其中石膏结晶水损失约3.3 t/h，石膏中的游离水损失约为1.6 t/h。若游离水含量控制在5%以内，则单台机组可节约水量约0.8 t/h。因此，当石膏含水率超标时，应及时调整石膏脱水系统运行情况[4]。

2.3.3 回收利用设备冷却水及冲洗水

本工程案例中，设备冷却水量约为2×30 t/h，可将设备冷却水、机封冲洗水回收至脱硫工艺水箱，循环使用。在脱硫系统设置集水坑，用于回收临时排放的浆液及管道冲洗水，并返回塔内利用，达到节水目的。

2.3.4 脱硫废水的综合利用

为保证脱硫系统内的浆液活性，控制氯离子和可溶性重金属离子含量，脱硫废水的排放是不可避免的。本工程脱硫系统最大废水排放量约为2×6 t/h。为了减少水的浪费，可考虑将处理后的脱硫废水用于灰场喷淋[8]。

3 脱硫系统电耗特点及节电措施

电耗作为脱硫项目最大的运行成本，是评价其系统是否经济合理的重要指标之一。FGD系统工艺设备中，风机、浆液循环泵、真空泵的能耗较大，其耗电量之和约占FGD系统总耗电量的80%。

3.1 取消脱硫增压风机，采用“二合一”风机

烟气系统设置脱硫增压风机一般有2种方案，方案一：增压风机与引风机合设；方案二：单设增压风机。2种方案的经济性比较分析见表2。

表2 风机优化经济性比较（单台机组）

从表2可知，方案一与方案二相比，单台机组可节约设备初投资费用110万元、年运行费用36万元。取消脱硫烟气旁路后，方案一优化了烟气流场，降低烟道阻力，减少电耗，降低运行费用，系统投资较低，提高了节能效果及运行经济性。方案二烟道布置复杂，系统投资及年运行费用较高[9-10]。因此，方案一在节能和经济性上具有明显优势。

3.2 降低浆液循环泵的运行电耗

为了达到97.9%的脱硫效率，本工程案例采用单塔双循环吸收塔，配3台浆液循环泵、3台塔外浆液循环泵。在进行浆液循环泵选型时，主要考虑如下优化措施：

（1）通过优化吸收塔塔型，对塔内浆液pH值、钙硫比及烟气流速等主要性能参数进行优化，使浆液循环泵选型最优。当采取降低吸收塔入口烟气温度措施后，在烟气质量流量不变的情况下，烟气温度越低，体积流量越小，在满足同样的脱硫效率的前提下，可减小液气比，以减少浆液循环泵的电耗。

（2）合理选择浆液循环管的管径，使流速不致过高，减少管道水力损失；在浆液循环管道滤网的设计方面，取较低的过网流速，一方面避免停泵时对滤网的损坏，另一方面又减少过网水力损失，进一步降低浆液循环泵扬程，从而减少浆液循环泵的运行电耗。

（3）根据不同煤种和负荷选择经济运行的方式。根据不同的机组负荷和燃煤含硫量调节喷淋层投运层数，在保证净烟气满足SO2最大允许排放浓度要求的前提下，当循环浆液裕量大于单台泵额定流量时，即可停运1台循环泵，从而实现减泵运行、降低循环泵能耗的目的。

通过上述优化措施后，浆液循环泵节省的能耗见表3，从表中可知，对吸收塔、浆液循环泵进行优化设计及合理配置后，单台机组浆液循环泵每年运行费用可以节省约68万元。

表3 浆液循环泵运行费用比较（单台机组）

3.3 优化石膏脱水系统设计

石膏脱水系统采用了2台真空皮带脱水机，每台处理能力为2台机组设计工况的100%容量。优化方案为：在石膏旋流器前设置浆液切换管道，旋流器下游设置石膏浆液分配器。当机组处于设计工况时，只需开启1台脱水机就可以处理2台机组的石膏量，省去了真空皮带脱水机与石膏旋流器之间的石膏浆液缓冲箱，简化系统，降低了能耗。

对石膏脱水系统进行优化设计及调整运行措施后，对能耗的影响比较见表4，从表中可知，优化后可节约年运行费用约39万元。

表4 石膏脱水系统运行费用比较（2台机组）

3.4 优化系统布置设计，降低烟道阻力

在方案设计中优化烟道截面尺寸、形式及烟道布置，合理选择烟气流速，尽量减少弯头数量，降低烟道阻力，节省电耗。在流速不变、烟道截面积相同的情况下，圆形烟道比矩形烟道的阻力小约18.5%，与方形烟道相比可节约钢材耗量50%。所以，在条件允许的前提下，采用圆形烟道是较为合理的节能降耗选择。

烟道弯头尽可能设计成缓转弯头，或者在急转弯头处加设导流板，这样可以大大降低系统阻力。同时，对各系统设备及管线进行优化布置，使弯头最少、管线最短，降低泵的扬程，达到降低电耗的目的。

3.5 部分设备采用电机变频控制

为了适应锅炉烟气量波动及SO2浓度变化，对石灰石供浆泵、石膏排出泵、除雾器冲洗水泵等设备建议采用变频设计，当系统低于设计负荷运行时，通过变频控制可以降低系统运行电耗。

4 脱硫系统石灰石消耗特点及节约措施

在湿法脱硫工艺中，石灰石和石灰被广泛使用，其中采用石灰石的约占总数的80%。虽然石灰活性较高，但从运行稳定性及经济性考虑，石灰石是比较理想的脱硫剂，在湿法工艺中应尽量采用石灰石作为脱硫剂[11]。

本工程案例浆液制备系统采用外购石灰石块，在厂内湿磨制浆，结合实际运行情况，提出以下优化方案。

4.1 控制石灰石粒径，提高石灰石纯度

对于以石灰石为脱硫剂的脱硫工艺，要求石灰石颗粒度越小越好，但石灰石的颗粒度越小，碾磨制浆的能耗就越高。因此，对于本工程的湿磨制浆系统而言，石灰石粒径按不大于20 mm考虑即可，从而可节约湿磨机电耗，降低运行成本[12]。

另外，石灰石的品质也是决定石灰石耗量的主要因素。在选用石灰石脱硫剂时，应尽量选用纯度不低于90%的石灰石，从根本上减少吸收剂的耗量。

4.2 优化吸收塔浆液pH值，合理选择钙硫比

浆液pH值对脱硫效率有重要影响。pH值越高，SO2向液膜主体扩散的速率越快，传质系数就越大，有利于促进SO2的吸收，但是容易造成浆液沉淀、堵塞系统。同时，石膏中的CaCO3质量分数也越高，相应增大了钙硫比，造成石灰石耗量的增加。pH值越小，浆液酸性越强，酸性气体SO2就越难被吸收，造成脱硫率下降。因此，确定合理的pH值控制范围就成为湿法脱硫系统工艺设计的关键所在[13]。

本工程案例中，脱硫吸收塔采用单塔双循环技术方案，如图2所示。烟气经过2级浆液循环，实现2次SO2脱除过程，2级循环分别设有独立的循环浆池及喷淋层。根据不同的功能，每级循环具有不同的运行参数。

图2 单塔双循环流程示意

烟气首先经过一级循环，该循环的脱硫效率一般在30%～70%，循环浆液pH值控制在4.6～5.0，浆液停留时间约5 min。此级循环的主要功能是保证亚硫酸钙氧化效果和充足的石膏结晶时间。经过一级循环的烟气直接进入二级循环，主要实现脱硫洗涤。由于不用考虑氧化结晶的问题，所以pH值可以控制在较高值，达到5.8～6.4，这样可以采用较低的液气比，大幅降低循环浆液量，从而也可以节约循环泵的能耗[14]。

综上所述，在保证脱硫系统出口SO2排放浓度在允许范围内的前提下，采取控制吸收塔浆液pH值、优化钙硫比、提高石灰石来料纯度等措施，可以降低石灰石耗量。通过优化调整后，经初步计算，单台机组石灰石平均消耗量减少0.86 t/h，石灰石按56元/吨计，则单台机组石灰石年消耗量节约4 730 t，节省费用约26.5万元。

5 结论

（1）吸收塔内水分蒸发是造成脱硫系统水耗高的主要因素。为此，在吸收塔入口设置低温省煤器降低烟温，同时，为实现脱硫系统节水，还可以采取其它节水措施，如：对冷凝液及设备冷却水、冲洗水进行系统内回收利用，提高脱水机脱水性能，减少石膏含水率，脱硫废水进行综合利用等。

（2）为节约脱硫系统电耗，可从风机、浆液循环泵及优化系统设计等方面采取措施，如：取消增压风机、采用“二合一”风机方案，对吸收塔、浆液循环泵进行优化设计及合理配置，对石膏脱水系统进行优化设计，对部分脱硫设备采用变频设计等。

（3）采取控制石灰石粒径及提高石灰石纯度、优化吸收塔浆液pH值、合理选择经济钙硫比等优化措施，节约石灰石消耗量，节省运行费用。

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（本文编辑：徐晗）

Optimization Design and Measures for Energy-saving and Consumption Reduction of Wet Flue Gas Desulphurization System

CHENG Yongxin，HU Lingling
（Central Southern China Electric Power Design Institute of China Power Engineering Consulting Group，Wuhan 430071，China）

This paper analyzes the energy consumption characteristics of desulphurization system in thermal power units in terms of consumption of water，energy，limestone etc；it puts forward design optimization measures for process design，equipment selection and adjustment of operation.Moreover，it combines the wet flue gas desulfurization system of 660 MW units in one power plant for case analysis and quantitative calculation. At the same time，the paper proposes other design optimization measures for energy-saving and consumption reduction so as to reduce investment and operation cost of desulfurization system to meet the requirement of environmental protection with minimum investment and consumption，providing references for similar engineering design.

wet flue gas desulfurization；limestone；low-temperature economizer；energy-saving and consumption reduction；optimization measures

TM621.27

：B

：1007-1881（2014）08-0035-05

2014-06-17

程永新（1981-），男，江西九江人，硕士，工程师，从事火力发电厂热机设计工作。