單塔雙區(qū)脫硫技術(shù)在燃煤電廠中的應(yīng)用

張贏丹，丁 俊，丁 宏

（江蘇國(guó)信揚(yáng)州發(fā)電有限責(zé)任公司，江蘇 揚(yáng)州 225131）

0 引言

某公司二期工程為630 MW超臨界燃煤機(jī)組，原脫硫系統(tǒng)采用石灰石－石膏濕法工藝，脫硫裝置采用一爐一塔工藝布置，旁路已拆除，每臺(tái)吸收塔配置3臺(tái)漿液循環(huán)泵，3層噴淋，1層托盤，2臺(tái)氧化風(fēng)機(jī)。在煤質(zhì)含硫量Sar=1%時(shí)，添加脫硫催化劑的情況下，煙囪出口的實(shí)際排放濃度能夠控制在100 mg/m3（已換算為標(biāo)況下，以下同）以下，脫硫效率約96%。

為進(jìn)一步加強(qiáng)大氣污染防治工作，2014年8月，江蘇省經(jīng)信委和環(huán)保廳頒發(fā)《關(guān)于推進(jìn)燃煤發(fā)電機(jī)組大氣污染物超低排放示范工程的通知（蘇經(jīng)信電力[2014]541號(hào)）》，通知要求“燃煤發(fā)電機(jī)組通過深度治理改造，機(jī)組污染物達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值標(biāo)準(zhǔn)，即煙塵排放濃度不大于5 mg/m3，SO2排放濃度不大于35 mg/m3，NOX排放濃度不大于50 mg/m3”。在此情況下，該公司擬進(jìn)行脫硫設(shè)施改造。

1 脫硫提效主要工藝路線

石灰石－石膏濕法脫硫工藝以價(jià)廉易得的石灰石作為脫硫吸收劑，脫硫效率高，技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛，運(yùn)行可靠，脫硫副產(chǎn)物也具有較為廣闊的市場(chǎng)。因此，目前絕大多數(shù)燃煤火電機(jī)組都采用濕法脫硫工藝進(jìn)行煙氣脫硫。濕法脫硫不同的工藝階段對(duì)漿液性質(zhì)有不同的要求：

反應(yīng)階段，高pH值漿液易與SO2及HCl等酸性氣體充分反應(yīng)，可在較低的液氣比和電耗條件下，保證很高的脫硫效率；但太高的漿液pH值會(huì)導(dǎo)致吸收塔內(nèi)部大量結(jié)垢和管道堵塞。

氧化階段，CaSO3的氧化結(jié)晶需要較強(qiáng)的酸性環(huán)境，因此需要漿液pH值較低，以保證吸收劑的完全溶解以及較高的石膏品質(zhì)，并大大提高氧化效率，降低氧化風(fēng)機(jī)電耗；但太低的pH值使腐蝕加劇，直接影響吸收塔設(shè)備的使用壽命[1－2]。因此，傳統(tǒng)的單塔單區(qū)濕法脫硫工藝中pH值采用折中值（5～5.6），兼顧了吸收和氧化的要求，但在脫硫效率達(dá)98%時(shí)，效率進(jìn)一步提升將會(huì)出現(xiàn)明顯瓶頸，脫硫效率明顯受限，單純?cè)黾訃娏苎h(huán)量難以大幅提高脫硫效率[3－5]?；谶@一特性，衍生出雙塔雙循環(huán)、單塔雙循環(huán)、單塔雙區(qū)這3種石灰石一石膏濕法煙氣脫硫提效改造方案。

1.1 雙塔雙循環(huán)石灰石-石膏濕法脫硫工藝

雙塔雙循環(huán)技術(shù)即兩級(jí)吸收塔串聯(lián)使用，分別設(shè)有獨(dú)立的循環(huán)漿池、噴淋層。工藝流程如圖1所示。煙氣首先經(jīng)一級(jí)塔噴淋洗滌，再進(jìn)入二級(jí)塔二次噴淋后排出；石灰石漿液則先進(jìn)入二級(jí)塔經(jīng)循環(huán)噴淋后再進(jìn)入一級(jí)塔。二級(jí)塔內(nèi)漿液pH值較高，有利于SO2和HCl等酸性氣體的吸收，可以保證較高的脫硫效率，高硫煤脫硫率可達(dá)約98.5%。一級(jí)塔內(nèi)漿液維持較低pH值，以保證CaSO3的氧化結(jié)晶。2個(gè)循環(huán)過程獨(dú)立控制，避免了參數(shù)的相互制約，可以使反應(yīng)過程更加優(yōu)化，以便快速適應(yīng)煤種變化和負(fù)荷變化[6]。

圖1 雙塔雙循環(huán)濕法脫硫工藝流程

1.2 單塔雙循環(huán)石灰石-石膏濕法脫硫工藝

單塔雙循環(huán)技術(shù)通過增加噴淋層、集液斗和獨(dú)立塔外漿池等設(shè)施，由集液斗將吸收塔分為2個(gè)循環(huán)回路，在1座吸收塔內(nèi)完成2次脫硫，以達(dá)到雙塔串聯(lián)效果。如圖2所示，石灰石在工藝中的流向?yàn)椋合冗M(jìn)入二級(jí)循環(huán)（塔外漿池），再進(jìn)入一級(jí)循環(huán)。煙氣由吸收塔底部漿液池上方進(jìn)入，首先與pH值較低的一級(jí)循環(huán)噴淋層的漿液逆向接觸，完成1個(gè)循環(huán)脫除，脫硫效率一般控制在40%～75%，漿液pH值控制在4.5～5.3，有利于完成石膏的氧化。經(jīng)過一級(jí)循環(huán)的煙氣直接通過碗狀集液斗的導(dǎo)流葉片進(jìn)入pH值較高的二級(jí)循環(huán)噴淋層，pH值控制在5.8～6.4，主要為脫硫洗滌過程，SO2幾乎被完全除去，噴淋后的漿液由碗狀集液斗收集至獨(dú)立塔外漿池。脫硫后的清潔煙氣經(jīng)除霧器除去霧滴后，由吸收塔上側(cè)引出，排入煙囪，石膏僅從一級(jí)循環(huán)的漿池中排出[7－8]。

圖2 單塔雙循環(huán)濕法脫硫工藝流程

1.3 單塔雙區(qū)石灰石-石膏濕法脫硫工藝

單塔雙區(qū)石灰石－石膏濕法脫硫工藝在傳統(tǒng)濕法脫硫工藝基礎(chǔ)上，對(duì)吸收塔漿池部分進(jìn)行改造，布置pH調(diào)節(jié)器和射流攪拌，通過兩者的相互配合，實(shí)現(xiàn)在單塔的漿池中維持上下2種pH值環(huán)境的不同區(qū)域，分別作為氧化區(qū)（pH=4.9～5.5）和吸收區(qū)（pH=5.3～6.1）。氧化區(qū)生成高純度的石膏，吸收區(qū)高效脫除SO2，實(shí)現(xiàn)“雙區(qū)”運(yùn)行，如圖3、圖4所示。

圖3 單塔雙區(qū)濕法脫硫工藝吸收塔結(jié)構(gòu)

圖4 單塔雙區(qū)濕法脫硫工作原理

單塔雙區(qū)采用分區(qū)調(diào)節(jié)器技術(shù)實(shí)現(xiàn)了在一個(gè)吸收塔內(nèi)形成2種pH值的漿液，分別滿足吸收和氧化時(shí)對(duì)漿液性質(zhì)不同的要求，得到了更高的脫硫效率。新鮮的較高pH值的石灰石漿液從吸收塔底部進(jìn)入，SO2吸收區(qū)的漿液從底層抽取，經(jīng)噴淋吸收SO2后的漿液，落入漿液池的上層，該部分漿液呈較強(qiáng)的酸性。氧化區(qū)即抽取該漿液進(jìn)行噴淋，與氧化空氣充分接觸后，轉(zhuǎn)化為高純度的石膏排出。為了避免新加入的石灰石漿液影響上部漿液pH值[9]，采用專有射流攪拌系統(tǒng)，當(dāng)液體從管道末端噴嘴中沖出時(shí)產(chǎn)生射流，依靠該射流作用攪拌塔底固體物，防止產(chǎn)生沉淀，且混合更加均勻。脫硫系統(tǒng)停機(jī)后可以很順利地重新啟動(dòng)。該系統(tǒng)無任何塔外循環(huán)吸收裝置，系統(tǒng)阻力較低[10]。

2 工藝方案比較

3種工藝都基于濕法脫硫工藝中SO2吸收過程和CaSO3氧化結(jié)晶過程所需的不同漿液酸堿性這一原理進(jìn)行改造，進(jìn)而提高脫硫效率。雙塔雙循環(huán)和單塔雙循環(huán)均設(shè)有2個(gè)不同pH值的漿液池，分別進(jìn)行循環(huán)噴淋，占地面積大，投資大，適用于高含硫量煙氣或者對(duì)脫硫效率要求特別高的項(xiàng)目。單塔雙區(qū)改造工藝通過常規(guī)的單塔系統(tǒng)達(dá)到了雙區(qū)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，塔外也無需任何附加脫硫設(shè)施，節(jié)約大量投資。漿液池分為氧化區(qū)和吸收區(qū)2個(gè)區(qū)域，雙區(qū)pH差值為0.35～0.74。根據(jù)pH值計(jì)算原理可知，較小的差值也代表漿液的酸堿性有明顯差別，也能達(dá)到較好的吸收和氧化效果，從而保證較高的脫硫效率。3種改造方案特點(diǎn)對(duì)比情況如表1所示。

該公司現(xiàn)有脫硫系統(tǒng)周邊場(chǎng)地緊張，且實(shí)際運(yùn)行時(shí)，煤質(zhì)含硫量小于1%。在綜合考慮利煤種硫份、場(chǎng)地、施工周期和建設(shè)投資等因素，最終選定對(duì)脫硫吸收塔進(jìn)行單塔雙區(qū)改造的方案，將脫硫效率提高至98.9%以上，確保脫硫系統(tǒng)出口SO2排放濃度不大于 32 mg/m3（干基， 6%O2）。

3 改造方案

該公司對(duì)吸收塔進(jìn)行了一系列改造，以滿足單塔雙區(qū)的技術(shù)要求和高脫硫效率的目標(biāo)。

表1 3種常見濕法脫硫提效改造方案對(duì)比

（1）對(duì)吸收塔進(jìn)行兩段環(huán)切加高：抬升吸收塔底部，加大漿液池容積，并在漿池中部新安裝一套分區(qū)調(diào)節(jié)器對(duì)漿液進(jìn)行分區(qū)改造；抬升吸收塔上部，噴淋層由3層增加到5層，相應(yīng)增加2臺(tái)漿液循環(huán)泵。

（2）對(duì)吸收塔相關(guān)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)：拆除更換舊噴淋層管道和噴嘴，1—4層噴淋噴嘴均采用雙向空心錐噴嘴，噴淋層下部新增多孔分布器（托盤），達(dá)到增加漿液與煙氣充分接觸和均布煙氣的目的；將原側(cè)進(jìn)式攪拌器拆除，改造為底部射流攪拌系統(tǒng)（相應(yīng)增加2臺(tái)射流泵），并在塔底均布攪拌噴嘴，使?jié){液循環(huán)更充分；原噴槍式氧化空氣系統(tǒng)改造為布置在分區(qū)調(diào)節(jié)器處的管網(wǎng)式氧化空氣系統(tǒng)，使氧化空氣與漿液接觸更充分；石灰石供漿口改造布置在吸收塔底部，保持底部漿液高pH值；1—4層噴淋層塔壁對(duì)應(yīng)新增提效環(huán)，減少煙氣逃逸；新增1臺(tái)大流量氧化風(fēng)機(jī)，與原小風(fēng)機(jī)并聯(lián)運(yùn)行，起到節(jié)能效果。

改造完成后，滿負(fù)荷時(shí)主要設(shè)計(jì)性能指標(biāo)全部達(dá)到了要求，改造和新增的系統(tǒng)和各設(shè)備運(yùn)行穩(wěn)定、正常。該機(jī)組滿負(fù)荷2個(gè)工況下（工況1：電除塵出口煙塵濃度＞20 mg/m3；工況2：電除塵出口煙塵濃度＜20 mg/m3。）的脫硫系統(tǒng)性能試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 脫硫系統(tǒng)性能試驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)語

由于SO2的高效吸收和CaSO3的充分氧化對(duì)漿液pH值要求不同，為提高脫硫效率，雙塔雙循環(huán)、單塔雙循環(huán)、單塔雙區(qū)3種提效方案都對(duì)漿液進(jìn)行了分區(qū)，效果顯著。其中，單塔雙區(qū)石灰石－石膏濕法脫硫改造工藝具有以下優(yōu)勢(shì)：

（1）此系統(tǒng)利用原吸收塔進(jìn)行改造，主體改造在塔本體，外圍僅需增加漿液循環(huán)泵和射流泵的安裝位置，占地面積小。

（2）改造涉及的新設(shè)備少，設(shè)備采購(gòu)和施工安裝投資少。

（3）該系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)可在保證脫硫效率的前提下，根據(jù)機(jī)組負(fù)荷、硫份，切換大、小氧化風(fēng)機(jī)的投運(yùn)，優(yōu)化1—5層噴淋層投運(yùn)，運(yùn)行阻力小、能耗低，運(yùn)行成本少。

計(jì)劃進(jìn)行脫硫系統(tǒng)提效改造時(shí)，各發(fā)電廠應(yīng)綜合考慮燃用煤種硫份、原有吸收塔的脫硫能力、廠地布置等因素選擇適合機(jī)組的脫硫方法。

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