鄧乾紅,姚超良,李玉蘭,李小芝
(永清環(huán)保股份有限公司,長(zhǎng)沙 410005)
2014年9月,國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、環(huán)境保護(hù)部、國(guó)家能源局聯(lián)合出臺(tái)了《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014~2020年)》,計(jì)劃要求重點(diǎn)區(qū)域燃煤電廠的煙氣污染物排放限值達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組的要求“SO2濃度≤35mg/Nm3、固體顆粒物≤10mg/Nm3”,即“超潔凈排放”的要求。因此,各燃煤鍋爐電廠大力開(kāi)展超潔凈排放改造工作。
為滿(mǎn)足超潔凈排放的要求,高硫鍋爐新建機(jī)組的脫硫超潔凈排放技術(shù)可采用雙塔雙循環(huán)工藝或單塔雙循環(huán)工藝[1]。雙塔雙循環(huán)工藝存在占地面積大、投資大、運(yùn)行維修復(fù)雜的缺點(diǎn)?,F(xiàn)有的單塔雙循環(huán)工藝其實(shí)質(zhì)是雙塔串聯(lián)工藝,同樣需要兩個(gè)吸收塔,只是將兩個(gè)吸收塔的噴淋區(qū)疊加在一個(gè)吸收塔上,另一個(gè)吸收塔只起漿池的作用,同樣存在占地面積大、運(yùn)行維修復(fù)雜的缺點(diǎn)。高硫鍋爐新建機(jī)組的除塵超潔凈排放技術(shù)可采用干電除塵+吸收塔+濕電除塵工藝或干電除塵+吸收塔脫硫除塵一體化工藝[2]。而老舊電廠超潔凈改造項(xiàng)目,其原有規(guī)劃基本都沒(méi)有考慮超潔凈排放改造的場(chǎng)地存在面積狹小難以改造的問(wèn)題。
針對(duì)現(xiàn)有高硫分機(jī)組改造項(xiàng)目存在場(chǎng)地狹小、改造困難的特點(diǎn),某電廠二期(2×630MW)高硫鍋爐采用了某環(huán)保公司的單塔雙托盤(pán)脫硫除塵一體化技術(shù)進(jìn)行超潔凈排放改造,本文通過(guò)對(duì)該電廠高硫鍋爐改造前后的運(yùn)行情況進(jìn)行了理論和實(shí)際分析,得出:高硫鍋爐采用單塔雙托盤(pán)脫硫除塵一體化技術(shù)進(jìn)行脫硫除塵改造,可以保證高硫鍋爐出口凈煙氣達(dá)到超潔凈排放要求。
原煙氣脫硫裝置隨主機(jī)同步建設(shè),采用日本IHI公司提供的脫硫技術(shù),石灰石-石膏濕法脫硫工藝,一爐一塔配置,吸收塔采用單回路噴淋空塔,設(shè)計(jì)脫硫效率≥95%。2014年增容改造,改造按照FGD入口SO2濃度≤5910mg/Nm3時(shí)、出口SO2濃度<150mg/Nm3、脫硫效率≥97.5%設(shè)計(jì)。改造包含吸收塔系統(tǒng)及相應(yīng)電氣、熱工和土建、旁路封堵、事故噴淋系統(tǒng)等內(nèi)容。原脫硫系統(tǒng)設(shè)置流量為11,000m3/h的漿液循環(huán)泵5臺(tái)和噴淋層5層,吸收塔吸收區(qū)域直徑為15.2米。FGD入口煙氣參數(shù)見(jiàn)表1。
電除塵隨主機(jī)同步建設(shè),雙室四電場(chǎng)靜電除塵器、臥式布置,設(shè)計(jì)除塵效率為99.84%。2014年進(jìn)行了提效改造,對(duì)原有除塵器本體部分改造,增加了第五電場(chǎng)及配套電控系統(tǒng),同時(shí)對(duì)除塵器電源改造,保證電除塵出口煙氣粉塵濃度≤30mg/Nm3(干基、標(biāo)態(tài)、6%氧)。
表1 FGD入口煙氣參數(shù)
在FGD入口SO2濃度≤5910mg/Nm3、粉塵濃度≤30mg/Nm3(干基、標(biāo)態(tài)、6%氧)的工況下,保證FGD出口SO2濃度≤30mg/m3、固體顆粒物濃度≤5mg/Nm3(干基、標(biāo)態(tài)、6%氧)。
國(guó)內(nèi)外95%的燃煤火電廠脫硫技術(shù)均采用石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù),本文重點(diǎn)介紹石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù),通過(guò)分析FGD吸收塔脫硫和除塵的機(jī)理,對(duì)現(xiàn)有的石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)優(yōu)化升級(jí),形成了適用高硫鍋爐煙氣脫硫除塵協(xié)同處理的單塔雙托盤(pán)脫硫除塵一體化技術(shù)。
石灰石-石膏濕法脫硫主要化學(xué)反應(yīng):
3.1.1 主反應(yīng)
3.1.2 SO3副反應(yīng)
其中關(guān)鍵步驟為主反應(yīng)的步驟②和④,步驟②即SO2克服液體表面氣膜進(jìn)入液相的阻力,同時(shí)溶于液相中。步驟④即固體CaCO3溶解產(chǎn)生Ca2+。因此要大幅度提高FGD吸收塔的脫硫效率,需加快上述2個(gè)步驟的反應(yīng)速度[3]。
FGD吸收塔內(nèi)設(shè)置多層噴淋層,每層噴淋層上設(shè)置多個(gè)噴嘴,從漿液循環(huán)泵來(lái)的漿液通過(guò)噴嘴霧化作用在吸收塔內(nèi)形成噴淋區(qū),噴嘴的覆蓋率為200%~300%。煙氣從吸收塔底部進(jìn)入,向上流動(dòng)與噴淋層噴嘴產(chǎn)生的液滴逆向接觸,在氣液兩相接觸過(guò)程中,液滴不僅吸收煙氣中的SO2,而且可以捕捉煙氣中的粉塵。吸收塔內(nèi)噴淋液滴捕捉機(jī)理主要有碰撞、擴(kuò)散、沉降等[4]。
3.2.1 碰撞
當(dāng)液滴向下流動(dòng)的時(shí)候與被煙氣攜帶向上運(yùn)動(dòng)的粉塵相互碰撞時(shí),煙氣中的粉塵進(jìn)入液滴,而氣體從液滴四周繞流而過(guò)。碰撞分為直接碰撞和慣性碰撞,直接碰撞是當(dāng)煙氣中的粉塵跟隨氣體流線流過(guò)液滴表面時(shí),如果流線與液滴表面的距離小于粉塵粒徑的一半,那么粉塵就會(huì)與液滴直接碰撞,進(jìn)而被液滴吸收。影響直接碰撞除塵的主要因素是氣液接觸面積、粉塵的粒徑。一般來(lái)說(shuō),在同樣液氣比的情況下,液滴粒徑越小、煙氣流場(chǎng)越均勻、氣體和液體的接觸面積越大,就越有利于噴淋層的除塵,同時(shí)粉塵粒徑在一定范圍內(nèi),粒徑越大越有利于被液滴直接碰撞吸收。但當(dāng)粒徑大到一定程度時(shí),直接碰撞就變成了慣性碰撞。慣性碰撞是指煙氣流線沿液滴四周流動(dòng)時(shí),大粒徑(4μm以上)的粉塵動(dòng)能較大,粉塵沒(méi)有跟隨煙氣沿液滴四周流動(dòng),而是在慣性的作用下撞向液滴。影響慣性碰撞除塵的主要因素是粉塵的動(dòng)能。一般來(lái)說(shuō),粉塵粒徑越大、氣液兩相的相對(duì)速度越快,越有利于噴淋層的慣性碰撞除塵。
3.2.2 擴(kuò)散
當(dāng)粉塵的粒徑在1~10μm時(shí),根據(jù)布朗運(yùn)動(dòng)原理,細(xì)小的粉塵在吸收塔內(nèi)被從各個(gè)方向來(lái)的煙氣分子和液體分子碰撞,進(jìn)而做無(wú)規(guī)則的布朗運(yùn)動(dòng),當(dāng)粉塵做無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)過(guò)程中與液滴碰撞進(jìn)而被液滴吸收。
3.2.3 沉降
沉降分為重力沉降和靜電沉降,但是在FGD內(nèi),煙氣中的粉塵粒徑小、煙氣空塔流速為3.8m/s左右,且無(wú)電場(chǎng)作用,因此不考慮其重力沉降和靜電沉降的作用。
要大幅度提高FGD吸附塔脫硫效率,需加快SO2溶解和CaCO3溶解的速度。SO2溶解速度與氣液接觸的面積、氣液接觸的時(shí)間、液相的pH值、氣相中SO2的分壓、液相中SO2的溶解量等有關(guān)。CaCO3溶解速度與漿液的pH值有關(guān)。
要大幅度提高FGD吸附塔除塵效率,需增加液體與粉塵的接觸機(jī)會(huì)。液體與粉塵的接觸幾率與氣液接觸的面積、氣液接觸的時(shí)間[5]、氣液兩相的相對(duì)流速等有關(guān)。
綜上所述,增加吸收塔氣液兩相的傳質(zhì)可以大幅度提高吸收塔的脫硫除塵效果,因此本改造項(xiàng)目確定采用脫硫除塵一體化技術(shù)即增設(shè)塔內(nèi)部件強(qiáng)化吸收塔氣液兩相傳質(zhì)、加強(qiáng)吸收塔脫硫除塵協(xié)同處理能力,形成以下改造技術(shù)路線:
1)更換原有5層噴淋層,將噴嘴更換為高效噴嘴,噴嘴的覆蓋率從200%提升至300%;2)在最底層噴淋層下方設(shè)置一層篩板式托盤(pán)(簡(jiǎn)稱(chēng)為第一層托盤(pán)),將上二層噴淋抬高1米,其下方設(shè)置一層篩板式托盤(pán)(簡(jiǎn)稱(chēng)為第二層托盤(pán));3)在每層噴淋層下方增設(shè)聚流環(huán);4)吸收塔整體抬高7.8米,拆除原有除霧器,新增一套自主研發(fā)的吸收塔自潔凈除霧器;5)將石灰石漿液進(jìn)口管連接至上二層循環(huán)泵出口管道上。
根據(jù)該項(xiàng)目煙氣含硫量高的特點(diǎn)及超潔凈排放指標(biāo)的要求,改造采用了“單塔+雙托盤(pán)+吸收塔自潔凈除霧器的脫硫除塵一體化技術(shù)”。
通過(guò)對(duì)煙氣系統(tǒng)進(jìn)行CFD數(shù)字模擬、采用高效噴淋系統(tǒng)、設(shè)置雙穿流式篩板托盤(pán)、采用專(zhuān)利技術(shù)的吸收塔自潔凈除霧器[6],確保項(xiàng)目高硫鍋爐超潔凈排放的實(shí)現(xiàn)。
更換原有的5層噴淋層,噴嘴采用高效噴嘴,噴嘴的覆蓋率從200%提升至300%。噴嘴的覆蓋率提高,可有效提高氣液兩相接觸的面積;覆蓋率提高有利于煙氣均布,進(jìn)而提高FGD噴淋層脫硫除塵的效果。同時(shí)采用高效噴嘴,噴淋層產(chǎn)生液滴Sauter粒徑約為1600μm,比常規(guī)噴嘴的Sauter粒徑小500μm,球的表面積為4πr2,球的體積為4/3πr3,因此1m3水霧化成粒徑大小一致的液滴的總表面積=1/單個(gè)液滴的體積×單個(gè)液滴的表面積=即單位體積液體的總表面積與液滴的Sauter粒徑成反比。在吸收塔內(nèi),當(dāng)氣液比一定的時(shí)候,噴淋層噴嘴產(chǎn)生的液滴粒徑越小、液體的總表面積越大。當(dāng)液滴Sauter粒徑從2100μm下降至1600μm時(shí),液體的總表面積增大約1.3倍。因此采用高效噴淋系統(tǒng),增大氣液接觸的面積和塔內(nèi)煙氣的均勻性,進(jìn)而提高噴淋層的脫硫除塵效果。
該項(xiàng)目采用的托盤(pán)為穿流式篩板,穿流式篩板是一種典型的氣液逆流式篩板,篩板沒(méi)有降液管,篩板上設(shè)置篩孔作為氣液上升和液相下降通道,因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、處理能力大、氣液兩相傳質(zhì)效果好,近年來(lái)在除塵、洗滌、轉(zhuǎn)熱等方面廣泛使用[7]。氣液兩相通過(guò)篩孔時(shí),當(dāng)煙氣流速控制在一定范圍(與篩板的開(kāi)孔率有關(guān))就可以在篩板上形成泡沫層。泡沫層中的氣泡不斷地?cái)嗔?、合并,又重新生成,可大幅度?qiáng)化氣液兩相的傳質(zhì),煙氣在通過(guò)這層泡沫后,SO2和粉塵被吸附,煙氣得到凈化。
煙氣篩板上的泡沫層對(duì)煙氣中細(xì)小的粉塵(粒徑<2μm)具有良好的除塵效果,主要機(jī)理是將液相作為捕塵體,在碰撞、擴(kuò)散等作用下將粉塵捕集,其中以碰撞除塵為主,控制煙氣穿過(guò)篩孔的孔速為9~12m/s,保證粉塵和液相較大的相對(duì)速度,提高粉塵和泡沫層中液滴碰撞被捕集的概率,進(jìn)而提高泡沫層對(duì)細(xì)小粉塵的脫除率。
一般吸收塔運(yùn)行過(guò)程中漿池漿液的pH值約為5.5,通過(guò)上式可以計(jì)算出石灰石的溶解度S=3.676kg/m3,而托盤(pán)上漿液的pH值約為4,計(jì)算可得:S=109.52kg/m3,托盤(pán)上CaCO3的溶解速度約等于漿池中溶解速度的30倍。
因石灰石供漿管道移動(dòng)至上二層循環(huán)泵出口管道,石灰石漿液直接接入到上二層循環(huán)泵出口管道,經(jīng)過(guò)兩二層噴淋層噴嘴噴出,再在第二層托盤(pán)上方形成泡沫層,將SO2從5910mg/Nm3下降至30mg/Nm3,每小時(shí)需補(bǔ)充CaCO3約17,000kg。實(shí)際運(yùn)行時(shí),CaCO3在第二層托盤(pán)泡沫層中達(dá)到溶解與電離平衡,此時(shí)CaCO3的溶解度為0.773kg/m3,通過(guò)式②推算出:第二層托盤(pán)上方泡沫層的pH值約為6.3。pH值上升有利于提高吸收塔SO2的脫除率。
該項(xiàng)目設(shè)置雙托盤(pán)系統(tǒng)的作用:1)延長(zhǎng)氣液接觸時(shí)間,均布吸收塔內(nèi)煙氣流場(chǎng),強(qiáng)化氣液兩相傳質(zhì),進(jìn)而提高吸收塔的脫硫除塵效果;2)將吸收塔內(nèi)的漿液分成漿池、第一層托盤(pán)泡沫層、第二層托盤(pán)泡沫層。這3部分的漿液pH分別約為5.5、4、6.3,其中漿池漿液pH值維持在5.5左右可以防止吸收塔結(jié)垢、保證系統(tǒng)運(yùn)行安全可靠;第一層托盤(pán)泡沫層漿液pH值維持在4可以加快CaCO3的溶解速度,進(jìn)而提高吸收塔的脫硫效果;第二層托盤(pán)泡沫層漿液pH值維持在6.3左右,經(jīng)過(guò)下三層噴淋層沖洗后,進(jìn)入第二層托盤(pán)的煙氣中SO2的含量大致在130mg/Nm3左右,提高第二層托盤(pán)泡沫層和上二層噴淋層漿液的pH值可加快SO2的吸收速度。因此雙托盤(pán)系統(tǒng)可以加快石灰石-石膏濕法脫硫反應(yīng)中的關(guān)鍵步驟②(SO2的吸收)和步驟④(CaCO3的溶解),大幅度提高吸收塔的脫硫效果。同時(shí)雙托盤(pán)系統(tǒng)可以延長(zhǎng)氣液接觸的時(shí)間、增大氣液接觸的面積、提高氣液兩相的相對(duì)速度,大幅度提高吸收塔對(duì)粉塵的脫除率。
吸收塔自潔凈除霧器自下而上依次設(shè)置第一級(jí)液滴捕集器、溢流式篩板裝置、第二級(jí)液滴捕集器和第三級(jí)液滴捕集器。這種結(jié)構(gòu)有效地提高吸收系統(tǒng)的除塵效率。溢流式篩板上方形成一層清水層用于對(duì)煙氣攜帶的石膏液滴進(jìn)行置換稀釋和對(duì)細(xì)小粉塵進(jìn)行捕捉。同時(shí),部分沒(méi)有被捕捉的細(xì)小顆粒與供水管網(wǎng)噴嘴噴出的小粒徑顆粒碰撞凝并,變成大粒徑液滴,大液滴再通過(guò)第二、三層液滴捕集器除去,從而達(dá)到高效除塵、除霧的效果。
通過(guò)對(duì)溢流式篩板進(jìn)水和出水中SO42-離子進(jìn)行對(duì)比,數(shù)值如表2。
表2 溢流式篩板進(jìn)出水離子對(duì)比
表2 溢流式篩板進(jìn)出水離子對(duì)比
項(xiàng)目 數(shù)量 備注進(jìn)水SO42-離子(mg/L) 1085 項(xiàng)目水質(zhì)較差出水SO42-離子(mg/L) 1204
機(jī)組測(cè)試時(shí)煙氣量約為206萬(wàn)Nm3/h(6%氧),一般經(jīng)過(guò)第一級(jí)除霧器后,液滴的含量約為80mg/Nm3,石膏液滴的固含量為7.5%,且經(jīng)過(guò)第一級(jí)除霧器后煙氣中的石膏含量約為12.36kg/h。溢流式篩板進(jìn)水流量為30m3/h、除霧器平均沖洗水量為35m3/h,出水SO42-離子增加119mg/L,則溢流式上進(jìn)水總共溶解帶走石膏10.99kg/h,經(jīng)吸收塔自潔凈系統(tǒng)后煙氣中的石膏含量下降至1.37kg/h,相當(dāng)于煙氣攜帶的石膏量為0.664mg/Nm3。如吸收塔自潔凈系統(tǒng)出口液滴含量為20mg/Nm3,此時(shí)石膏液滴的固含量從沒(méi)裝吸收塔自潔凈系統(tǒng)的10%下降為3.32%,則煙氣攜帶的石膏量從原來(lái)的2mg/Nm3減少為0.664mg/Nm3。因此吸收塔自潔凈除霧器可以大幅度溶解經(jīng)過(guò)除霧器的煙氣中的石膏和可溶性鹽,進(jìn)而減少凈煙氣中顆粒物中石膏和可溶性鹽的含量。
另溢流式篩板上方設(shè)置供水管網(wǎng),產(chǎn)生粒徑為100μm左右的霧化水,可與煙氣中細(xì)小的粉塵和液滴進(jìn)行凝并成大液滴,進(jìn)而有利于第二、三層液滴捕集器除去。
脫硫效果預(yù)測(cè):進(jìn)口煙氣SO2濃度5910mg/Nm3,每個(gè)部件的脫硫效率如下:第一層托盤(pán):脫硫效率為15%,出口SO2濃度5023mg/Nm3;第一層噴淋層:脫硫效率為66%,出口SO2濃度為1708mg/Nm3;第二層噴淋層:脫硫效率為68%,出口SO2濃度為547mg/Nm3;第三層噴淋層:脫硫效率為70%,出口SO2濃度為164mg/Nm3。第二層托盤(pán):脫硫效率為15%,出口SO2濃度為140mg/Nm3;第四層噴淋層:脫硫效率為60%,出口SO2濃度為56mg/Nm3;第五層噴淋層:脫硫效率為55%,出口SO2濃度為25mg /Nm3。
通過(guò)增設(shè)雙托盤(pán)、采用高效噴淋系統(tǒng)、設(shè)置聚流環(huán)可以大幅度提高吸收塔內(nèi)氣相兩相的傳質(zhì)效率,大幅度提高了吸收塔的脫硫效果。保證高硫分機(jī)組進(jìn)口煙氣SO2濃度在5910mg/Nm3的情況下,出口凈煙氣SO2濃度可達(dá)到超潔凈排放的要求<35mg/Nm3。
除塵效果預(yù)測(cè):進(jìn)口煙氣粉塵濃度30mg/Nm3,每個(gè)部件的除塵效率如下:第一層托盤(pán):除塵效率為50%,出口粉塵濃度為15mg/Nm3;第一層噴淋層:除塵效率為10%,出口粉塵濃度為13.5mg/Nm3;第二層噴淋層:除塵效率為10%,出口粉塵濃度為12.15mg/Nm3;第三層噴淋層:除塵效率為10%,出口粉塵濃度為10.9mg/Nm3。第二層托盤(pán):除塵效率為50%,出口粉塵濃度為5.47mg/Nm3;第四層噴淋層:除塵效率為10%,出口粉塵濃度為4.92mg/Nm3;第五層噴淋層:除塵效率為10%,出口粉塵濃度為4.43mg/Nm3;煙氣自潔凈除霧器:除塵效率為10%,出口粉塵濃度為3.97mg/Nm3。
凈煙氣攜帶的石膏液滴為20mg/Nm3,經(jīng)過(guò)煙氣自潔凈除霧器稀釋和溶解后,石膏液滴的固含量為3.32%,折算固體顆粒物為0.664mg/Nm3。
因此,經(jīng)過(guò)吸收塔內(nèi)部噴淋層、雙層托盤(pán)、吸收塔自潔凈除霧器的協(xié)同處理后,出口凈煙氣的固體顆粒物的含量為3.986+0.664=4.65mg/Nm3,小于超潔凈排放要求5mg/Nm3。
該電廠脫硫除塵一體化改造于2016年5月30日開(kāi)工,2016年7月30日封塔具備試運(yùn)行條件。2016年8月2日一次啟機(jī)成功,8月3日進(jìn)入168h調(diào)試,調(diào)試期間各新增設(shè)備運(yùn)行正常,到現(xiàn)在運(yùn)行1年多的時(shí)間,煙囪處凈煙氣CEMS測(cè)得的數(shù)據(jù):SO2≤25mg/Nm3、固體顆粒物≤4mg/Nm3,完全符合超潔凈排放的要求。
以某電廠二期(2×630MW)高硫鍋爐機(jī)組超潔凈排放為例,根據(jù)吸收塔脫硫除塵的機(jī)理,確定了高硫鍋爐超潔凈排放的“單塔+雙托盤(pán)+吸收塔自潔凈除霧器的脫硫除塵一體化技術(shù)”改造線路,通過(guò)理論分析和實(shí)際運(yùn)行情況,得出以下結(jié)論:
(1)雙托盤(pán)可以加快石灰石-石膏濕法脫硫反應(yīng)中的關(guān)鍵步驟②(SO2的吸收)和步驟④(CaCO3的溶解)進(jìn)而大幅度提高吸收塔的脫硫效果,同時(shí)雙托盤(pán)系統(tǒng)可以延長(zhǎng)氣液接觸的時(shí)間、增大氣液接觸的面積、提高氣液兩相的相對(duì)速度,進(jìn)而大幅度提高吸收塔對(duì)粉塵的脫除率。
(2)吸收塔自潔凈除霧器可以大幅度溶解經(jīng)過(guò)除霧器的煙氣中的石膏和可溶性鹽,減少凈煙氣中顆粒物中石膏和可溶性鹽的含量,同時(shí)使得煙氣中細(xì)小的粉塵和液滴進(jìn)行凝并成大液滴,進(jìn)而被第二、三級(jí)除霧器除去。
(3)高硫分機(jī)組采用單塔雙托盤(pán)脫硫除塵一體化技術(shù)出口凈煙氣完全達(dá)到超潔凈排放的要求。
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