超凈排放中循環(huán)流化床半干法脫硫工藝的優(yōu)化升級

楊家軍

浙江德創(chuàng)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，浙江 杭州　310012

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超凈排放中循環(huán)流化床半干法脫硫工藝的優(yōu)化升級

楊家軍

浙江德創(chuàng)環(huán)?？萍脊煞萦邢薰?，浙江 杭州310012

摘要針對燃煤機組超凈排放的要求，常規(guī)循環(huán)流化床半干法脫硫工藝經(jīng)過技術(shù)升級后，當(dāng)脫硫裝置入口SO2濃度低于1 000 mg?m3時，脫硫裝置出口凈煙氣中的SO2排放濃度可穩(wěn)定在35 mg?m3以下，粉塵排放濃度穩(wěn)定在5 mg?m3以下，脫硫效率達96.5%，實現(xiàn)了脫硫效率高、粉塵排放濃度低、運行穩(wěn)定可靠等優(yōu)點，尤其適用于燃燒含硫量約為0.4%的煤粉爐和含硫量約為1%的流化床鍋爐。相比占主導(dǎo)地位的濕法脫硫工藝，升級后的半干法脫硫工藝投資更省、綜合凈化效益更高。以浙江某熱電廠為實例，從吸收塔、布袋除塵器、控制系統(tǒng)三大環(huán)節(jié)全方位深入剖析了整個工程的改造過程，從各項運行數(shù)據(jù)指標(biāo)來判斷，該半干法脫硫工藝不但能滿足目前嚴(yán)格的超凈排放要求，還有諸多濕法工藝無法企及的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞超凈排放；吸收塔；布袋除塵器；控制系統(tǒng)

隨著國家發(fā)展和改革委員會、環(huán)境保護部及國家能源局聯(lián)合下發(fā)《關(guān)于印發(fā)〈煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)〉的通知》(發(fā)改能源〔2014〕2093號)，實現(xiàn)燃煤機組煙氣超凈排放的要求愈加突出。濕法脫硫以脫硫效率高而受到環(huán)境保護部門及專家學(xué)者的青睞，成為目前的主流脫硫工藝，然而目前有學(xué)者認為濕法脫硫可導(dǎo)致霧霾現(xiàn)象[1]。循環(huán)流化床半干法脫硫工藝有著濕法脫硫工藝難以比擬的諸多優(yōu)勢，如投資省、占地小、能耗低、工藝水耗量低、廢水零排放以及排放煙氣無石膏雨等[2]，是當(dāng)下城市熱電機組超凈排放的最佳選擇之一。循環(huán)流化床半干法脫硫工藝之所以沒有得到廣泛應(yīng)用，是因為大多數(shù)脫硫公司一味簡單模仿，尤其疏忽了“運行控制”這一關(guān)鍵環(huán)節(jié)，造成許多項目上出現(xiàn)了脫硫效率低下、運行不穩(wěn)定且結(jié)壁等一系列問題。

1運行問題分析

浙江某熱電廠原半干法脫硫工藝運行時間已超過4 a，運行期間經(jīng)常結(jié)壁，結(jié)壁區(qū)域無明顯規(guī)律可循。從運行參數(shù)和狀況分析，可能是由霧化系統(tǒng)和吸收塔內(nèi)流場問題所致。為進行印證，經(jīng)現(xiàn)場測試霧化噴槍，發(fā)現(xiàn)水霧呈明顯的條狀，而非團霧狀，且用手觸碰有明顯被擊打感，霧化效果較差。同時，對吸收塔內(nèi)部流場進行了模擬，模擬結(jié)果見圖1。從圖1可以看出，吸收塔內(nèi)7個文丘里出口流場比較混亂，氣流分布極不均勻。另外，原系統(tǒng)在控制上采用的是手動控制，許多關(guān)鍵點的控制未采用PID(proportional-integral-derivative)自動調(diào)節(jié)控制，造成調(diào)節(jié)粗糙、響應(yīng)延遲、聯(lián)鎖控制不到位等諸多問題。

圖1　原吸收塔內(nèi)流場模擬Fig.1　Inner flow field simulation of original absorption tower

原系統(tǒng)脫硫效率設(shè)計值為90%，SO2排放濃度為100 mgm3，粉塵排放濃度為30 mgm3，無法滿足超凈排放的要求。如要滿足超凈排放的要求，脫硫效率需提升至96.5%，粉塵脫除效率接近100%。循環(huán)流化床半干法脫硫工藝最穩(wěn)定、經(jīng)濟的脫硫效率約為90%[3]，要突破該值，原有常規(guī)半干法脫硫工藝在吸收塔和布袋除塵器上的設(shè)計必須要有相應(yīng)的升級改進措施。鍋爐原始煙氣參數(shù)見表1。

表1　鍋爐原始煙氣參數(shù)

2吸收塔的改造

2.1調(diào)整吸收塔內(nèi)流場的均勻性

循環(huán)流化床半干法脫硫工藝吸收塔中，氣、固混合程度是其內(nèi)部反應(yīng)的決定性因素之一，吸收塔內(nèi)7個文丘里的氣流分布將直接影響吸收塔內(nèi)床層的穩(wěn)定性[4]。因此，為了使CFD(computational fluid dynamics)數(shù)值模擬最大程度地接近吸收塔內(nèi)流場的真實情況，將模擬斷面選擇在鍋爐尾部豎井煙道上。通過在吸收塔進口外的各彎頭處及變徑處增加導(dǎo)流板，并在文丘里進口之前增加2 m左右的整流段，從而最大限度地調(diào)整吸收塔內(nèi)流場的均勻性，模擬結(jié)果見圖2。

圖2　調(diào)整后的吸收塔內(nèi)流場模擬Fig.2　Inner flow field simulation of adjusted absorption tower

2.2增加導(dǎo)灰環(huán)

吸收塔結(jié)壁是造成循環(huán)流化床半干法脫硫裝置無法可靠運行的主要原因之一，因此，要提升裝置的可靠性，必須先處理好結(jié)壁問題。循環(huán)流化床半干法脫硫工藝吸收塔內(nèi)是“灰包水”反應(yīng)，只有避免液態(tài)水與反應(yīng)器的直接接觸，才能降低結(jié)壁的風(fēng)險[5-6]。在反應(yīng)器直筒段每隔4～5 m安裝導(dǎo)灰環(huán)裝置，導(dǎo)灰環(huán)采用規(guī)格為100 mm×8 mm的等邊角鋼環(huán)向焊接在吸收塔內(nèi)壁，其目的在于將濕灰導(dǎo)向吸收塔中心，避免濕灰直接貼壁，可最大限度降低吸收塔內(nèi)結(jié)壁的風(fēng)險，保證了系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運行。

2.3延長化學(xué)吸收反應(yīng)時間

煙氣中的SO2與吸收劑的反應(yīng)是在液相離子狀態(tài)下發(fā)生的，延長液相揮發(fā)時間可增加化學(xué)吸收反應(yīng)時間，從而提高脫硫效率[7]。因此，液體霧化粒徑的大小尤為重要，過大則蒸發(fā)時間過長，不但增加設(shè)備的投資，也增加了結(jié)壁風(fēng)險；過小則反應(yīng)時間過短，不利于效率的提升。本項目選擇了高壓回流式霧化噴槍，平均粒徑(D32)為200 μm。圖3為霧滴蒸發(fā)時間曲線。從圖3可以看出，200 μm的粒徑在130 ℃時，蒸發(fā)時間約為3 s，考慮到充分反應(yīng)，吸收塔的高度按4 s停留時間進行計算，留足安全余量，比改造前增加了1.5 s的反應(yīng)時間，效率提升有了保障。

圖3　霧滴蒸發(fā)時間曲線[8]Fig.3　Droplets evaporation time curve

2.4提高吸收塔內(nèi)循環(huán)灰濃度

循環(huán)流化床半干法脫硫工藝中，吸收塔內(nèi)循環(huán)灰濃度是影響脫硫效率的又一關(guān)鍵因素，循環(huán)灰濃度越高，則脫硫效率越高[9]。常規(guī)半干法脫硫工藝，吸收塔內(nèi)循環(huán)灰濃度通常為800～1 000 gm3。為提高脫硫效率，將循環(huán)灰濃度控制在1 000～1 200 gm3；為防止塌床，須對文丘里進行相應(yīng)的改造，縮小喉口尺寸，將喉口流速從45 ms提高到50 ms。

2.5降低近絕熱飽和溫度

反應(yīng)器出口煙氣溫度與煙氣絕熱飽和溫度之差稱為近絕熱飽和溫度(△T)[10]，△T的降低能促進脫硫效率的提高?！鱐越低，煙氣的含濕率越大，液滴干燥時間就越長，化學(xué)吸收反應(yīng)時間也越長，從而脫硫效率就越高(圖4)。改造前，吸收塔出口煙氣溫度控制在80 ℃(△T為25 ℃)，煙氣含濕率為11.11%。改造后，吸收塔出口煙氣溫度控制在75 ℃(△T為20 ℃)，煙氣含濕率為11.40%，比改造前增加了2.61%，避免了糊袋的發(fā)生。

圖4　△T與脫硫效率的關(guān)系[11]Fig.4　The relationship between the △Tand the desulfurization efficiency

3配套布袋除塵器的改造

3.1氣布比的選取

常規(guī)半干法脫硫工藝配套布袋除塵器的氣布比較高，一般為0.75～0.80 mmin。但在超凈排放中，由于布袋入口煙氣中的粉塵濃度更高，黏度和濕度更大，因此，布袋除塵器的過濾面積必須合理經(jīng)濟，才能達到最佳的過濾效果。同時合適的氣布比可在循環(huán)灰建立過程中，使布袋壓差處于“可控”狀態(tài)。經(jīng)反復(fù)試驗，本項目改造后，最佳氣布比為0.65 mmin。

3.2氣流上升速度的選取

在超凈排放中，布袋箱體內(nèi)的氣流上升速度是非常關(guān)鍵的控制參數(shù)。在設(shè)計過程中，須保證氣流的上升速度小于粉塵顆粒的沉降速度，如果氣流上升速度過大，則會造成濾袋清理下來的粉塵懸停在半空中，甚至?xí)螉A帶到濾袋上，造成布袋除塵器的阻力居高不下，使得整個清灰系統(tǒng)處于癱瘓狀態(tài)。由于循環(huán)灰的粉塵顆粒粒徑90%在60 μm以上[12]，經(jīng)CFD反復(fù)模擬，當(dāng)氣流上升速度低于0.80 ms時，粉塵顆粒能靠重力自由沉降。

3.3濾料的配置

濾袋作為布袋除塵器的核心部件，有著舉足輕重的作用，濾料的選擇自然也成為重中之重。對于常規(guī)的半干法脫硫工藝而言，聚苯硫醚(PPS)是首選濾料[13]，然而其無法滿足超凈排放的要求，通常粉塵排放濃度只能達到30 mgm3。為此，經(jīng)過大量試驗研究，對現(xiàn)有濾料升級為高精過濾濾料，高精過濾濾料分為梯度濾料和超微孔覆膜濾料。從加工難易程度及成本上比較，梯度濾料優(yōu)于超微孔覆膜濾料；如果場地受限，過濾風(fēng)速較高時，可選超微孔覆膜濾料。本次改造選用梯度濾料，其結(jié)構(gòu)為：PPS基層+PTFE(聚四氟乙烯)基布+PPS基層+超細PPS面層(圖5)。同時，濾袋增加針孔涂封防滲漏處理。

圖5　梯度濾料結(jié)構(gòu)Fig.5　Filter material structure

濾料的后處理工藝同樣非常重要，如表面燒光、砑光、熱定型、防水防油、浸滯及抗靜電處理等，可更有效地改善濾料的性能[14-15]。另外濾料的表面克重也是不可忽略的因素，在常規(guī)的半干法脫硫工藝中，濾料表面克重只有550 gm2，而在超凈排放中，濾料表面克重不得低于630 gm2，甚至要更高。經(jīng)過一系列處理后，濾料纖維之間的間隙可控制在1 μm左右，能有效阻擋細粉塵和PM2.5通過濾袋。

3.4布風(fēng)系統(tǒng)的流場優(yōu)化

由于采用模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計，袋室內(nèi)分為多個小袋室，袋室與袋室之間相互獨立，因此，各袋室的進風(fēng)均勻性至關(guān)重要，直接影響布袋的除塵效果。通過CFD數(shù)值模擬驗證流場的均勻性，圖6為布風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化前后的煙氣流場模擬對比。

圖6　布風(fēng)系統(tǒng)優(yōu)化前后的煙氣流場模擬對比Fig.6　Comparison of flue gas flow field beforeand after optimization of air distribution system

由圖6可知，優(yōu)化前，各袋室的煙氣負荷極不均勻，尤其是靠近尾部的袋室煙氣負荷偏大，這將導(dǎo)致尾部袋室超負荷運行，出現(xiàn)“頭重腳輕”的狀況，氣布比和氣流上升速度都將嚴(yán)重超出設(shè)計值，導(dǎo)致清灰系統(tǒng)無法正常運行；優(yōu)化后，各袋室的煙氣負荷分配較為均勻，為清灰系統(tǒng)正常運行提供了有力保障。

3.5旁路系統(tǒng)的取消

常規(guī)的布袋除塵器一般設(shè)置內(nèi)置式旁路，當(dāng)鍋爐爆管時，切換煙氣走向以保護布袋。但在超凈排放系統(tǒng)中，布袋除塵器的旁路密封性極其重要，正常運行時，如果密封性不好，原煙氣極易泄露，對煙氣排放濃度造成影響，導(dǎo)致其排放超標(biāo)，而旁路閥又很難做到零泄漏。與此同時，環(huán)境保護部已明文規(guī)定脫硫除塵系統(tǒng)不準(zhǔn)設(shè)置任何旁路系統(tǒng)。此次改造過程中，考慮取消內(nèi)置旁路系統(tǒng)，從源頭上杜絕泄漏的一切可能性。

4控制系統(tǒng)的優(yōu)化

(1)在超凈排放中，霧化系統(tǒng)的聯(lián)鎖控制尤為重要，如當(dāng)吸收塔內(nèi)床層差壓小于500 Pa時，不允許啟動霧化噴水系統(tǒng)等。

(2)在超凈排放中，由于吸收塔床層差壓較大，布袋的灰斗必須存有足夠循環(huán)的灰量，滿足吸收塔灰循環(huán)系統(tǒng)的建立。常規(guī)的半干法脫硫工藝采用料位計控制方式，在實際運行中，經(jīng)常出現(xiàn)誤報警，不是灰斗排灰過量，就是灰位過高，導(dǎo)致二次揚塵。經(jīng)優(yōu)化后，采用分區(qū)流化風(fēng)壓力的遠程控制方式，通過流化風(fēng)壓力來監(jiān)控和控制灰斗內(nèi)的料位，從而可精確控制灰斗內(nèi)的循環(huán)灰量，確保循環(huán)灰系統(tǒng)的正常運行。

(3)調(diào)整清灰系統(tǒng)脈沖閥的清灰模式，由連續(xù)式清灰方式改為跳躍式清灰，可有效防止粉塵的二次夾帶。

(4)控制系統(tǒng)由分布式控制系統(tǒng)(DCS)調(diào)整為可編程邏輯控制器(PLC)。由于布袋除塵器清灰脈沖最佳寬度為50～120 ms，調(diào)試時需每隔10 ms調(diào)節(jié)，而DCS最小調(diào)度周期為50 ms，再加上總線輪巡周期，其能發(fā)出最快脈寬為150 ms以上。如需每隔10 ms調(diào)節(jié)，會影響系統(tǒng)正常運行。為保證布袋清灰效果和系統(tǒng)正常運行，不宜采用DCS控制。而PLC屬高速邏輯開關(guān)控制器，能發(fā)出ms級脈沖，適合控制布袋除塵器。

5運行評價

該脫硫裝置自2015年6月通過168 h試運行后，至2016年1月，已運行近8個月，在此期間，系統(tǒng)運行良好，各項性能指標(biāo)均滿足且優(yōu)于設(shè)計值，其中脫硫效率達到96.5%，SO2排放濃度小于35 mgm3，粉塵排放濃度小于5 mgm3，且年運行費用較改造前僅增加20.401萬元，綜合凈化效益較高(表2、表3和圖7)。

表2　脫硫裝置性能驗收試驗結(jié)果

表3　脫硫裝置改造前后經(jīng)濟性比較

圖7　脫硫裝置168 h運行數(shù)據(jù)Fig.7　Running data of the desulfurization device during the 168 hours operation

6結(jié)語

在燃煤機組實現(xiàn)超凈排放，濕法脫硫工藝占主導(dǎo)的大環(huán)境下，傳統(tǒng)的循環(huán)流化床半干法脫硫工藝經(jīng)技術(shù)革新后，在脫硫裝置入口SO2濃度低于1 000 mgm3時，脫硫裝置出口凈煙氣中的SO2排放濃度可穩(wěn)定在35 mgm3以下，粉塵排放濃度穩(wěn)定在5 mgm3以下，脫硫效率約為96.5%，該工藝尤其適用于燃燒含硫量約為0.4%的煤粉爐和含硫量約為1%的流化床鍋爐(通常爐內(nèi)脫硫的效率為60%左右)。

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Optimization and Upgrading of Semi-dry Desulfurization Process of Circulating Fluidized Bed for Ultra Clean Emission

YANG Jiajun

Zhejiang Dechuang Environmental Polytron Technologies Inc., Hangzhou 310012, China

AbstractIn order to achieve ultra clean emission requirements of coal-fired units, the conventional semi-dry desulfurization process for circulating fluidized bed was upgraded. When the SO2concentration of the FGD inlet is lower than 1 000 mg?m3, the SO2concentration of the FGD outlet can be stable below 35 mg?m3, dust emission concentration is stable below 5 mg?m3, with the desulfurization efficiency of up to 96.5%, achieving the advantages of high desulfurization efficiency, low emission concentration of dust, and stable and reliable operation, etc. This process is particularly suitable for the pulverized coal boilers with sulfur content of about 0.4% in coal and the fluidized bed boilers with sulfur content of about 1%. Compared the dominate process of wet desulfurization, the upgraded semi-dry desulfurization process is cheaper by investment and more efficient by comprehensive benefits. Taking an example of a thermal power plant in Zhejiang, the whole project transformation process was analyzed from three links of the absorption tower, the bag filter and the control system. According to the operational data, the semi-dry process route not only can meet the current stringent ultra clean emission requirements, but also has more advantages than the wet desulfurization.

Key wordsclean emissions; absorption tower; baghouse; control system

收稿日期：2016-02-14

作者簡介：楊家軍(1979—)，男，工程師，主要從事大氣污染控制技術(shù)的研究，15868125350@126.com

中圖分類號:X505

文章編號:1674-991X(2016)04-0371-06

doi:10.3969?j.issn.1674-991X.2016.04.055

楊家軍.超凈排放中循環(huán)流化床半干法脫硫工藝的優(yōu)化升級[J].環(huán)境工程技術(shù)學(xué)報,2016,6(4):371-376.

YANG J J.Optimization and upgrading of semi-dry desulfurization process of circulating fluidized bed for ultra clean emission[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2016,6(4):371-376.