徐州電廠改造工程脫硫技術(shù)的應用

陶秋根，劉鶴忠，鄧文祥，戴建忠

(華東電力設(shè)計院有限公司，上海 200063)

1 概述

國華徐州發(fā)電有限公司一期2×1000 MW機組工程，兩臺機組已分別于2011年12月20日和2011年12月31日建成投產(chǎn)。原工程設(shè)計時執(zhí)行的污染物控制排放標準為《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223－2003)，原大氣污染設(shè)計排放指標為：煙塵≤50 mg/Nm3；SO2≤400 mg/Nm3；NOX≤450 mg/Nm3。而2012年1月1日起開始實施的《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223－2011)中特別排放限值的要求，排放指標為：煙塵≤20 mg/Nm3；SO2≤50 mg/Nm3；NOX≤100 mg/Nm3。2014年9月三部委發(fā)布《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014－2020年)》要求機組排放指標達到：煙塵＜10 mg/Nm3，SO2＜35 mg/Nm3、NOX＜50 mg/Nm3。

在滿足國家環(huán)保標準政策的同時各集團公司自我加壓提出更高的要求，神華集團公司要求下屬電廠堅持“高品質(zhì)發(fā)電”、環(huán)?！傲闳萑?、零排放”。國華電力公司下發(fā)了《國華電力高品質(zhì)綠色發(fā)電計劃》，提出以“清潔高效”為路徑，對現(xiàn)役機組進行節(jié)能、環(huán)保等方面的升級改造工作，實施“綠色發(fā)電計劃”，做到高品質(zhì)發(fā)電，公司2016年1月對徐州提出的環(huán)保改造指標是：煙塵濃度≤3 mg/Nm3、SO2濃度≤35 mg/Nm3、NOx濃度≤50 mg/Nm3進行設(shè)計，力爭達到煙塵濃度≤3 mg/Nm3、SO2濃度≤20 mg/Nm3、NOx濃度≤30 mg/Nm3。

2 常用的脫硫方案簡介

目前，國內(nèi)采用石灰石－石膏濕法對脫硫系統(tǒng)提效改造主要通過增加液氣比、優(yōu)化氣流分布、增加托盤、改善噴嘴設(shè)計、增加周邊噴嘴數(shù)量和設(shè)置增效環(huán)、提高吸收劑質(zhì)量、使用脫硫添加劑等采用一種或幾種方法來提高脫硫效率的，常用的工藝路線有：單塔雙循環(huán)、雙塔雙循環(huán)、單塔雙區(qū)、液柱噴淋塔和脫硫除塵一體化技術(shù)等。

2.1 單塔雙循環(huán)脫硫技術(shù)

單塔雙循環(huán)濕法脫硫技術(shù)其主要工藝是在脫硫塔內(nèi)設(shè)置積液盤將脫硫區(qū)分隔為上、下循環(huán)脫硫區(qū)，在一座脫硫塔內(nèi)形成相對獨立的雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)，煙氣的脫硫由雙循環(huán)的二套脫硫系統(tǒng)來實現(xiàn)。此工藝系統(tǒng)特別適合于燃燒高硫煤生成的煙氣脫硫，脫硫效率一般可達到99%以上(見圖1)。

圖1 單塔雙循環(huán)工藝流程圖

2.2 雙塔雙循環(huán)脫硫技術(shù)

雙塔雙循環(huán)技術(shù)是由二座吸收塔、二套漿液循環(huán)系統(tǒng)組成，與單塔雙循環(huán)脫硫技術(shù)基本相同，比較適用于有場地條件的高含硫煤和高脫硫效率的改造工程。該技術(shù)能有效的利用原有脫硫系統(tǒng)，在原有吸收塔旁再建一座吸收塔和一套漿液循環(huán)系統(tǒng)，其脫硫效率可達到99%以上(見圖2)。

圖2 雙塔雙循環(huán)工藝流程圖

2.3 單塔雙區(qū)脫硫技術(shù)

吸收塔中雙區(qū)是指石灰石－石膏濕法脫硫過程中吸收區(qū)和氧化區(qū)。其功能為吸收區(qū)完成對煙氣中SO2的吸收，生成CaSO3或Ca(HSO3)2，而氧化區(qū)中是通過對(SO3)2-或(HSO3)-的氧化并形成結(jié)晶，生成CaSO4·2H2O(石膏)。

雙區(qū)是由于吸收和氧化過程所需的不同漿液酸堿性。在吸收區(qū)中需要石灰石漿液與SO2、HCl等酸性氣體充分反應，需要較強的鈣性，故漿液中pH值較高(8～9)；而氧化區(qū)中發(fā)生的氧化結(jié)晶反應需要較強的酸性，故漿液pH值應較低(4～5)。

單塔雙區(qū)是根據(jù)單吸收塔單區(qū)的技術(shù)特點，對吸收塔漿池部分進行變動，在單吸收塔的漿池中維持上下2種pH值的不同區(qū)域，分別用作氧化和吸收所需，實現(xiàn)單塔雙區(qū)功效(見圖4)。

單塔雙區(qū)吸收塔具有以下特點：

圖3 常規(guī)單塔單區(qū)流程圖

圖4 新型單塔雙區(qū)流程圖

(1)適合高含硫或高效率脫硫的場合，脫硫效率可以達到99%以上。

(2)漿池pH分區(qū)，實現(xiàn)雙區(qū)。上部氧化區(qū)pH 4.9～5.5－生成高純石膏；下部吸收區(qū)pH 5.3～6.1－高效脫除SO2。

2.4 液柱噴淋塔脫硫技術(shù)

液柱噴淋塔石灰石－石膏濕法脫硫技術(shù)，既擁有一般噴淋技術(shù)的成熟、穩(wěn)定、可靠，又有投資低、占地小、運行簡單等許多優(yōu)點。在同樣保證脫硫效率的情況下，其運行電耗比一般噴淋系統(tǒng)要低。主要是采用液柱噴淋塔脫硫效率高，通常在大于99%，如采用U型液柱噴淋塔技術(shù)，能滿足SO2≤5 mg/Nm3排放要求，是目前比較高效的脫硫技術(shù)之一。

2.4.1 液柱塔脫硫技術(shù)

石灰石－石膏濕法煙氣脫硫最廣泛的吸收塔都為空塔，空塔主要是相對于鼓泡塔和填料塔而言。液柱塔和噴淋塔都是空塔，都是通過合理組織將漿液和煙氣在吸收塔某一空間充分混合接觸，達到將煙氣中的二氧化硫氣體溶解吸收，進而氧化成石膏排出。理論上液柱塔和噴淋塔都能在塔內(nèi)形成相同的氣液反環(huán)境，但相比較噴淋塔，液柱塔更簡單、經(jīng)濟、有效，液柱塔有如下優(yōu)點：

(1)液柱塔漿液自下而上兩次接觸煙氣，可提高循環(huán)泵漿液的利用率，在同等情況下，與噴淋塔相比，液柱塔循環(huán)泵的流量可以較小，可減小脫硫運行成本。

(2)液柱塔采用直通噴嘴，漿液為自下而上噴射，無需霧化壓力，所以循環(huán)泵揚程相對較小，可降低漿液循環(huán)泵的電耗。

(3)噴淋管低位且單層布置，布置較為簡單，且對脫硫煙氣有導流作用，所以噴嘴和噴管檢修更換方便，吸收塔阻力相對較小。

2.4.2 U型液柱噴淋塔流程

脫硫漿液通過吸收塔漿液循環(huán)泵從吸收塔漿池送至塔內(nèi)噴漿系統(tǒng)，漿液通過設(shè)置在U型塔下部的噴漿管自下而上經(jīng)噴嘴噴出形成液柱，在下降/上升的過程中與煙氣接觸發(fā)生化學反應，吸收煙氣中的SO2。煙氣經(jīng)過順流塔和逆流塔兩次充分反應，脫硫效率高。

2.5 超凈脫硫除塵一體化技術(shù)

超凈脫硫除塵一體化技術(shù)近幾年煙氣超凈排放改造項目中應用比較多的脫硫、除塵技術(shù)，在吸收塔內(nèi)由旋匯耦合脫硫裝置、高效噴淋技術(shù)和管束式除塵裝置三部分組成(見圖5)。

圖5 超凈脫硫除塵一體化吸收塔

2.5.1 旋匯耦合脫硫技術(shù)

旋匯耦合脫硫技術(shù)是利用多相紊流摻混的強制傳質(zhì)原理和氣體動力學原理，通過特制的旋匯耦合裝置產(chǎn)生氣液旋轉(zhuǎn)翻覆湍流空間，使氣液固三相充分接觸，迅速地完成傳質(zhì)，以達到氣體凈化的目的。

安裝旋匯耦合器的的脫硫塔，均流氣體效果比一般噴淋空塔要提高15%～30%。

2.5.2 管束式除塵裝置技術(shù)

管束式除塵裝置的應用環(huán)境是在含有大量液滴和約50℃溫度的凈煙氣，霧滴量大、霧滴粒徑分布范圍廣，霧滴中含有煙塵和石膏塵顆粒；除塵裝置除塵主要是脫除液滴、脫除煙塵和石膏塵顆粒。

(1)液滴與顆粒凝聚

大量細小霧滴中和煙塵和石膏塵顆粒在高速運動條件下增加碰撞機率，在離心力的作用下易于凝聚成為大顆粒，因而實現(xiàn)從氣相分離。

(2)液滴和液膜捕獲

除塵器筒體壁面在離心力的作用下液膜會捕獲接觸到其表面的細小液滴，特別是在增速器和分離器葉片的表面的過厚液膜，會在高速氣流的作用下發(fā)生“散水”現(xiàn)象，大量的大液滴從葉片表面被拋灑出來，在葉片上部形成了液滴層，穿過液滴層的細小液滴被捕獲，大液滴變大后跌落回葉片表面，重新變成大液滴，實現(xiàn)對細小霧滴的捕獲。

(3)離心力作用下液滴脫除

經(jīng)過加速器加速后的氣流高速旋轉(zhuǎn)向上流動，氣流中的細小霧滴、煙塵和石膏塵顆粒在離心力作用下與氣體分離，分離至筒體壁面。而高速旋轉(zhuǎn)運動的氣流在筒體壁面形成一個旋轉(zhuǎn)運動的液膜層。從氣體分離出來的細小霧滴、煙塵和石膏塵顆粒與液膜層接觸后被捕獲，實現(xiàn)霧滴和顆粒從煙氣中的脫除。

采用超凈脫硫除塵一體化技術(shù)不但脫硫效率大于99%，而且除塵效率大于90%。

3 脫硫技術(shù)改造方案論證

徐州電廠原脫硫系統(tǒng)設(shè)計：脫硫工藝為石灰石－石膏濕法，設(shè)計燃煤含硫量按1.5%設(shè)計，在鍋爐BMCR工況下脫硫效率不低于95%；在校核煤種含硫量2.0%時，在鍋爐BMCR工況下脫硫效率不低于93%；每套煙氣脫硫裝置安裝四臺漿液循環(huán)泵(無備用)，三臺氧化風機(二運一備)。

本工程脫硫系統(tǒng)改造的環(huán)保目標是：SO2濃度≤35 mg/Nm3(干基，6%O2)，力爭達到SO2濃度≤20 mg/Nm3(干基，6%O2)。

表1 脫硫系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)(鍋爐BMCR工況 Sar=0.8%)

針對上述改造的目標和要求，結(jié)合單塔雙循環(huán)、雙塔雙循環(huán)、單塔雙區(qū)、液柱噴淋塔和脫硫除塵一體化技術(shù)等脫硫技術(shù)，如采用單塔雙循環(huán)技術(shù)需要增加AFT漿池；采用雙塔雙循環(huán)技術(shù)不但需要增加AFT漿池還需要增加吸收塔；采用單塔雙區(qū)技術(shù)需要抬高吸收塔高度4 m，增加二層噴淋層，增加二臺漿液循環(huán)泵；采用液柱噴淋塔技術(shù)需要更換吸收塔，更換漿液循環(huán)泵等。如采用上述四種脫硫改造技術(shù)之一均會產(chǎn)生較大的改造工程量或增加較大大場地。如采用超凈脫硫除塵一體化技術(shù)，可保留原有吸收塔外形不變和煙道布置不變，漿液循環(huán)泵數(shù)量和參數(shù)不變，與其他四種脫硫技術(shù)方案相比，改造的工程量最小，采用該方案在提高脫硫效率的同時能提高除塵效率。

結(jié)合徐州電廠的工程特點，煙氣系統(tǒng)采用煙塔合一技術(shù)，脫硫吸收塔緊靠自然通風冷卻塔布置。吸收塔基礎(chǔ)與冷卻塔基礎(chǔ)的間距為17.89 m，而參考其他同類型1000 MW機組板式濕式靜電除塵器布置(板式技術(shù)成熟、應用較廣)，濕式靜電除塵器包括前后煙道聯(lián)箱總長度約在36 m，所以現(xiàn)有的場地是很難布置濕式電除塵器的；另一方面煙塔合一技術(shù)吸收塔至冷卻塔間的煙道均采用玻璃鋼煙道為成型件，現(xiàn)場加工制作困難。故本工程不具備采用濕式靜電除塵器的條件。針對上述情況煙氣深度除塵需要在吸收塔內(nèi)解決，而超凈脫硫除塵一體化技術(shù)具有此功能，超凈脫硫除塵一體化技術(shù)在國內(nèi)已有較多的應用業(yè)績。

表2 超凈脫硫除塵一體化技術(shù)業(yè)績

4 脫硫技術(shù)改造實施方案及運行效果

徐州電廠脫硫改造工程采用超凈脫硫除塵一體化技術(shù)，其主要改造范圍如下：

4.1 煙氣系統(tǒng)

維持原有煙道設(shè)計不變，僅對利舊煙道內(nèi)部玻璃鱗片樹脂防腐修復。

4.2 吸收系統(tǒng)

4.2.1 吸收塔改造

采用4層噴淋層+高效旋匯耦合方案，每層噴淋層對應一臺漿液循環(huán)泵，對原噴淋層進行改造，利用原4層噴淋層主管，原吸收塔四層噴淋均采用普通渦旋噴嘴，本次改造需進行噴嘴差異化布置、噴嘴更換為高效雙頭反向噴嘴、增大噴淋覆蓋率、提高二次霧化的效率。

每座吸收塔設(shè)置3道塔壁增效環(huán)，材質(zhì)為2205。

4.2.2 吸收塔入口煙道

降低吸收塔入口煙道接口頂板并在入口煙道與最低層噴淋層之間增加高效旋匯耦合裝置。

4.2.3 除霧器

拆除原有除霧器，替換為管束式除塵器，并設(shè)置相應除霧沖洗水系統(tǒng)。

4.3 工藝水系統(tǒng)

基本利用原有管道并局部改造原有管道閥門，以用作管束式除塵器沖洗水系統(tǒng)；管束式除塵器沖洗水管道上設(shè)置全自動沖洗裝置，沖洗裝置后面的沖洗水管采用304材質(zhì)。

更換原有4臺除霧器沖洗水泵、新增設(shè)4臺管束式除塵器霧化水泵。

4.4 廢水系統(tǒng)

廢水處理系統(tǒng)處理能力按二臺機組36 m3/h設(shè)計。增設(shè)2座預沉池及1座廢水緩沖池。

4.5 電控系統(tǒng)

本次改造僅對電氣系統(tǒng)進行局部改造，以滿足工藝要求。DCS系統(tǒng)根據(jù)工藝系統(tǒng)調(diào)整進行調(diào)整，凈煙道CEMS更新安裝，重建CEMS小屋。

4.6 改造過程

徐州電廠脫硫改造二臺爐同時進行，2號爐自2016年8月中旬土建動工起至9月下旬50天內(nèi)完成、1號爐自2016年8月中旬土建動工起至12月上旬120天內(nèi)完成。二臺爐的改造費用設(shè)計包括工藝、土建、消防、給排水、電氣、儀表及控制等；供貨包括脫硫裝置的全部設(shè)備和材料；還包括安裝、調(diào)試。二臺爐的改造費用約為3000萬。同時也進行了增加脫硝催化劑層的改造(見表3)。

4.7 改造運行效果

本次環(huán)保改造后的測試結(jié)果煙塵濃度2.08 mg/Nm3、SO2濃度≤6.68 mg/Nm3、NOx濃度20.56 mg/Nm3。達到了改造的預定目標煙塵濃度≤3 mg/Nm3、SO2濃度≤20 mg/Nm3、NOx濃度≤30 mg/Nm3。本工程通過采用超凈脫硫除塵一體化技術(shù)取得了理想的效果，測試數(shù)據(jù)優(yōu)于設(shè)計要求。

表3 超凈脫硫除塵一體化技術(shù)參數(shù)(2號爐實際測試值)(測試時間為2017年2月)

5 結(jié)語

徐州電廠脫硫改造工程采用超凈脫硫除塵一體化技術(shù)方案是可行的，通過技術(shù)改造在滿足國家環(huán)保標準政策的同時，能達到神華集團公司和國華電力公司的要求，使煙氣污染物排放中煙塵濃度≤3 mg/Nm3、SO2濃度≤20 mg/Nm3、NOx濃度≤30 mg/Nm3。

本次改造主要是對吸收塔內(nèi)部進行改造，包括增加高效旋匯耦合方案，對原噴淋層進行改造，進行噴嘴差異化布置，噴嘴更換為高效雙頭反向噴嘴；拆除原有除霧器，替換為管束式除塵器。工藝水系統(tǒng)更換原有4臺除霧器沖洗水泵、新增設(shè)4臺管束式除塵器霧化水泵等。由于采用了超凈脫硫除塵一體化技術(shù)方案可保留原有的吸收塔外形不變、煙道布置不變和漿液循環(huán)泵數(shù)量和參數(shù)不變，與其他脫硫改造方案比較，其改造工程量小，對場地條件要求低。故本次脫硫改造選用的技術(shù)路線是正確的。

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