摘 要:阐述了火电厂湿法烟气脱硫装置中烟气加热器的运行特点,对脱硫装置采用湿烟囱排放的可行性和存在的问题进行了分析,对脱硫装置提出了改进措施。建议采用钛和钛铂合金复合板作烟囱内筒,可以降低烟气对烟囱的腐蚀,延长烟囱的使用寿命。
关键词:脱硫装置;烟气加热器;湿烟囱排放;腐蚀
目前,国内大型火力发电机组几乎都采用石灰石/石膏湿法脱硫,投资较大,一般占电厂投资的8%。大部分电厂脱硫装置选择的气-气加热器(即烟气加热装置ggh)的价格昂贵,约占整个脱硫设备投资的7%左右。自20世纪80年代中期以来,美国设计的大多数fgd已选择湿烟囱运行,省除了烟气加热装置,经济优势十分明显。近年,这种湿烟囱排放工艺在我国也得到了应用。
1 湿烟囱排放的可行性
目前,fgd工艺技术水平的烟气加热器对于减少洗涤器下游侧的冷凝物是有效的,对去除透过除雾器被烟气夹带过来的液滴和汇集在烟道壁上较大液滴的作用不大。因此,烟气加热器对于降低其下游侧设备腐蚀的作用有限。实际上,无论是洗涤器上游侧的降温换热器还是下游侧的加热器,其本身的腐蚀问题就很严重。据统计,美国大部分火电厂的fgd装置均未设置烟气换热器;德国采用的湿烟囱是将烟气直接排入双曲线冷却塔的水雾中,冷却塔的空气流量大约是烟气流量的20倍,将脱硫后的烟气通过冷却塔排放的德国电厂已超过15座,省去了建湿烟囱的投资,降低了烟气污染物的扩散能力。我国漳州后石电厂采用6套海水脱硫装置,不设置ggh,吸收塔出口的低温湿烟气经240 m高的钢制湿烟囱直接排放。此外,还有许多在建机组采用湿烟囱排放。
2 湿烟囱排放存在的问题
2.1 烟流扩散
为防止烟流下洗(downwash),要求烟囱出口烟气流速不宜低于该处风速的1. 5倍,一般为20~30 m/s,排烟温度在100℃以上[2]。由于烟流下洗会腐蚀烟囱的组件材料,减弱烟气的扩散,而且外烟囱直径过大,还会在其下风侧产生较大的低压区,因此,多烟道烟囱比单烟道烟囱发生烟流下洗的可能性较大。另外,湿烟囱排放的低温烟气升力较小,垂直扩散速度偏低,出现烟流下洗的可能性较大。湿烟囱的另一个问题是烟囱“降雨”(stackrain out),即烟气夹带的液滴形成的降雨通常发生在烟囱下风侧几百米内。
2.2 烟气的黑度
发电厂排放烟气的透明度主要受飞灰颗粒物、液滴和硫酸雾的影响,饱和热烟气离开烟囱后温度会急剧下降,形成水雾。这种含有较多水汽或其它结晶物质的白色烟气会降低烟气的黑度,使测得的黑度不能真实反映对大气污染的情况。
2.3 烟气升空高度对环境的影响
图1为脱硫前后烟气的升空高度与锅炉负荷关系示意图。由图1可知,脱硫后烟气升空高度降低约80 m。地面烟气最大浓度与污染物排放量成正比,与有效源高(烟囱几何高度+烟气升空高度)平方成反比。虽然脱硫后烟气升空高度降低,但脱硫后烟气中的污染物已大大减少,因而
不会造成更大的环境污染[1]。
图1 脱硫前后烟气升空高度与锅炉负荷关系示意图
2.4 对烟囱热应力的影响
烟囱热应力与烟气在烟囱内外温度差成正比,烟气在烟囱内外温差由脱硫前的114℃降低到脱硫后的59℃,烟囱热应力减小,对烟囱的安全运行有利[1]。
3 湿烟囱排放与脱硫装置的改进
3.1 除雾器
为了提高除雾器的除雾效率,除雾器端面与喷淋层应有适当的距离;除雾器端面烟气分布应尽量均匀;应选用临界速度高、透过夹带物少(小于50 mg/m3)、材料坚固、表面光滑的高性能除雾器;尽可能选择水平烟气流除雾器。为了保证除雾器可靠运行,应设置可靠的程控冲洗、压差监视、超温保护装置。
3.2 出口烟道
在烟道设计时,应尽量减少雨滴淤积,有利于冷凝液排往吸收塔或收集池;膨胀节和挡板不能布置在低位点,同时要设计排水设施,尽量减少烟气夹带液体,对烟道尽量采用外加强肋。如果烟气流速始终低于所用结构材料要求的临界流速,就可以最大限度减少夹带液体。对大多数出口烟道材料来说,重新夹带液体的烟气流速是12~30 m/s,内表面平整光滑、不连续结构少烟道的临界流速可取该范围的上限。增加烟囱出口烟气流速可以减少烟流下洗和增强扩散,因此,美国大部分火电厂在烟囱出口处装设调节门。对于有多个内烟道的烟囱,内烟道要比外烟囱高(相当于2倍内烟道直径),这样可以减少烟流下洗。
3.3 湿烟囱的结构材料
湿烟囱衬里材料能够防止湿烟气中腐蚀性液体和颗粒物对烟囱造成的损坏。对于结构材料不
适合湿态烟气运行的现有烟囱,必须选用合适的材料重新衬覆,即根据预测的腐蚀环境并兼顾最大限度地减少烟囱排水来选择材料。在湿烟囱系统设计时,要设置倾斜出口烟道、安装集水装置、提供尺寸合理的密封排水系统等。湿烟道和湿烟囱的内壁处于硫酸、亚硫酸、氯化物、氟化物的冷凝物和固形物等环境(ph=1~
2)中,遇到fgd故障而排放旁路烟气,遭受高温作用,因此,湿烟道和湿烟囱内壁不能采用frp、有机改性树脂衬复钢板等材料。而美国火电厂出于制造费用考虑,将耐酸砖作为燃煤电厂砌内烟囱的主要用材。目前,我国大型火电厂烟囱一般都选用高240 m、双钢内筒、多管式烟囱。外筒用钢筋混凝土,钢内筒采用自立式,选用耐硫酸露点用钢。外高桥电厂二期工程目前还未投入脱硫装置,烟囱采用双钢内筒多管式烟囱,其耐硫酸露点用钢10crmncu只能满足ggh加热到80℃的烟气排放要求,面临着机组投入脱硫装置时对烟囱进行改造的困难。外高桥电厂三期工程采用的脱硫方式目前还未确定,但已考虑采用两台炉合用1个钛钢内筒单管式烟囱。
4 结论及建议
随着除雾器、烟道、湿烟囱设计的改进和结构材料的发展,从技术和经济的角度来说,省却
ggh是可行的,而且湿烟囱fgd的总投资、运行和维护费用比装有ggh的fgd要低的多。
a.大型电厂大多采用湿法脱硫,烟囱中烟气湿度较大,温度偏低,烟气对烟囱的腐蚀应按强腐
蚀考虑。由于烟气脱硫后对烟囱的腐蚀是化学、物理和机械等因素迭加的复杂过程,建议设计时采用钛或钛铂合金钢复合板,烟囱内筒虽然一次性投资较大,但寿命为15~20年,能节约维修费用,降低停机造成的经济损失,可靠性较强。
b.对大型电厂湿法脱硫烟囱内筒的设计,应严格执行dijt5121-2000《火力发电厂烟煤粉管
道设计技术规程》,建议采用两台炉合用1个钛钢内筒单管式烟囱。
c.在满足能源政策、环保要求和气象条件允许情况下,尽量不装设ggh,采用湿烟囱排放。
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