循環(huán)流化床鍋爐半干法脫硫裝置運行問題分析與改造

大氣網(wǎng)訊:1概述

陜西渭河煤化工集團有限責任公司（簡稱渭化集團）現(xiàn)有5臺高壓鍋爐，分別為2×160t/h煤粉鍋爐（1#和2#鍋爐）、1×220t/h（3#鍋爐）及2×240t/h（4#和5#鍋爐）循環(huán)流化床鍋爐（即CFB鍋爐）。2臺煤粉鍋爐脫硫采用氨法脫硫工藝，3臺CFB鍋爐原設計均為爐內(nèi)噴鈣脫硫，3#鍋爐出口設置電除塵器，4#、5#鍋爐出口設置布袋除塵器，但3臺CFB鍋爐已經(jīng)無法達到國家的環(huán)保排放要求，2015年根據(jù)實際情況對3臺CFB鍋爐進行了煙氣治理裝置升級改造，在保留爐內(nèi)噴鈣的基礎上新增半干法脫硫裝置。其中3#鍋爐拆除原電除塵器，按“一爐一塔”重新配置，于2016年4月開始試運行；4#、5#鍋爐按“兩爐一塔”在原鍋爐引風機與煙囪之間增設1套脫硫除塵系統(tǒng)，于2016年6月開始試運行。2套半干法脫硫裝置主要設計工藝參數(shù)見表1。

半干法脫硫裝置由吸收塔、布袋除塵器、脫硫灰循環(huán)及排放、吸收劑制備及供應、工藝水以及電氣儀表控制系統(tǒng)等組成，其工藝流程見圖1，吸收塔結構見圖2。

鍋爐煙氣進入吸收塔，在吸收塔內(nèi)與加入的水、吸收劑充分混合發(fā)生脫硫反應，脫硫后的煙氣進入脫硫布袋除塵器進行除塵，除塵后的凈煙氣經(jīng)引風機排至煙囪（出口粉塵濃度小于5mg/m3）；收集的脫硫灰大部分通過物料循環(huán)系統(tǒng)回至吸收塔內(nèi)，與煙氣混合，繼續(xù)參與脫除SO2，脫硫副產(chǎn)物經(jīng)過氣力輸送系統(tǒng)輸送至脫硫灰?guī)臁?/p>

2運行情況分析

3#鍋爐和4#、5#鍋爐配置的脫硫除塵系統(tǒng)在煙氣流程和參數(shù)設計上有較大區(qū)別，3#鍋爐因改造空間有限，在吸收塔前沒有設置預除塵器，灰量大，因而物料循環(huán)次數(shù)少，設計的煙氣量與該鍋爐運行風量一致，調試及運行期間并未出現(xiàn)大的故障，但問題主要表現(xiàn)在灰顆粒大、流速高造成脫硫裝置磨損嚴重。

4#、5#鍋爐主要問題表現(xiàn)在脫硫裝置設計的額定煙氣量嚴重偏大，較表1中煙氣量偏大近一倍，約1000000m3/h，最低流化風量約830000m3/h，故運行中需要通過再循環(huán)風擋對吸收塔進行大量補風（表2）。原本4#、5#鍋爐進入吸收塔入口的煙溫達不到設計值，加之鍋爐負荷長期低負荷運行，吸收塔入口煙溫更是偏低，同時4#、5#吸收塔前有原布袋除塵器進行了預除塵，使得吸收塔補灰差，灰斗內(nèi)物料循環(huán)次數(shù)多，因此出現(xiàn)較多的運行故障。

3故障分析及解決方法

3.13#鍋爐脫硫裝置問題及解決方案

3#鍋爐及脫硫裝置運行期間因需要利用脫硫引風機維持鍋爐爐膛出口負壓，故脫硫引風機入口風擋開度較大，使得吸收塔入口壓力達到-3.2kPa左右，吸收塔出口處壓力達到-5.1kPa左右，布袋除塵器后壓力更是高達-6.5kPa以上，造成吸收塔塔壁、霧化水槍外保護套、布袋除塵器入口處鋼板磨損嚴重。霧化水槍外保護套迎風面受到大顆粒粉塵沖刷，運行半年后外保護套磨透，失去保護水槍的作用，同時內(nèi)循環(huán)灰對其上部也造成輕微磨損；布袋除塵器入口則是多處鋼板磨穿，隨著漏洞越來越大，負壓將外部保溫棉吸入除塵器灰斗，進而造成灰斗底部返料充氣箱堵塞，嚴重影響床層壓降的穩(wěn)定和脫硫裝置的運行，同時造成出口煙氣流量大幅增加，煙氣氧量大幅增加，對污染物排放值的折算影響巨大，也使得脫硫引風機入口風擋開度增大，電機電流增大，消耗電量增大。

解決方案：

1）吸收塔內(nèi)壁因磨損小只進行了貼補。

2）針對霧化水槍外保護套的磨損采用在外保護套外面再加一層半徑稍微偏大的保護套筒，焊在吸收塔內(nèi)壁上不影響霧化水槍的拆裝，同時在鋼板外層增加耐磨澆注料，經(jīng)過長周期運行證明，霧化水槍外保護套未見磨損，降低了運行維護成本，同時因霧化水槍運行時水的霧化角度不會對澆注料造成影響。

3）原布袋除塵器入口處鋼板設計時厚度為5mm，材質為Q235，現(xiàn)改為厚度8mm，材質為Q345。根據(jù)運行后實際測量情況，可以進一步將布袋除塵器入口處鋼板改為耐磨性能更高的材質或采取其他有效的防磨措施。

3.2出口煙氣流量計對4#、5#鍋爐脫硫裝置的影響

床層壓降代表吸收塔內(nèi)物料的多少，由計算并通過物料循環(huán)系統(tǒng)補料而得出。床層壓降為吸收塔入口壓力減去吸收塔出口壓力再減去吸收塔空塔阻力。

其中，吸收塔空塔阻力與出口煙氣流量一一對應且成正比例關系，是在脫硫塔空塔的情況下不同出口煙氣量運行時測量出來的吸收塔壓差，故出口煙氣流量在變化時吸收塔空塔阻力也相應變化，因此要保證吸收塔床層壓降穩(wěn)定，首先要保證出口煙氣流量的穩(wěn)定。

在4#、5#鍋爐脫硫裝置調試運行期間，出現(xiàn)出口煙氣流量計堵塞造成床層壓降的波動，最終脫硫系統(tǒng)跳車?，F(xiàn)象為出口煙氣流量不隨引風機擋板開度與煙氣再循環(huán)風擋開度的變化而變化，反而是出口煙氣流量計測量值逐步變大，最后達到滿量程1200000m3/h，造成床層壓降高高報警后脫硫系統(tǒng)跳車。出口煙氣流量變大后導致空塔阻力變大，計算出床層壓降偏低，循環(huán)的物料量逐步加大，但實際煙氣流量和空塔阻力未變化，最終吸收塔內(nèi)實際物料大大超出了該煙氣流量所能托起的最大物料量，造成系統(tǒng)跳車，吸收塔內(nèi)部塌床，底部嚴重積灰。解決辦法為定期進行檢查吹掃，吹掃前將出口煙氣流量計切至強制狀態(tài)。

3.34#、5#鍋爐脫硫裝置物料循環(huán)系統(tǒng)運行分析

物料循環(huán)系統(tǒng)承擔著吸收塔內(nèi)物料多少的作用，并且決定著脫硫的效率和吸收劑的利用率。在調試運行期間，因4#、5#鍋爐脫硫裝置再循環(huán)風擋開度大造成吸收塔入口溫度低，加之對吸收塔出口溫度控制過低（經(jīng)驗值75~80℃），噴水量過大，使得4#、5#鍋爐脫硫裝置灰斗內(nèi)的循環(huán)物料潮濕、結球、流動性差甚至板結成塊，嚴重影響脫硫系統(tǒng)的運行。

3.3.1 灰斗料位異常指示

灰斗內(nèi)循環(huán)灰潮濕，易在灰斗壁粘結，形成塊狀，導致灰斗物料壓力導壓管內(nèi)部出現(xiàn)凝結水，且導壓管內(nèi)部氣源在進入灰斗后直接吹空，無法形成持續(xù)的背壓，最終物料壓力顯示異常，忽高忽低，對料位控制影響極大，同時對床層壓降和輸灰系統(tǒng)的控制影響極大。解決辦法為提高吸收塔出口溫度，降低塔內(nèi)噴水量，定期對導壓管進行吹掃。

3.3.2 循環(huán)物料充氣箱堵塞

灰斗內(nèi)循環(huán)物料潮濕造成的灰塊，流動性極差且易造成下料不暢甚至堵塞。4#、5#鍋爐脫硫裝置物料循環(huán)系統(tǒng)設置了4個物料循環(huán)閥，正常循環(huán)時4個閥門平均開度在60%左右便可維持正常的床層壓降；調試期間灰斗內(nèi)的循環(huán)灰在經(jīng)過多次循環(huán)噴水后，不僅不能徹底干透，而且循環(huán)灰內(nèi)硫酸鈣、亞硫酸鈣含量較大，吸水性強，容易形成大灰塊，通過物料循環(huán)閥時造成堵塞，此時物料循環(huán)閥需要增加開度以維持床層壓降穩(wěn)定，開度最大時達到90%以上，影響物料循環(huán)和床層壓降的穩(wěn)定。臨時解決辦法只能對4個物料循環(huán)閥的充氣箱進行清理疏通，同時降低噴水量提高吸收塔的出口溫度。2018年大檢修時發(fā)現(xiàn)灰斗內(nèi)結塊嚴重，說明此前分析的原因是正確的，解決辦法是暫時可行的。

3.3.3 降低噴水量的影響

循環(huán)灰潮濕主要原因為噴水量大、灰循環(huán)次數(shù)多、無新粉煤灰補充、循環(huán)灰外排次數(shù)極少。最直接簡單的方法就是降低吸收塔的噴水量，提高出口溫度。調試期間對噴水量逐步降低，逐步提高出口溫度，在出口溫度達到90℃后灰的潮濕性得到明顯改善，流動性與原鍋爐粉煤灰相差無幾。該辦法直接解決了灰的干濕問題，物料壓力指示準確、循環(huán)物料系統(tǒng)下料暢通，但降低噴水量影響脫硫劑的反應效率。

3.44#、5#鍋爐脫硫裝置脫硫效率

脫硫裝置采用高壓回流式噴嘴直接向吸收塔內(nèi)噴水，同時為滿足脫硫反應的要求，煙氣在文丘里以上的塔內(nèi)流速須保持在4～6m/s，也就是要求保證塔內(nèi)循環(huán)灰不掉落且在該段停留時間在6s以上，這樣SO2與Ca（OH）2的反應可以轉化為瞬間完成的離子型反應，大大提高脫硫效率，平均效率在97%以上。因此合適的噴水量直接決定了反應效率和脫硫效率。

4#、5#鍋爐脫硫裝置設計煙氣流量偏大，而鍋爐實際煙氣流量低，需要通過再循環(huán)風擋進行大量補風，但是補風溫度遠低于鍋爐煙氣溫度，僅與吸收塔出口溫度相接近，約90℃，因此混合后的煙氣溫度嚴重偏低，這使得在相同的出口溫度要求下，噴水量必須降低，影響了脫硫效率和吸收劑的反應效率，如果保證脫硫效率，消耗的吸收劑就會大大增加，經(jīng)濟性大打折扣。在這種工況下，必須保證入口溫度得到適當?shù)奶岣卟拍芊磻屎兔摿蛐始娴?。但入口溫度不能過高，如果出現(xiàn)入口溫度過高，噴水量會大大提高，但對吸收劑的反應效率影響較小，反而會較大程度上造成循環(huán)灰潮濕，進而使循環(huán)灰的流動性受到影響，對脫硫系統(tǒng)的穩(wěn)定運行非常不利。

根據(jù)實際運行情況，將吸收劑消耗量和吸收塔入口溫度進行了統(tǒng)計，見表3。

從表3可以明顯看出，在吸收塔出口溫度、入口SO2、煙囪SO2不變化或者變化幅度極小的工況下，入口溫度的適當提高可以使水槍的回水調節(jié)閥關小，增加水槍的噴水量；從吸收劑的用量變化可以明顯看出噴水量的變化直接影響著吸收劑的反應效率，最終影響著脫硫裝置運行的經(jīng)濟成本。入口煙溫從103℃變化到105℃就可以節(jié)約吸收劑近1t/h，每年裝置運行8000h，吸收劑的原材料價格880元/t，每年可以節(jié)約費用704萬元。

4改造及效果

4.1改造方案

針對4#、5#鍋爐脫硫裝置出現(xiàn)的上述問題，決定對4#、5#鍋爐脫硫裝置進行縮頸和補灰改造。

縮頸改造主要改造方案為保持吸收塔中心線位置不變，對吸收塔進料段、方圓節(jié)、煙道“蝦米”彎部分進行改造。原吸收塔煙氣入口段及“蝦米”彎橫截面3600mm×3600mm方形，進料段橫截面為內(nèi)徑4060mm的圓形，文丘里內(nèi)徑為3960mm，改造后入口段及“蝦米”彎橫截面不變，僅對“蝦米”彎垂直部分進行了降低，將進料段內(nèi)徑改為3600mm，為了進料段和文丘里合理連接，在兩者之間增加1個圓臺段，高度1020mm，上部直徑3960mm，下部直徑3600mm。此縮頸方案主要針對進料段進行改造是為了提高此處煙氣的流速，能夠保證循環(huán)灰進入吸收塔后及時帶走，從而降低最低保護風量，達到關閉再循環(huán)風擋提高入口煙氣溫度的目的。補灰改造方案為對吸收塔入口進行補灰，利用4#、5#鍋爐原布袋除塵器的輸灰系統(tǒng)，每臺鍋爐輸灰系統(tǒng)分別將一側正壓輸灰管道增加三通改至脫硫裝置入口水平段。補灰的作用首先是增加脫硫裝置灰斗內(nèi)循環(huán)灰量從而增加外排次數(shù)，其次是和吸收劑以及脫硫副產(chǎn)物充分混合，這樣既保證了循環(huán)灰循環(huán)次數(shù)降低，也避免了循環(huán)灰受潮濕嚴重而結塊。2018年7月大檢修時對上述兩個方案進行了改造，同時對脫硫裝置灰斗內(nèi)板結的灰塊進行了徹底清理。

4.2運行效果驗證

4#、5#鍋爐脫硫裝置改造完成后便進行了空塔阻力測定和最低保護風量試驗，最低保護風量從改造前的830000m3/h降到了630000m3/h，鍋爐運行后對鍋爐負荷、煙氣量、再循環(huán)風擋進行了逐步調整，見表4。

雖然鍋爐煤質不同煙氣量會有所差別，但從數(shù)據(jù)可以看出改造非常成功。為消除出口煙氣流量計測量時出現(xiàn)的誤差和波動，運行期間出口煙氣流量只要維持在750000m3/h以上便可以保證吸收塔不掉灰，床層壓降能夠穩(wěn)定運行。

在實現(xiàn)關閉或關小再循環(huán)風擋的情況下，吸收塔入口溫度得到了保證，可以維持在105~130℃，這樣既可以保證足夠的噴水量，又能夠使循環(huán)灰在回到吸收塔內(nèi)后快速烘干，同時在補灰系統(tǒng)運行條件下，循環(huán)灰外排次數(shù)增多，混合均勻不潮濕不結塊，在這種良性循環(huán)條件下，吸收塔出口溫度逐步降低到80℃，比改造前降低12℃，脫硫反應效率得到提高，而且新補充的鍋爐灰也含有一定比例的氧化鈣，使得原材料成本得到降低。經(jīng)過半年的運行，脫硫裝置改造前、后原材料消耗統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)（忽略煤質和氧化鈣品質短期波動帶來的影響），2018年1—6月消耗氧化鈣約2355t，7—12月消耗氧化鈣約1700t，消耗量有著明顯的降低，經(jīng)濟效益顯著。

5結束語

半干法脫硫裝置在CFB鍋爐上完全可以長周期穩(wěn)定運行，滿足超低排放，為1#、2#鍋爐使用半干法脫硫裝置提供了良好的示范作用，也為同行業(yè)半干法脫硫裝置提供了寶貴的調試、運行經(jīng)驗。