燃煤電廠SO2超低排放技術(shù)研究及其應(yīng)用

張宗來

（神華國能集團(tuán)有限公司，北京 100033）

燃煤電廠SO2超低排放技術(shù)研究及其應(yīng)用

張宗來

（神華國能集團(tuán)有限公司，北京 100033）

隨著國家法律法規(guī)對(duì)燃煤電廠煙氣污染物排放要求的日趨嚴(yán)格，相關(guān)超低排放技術(shù)也日臻完善。對(duì)燃煤電廠SO2超低排放技術(shù)的種類和技術(shù)特征進(jìn)行了總結(jié)、分析和研究，并探討各技術(shù)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和適用范圍。與此同時(shí)，針對(duì)某電廠1 000 MW超超臨界機(jī)組脫硫裝置超低排放技術(shù)路線和工藝特征展開分析，研究了SO2超低排放技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用性能。結(jié)果表明，入口SO2標(biāo)干濃度為1 122 mg/m3（標(biāo)態(tài)）時(shí)，脫硫效率可達(dá)98.48%，出口SO2濃度為17 mg/m3（標(biāo)態(tài)），顯著低于35 mg/m3（標(biāo)態(tài)）的超低排放標(biāo)準(zhǔn)。

燃煤電廠；濕法脫硫系統(tǒng)；超低排放；SO2濃度

按照國家發(fā)改能源（2014）2093號(hào)和環(huán)發(fā)（2015）164號(hào)文件對(duì)燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造要求，采用高效節(jié)能超低排放技術(shù)，是燃煤電廠機(jī)組達(dá)到排放限值（煙塵5 mg/m3、SO235 mg/m3、NOX50 mg/m3（干基，6%O2））[1-3]的有效途徑。

目前，石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)作為最為成熟的脫硫技術(shù)，應(yīng)用也最為廣泛。而爐內(nèi)干法脫硫技術(shù)，則用于部分循環(huán)流化床鍋爐。在沿海地區(qū)，部分電廠因地制宜，選用海水脫硫技術(shù)。由于超低排放SO2濃度限值要求嚴(yán)格，通過理論實(shí)踐分析研究，目前一些新技術(shù)，在石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化，先后研發(fā)出單塔雙循環(huán)、雙塔雙循環(huán)、單塔雙區(qū)、雙托盤和旋匯耦合等超低排放脫硫技術(shù)[4-6]，取得良好效果。本文從脫硫基本原理、新技術(shù)應(yīng)用和工程實(shí)踐等方面進(jìn)行分析研究，對(duì)燃煤機(jī)組超低排放有一定指導(dǎo)意義。

1 石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)原理

濕法脫硫過程是一種典型氣液傳質(zhì)過程，氣相中SO2向液相中溶解傳質(zhì)，同時(shí)液相中SO2-HSO-3-SO2-3緩沖體系也隨SO2-3的氧化而使化學(xué)平衡向促進(jìn)SO2的溶解傾斜，從而完成氣相SO2的去除，達(dá)到脫硫的目的。主要的反應(yīng)過程如下所述[7-8]。

1.1 SO2溶解

SO2進(jìn)入吸收區(qū)域后，煙氣和霧化漿液液滴發(fā)生逆向?qū)α鹘佑|，煙氣中的SO2開始向液相傳質(zhì)，轉(zhuǎn)化成H2SO3。

其他氣態(tài)污染物中，HCl、HF也通過氣液傳質(zhì)過程進(jìn)入液相，從而從氣相中去除。

1.2 酸的離解

當(dāng)SO2溶解時(shí)，產(chǎn)生亞硫酸，同時(shí)根據(jù)pH值離解：

溶解至液相的其他酸性氣體，也同步進(jìn)行化學(xué)電離：

上述化學(xué)反應(yīng)將促進(jìn)液相H+濃度的升高，進(jìn)而使液相pH減小。而酸性液相環(huán)境不利于SO2的溶解，SO2向液相的傳質(zhì)速率將顯著減緩。為保證液相對(duì)SO2的充分吸收，則需要對(duì)液相中H+進(jìn)行快速去除，從而在較短停留時(shí)間內(nèi)恢復(fù)較高的pH。

1.3 中間產(chǎn)物的中和反應(yīng)

溶于漿液中的石灰石同上述H+離子發(fā)生下述反應(yīng)：

Ca2+離子與溶解的酸發(fā)生反應(yīng)：

1.4 亞硫酸氫鈣的氧化

部分生成的HSO-3，將在在吸收區(qū)被氧化為SO2-4。

而pH的降低也同時(shí)促進(jìn)固相CaCO3的溶解，并中和液相H+，從而保證漿液pH的動(dòng)態(tài)平衡。

1.5 反應(yīng)產(chǎn)物的結(jié)晶

連續(xù)產(chǎn)生的硫酸鈣導(dǎo)致溶液過飽和，從而形成石膏晶體。

待到吸收塔內(nèi)漿液密度達(dá)到1 180～1 250 kg/m3時(shí)，則需開啟石膏脫水流程，將高密度漿液進(jìn)行脫水，并生成固態(tài)石膏產(chǎn)物。

1.6 影響脫硫性能的因素

在濕法脫硫系統(tǒng)中，許多因素將影響系統(tǒng)的整體性能，相關(guān)的影響機(jī)制如表1所示。

表1 FGD系統(tǒng)中脫硫性能的影響因素及影響機(jī)制Tab.1 The list of influential factors on desulfurization efficiency and their mechanisms in the FGD system

2 超低排放脫硫技術(shù)優(yōu)化

針對(duì)超低排放的要求，國內(nèi)各環(huán)保廠家通過引進(jìn)消化吸收國外先進(jìn)技術(shù)，同時(shí)結(jié)合工程設(shè)計(jì)和實(shí)際運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，在現(xiàn)有技術(shù)工藝上進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化和技術(shù)升級(jí)，形成諸多不同的超低排放脫硫技術(shù)。其中具有代表性的技術(shù)包括雙塔雙循環(huán)技術(shù)、單塔雙循環(huán)技術(shù)、雙托盤技術(shù)和旋匯耦合技術(shù)等，從而使改造后燃煤火電機(jī)組排放煙氣滿足超低排放的要求。

2.1 單塔雙循環(huán)技術(shù)

單塔雙循環(huán)技術(shù)宗旨在同一吸收塔內(nèi)實(shí)現(xiàn)SO2的兩段吸收。典型單塔雙循環(huán)吸收塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。每級(jí)循環(huán)均配置一套漿液系統(tǒng)和噴淋系統(tǒng)。煙氣首先進(jìn)入一級(jí)循環(huán)，該段的理論SO2吸收效率一般為80%以下，循環(huán)漿液pH控制在4.5～5.3，主要功能是保證亞硫酸鈣的充分氧化（經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，pH=4.5時(shí)，氧化效果最佳）。對(duì)于設(shè)計(jì)硫分較高的系統(tǒng)，所需氧化空氣量可以顯著減少，從而達(dá)到氧化風(fēng)機(jī)節(jié)能的目的，同時(shí)石膏品質(zhì)也將顯著改善。初步凈化后的煙氣進(jìn)入二級(jí)循環(huán)，開始進(jìn)行深度凈化過程，該區(qū)域不用考慮氧化和結(jié)晶問題，因此pH值可以控制在5.8～6.4的區(qū)間運(yùn)行，SO2傳質(zhì)速率顯著提升，所需循環(huán)漿液量有效降低。與此同時(shí)，為避免亞硫酸鈣的結(jié)垢，二級(jí)循環(huán)區(qū)域也同步進(jìn)行曝氣氧化[9-10]。

圖1 單塔雙循環(huán)技術(shù)吸收塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The inside structure of the double-loop FGD with a single tower

2.2 雙塔雙循環(huán)技術(shù)

雙塔雙循環(huán)技術(shù)原理與單塔雙循環(huán)類似，但兩級(jí)循環(huán)工藝在2座吸收塔內(nèi)獨(dú)立運(yùn)行，一級(jí)循環(huán)pH值控制在4.5～5.3，主要功能為亞硫酸鈣氧化和石膏結(jié)晶；二級(jí)循環(huán)pH值控制在5.8～6.4，主要功能為SO2的高效吸收[11]。

2.3 單塔雙區(qū)技術(shù)

單塔雙區(qū)技術(shù)是在吸收塔漿池內(nèi)設(shè)置一層分區(qū)調(diào)節(jié)器，調(diào)節(jié)器間隔內(nèi)設(shè)置氧化空氣曝氣管。正常運(yùn)行時(shí)曝氣層形成一層上浮微細(xì)氣泡層，從而有效分離上部氧化區(qū)域和下部吸收漿液區(qū)域。該技術(shù)吸收塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工藝原理如圖2所示。氧化區(qū)域漿液pH值控制在4.9～5.5，相對(duì)低的pH可以保障亞硫酸鈣的高效氧化和充足的石膏結(jié)晶停留時(shí)間；吸收漿液區(qū)域?yàn)槭沂瘽{液補(bǔ)充區(qū)域，pH值控制在5.8～6.2，從而強(qiáng)化噴淋漿液與煙氣之間的氣液傳質(zhì)，降低循環(huán)漿液量[12]。

2.4 雙托盤技術(shù)

雙托盤技術(shù)是在托盤技術(shù)基礎(chǔ)上，針對(duì)高硫煤進(jìn)一步開發(fā)的的專項(xiàng)技術(shù)。該技術(shù)通過加大液氣比（L/G）來強(qiáng)化氣液傳質(zhì)通量，同時(shí)增加吸收漿液的堿性利用率[13]。單托盤與雙托盤結(jié)構(gòu)的傳質(zhì)效果比對(duì)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

圖2 單塔雙區(qū)技術(shù)吸收塔結(jié)構(gòu)和工藝原理示意圖Fig.2 The inside structure and mechanisms of the double-zone FGD with a single tower

表2 單托盤與雙托盤現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的傳質(zhì)效果對(duì)比Tab 2 Comparison on mass transfer between single-tray and double-tray technology

研究表明，在無托盤的噴淋空塔，煙氣通過噴淋霧化液滴層進(jìn)行整流，當(dāng)煙氣被連續(xù)噴淋層阻力重新分布時(shí)，煙氣已經(jīng)過大多吸收區(qū)，系統(tǒng)L/G的有效利用率較低。而托盤形成的系統(tǒng)阻力使煙氣均勻分布在塔體截面，氣液傳質(zhì)介面得到進(jìn)一步優(yōu)化。

2.5 旋匯耦合技術(shù)

旋匯耦合技術(shù)是在空塔結(jié)構(gòu)中，增設(shè)一套由多個(gè)湍流單元構(gòu)成的旋匯耦合裝置，從而在噴淋吸收區(qū)域達(dá)到氣-液-固三相的充分混合，進(jìn)而顯著降低氣液傳質(zhì)阻力，提升氣液傳質(zhì)速率[14]。旋匯耦合吸收塔典型內(nèi)部結(jié)構(gòu)布置如圖3所示。

圖3 旋匯耦合吸收塔內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 The inside structure of the spin exchange coupling FGD tower

2.6 改造前后技術(shù)特征對(duì)比

脫硫超低排放技術(shù)的廠家和公司普遍采用CFD流場(chǎng)數(shù)值模擬技術(shù)來考察改造前后流場(chǎng)分布、系統(tǒng)阻力和脫硫效率等性能參數(shù)的變化[11-14]，相關(guān)比對(duì)結(jié)果如表3所示。

表3 各超低排放技術(shù)改造后性能參數(shù)的變化Tab.3 Improvement of various ULE technologies

2.7 各技術(shù)路線成本分析

由于各個(gè)電廠改造時(shí)間、現(xiàn)場(chǎng)狀況、改造單位等的不同，其投資、工期和阻力上升情況差別會(huì)比較大。表4是整理的各種改造項(xiàng)目從改造成本和新增系統(tǒng)阻力方面，考察分析各項(xiàng)技術(shù)路線的經(jīng)濟(jì)性，作為電廠改造選擇的一個(gè)參考。

從表4可知，改造成本方面，單塔雙區(qū)技術(shù)和雙塔雙區(qū)技術(shù)更具經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)；增加系統(tǒng)阻力方面，單塔雙區(qū)技術(shù)和雙塔雙循環(huán)技術(shù)增加系統(tǒng)阻力相對(duì)較低，因此改造后脫硫系統(tǒng)廠用電率也相對(duì)較低。由于雙塔雙循環(huán)的占地面積大，輔機(jī)增設(shè)多，不適合布置比較緊湊的電廠。因此，從經(jīng)濟(jì)方面考量，單塔雙區(qū)技術(shù)成本更具優(yōu)勢(shì)。

表4 脫硫超低排放改造工藝的改造成本和新增系統(tǒng)阻力一覽表Tab.4 Installation cost and increased system resistance of ULE technologies

3 超低排放脫硫技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

某電廠1 000 MW超超臨界機(jī)組為達(dá)到超低排放限值要求，其脫硫系統(tǒng)超低改造技術(shù)路線設(shè)計(jì)如下所述。

3.1 設(shè)計(jì)條件

該工程設(shè)計(jì)煤質(zhì)參數(shù)和BMCR工況煙氣污染物成分如表5和表6所示。

表5 煤質(zhì)參數(shù)一覽表Tab.5 List of coal quality parameters

3.2 工藝設(shè)計(jì)方案

該工程設(shè)計(jì)采用美國B&W公司的石灰石-石膏就地強(qiáng)制氧化濕法脫硫工藝。脫硫吸收劑為石灰石粉（細(xì)度≤250目，篩余小于10%），脫硫塔采用單塔結(jié)構(gòu)，塔內(nèi)吸收段設(shè)置五層噴淋，塔體漿液區(qū)分離層處布置氧化空氣曝氣系統(tǒng)，噴淋層上部設(shè)置三級(jí)屋脊式除霧器。塔內(nèi)煙氣入口上方（噴淋層下方）設(shè)置雙托盤結(jié)構(gòu)，有效保證塔內(nèi)橫截面氣流均布性。

表6 鍋爐BMCR工況煙氣中污染物成分（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)，干基，α=1.4）Tab.6 Compositions of flue gas at BMCR condition（standard condition，dry，α=1.4）

3.3 保證SO2超低排放的技術(shù)措施

3.3.1 采用單塔雙區(qū)與雙托盤結(jié)合技術(shù)

該工程通過結(jié)合雙托盤與單塔雙區(qū)技術(shù)，有效改善吸收塔內(nèi)流場(chǎng)均勻度，提高煙氣與漿液的接觸機(jī)率；增大持液層高度，從而保證SO2的超低排放。

吸收塔漿池采取分區(qū)控制，隔離區(qū)域布置氧化空氣系統(tǒng)。上部為氧化區(qū)域，漿液pH控制在4.9～5.5，此區(qū)域的主要功能是保證優(yōu)異的亞硫酸鈣氧化效果和充足的石膏結(jié)晶時(shí)間。分區(qū)調(diào)節(jié)器下部為吸收區(qū)域，石灰石漿液在此區(qū)域補(bǔ)充，pH可以維持在較高水平（5.8～6.2）以降低循環(huán)漿液量，降低漿液循環(huán)泵能耗。

3.3.2 噴嘴布置結(jié)構(gòu)優(yōu)化

噴嘴由90°單頭噴嘴改為120°高效單頭噴嘴，噴淋覆蓋率有3倍以上提高。與此同時(shí)，采用噴嘴自動(dòng)布置軟件進(jìn)行噴嘴布置，保證噴嘴布置的均勻度。高效120°噴嘴可增大脫硫的比表面積，實(shí)現(xiàn)5%的脫硫性能提高。相關(guān)對(duì)比圖示如圖4所示。

為了保證現(xiàn)場(chǎng)安裝質(zhì)量，各噴淋支管與母管采用法蘭連接，噴嘴粘接及噴淋管道預(yù)組裝在工廠完成，F(xiàn)GD系統(tǒng)噴淋篇安裝精度如表7所示。

3.3.3 增設(shè)脫硫增效環(huán)

圖4 90°噴嘴覆蓋圖（上）和120°噴嘴覆蓋圖（下）效果比對(duì)Fig.4 Comparison of spray cover range between 90°and 120°spraying angle

表7 噴嘴安裝精度數(shù)據(jù)Tab.7 Installation accuracy data of FGD nozzles

為防止煙氣在邊壁效應(yīng)作用下沿吸收塔壁面流動(dòng)造成氣液接觸效果不佳的現(xiàn)象，沿吸收塔壁面增設(shè)脫硫增效環(huán)，保證煙氣與噴淋漿液的充分混合。典型脫硫增效環(huán)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 脫硫增效環(huán)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Structure of the synergistic ring in the FGD system

通過增加周邊噴嘴流量和設(shè)置增效環(huán)的方式，將靠近塔壁的煙氣驅(qū)趕至吸收塔中間區(qū)域，從而改善塔體橫截面L/G分布均勻性，進(jìn)而有效提升氣液傳質(zhì)效果，提高脫硫效率。

3.3.4 尾端高效除霧結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在除霧器設(shè)計(jì)過程中，精細(xì)化考慮各項(xiàng)參數(shù)對(duì)除霧效果的影響，詳細(xì)分析所考慮的葉片結(jié)構(gòu)參數(shù)，相關(guān)參數(shù)如表8所示。

表8 影響除霧器運(yùn)行的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)一覽表Tab.8 List of structure parameters which have impact on the demister operation

1）在初步選定葉片參數(shù)后，利用吸收塔內(nèi)氣液固三相耦合及動(dòng)態(tài)模擬技術(shù)，結(jié)合在液滴運(yùn)動(dòng)過程中的氣固液三相間傳質(zhì)和傳熱的特點(diǎn)，驗(yàn)證除霧器的除霧效果。

2）通過引入實(shí)際運(yùn)行參數(shù)，對(duì)脫硫系統(tǒng)進(jìn)行CFD數(shù)值模擬流場(chǎng)性能研究。使得除霧器入流場(chǎng)分布的CV（標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)偏差）值小于20%，保證除霧器性能。

3）為保證除霧效果和除需器長期穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)三級(jí)屋脊除霧器的功能進(jìn)行相應(yīng)的區(qū)分。第一級(jí)除霧器為粗除霧器，將除去煙氣中70%以上的較大液滴，為了便于沖洗，采用“不帶鉤”葉片；第二級(jí)為細(xì)除霧器，采用“帶鉤”葉片，葉片角度較第一級(jí)有所增加，葉片間距略微降低；第三級(jí)為微細(xì)除霧器，葉片角度進(jìn)一步放大，間距進(jìn)一步縮小。

4）正常沖洗工況下，既要保證除霧器的沖洗效果，同時(shí)也要避免因過度沖洗導(dǎo)致出口霧滴濃度超標(biāo)，因此除霧器沖洗水噴嘴角度控制和沖洗水量也要進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)和控制。

通過除霧系統(tǒng)的精細(xì)化設(shè)計(jì)，可以保證脫硫出口煙氣攜帶的水滴含量≤15 mg/m3（標(biāo)態(tài)），除霧系統(tǒng)總阻力小于180 Pa。

3.4 改造后性能指標(biāo)

在某電廠2×1 000 MW機(jī)組超低排放脫硫系統(tǒng)改造中，采用單塔雙區(qū)+增效托盤+高效除霧耦合技術(shù)，在設(shè)計(jì)工況（鍋爐BMCR、燃用設(shè)計(jì)煤種下的煙氣條件），脫硫系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行性能指標(biāo)如表9所示。從表9中結(jié)果可知，入口SO2標(biāo)干濃度為1 122 mg/m3（標(biāo)態(tài)）時(shí)，脫硫效率可達(dá)98.48%，出口SO2濃度為17 mg/m3（標(biāo)態(tài)），低于35 mg/m3（標(biāo)態(tài)）的超低排放限值，從而完全達(dá)到超低排放的標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)論與展望

伴隨超低排放改造進(jìn)程的提速，脫硫超低排放技術(shù)也日臻完善，前述各類技術(shù)的適用條件和技術(shù)及其特征各有利弊。

表9 某電廠1 000 MW機(jī)組超低排放脫硫系統(tǒng)BMCR工況下運(yùn)行參數(shù)Tab.9 Performance indexes at BMCR of ULE-FGD system in a 1 000 MW power plant

1）當(dāng)改造場(chǎng)地有限時(shí)，應(yīng)選擇單塔結(jié)構(gòu)配置的脫硫技術(shù)；

2）當(dāng)設(shè)計(jì)硫分較高且需考慮節(jié)約廠用電率時(shí)，應(yīng)選擇單/雙塔雙循環(huán)或單塔雙區(qū)脫硫技術(shù)；

3）當(dāng)設(shè)計(jì)硫分偏高且廠用電率裕度足夠時(shí)，可以選擇單塔雙區(qū)耦合雙托盤或旋匯耦合脫硫技術(shù)；

4）當(dāng)石膏品質(zhì)要求較高時(shí)，應(yīng)選擇雙循環(huán)或雙區(qū)控制脫硫技術(shù)。

綜上所述，在超低排放升級(jí)改造可行性研究過程中，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，科學(xué)選擇最優(yōu)的技術(shù)路線，從而有效保障升級(jí)改造的實(shí)用性和經(jīng)濟(jì)性。

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Review of Ultra-Low Emission Technologies of SO2and Their Practical Application

ZHANG Zonglai
（Shenhua Guoneng Energy Group Corporation Limited，Beijing 100033，China）

As the national laws and regulations on coalfired power plant flue gas emissions become increasingly stringent，the related ultra-low emission technology is also improving.In this paper，the types and technical characteristics of flue gas desulfurization（FGD）ultra-low emission（ULE）technology are summarized and analyzed，and the advantages and applicable scope of each technology are discussed.At the same time，the SO2-ULE route and process characteristics in a 1 000 MW power plant are analyzed，and the practical application performance of the SO2-ULE technology is discussed.Results show that，under 1 122 mg/m3（標(biāo)態(tài)）of inlet SO2，the SO2removal efficiency reaches 98.48%，and the discharge SO2is 17 mg/m3（標(biāo)態(tài)），which is obviously lower than the ULE standard of 35 mg/m3（標(biāo)態(tài)）.

coal-fired power plant;wet flue gas desulfurization（wet FGD）;ultra-low emission（ULE）;concentration of SO2

1674-3814（2017）07-0116-07

X511

A

神華集團(tuán)重點(diǎn)科研課題：燃煤電站污染物近零排放技術(shù)集成及中試試驗(yàn)研究（項(xiàng)目編號(hào)SHGH-15-27）。

Project Supported by the Key Scientific Research Program of the Shenhua Group：Technology Integration and Pilot Test Research of PollutantNearZeroDischargeforCoal-FiredPowerPlants（SHGH-15-27）.

2017-03-14。

張宗來（1960—），男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槌团欧拧?/p>

（編輯 馮露）