托盤技術(shù)應(yīng)用于濕法煙氣脫硫的現(xiàn)狀與展望

袁瑞龍，孫 琛，肖愛萍，于 江，張 蕾，楊曉峰

(1 中國聯(lián)合工程公司，浙江 杭州 310052；2 寧波正源電力有限公司，浙江 寧波 315708；3 浙江省工業(yè)環(huán)保設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310012)

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托盤技術(shù)應(yīng)用于濕法煙氣脫硫的現(xiàn)狀與展望

袁瑞龍1，孫 琛1，肖愛萍1，于 江2，張 蕾3，楊曉峰1

(1 中國聯(lián)合工程公司，浙江 杭州 310052；2 寧波正源電力有限公司，浙江 寧波 315708；3 浙江省工業(yè)環(huán)保設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310012)

近年來，我國大氣污染問題日益凸顯，控制大氣污染物排放已成為環(huán)保工作重點(diǎn)。為嚴(yán)控大氣污染物排放，我國環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，政府部門提出了“超凈排放”環(huán)保概念。本文詳細(xì)介紹了濕式石灰石-石膏法脫硫工藝，指出托盤改造可成為提高濕式脫硫塔效率的有效方法。目前，該技術(shù)已被應(yīng)用于部分電廠脫硫設(shè)備的“超凈排放”改造，其具有均勻化煙氣流場、提高噴淋塔除塵性能、降低脫硫系統(tǒng)能耗和便于脫硫噴淋塔檢修等特點(diǎn)，有較高的經(jīng)濟(jì)效益。托盤技術(shù)為脫硫系統(tǒng)改造提供了新思路，在脫硫系統(tǒng)“超凈排放”改造領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用前景。

煙氣脫硫；濕式石灰石-石膏法；托盤技術(shù)；超凈排放

1 濕法煙氣脫硫技術(shù)簡介

雖然近年來原煤消耗量有所下降，但是燃煤鍋爐排放仍是我國產(chǎn)生二氧化硫的第一大污染源[1]，環(huán)保形勢十分嚴(yán)峻。為控制SO2等大氣污染物排放，我國環(huán)境保護(hù)部門出臺了一系列政策法規(guī)。2012年1月1日，《火電廠大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223-2011)正式實(shí)施，SO2的排放限值被設(shè)定在100 mg/m3以下[2]。2014年國家發(fā)改委印發(fā)《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計(jì)劃(2014-2020年)》，提出燃煤電廠“超凈排放”概念，進(jìn)一步提高了SO2排放標(biāo)準(zhǔn)。計(jì)劃要求東部地區(qū)新建燃煤發(fā)電機(jī)組SO2排放濃度不得高于35 mg/m3[3]。

目前，國內(nèi)外脫硫技術(shù)主要分為三大類：干法煙氣脫硫技術(shù)、半干法煙氣脫硫技術(shù)和濕法煙氣脫硫技術(shù)。濕法煙氣脫硫技術(shù)(Flue Gas Desulfurization, FGD)利用液態(tài)脫硫劑去除SO2氣體。該技術(shù)因工藝成熟穩(wěn)定，脫硫效率高，被廣泛應(yīng)用于燃煤鍋爐脫硫領(lǐng)域，市場份額達(dá)85%以上[4]。使用石灰石漿液作為吸收劑的濕式石灰石-石膏法因脫硫劑價格低廉、脫硫效率高、運(yùn)行穩(wěn)定、適用范圍廣、副產(chǎn)物可出售等優(yōu)勢，從眾多濕法脫硫技術(shù)中脫穎而出，成為火電廠煙氣脫硫主導(dǎo)技術(shù)，主要工藝原理如下：

2 濕法煙氣脫硫改造工藝

由于大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)不斷提高，一些燃煤電廠摻燒硫份更高的煤種，燃煤硫分偏離設(shè)計(jì)值，發(fā)電廠滿負(fù)荷甚至超負(fù)荷運(yùn)行，煙氣量和煙氣SO2濃度都大幅上升，導(dǎo)致多數(shù)濕法煙氣脫硫技工藝已無法滿足當(dāng)前環(huán)保排放要求。因此，對傳統(tǒng)濕法煙氣脫硫技術(shù)進(jìn)行升級改造，已成當(dāng)務(wù)之急。目前較為常規(guī)的濕法煙氣脫硫改造工藝包括增加脫硫噴淋層、增大液氣比、增大氧化空氣及漿液循環(huán)量，但是由于這些措施受限場地和脫硫參數(shù)，存在一定的瓶頸，限制了實(shí)際應(yīng)用。

3 托盤技術(shù)

影響濕式石灰石-石膏工藝脫硫效率的主要因素包括傳質(zhì)和吸收兩個過程，故可有針對性地從強(qiáng)化擾動、增大吸收劑與煙氣的接觸比表面積和提高傳質(zhì)效率、加快反應(yīng)效率兩個方面入手提高濕式石灰石-石膏工藝的脫硫效率。

托盤技術(shù)是在脫硫吸收塔噴淋層下設(shè)置一塊或多塊孔板托盤，孔板被全面布置于整個吸收塔橫截面上。由于孔板托盤具有間隙結(jié)構(gòu)，煙氣通過托盤時，流速降低，被整流形成均勻流場，促進(jìn)了SO2的吸收反應(yīng)。托盤具有一定高度的持液層，煙氣通過托盤孔后出現(xiàn)節(jié)流噴射現(xiàn)象，煙氣和漿液在托盤表面發(fā)生強(qiáng)烈擾動，形成泡沫層，增大了氣液接觸界面，強(qiáng)化了SO2向石灰石漿液的傳質(zhì)，提高了吸收過程的反應(yīng)速率。典型吸收塔托盤模塊及托盤脫硫塔[6]模型如圖1所示。

圖1 典型吸收塔托盤模塊(a)和托盤脫硫塔(b)的示意圖

4 托盤技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢分析

4.1 煙氣流場均勻化

在脫硫設(shè)備設(shè)計(jì)階段，煙氣流場不均勻易增加無托盤噴淋塔的設(shè)計(jì)難度，需通過建立復(fù)雜的氣體流動模型來優(yōu)化噴嘴的布置。托盤技術(shù)可使脫硫煙氣在噴淋塔中分布均勻，避免了流場紊亂對脫硫效率造成的影響，同時減小了脫硫噴淋塔設(shè)計(jì)難度。過小玲等[6]利用fluent軟件對噴淋塔空塔的氣相冷態(tài)流場進(jìn)行了數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)未安裝托盤時，煙氣進(jìn)入噴淋塔后會出現(xiàn)逆時針漩渦，形成強(qiáng)烈湍流區(qū)。而安裝托盤后，噴淋塔內(nèi)的煙氣流場明顯均勻化。噴淋塔底部漿池附近的漩渦消失，有效減少了煙氣含水量，減輕了除霧器負(fù)擔(dān)，同時降低了低溫腐蝕的風(fēng)險。

4.2 提高脫硫噴淋塔除塵性能

燃煤鍋爐排放煙氣中攜帶的粉塵，尺寸小于10 μm的顆粒達(dá)30%，是霧霾天氣的主要成因。目前主要的除塵設(shè)備包括布袋除塵器、靜電除塵器和濕式電除塵器等。鍋爐煙氣正常設(shè)計(jì)條件下，托盤持液層具有一定厚度，合理范圍在100～200 mm之間。煙氣經(jīng)過托盤孔時，會出現(xiàn)節(jié)流噴射現(xiàn)象，煙氣與持液層之間發(fā)生強(qiáng)烈擾動，提高了噴淋區(qū)煙氣湍流度，這種“洗滌”作用對煙氣中顆粒物有較為明顯的捕集效果。梁晏萱[7]等研究了帶托盤脫硫噴淋塔的輔助除塵性能，發(fā)現(xiàn)帶托盤脫硫噴淋塔對煙塵具有一定的去除效果，綜合除塵率介于28.1%～74.9%。

4.3 降低脫硫系統(tǒng)能耗

托盤上形成的持液層可明顯增加煙氣在吸收塔中的停留時間，單托盤上的漿液滯留時間為1.8 s，雙托盤上的漿液滯留時間可達(dá)3.5s[8]。煙氣在吸收塔中停留時間的延長，提高了脫硫吸收劑的利用率。在相同脫硫效率條件下，使用托盤可有效降低脫硫液/氣比25%～30%。同時，由于液/氣比減小，漿液循環(huán)泵的流量可降低，條件允許時，甚至可少運(yùn)行一臺漿液循環(huán)泵。雖然托盤改造將一定程度上增加塔內(nèi)煙氣阻力，提高系統(tǒng)引風(fēng)機(jī)電耗，但是不會大于因液/氣比降低而使循環(huán)泵功率減小的量。以一臺600 MW機(jī)組考慮，增設(shè)一層托盤，循環(huán)泵的配置功率可降低800 kW。雖然塔內(nèi)阻力增加了500 Pa，折合風(fēng)機(jī)功率增加了400 kW，但是綜合考慮，脫硫電耗仍可降低400 kW[9]。

4.4 便于脫硫噴淋塔的檢修

由于托盤材質(zhì)多為合金材料，設(shè)計(jì)載荷可達(dá)到4000 kN/m2，達(dá)到了檢修平臺的載荷設(shè)計(jì)要求。因此運(yùn)行維護(hù)人員可借助托盤對塔內(nèi)部件進(jìn)行維護(hù)，使檢修工作更加方便易行，降低了成本與時間。浙江省錢清發(fā)電廠濕式石灰石-石膏脫硫系統(tǒng)進(jìn)行小修過程中，在吸收塔內(nèi)部漿液未排空情況下，檢修人員便可通過托盤進(jìn)入吸收塔內(nèi)部，對除霧層、噴淋層和吸收塔襯膠等部件進(jìn)行檢查，縮短了維修周期[10]。

圖2 托盤脫硫塔維修工作圖

5 國內(nèi)托盤技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀

由于國家總體環(huán)保形勢日益嚴(yán)峻，部分重點(diǎn)地區(qū)政府提出了“50355”超凈排放工程方案，燃煤電廠煙氣SO2、NOx和煙塵排放濃度分別控制在35 mg/Nm3、50 mg/Nm3和5 mg/Nm3以下。托盤改造技術(shù)作為一種超凈排放改造技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于我國的脫硫工程中。

例如，全國首個離岸海島大型燃煤火電廠浙能六橫發(fā)電廠，一期建設(shè)的2×1000 MW超超臨界機(jī)組，采用了融合托盤+增效環(huán)技術(shù)的石灰石-石膏濕法脫硫系統(tǒng)，SO2排放濃度低于了25 mg/Nm3[11]，達(dá)到了超潔排放要求。

蕭山發(fā)電廠采用2×125兩爐一塔300 MW等級的濕式石灰石-石膏法脫硫工藝進(jìn)行煙氣脫硫，是國內(nèi)重點(diǎn)環(huán)保工程，工程設(shè)計(jì)最大處理煙氣量達(dá)1094000 Nm3/h，入口SO2濃度2508 mg/Nm3，脫硫效率為95%，采用了美國巴威公司提供技術(shù)支撐的托盤技術(shù)，運(yùn)行效果良好[12]。

杜樂[13]對托盤技術(shù)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析，技術(shù)參數(shù)如表1所示[13]。分析表明雖然設(shè)置托盤導(dǎo)致總投資增加了60萬元，但每年可節(jié)省運(yùn)行成本達(dá)185萬元。托盤改造的經(jīng)濟(jì)效益明顯。

表1 帶托盤與不帶托盤主要性能參數(shù)對比表

6 托盤技術(shù)在濕法煙氣脫硫應(yīng)用展望

國內(nèi)超凈排放概念的提出，使得現(xiàn)有不符合排放要求的濕式石灰石-石膏脫硫設(shè)備亟需技術(shù)改造升級。托盤改造技術(shù)具有運(yùn)行穩(wěn)定、脫硫效率高、技術(shù)成熟、應(yīng)用廣泛、使用反饋良好和經(jīng)濟(jì)效益高等優(yōu)點(diǎn)，而且該技術(shù)只對脫硫噴淋塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，成本較低，有效解決了國內(nèi)燃煤電廠用地緊張問題。因此托盤改造技術(shù)必將成為一種優(yōu)秀的超凈排放技術(shù)，在國內(nèi)超凈排放技術(shù)改造中大顯身手。

[1] 中國環(huán)境保護(hù)產(chǎn)業(yè)協(xié)會脫硫脫硝委員會.脫硫脫硝行業(yè)2014年發(fā)展綜述[J].中國環(huán)保產(chǎn)業(yè), 2015(12):4-23.

[2] 環(huán)境保護(hù)部.GB13223-2011火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國環(huán)境科學(xué)出版社,2012.

[3] 國家發(fā)展改革委.煤電節(jié)能減排升級與改造行動計(jì)劃(2014-2020年).

[4] 黃群亮.濕法煙氣脫硫改造工藝的優(yōu)選及經(jīng)濟(jì)性評價[D].廣州:華南理工大學(xué),2015.

[5] 馬科偉.流場數(shù)值模擬技術(shù)在脫硫塔托盤設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].廣州化工,2016, 44(5):172-174.

[6] 過小玲.托盤式煙氣脫硫噴淋塔空塔冷態(tài)流場數(shù)值模擬[J].江蘇環(huán)境科技,2006,19(5):37-39.

[7] 梁晏萱.帶托盤噴淋塔的輔助除塵性能研究[J].重慶電力高等?？茖W(xué)校學(xué)報,2016,21(1):51-55.

[8] 梁晏萱.雙托盤噴淋塔在石灰石-石膏濕法脫硫裝置改造中的應(yīng)用[J].重慶電力高等?？茖W(xué)校學(xué)報,2015,20(5):38-41.

[9] 張軍梅.提高電站濕法脫硫系統(tǒng)效率及可靠性的幾點(diǎn)措施[J].中國電力,2013,46(5):13-17.

[10]莊滬豐.135 MW機(jī)組濕法煙氣脫硫?qū)嵺`[J].浙江電力,2004(4):28-30.

[11]方常.超潔凈排放環(huán)保綜合改造的應(yīng)用研究[D].廣州:華南理工大學(xué),2015.

[12]蘇曉艷.火電廠石灰石-石膏濕法脫硫系統(tǒng)優(yōu)化運(yùn)行的策略改進(jìn)[D].廣州:華南理工大學(xué),2015.

[13]杜樂.一種提高石灰石-石膏法脫硫效率的方法-托盤塔[J].環(huán)境與發(fā)展,2014,26(3): 196-198.

Status and Development of Desulfurization Tower Tray for Wet Flue Gas Desulfurization

YUANRui-long1,SUNChen1,XIAOAi-ping1,YUJiang2,ZHANGLei3,YANGXiao-feng1

(1 China United Engineering Corporation, Zhejiang Hangzhou 310052; 2 Ningbo Zhengyuan Electric Power Co., Ltd., Zhejiang Ningbo 315708; 3 Zhejiang Industrial Environmental Protection Design &Research Institute Co., Ltd., Zhejiang Hangzhou 310012, China)

In recent years, Chinese air pollution problems increase seriously.The control of atmospheric pollutant emission has become the focus of environmental protection.To strictly control the emission of atmospheric pollutants, Chinese environmental standards were improved and the government departments proposed the concept of “ultra-clean emission”. Wet limestone-gypsum desulfurization method was introduced and it was pointed out that desulfurization tower tray modification can be an effective method to improve the efficiency of wet desulfurization tower.At present, the technique has been applied in some power plant desulfurization equipment “ultra-clean emission” modification and has the advantages of uniforming flue gas flow field, improving dust removal performance of spray tower, reducing energy consumption of desulfurization system, convenience of maintenance for desulfurization spray towers and high economy benefit.Desulfurization tower tray offered a new idea for desulfurization system modification and had bright application prospect in the field of “ultra-clean emission”.

flue gas desulfurization; wet limestone-gypsum method; desulfurization tower tray; ultra-clean emission

袁瑞龍(1970-)，男，高級工程師。

TQ534.9

A

1001-9677(2016)019-0039-03