（环境工程专业论文）湿式石灰石—石膏法烟气脱硫系统仿真设计的研究.pdf

华北电力大学硕士论文目录 摘要 论文致力于湿式石灰石石膏法烟气脱硫系统的仿真研究，基于不同工况的要求，建 立了一系列的仿真数学模型；设计并开发了湿式石灰石石膏法烟气脱硫系统的仿真软 件；所开发的软件生成可执行文件，能够脱离开发环境在w i n d o w s 系统下独立运行， 既可以用于教学培训，又可用于科学研究，还可以由留有的接口进一步开发成产品应 用于实际。 关键词：湿式石灰石一石膏法，脱硫，省却g g h ，仿真 a b s t r a c t t h et h e s i sh a m m e r e da tt h es t u d yo ns i m u l a t i o nf o rw e tl i m e s t o n e - g y p s u mf l u e - g a s s y s t e m b a s i n go nd i f f e r e n tw o r k i n gs i t u a t i o n s ，as e r i e so fm a t h e m a t i cm o d e l sf o rs i m u l a t i o n w e r ee s t a b l i s h e d s i m u l a t i o ns o r w a r ew e r e d e s i g n e da n de m p o l d e r e df o rw e t l i m e s t o n e g y p s u mf l u e g a ss y s t e m l i m e f u n c t i o n so fd i s t r i b u t e d c o n t r o l l i n gw e r e e l e m e n t a r i l yr e a l i z e d t h ee m p o l d e r c ds o f t w a r ec o u l dr u ni n d e p e n d e n t l yo nw i n d o w so u to f e m p o l d e r i n gc i r c u m s t a n c e s 。i tc a nb eu s e df o rt e a c h i n ga n ds t u d y i n g h u iy u a n f e n g ( e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f h uz h i g u a n g k e yw o r d s ：w e tl i m e s t o n e g y p s u m ，d e s u l f u r i z a t i o n ，w i p eo f fg g h ， s i m u l a t i o n 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文湿式石灰石一石膏法烟气脱硫系统仿 真设计的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究 工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在 论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：日期： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期： 导师签名：垄盈志壶 e l 期：丑：f ：竺 华北电力大学硕士论文 1 1 课题背景及意义 第一章引言 我国的大气污染属煤烟型污染，中国工程院的研究显示，我国二氧化硫和二氧 化碳排放量的8 5 ，烟尘7 0 均来自燃煤。据统计，大气污染造成的经济损失占 g d p 的3 7 ，如不能得到有效控制，到2 0 2 0 年，仅燃煤污染导致的疾病需付出 的经济代价将达到3 9 0 0 亿美元。由于经济方面的原因，我国二氧化硫的排放一直 处于失控状态，排放量呈逐年上升趋势，酸雨面积逐年扩大。二氧化硫污染主要是 由工业生产造成的，约占8 0 ，而电力工业又是工业中的排放大户。到2 0 0 3 年底， 我国火电装机容量达到2 9 亿千瓦，排放的二氧化硫量高达i 0 0 0 万吨，并且继续 呈上升趋势，预计到“十一五”末达到最高值1 2 0 0 万吨，以后开始逐步下降，到 2 0 2 0 年，火电厂二氧化硫排放将得到有效控制，年排放量可控制在9 0 0 万吨以内。 到2 0 0 3 年底，我国投产及在建的脱硫装机容量约2 0 0 0 万千瓦，其中建成及投运的 约1 0 0 0 万千瓦。主要的脱硫技术是湿式石灰石一石膏法。国家和各级地方政府正 在大力推进二氧化硫的治理工作，新建的电厂都要求上脱硫装置，根据有关规划内 容，未来1 0 年将是我国烟气脱硫事业蓬勃发展的最佳时期，将有超千亿元资金投 向f g d 。新世纪将是我国二氧化硫治理发展的黄金时期。 本课题主要是针对湿式石灰石一石膏法烟气脱硫系统进行仿真设计。湿式石灰 石一石膏法烟气脱硫工艺技术比较成熟、脱硫效率高、吸收剂价廉易得、煤种适应 范围宽、能满足大机组烟气脱硫要求、脱硫副产品可资源化，并有较大幅度降低工 程造价的可能性等优点。结合技术、经济性等因素论证了燃煤电厂湿法脱硫装置加 装和去掉g g h 的利与弊，提出了燃煤电厂湿法脱硫装置去掉g g h 的可行性。根据 各烟气脱硫的原始数据资料，进行仿真分析，确定脱硫设备的规模和处理工艺，并 进行总体布置、设计、计算、绘图等，绘图使用a u t o c a d 设计，可大大减少设计 人员重复和繁琐性的工作，提高了设计的工作效率，缩短了设计周期。我国目前尚 未实现烟气脱硫装置( f g d ) 的国产化，仍未掌握烟气脱硫技术的核心技术，引进 这些烟气脱硫设备的投资及运行费用极为昂贵( 技术使用费一般要占到总费用的1 0 以上) ，且不完全适应国情，直接用其成果存在诸多的问题，将会增加f g d 装置 的造价和运行成本，不是我国广大燃煤用户所能承受的。另外由于不可能获得软件 背后的数据库，使得经验收集一数据库一工程实践一经验积累一技术升级一实证检 验的技术升级循环无法展开，无法为用户提供长期的升级服务。自行开发又不可能 再走长期积累、大量试验的路。必须另辟蹊径。随着计算机技术的飞速发展，用仿 真方法模拟烟气脱硫除尘过程，从而解决这类设计问题，已成为一个重要发展趋势。 华北电力大学硕士论文 1 2 仿真技术篱余 。2 1 计算貔仿真技术 计算机仿真是指通过建立系统的数学模型并在计算机上进行解算的过程。即先 对冀实熬或理论上的秘壤系统进纷建模，然轰在数字诗算枧上运行该模型，最露霉 对所获得的结果进行分析。计算机仿真包括3 个基本蒙素，即系统、模型与计算机； 联系鬻它们的三项基本活动是：模型建立、仿真模溅建立和仿真试验。也就是说， 诗舅褫铸奏鹣过程就是建立模登、运行模麓和分褥模鍪熬过程l 矧。 仿真技术集成了当代科学技术中多种现代化顶尖手段，砸在极大地扩展着人类 静巍努、黠殴帮能力，在辩学技零领域产裳羞日蕊薰要懿露溺。隧惹计算撬软，硬 件技术及其它辅助设施的快速发展，计算机仿真技术也取得了巨大进步。尤其是在 2 0 世纪8 0 年代厢期，计算机仿真无论是在虑用领域，还是在仿真对象、仿真框架、 蕊冀瓣戆及傍褰获释等方嚣蒸发象了十分震大静转变。这静转交+ 分秘显逢说鞠： 计算机仿真已缀进入了一个崭新的发展阶段，它的熏要性与特殊功效融越来越突出 1 3 一。 1 2 2 计算机仿真技术的分类 剩燕诗算魂蕊寞鼓零，人爨霉戳棂豢琴蘑茨鬟器获褥苓嚣屡次豹傍奏效鬃。蔹 据计算机仿真技术所能达到的仿真效果不同，可以将计算机仿真技术分为三个方 面；数值仿真、可视化仿真和虚拟现实仿窦。在计算机仿真技术发展的初期，计算 视仿真主要还怒停留在传统的数值仿真静簇础上。筲视纯仿真、虚撅现实仿真本质 上也是充分利用了数值仿真技术，但它们又超越了传统的数值仿真。可视化仿舆是 在数馕德宾疆骞不繇完簧瓣基磷上，翻雳霹撬证豹罄本原理将鹫形、鬻缘技本孳| 入 到仿真的过程中来。虚拟现实仿真技术源于可视化，是一种多维信息的人机界面。 因此，如果把数值仿真看作怒一个由爽到虚鲍避程，可视化仿真则是一个瞻虚 刭实的过程，褥虚叛现实仿真剜包含了遮两个方瑟。计算视仿真技术嬲数值仿真到 可视化仿真、廉拟现实仿真的发展，使计算机仿真技术在精确高效的熬础上更加形 象、釜魂。诗簿凝接奏按寒不秀仅仅是撵转统意义上妻每数壤傍奏技拳，它将藏警高 新技术的发展而不断得到新的补充和完善。 1 。2 3 讨算钒仿真的一般过程 计算机仿真概括的说是一个“建模一灾验一分析”的过程，是在研究系统过程 中根攥相似原壤，剥震计算机来遥粪模拟壤究对象瓣过程f 4 】。 其一般过程分为 ；l 下几个方面：【5 1 2 华北电力大学硕士论文 ( 1 )描述仿真问题，明确仿真目的； ( 2 )项目计划、方案设计与系统定义。根据仿真目的确定相应的仿真结 构，确定相应仿真系统的边界条件与约束条件； ( 3 )数学建模。根据系统的先验知识、实验数据及其机理研究，按照物 理原理或者采取系统辨识的方法，确定模型的类型、结构及参数： ( 4 )仿真建模。根据数学模型的形式、计算机类型、采用的高级语言或 其他的仿真工具，将数学模型转换成能在计算机上运行的程序或其他模型，也 即获得系统的仿真模型： ( 5 )试验。设定实验环境和初始条件，进行实验，并记录数据； ( 6 )仿真结果分析。根据实验要求和仿真目的，对实验结果进行分析处 理，根据分析结果修正数学模型、仿真模型或仿真程序或者修正原型系统，以 进行新的实验，使仿真与实际系统一致。 1 2 4 仿真技术在火电厂中的应用 出于安全的考虑，仿真技术在电站的应用开始于核电站，然后推广到常规电站， 并从简单的到高级的培训型仿真装置向较高级的研究型仿真装置发展。 培训型仿真装置主要用于运行人员的培训。它不仅可以进行现场所有的启停和 运行操作训练，还可以做现场不可能进行的事故演习和操作实验，分析事故和电厂 的运行经济性。研究型仿真装置主要用于对电站设备运行进行分析和开发研究，由 于可以进行设计、运行、试验、优化以至于管理方面的试验研究工作，从而节省时 间和经费，而且不受现场各种条件的约束，对旧设备的改造和新设备的研发，保证 电厂安全生产和提高运行经济性，提高电厂的自动化水平有很大的意义。 1 3 主要研究内容 1 3 1 建立仿真数学模型 依据仿真对象具体工艺进行总体简化和设计，确定2 1 2 5 m w 火电厂烟气脱硫 系统的主要影响参数和控制参数，建立数学模型如下： 1 原烟气参数模型 包括进入原烟气的烟气量，原烟气s 0 2 含量，原烟气中0 2 含量，原烟气中h c i 含量，原烟气中粉尘含量，吸收塔前的烟气的温度一系列的模型，使仿真研究可以 适应不同的工况。 2 石灰石粉及浆液模型 包括系统石灰石粉的纯度，吸收塔中浆液的p h 值，石灰石浆液的密度，石灰 石浆液的流量( 开环) ，石灰石浆液的流量( 闭环) ，石灰石浆液阀开度一系列模 华北电力大学硕士论文 型。 3 脱硫吸收塔参数模型 包括脱硫吸收塔浆池液面高度、液气比( l ，g ) 模型。 4 出口净烟气模型 包括出口净烟气s 0 2 含量，烟气中0 2 含量，烟气中h c l 含量。烟气中粉尘含 量，s 0 2 的脱出效率模型。 1 3 2 仿真控制软件的设计和开发 仿真控制软件是脱硫工艺研究的主要内容。将所建立的仿真数学模型用计算机 语言解析成计算机能识别的各种指令，完成各种控制功能。在软件中，仿真界面占 有相当重要的位置，所有的仿真成果最终都要通过界面的显示才能表现出来。建立 的仿真界面主要有：仿真系统主控界面、系统流程界面、烟气流程界面、脱硫塔界 面、系统参数界面、烟气参数界面、脱硫塔参数界面、入口s 0 2 浓度曲线显示界面、 出口s 0 2 浓度曲线显示界面、脱硫效率曲线显示界面等。 仿真软件以v i s u a lb a s i c6 0 为开发工具，开发的最终仿真软件尽量做到功能完 善，以可安装的应用软件形式出现，可以完全脱离v b 开发环境，在w i n d o w s 操作 系统下独立运行。 1 3 3 仿真实验与分析 通过仿真实验取得不同工况下的仿真数据。将实验数据与实际情况进行分析比 较，修正仿真模型及软件，直到取得满意的效果。并通过仿真实验的结果对脱硫工 艺和控制系统进行研究和改进。 由于条件所限，本文建立的仿真模型和开发的软件仍需进一步完善。但是，所 开发的仿真软件对于电厂湿式石灰石一石膏法脱硫系统研究工作具有重要意义。 4 华北电力大学硕士论文 第二章湿式石灰式石膏法简述 本课题的主要研究对象是湿式石灰石石膏法【q ，在该工艺中，石灰石浆液与烟气中 s 0 2 反应，反应产物硫酸钙在浆液中沉淀下来，经分离后既可抛弃也可以石膏形式回收。 目前的系统大多采用了大处理量吸收塔，2 x1 2 5 m w 机组用一个吸收塔即可，从而节 省了投资和运行费用；系统的运行可靠性己达9 9 以上。 2 1 国内外脱硫工艺发展历史和现状 2 1 1 国内脱硫工艺发展历史和现状 如表2 1 所示国内脱硫工艺发展历史和现状 表2 1 国内脱硫工艺发展历史和现状 开发时间脱硫技术地点备注 1 9 7 4 1 9 7 6 年湿式石灰石一石 上海闸北电厂因结垢、腐蚀等问 膏法 烟气量题试运行后即停 2 5 0 0 m 3 l l ( 标准状运 态下) 1 9 8 4 1 9 9 0旋转喷雾干燥烟 四川白马电厂钙硫比为1 4 气脱硫工艺 烟气1 7 时，脱硫效率 量5 0 0 0 一达8 0 ，完成中 7 0 0 0 m ( 标准状试，目前已停运 态下) 8 0 年代磷铵肥法 烟气量四川豆坝电厂中试脱硫效率可 5 0 0 0 m 3 m ( 标准状达9 5 ，已停运 态下) 9 0 年代文丘里水膜除尘贵阳发电厂、江西南京电力环保所， 简易脱硫贵溪铜厂6 0 7 0 脱硫 塞 9 0 年代后新型干法、半干法全国各地脱硫效率5 0 如c f b f o d 、d c l9 0 ，在推广 固硫剂等技术 华北电力大学硕士论文 2 1 2 国外f g d 技术在国内的应用 如表2 2 所示国外f g d 技术在国内的应用 表2 2 国外f c , d 技术在国内的应用 f g d 技术用户机组容量( 唧) 设计脱硫投运时间f g d 技术来源 烟气量 m 3 h ( 标率( ) 准状态下) 石灰石重庆华能2 ( 2 3 6 0 ) 49 5 8 0 1 9 9 2 日本三菱重 ( 石灰) 珞璜电厂 1 0 8 7 2 0 01 9 9 3 - c 石膏湿法i 、u 期 1 9 9 9 2 0 0 0 重庆长寿 3 5 t h 6 1 0 0 07 01 9 9 5 日本千代田 化工厂 太原第一2 0 0 6 0 0 0 0 0 8 01 9 9 6 3日本日立 热电厂 杭州半山2 1 2 5 1 2 3 0 0 0 09 5 72 0 0 1 3德国 电厂s t e i n m u ll e r 国华北京 2 x 9 52 0 0 1 德国 第一热电 4 1 0 t h l1 0 0 0 0 0s t e i n m u ll e t 厂i 期 重庆电厂 2 2 0 0 1 9 6 0 0 0 09 5 72 0 0 1 德国 s t e i n m u l l e r 广东连州 2 1 2 5 1 0 9 0 0 0 08 12 0 0 0 1 2奥地利a e 公 电厂 司 江苏扬州2 0 0 9 7 5 0 0 0 8 02 0 0 2日本川崎重 发电厂 7 - 北京京能2 0 0 9 1 9 5 2 3 9 5 2 0 0 2国电龙源 热电厂( f b e 技术) 贵州安顺2 3 0 0 2 9 02 0 0 3日本川崎重 电厂 1 2 5 6 6 8 2t 浙江钱清1 2 5 5 5 0 0 0 0 9 02 0 0 3 7浙江省电力 电厂设计院( 美国 b w 技术) 6 华北电力大学硕士论文 国华北京 2 9 52 0 0 3 7国电龙源 第一热电 4 1 0 t h 1 1 0 0 0 0 0( f b e 技术) 厂i i 期 山东黄台 2 x 3 0 0 -9 52 0 0 3 、2 0 0 4国电龙源 厂( f b e 技术) 江苏夏港2 x 1 3 5 -9 52 0 0 3 、2 0 0 4国电龙源 电厂 ( f b e 技术) 广东瑞明 2 x1 2 5 1 0 8 1 0 0 09 0 2 0 0 3 1 0广东省电力 电厂设计院( h e 公司技术) 太原第二 1 2 0 0 8 0 6 0 5 99 02 0 0 3 年底武汉凯迪( a e 热电厂技术) 江苏镇江 2 1 3 5 -9 52 0 0 4 年初武汉凯迪( 美 电厂国b w 技术) 电子束四川成都 2 0 0 3 0 0 0 0 08 01 9 9 6 1 0 日本荏原 热电厂 荷电干式杭州钢铁3 5 t h 6 0 0 0 07 0 1 9 9 7 美国a i a n c o 喷射脱硫集团 山东德州 7 5 t h 1 0 0 0 0 07 01 9 9 5 电厂 广州造纸2 5 0 2 x7 52 0 0 0 厂 2 3 0 0 0 0 海水脱硫深圳西部 3 0 0 11 0 0 0 0 09 01 9 9 8挪威a b b 公司 电力公司 福建后石2 6 0 0 2 x 9 01 9 9 9 日本富士化 电厂 5 4 3 6 0 02 0 0 0水株式会社 l i f a c 法南京下关 2 x1 2 5 2 x 7 51 9 9 8 芬兰 电厂 5 4 3 6 0 01 9 9 9 t e m p e ll a 公 司 烟气循环广州恒运2 1 0 7 8 3 4 0 0 8 52 0 0 2 1 0武汉凯迪( 德 硫化床电厂国w u l f f 公司 技术) 旋转喷雾山东黄岛2 0 0 3 0 0 0 0 0 7 01 9 9 4日本三菱重 干燥电厂 t 7 华北电力大学硕士论文 尽管我国对国际上现有的f g d 技术的主要类型都进行了各种试验研究，并且自 主开发了一些新技术，但是大部分尚停留在小试或中试阶段，有的技术虽已有工业 性试验，但都局限于容量较小的锅炉上，在5 0 m w 以上的电站锅炉上很少得到应用。 目前在火电厂大型机组f g d 技术上，我国采取了联合设计、引进技术等方式，正逐 步掌握设计参数、主设备选用、工艺系统设计等关键技术，到2 0 0 5 年能独立完成燃 煤电厂2 0 0 m w 及以上机组烟气脱硫工艺的设计能力。 经济的快速发展必然消耗大量能源，不同的能源消耗会产生不同的环境问题， 火电带来的主要是大气污染问题，特别是s 0 2 和酸雨污染。 2 2 典型湿法f g d 工艺流程 典型石灰石石膏湿法烟气脱硫系统原则上由下列系统构成：由石灰石粉仓和 石灰石研磨及测量站构成的石灰石制备系统；由升压风机、回转式气气热交换器和 烟气挡板门等构成的烟气系统；由吸收塔、除雾器、循环浆泵和氧化风机等设备组 成的二氧化硫吸收系统：由水力旋流分离器、过虑皮带机和废水旋流站等组成的石 膏脱水和处理系统；由工艺水和压缩空气系统构成的f g d 公用系统；控制系统；电 气系统。 从电厂锅炉来的原烟气，分别由烟道引至f g d 系统。经过原烟气挡板后进入升 压风机，烟气升压后进入g g h 。原烟气的热量在g g h 中被交换。在典型运行工况下， 原烟气的温度由1 4 0 c 降至1 0 0 左右，冷却了的原烟气进入吸收塔进行脱硫反应。 吸收塔一般为喷淋空塔，玻璃鳞片内衬，内设若干层喷淋层，烟气自g g h 出来进入 吸收塔，9 0 0 折向朝上流动，与自若干层喷淋而下的浆液进行大液气比接触以脱除其 中的s o 。原烟气温度进一步降低至饱和温度4 7 。每层喷淋层对应一台循环浆泵， 喷淋层上部布置二级内置式除雾器，保证冷烟气中残余水分一般不能超过1 0 0 m g ，m ( 千态) 。在吸收塔内，烟气中的s 0 2 被吸收浆液洗涤并与浆液中的c a c 0 3 发生反应， 反应生成的亚硫酸钙在吸收塔底部的循环浆池内被氧化风机鼓入的空气强制氧化， 最终生成石膏，石膏浆液由石膏排出泵排出，送入石膏处理系统脱水。典型流程如 图2 1 ： 8 华北电力大学硕士论文 2 - - 1 典型石灰石石膏湿法烟气脱硫装置的工艺流程 1 一锅炉：2 一电除尘器；3 一待净化烟气；4 一净化烟气；5 一g g h ；6 一吸收塔； 7 一持液槽；8 一除雾器；9 一氧化空气：1 0 一工艺水；l i 一粉状石灰石；1 2 一工艺水； 1 3 一粉状石灰石储仓；1 4 - - 石灰石中和剂储仓：1 5 一水力旋流分离器；1 6 一皮带过滤机； 1 7 一中间储箱；1 8 一溢流储仓；1 9 一维修用塔槽储箱；2 0 一石膏储箱；2 l 一溢流废水； 2 2 - - 石膏 2 3 化学原理 该工艺使用氧化钙( c a 0 ) 或碳酸钙( c a c 0 3 ) 浆液在湿式洗涤塔中吸收s 0 2 由于在吸收塔内进行的化学反应非常复杂，至今还不完全清楚具体的化学反应过 程，主要发生如下反应： 水的离解：h 2 0 一矿+ o h s 0 2 的吸收：s 0 2 ( g ) s 0 2 ( a q ) s 0 2 ( a q ) + h 2 0 矿+ h s 0 3 h s 0 3 埘年s 0 3 1 固体c a c 0 , f q 溶解：c a c 0 3 ( s ) - - + c a 2 + + c 0 3 2 c 0 3 2 - + r _ h c 0 3 9 华北电力大学硕士论文 h c 0 3 + 壬r _ h , c , - c 0 2 c a q ) c 0 2 ( a q ) 2 c 0 2 ( g ) 在有氧气存在时，h s o 的氧化：h s 0 3 + 妻0 2 一矿+ s o l 2 一 h + + s 0 4 2 - - - * h s o i c a s 0 3 和c a s 0 4 的结晶：c a 2 + + s o ，2 一+ _ 1 1h 2 0 - - * c a s 0 3 去h 2 0 ( s ) 二 c a 2 + - - s 0 4 2 一+ 2 h 2 0 - - , c a s 0 4 2 h 2 0 ( s ) 当然还有其他反应，例如s 0 3 、h c i 、h f 与c a c 0 3 反应，生成石膏、c a c l 2 或c a f 2 。 由以上的反应机理可以看出，在c a c 0 3 吸收s 0 2 的过程中，h + 离子起着重要 的作用，因此吸收s 0 2 的过程中平衡时的h + 离子浓度或p h 值是一个重要的参数。 2 4 典型湿法f g d 分系统介绍 2 4 1 石灰石制粉系统 石灰石脱硫制粉系统的任务是为脱硫系统提供足够数量和符合质量要求的石 灰石粉，然后由制浆系统将石灰石粉与水配制成3 0 浓度的浆液，通过石灰石浆泵 和管道送入脱硫岛的吸收系统。石灰石粉制备系统按电厂全部机组消耗量设计，一 般采用干法石灰石粉制备方案。 2 4 2 烟气系统 典型石灰石石膏湿法烟气脱硫系统的烟气系统采用将升压风机布置在吸收塔 上游烟气侧运行的方案，使整个f g d 系统均为正压操作，同时避免升压风机可能受 到的低温烟气的腐蚀，从而保证了升压风机以及整令f g d 系统安全长寿运行，但此 方案的烟气有效体积流量最大，升压风机的功耗量最大。 在锅炉电除尘器后，有两个通道供烟气流动。一个是f g d 烟气通道，有进口和 出口两个烟气挡板；另一个是f g d 旁路挡板。f g d 进出口挡板的原烟气，分别由烟 道引至f g d 系统，f g d 系统运行时，旁路挡板关闭，f g d 进出口挡板打开，原烟气 被导入增压风机，烟气升压后进入g g h 。原烟气的热量在g g h 中被交换。在典型设 计工况下，其温度由1 4 0 降至1 0 0 左右，冷却了的原烟气进入吸收塔进行脱硫反 应。在吸收塔内原烟气与石灰石浆液充分接触反应脱除其中的s 0 2 ，原烟气温度进 一步降低至饱和温度4 7 。脱硫后的净烟气经过除雾器，返回g g h ，被加热后温度 升至8 0 以上后经过干净烟气烟道、净烟气挡板和烟囱排放到大气中。 典型湿法f o d 的烟气系统主要设备包括烟气挡板门、增压风机和g g h 等。 1 0 华北电力大学硕士论文 2 4 3s 0 2 吸收系统 s 0 2 吸收系统是烟气脱硫系统的核心。在吸收塔内，烟气中的s 0 2 被吸收浆液 洗涤并与浆液中的c a c 0 3 发生反应，反应生成的亚硫酸钙在吸收塔底部的持液槽内 被氧化风机鼓入的空气强制氧化，最终生成石膏，石膏由石膏浆排出泵排出，进入 石膏处理系统脱水。烟气从吸收塔出来后，经过二级除雾器，以除去脱硫后烟气夹 带的细小液滴，使烟气在含雾量低于1 0 0 m g m 3 ( 标况，干态) 下排出。吸收塔排气 挡板目的是为了消除在吸收塔氧化风机还在运行对或停运后冷却下来时产生的与 大气的压差。 s 0 2 吸收系统主要由五部分组成：吸收区域、循环浆液泵、持液槽、除雾器和 氧化系统。 2 。4 4 石膏脱水系统 在吸收塔持液槽中石膏不断产生，为了使浆液密度在计划的运行范围内，将石 膏浆液( 1 5 2 0 固体含量) 通过石膏浆液泵将其打入脱水站。该站包括一个水 力旋流器及浆液分配器，在这里将石膏浆液中的水分部分予以脱除，使底流石膏固 体含量达5 0 。在水力旋流器中，石膏浆液流进一个圆柱箱中，并由此流到敞开的 各个旋流子中，在此处根据入口压力的大小，可将石膏输送至旋流器的底流，将虑 液( 即石膏浆液的含水部分) 送入石膏水力旋流器上部的溢流箱内。通过一个分配 器，流入各个旋流器底流的石膏或送至真空皮带过滤机进一步脱水至含水1 0 ，或 者再循环回到吸收塔中。旋流器的溢流被输送到废水旋流站进一步分离处理。 石膏脱水系统的主要子系统有：吸收塔排出泵系统、旋流器站( 一级脱水系统) 、 真空皮带过滤机( 二级脱水系统) 和废水旋流站。 2 4 5f g d 公用系统 f g d 公用系统主要由工艺水和压缩空气系统构成。一般一塔设有一个工艺水 箱，而工艺水箱配两台工艺水泵( 1 用1 备) 和一台事故冲洗水泵。在f g d 装置中， 水的损耗主要用于石膏附带水分和结晶水以及蒸发水。这些损耗通过输入新鲜的工 艺水来补偿。工艺水还主要用来清洗吸收塔除雾器，同时液用作冲洗水来清洗所有 输送浆液管道，这些管道包括石灰石浆液系统、排放系统、石膏抽吸管道、吸收塔 循环管道以及换热器等。f g d 装置所用的工艺水来源于电厂主体工程的工业水系统。 事故冲洗水泵接电厂保安电源，当全厂断电时，启用事故冲洗水泵对设备和管道进 行冲洗。 f g d 系统所需要的仪表和杂用气一般来自电厂压缩空气系统，并分别设置仪表 华北电力大学硕士论文 用气和检修用气的储气罐。仪表气输送至i j f g d 装置区内的各个气动阀和气动控制阀， 还用作石灰石浆液箱区的密封气以及清洗净烟气烟道上的净烟气流量测量装置和 分析装置的冲洗气。杂用气主要用于换热器吹扫和设备检修。 2 4 6 控制系统 为使脱硫控制系统达到与单元组水平相适应，提高整套f g d 系统的安全性和可 靠性，湿式石灰石石膏f g d 系统一般采用分散控制系统( d c s ) 进行监视和控制， 通过d c s 控制，一般要做到以下几点： 在机组正常运行工况下，对脱硫装置的运行参数和设备的运行状态进行有效的 监视和控制，并能够自动维持s o 。等污染物的排放总量及排放浓度在正常范围内， 以满足环保要求； 机组出现异常或脱硫工艺系统出现非正常工况时，能按预定的顺序进行处理， 使脱硫系统与相应的事故状态相适应； 出现危及单元机组运行以及脱硫工艺系统运行的工况时，能自动进行系统的连 锁保护，停止相应的设备甚至整套脱硫装置的运行； 在少量就地巡检人员的配合下，完成整套脱硫系统的启动与停止控制。脱硫系 统的正常运行以c r t 和键盘为监控手段。控制室不设常规的控制表盘，仅少量的紧 急操作开关或按钮。 整套脱硫控制系统由完成脱硫监视的分散控制系统( d c s ) 以及根据工业设备 控制水平和控制要求设置的少数就地控制表盘及其他辅助自控装置所构成。而分散 控制系统由操作员站、工程师站、过程控制站f c s 、控制器、打印机以及通讯网络 组成，主要完成f o d 的数据采集( d a s ) 、顺序控制( s c s ) 和模拟控制( m c s ) 。 分散控制系统c r t 和键盘作为脱硫监视和控制中心，不再设置常规仪表盘。 2 5 石灰石石膏法脱硫工艺的主要特点 石灰石石膏法作为当今应用最广泛的脱硫工艺，有其不可比拟的优势： 脱硫效率高，可达9 5 以上 吸收剂利用率高，c a ，s 摩尔比一般为1 0 2 一1 0 5 对煤种的适应性好，尤其适应于高硫煤 吸收剂来源广，价格低，用量小 系统成熟，运行可靠性高。当然这种工艺也并非十全十美的，也有一些缺点 存在： 有一定量的废水排出 初投资费用较高，占地面积较大们。 1 2 华北电力大学硕士论文 3 1g g h 简介7 卜【1 o 】 第三章g g h 综述 气气换热器可分为管式、回转式、热管式三种。 3 1 1 管式g g h 管式再热器通常用在2 0 0 m w 以下容量的机组锅炉烟气脱硫中，原烟气通过管 壁的热传导作用加热净烟气，无烟气泄漏，但传热系数较小，烟气处理量小，易 发生低温腐蚀、堵灰和磨损等问题。 3 。1 2 回转式g g h 回转式气气换热器在3 0 0 m w 以上和部分2 0 0 m w 容量锅炉的烟气脱硫中获得 广泛应用。回转式再热器不是靠传导作用传热的，而是通过回转的换热结构在原烟 气区吸热，转至净烟气区时放热来实现热量传递的，结构上比较紧凑，烟气处理量 大，但漏气量大，过去一般在1 0 以上，有的达到3 0 左右。随着技术的发展， 不断改进的气气换热器漏气量逐渐减少，有的漏气量已降至1 以下，使得回转式 再热器的优势更为突出。 回转式g o h 是目前大型f g d 装置中应用最为普遍的再热器类型，其结构布置 如图3 - 1 所示。它占用空间大，投资高但运行成本低。 回转式g g h 在结构上主要由转子与外壳两部分组成。转子作为蓄热体，通常 以0 7 5 2 r m i n 的转速旋转，其蓄热部件交替通过原烟气和净烟气通道。在通过原 烟气通道时，蓄热部件吸收了原烟气的热量，温度上升，转到狰烟气通道时，蓄热 部件释放热量，对净烟气加热。如此循环，依靠转子蓄热部件的热容作用，实现原 烟气与净烟气之间连续的热交换。还有另外一种回转形式，转子保持静止不动，外 壳转动，同样可达到冷热烟气换热的效果。 回转式g g h 的工作原理是利用脱硫前电厂送来的烟气通过受热面强化换热后， 加热脱硫后的烟气，使烟气的烟温在进入烟囱前升高，这和电厂锅炉中回转式空气 预热器的工作原理相同，最大的区别就是g g h 中的烟气温度一般运行在烟气的酸 露点以下，而空气预热器的运行在烟气酸露点之上，因此，防止设备腐蚀是g g h 中最主要的问题。 华北电力大学硕士论文 图3 - l 回转式g g h 结构图 3 1 3 热管式g g h 热管是一种新型高效传热元件，工质在密闭的热管内部，在热流体端吸热汽化， 至冷流体端气体工质放热变成液体，同时热量通过管壁传导给管外的冷流体。热管 式换热器还可采用分离式结构。采用分离式结构易于合理布置加热段和冷却段，有 利于实现换热器的大型化，同时，冷热流体间可绝对分隔，完全无泄漏。由热管组 成的换热器传热效率高，传热面积小，结构紧凑，烟气流动阻力小，热媒循环过程 不需外加动力，无烟气泄漏，是一种很有发展前途的新型换热器，但与其他类型换 热器一样，面临低温腐蚀和积灰堵塞问题。热管换热器目前还没有脱硫工程上得到 广泛的应用。 3 ，2 关于g g h 的政策规定 3 2 1 我国关于g g h 的政策规定 由中华人民共和国国家发展和改革委员会2 0 0 4 年l o 月2 0 日发布，2 0 0 5 年4 月1 日实施的火力发电厂烟气脱硫设计技术规程( d l t 5 1 9 6 2 0 0 4 ) i t l 的6 2 3 中规定： 烟气系统宜装设烟气换热器，设计工况下脱硫后烟囱入口的烟气温度一般应达 到8 0 c 及以上排放。在满足环保要求且烟囱和烟道有完善的防腐和排水措施并经技 1 4 华藏电力大学磺毒论文 术经济比较合理时也可不设气气换热器。 由国家环境保护总局2 0 0 5 年6 月1 4 日发布，2 0 0 5 年1 0 月1 日实施的火电 厂烟气脱硫正程技术规范器灰石石灰石鬻滚( h j f r1 7 9 - 2 0 0 5 ) t 1 2 1 的5 2 。5 中 蔑定：壤蠢筑缀在安装篪蕊装鼙辩应酝鐾耀气羧热嚣。豢建、扩建、改建文毫厂建 设项疆，凝建设脱硫装置辩，宜设置烟气抉熬器，若考虑不设髯燃气换熟器，应遴 过建设项嗣环境影响报告书审查批准。 5 3 2 3 中规定：烟气系统应装设烟气换热器。在设计工况下，经烟气换热器 后的烟气濑度应不低于8 0 。强采用回转式换热器时，其漏风率不丈予1 。 3 。2 。2 黧外关于g g h 酶政策鬣定 德园犬规模建设f g d 的时间是在2 0 世纪的8 0 一9 0 年代，当时的德国大型燃 烧设备法中明确规定，烟囱入口温度不得低予7 2 c ，否则必须缀冷却塔排放。德 国加入欧滕以后，大部分欧戤成员国均对烟气排放的温度没有法规上的要求。因此， 尧与歇共体2 0 0 l 内o 鹰e 窍荚大型燃烧装置豹教，麸2 0 0 2 年嚣戆，德国采震欧登 麓糠壤，敬游了对烟峦入搿澈度的陵麓b 狂1 辱j ；囊英国矮定静簿潮混度为8 0 c ；跫 本为防止烟囱冒自烟，要求把烟气加热到9 0 - 1 1 0 。而美国一般不褥采用烟气再热 系统埘。 3 3 装设g g h 的情况 3 。3 ， 我黧装设g g h 熟情汲 为了降低电厂排烟中s 0 2 对周围环境的污染，国内电厂子2 0 馓纪8 0 年代末逐 步开始装设脱硫装置，到了举世纪初，随着国内经济实力的增强以及环保政策的逐 步严格，圈内安装脱硫装置的电厂越来越多。 获嚣秀蓼霆蠹歪在运器熬瀵法麓蘸装鐾寒番，基本蘩安装了g g h 。在对裁、扩、 改建犬电颁目的调查中显示，豹有8 0 的髓虢装暨装设了g g h 。 例如采用日本三菱技术的熏庆珞璜电厂一、二期工程，采用了水媒管式g g h ： 其后引进德国s t e i n m u l l e r 公蠲技术的重庆电厂，浙江半山电厂，j b 京第一热电厂， 均装设了技沭比较先进的无热褥生回转式g g h ；还有一些采用弓 避技术，重内自行 竣诗豹火魄厂潼法矮气聪酸装鬟，镶麴嚣寨嚣豢逡熟毫厂，琵容熬二鬃工程，滋 东黄台电厂，江阴夏港电厂、浙江钱清电厂、广东瑞明电厂和沙角a 电厂也均装设 了g g h 。 随着阑内大量脱硫装置的安装，也有一些不设g g h ，而是将吸收塔处理后的烟 气直接排放。目前已经投运的项霹有福建漳州艨磊龟厂，还有皴爰在施工的如常 华北电力大学硕士论文 熟电厂、陡河电厂和唐山电厂和台山电厂( 西柏坡电厂) f 1 4 1 。 3 3 2 国外装设g g h 的情况 3 3 2 1 德国【1 5 】【1 6 j 德国在环境保护方面投入了大量的资金，自2 0 世纪7 0 年代起，开始在火电厂 设置烟气脱硫装置。由于德国的排放标准要求锅炉烟囱排放的烟气最低温度为 7 2 ，因此当时的脱硫装置都设g g h ，否则无法满足标准要求。 然而，德国的排放标准只规定经锅炉烟囱排放的烟气最低温度，对通过其他途 径排放的烟气的温度未作规定。因此德国的工程技术人员以及大气环境专家经过论 证，最终找到通过冷却塔排放未经加热湿烟气的解决方案。 这种方案在德国获得广泛的认可，因此。德国近i o 年来出现了不少通过冷却 塔排放烟气的电厂，单机容量达到1 0 0 0 m w 等级。 加入欧盟以后，为了保持与欧共体2 0 0 1 8 0 e c 的一致性，德国取消了对通过 烟囱排放烟气最低温度保持在7 2 c 的规定。近年来，欧洲( 包括德国) 开始通过烟囱 排放未经加热的湿烟气。 3 3 ，2 2 美国 。 美国的法规从来未对排烟温度有过限制，因此美国的f g d 系统只有少部分安装 了g g h 。一些美国电厂考虑到由于不安装o g h ，烟温过低时对周围环境可能产生 不利影响，采用了在烟囱底部安装燃烧洁净燃料的燃烧器，在气象条件不利于扩散 时，对脱硫后的烟气进行临时加热。这种方法的投资很低，运行费用也很低，同时， 也保护了环境，是一种结合实际的解决方案【1 7 l 。 3 3 2 3 日本 由于日本是一个面积小，地形狭长的岛国。为了减轻对日本本土的污染，一直 采用高烟温排放，以增强烟气的扩散能力。因此在日本几乎所有的f g d 系统全部安 装了g g h 1 引。 3 4g g h 的作用 现在，国内、国际上普遍采用的g g h 型式为回转式g g h ，约占9 0 以上，因 此，本文讨论的g g h 的优缺点以回转式o o h 为例。 ( 1 ) 提升经过脱硫后烟气进入烟囱的温度：在湿法烟气脱硫塔中，烟气中的 s 0 2 和浆液中的c a c 0 。的最佳反应温度为4 7 左右，p h 值在5 6 左右，因此从吸收 塔出来的烟气温度也一般在4 7 左右，此温度低于脱硫后烟气酸露点温度，又由于 尾部烟道和烟囱的内壁温度低，所以如果直接排放，内壁将结露，造成尾部烟道及 6 华北电力大学硕士论文 烟囱的腐蚀。利用g g h 将已脱硫的烟气加，然后排放，以期能避免低温湿烟气腐 蚀管道、烟囱内壁。 ( 2 ) 提高烟气的抬升高度：烟气的抬升高度与烟囱出口的温度，烟囱的几何 高度，环境温度，烟囱的出口内径，以及烟囱出口的环境风速等参数有关。对于特 定的地区、特定电厂，环境参数不变；烟囱几何尺寸确定，则烟气的抬升高度只与 烟囱出口温度有关，随着温度的上升而上升。增加烟气的抬升高度有利于增强污染 物的扩散。 此外，设置g g h 后，烟囱出口的烟气观感好，降低了烟羽的可见度，避免了 烟囱降落液滴，即所谓的“烟囱雨”现象。 1 7 华北电力大学硕士论文 第四章火电厂湿法f g d 省却o g h 的可行性 4 1 对g g h 发挥作用程度的评价 4 1 1g g h 不能有效减轻尾部设备的腐蚀 经过f o d 脱硫以后的烟气的酸露点温度在1 0 0 - 1 3 5 范围内，而烟气再热之后 的温度在8 0 1 2 左右，因此在f g d 下游设备表面上，仍然会产生新的酸凝结液，并 且8 0 这样的低温烟气，无法在很短的时间内，将已经凝结在烟道或烟囱表面上的 水或穿过除雾器的浆液快速蒸干，只能使这些液滴慢慢地浓缩、干燥。这个过程使 得原来这些酸性不强的液滴，变成腐蚀性很强的酸液，在烟道和烟囱上形成点腐蚀： 由于烟气经过g g h 再热以后温度升高，造成烟道和烟囱中的环境温度要比不安装 g g h 时高约3 0 。酸对金属材料的腐蚀作用对温度是非常敏感的，温度升高会使 得凝结酸液得腐蚀性更强。 因此，认为安装g g h 后可以减轻脱硫烟气对下游设备的腐蚀是一个认识上的 误区。另外，无论是否安装g g h ，湿法f g d 的尾部烟道和烟囱都必须严格采取防 腐措施。 4 1 2g g h 对烟气抬升高度及s 0 2 排放速率的影响 1 8 1 1 9 】【2 0 1 以江苏某电厂ix 6 0 0 砌机组数据为例进行计算。 烟囱出口风速按4 m s ，烟气抬升高度根据火电厂大气污染物排放标准 ( g b l 3 2 2 3 2 0 0 3 ) 2 1 1 中城市、丘陵情况进行计算，结果见表4 - i ； 表4 - 1g g h 对烟气抬升高度的影响 温烟气热烟气抬烟囱有允许排实际排 项目差释放率升高度效高度放速率放速率 ( k ) ( k j s ) ( m )( m ) ( k g h )( k g h ) 设g g h ( t = 8 0 ) 6 44 9 9 5 04 6 3 7 0 3 7 3 l l4 0 7 不设g g h ( t = 4 5 ) 2 92 2 6 3 42 1 04 5 04 6 8 04 0 7 从表4 - 1 中可见，g g h 对烟气抬升有较明显的影响。 从排放速率看，由于经脱硫后的烟气中s 0 2 浓度大幅度降低，实际排放速率又 远远低于允许排放速率，因此，设于不设g g h ，均不会对排放速率产生大的影响。 1 8 华北电力大学硕士论文 4 1 3g g h 对污染物落地浓度的影晌 安装湿法烟气脱硫装置后，由于脱硫塔具有极强的洗涤作用，烟气中的大部分 粉尘被除去。根据国内几个项目的性能试验数据可知，湿法烟气脱硫装置的除尘效 率均可达到8 0 以上，脱硫后烟气中的粉尘质量浓度一般在2 0 m g n m 3 以下。因此， 本文不再计算粉尘的影响。仍以4 1 2 中的江苏某电厂1 6 0 0 m w 的机组数据为例， 计算所得的s 0 2 和n o x 落地浓度见表4 - 2 。 表4 - 2设于不设g g h 工况对污染物最大落地浓度的影响”s l 稳定度级别 项目t a - bcd e -