燃煤發(fā)電廠SO2和粉塵超凈排放改造工程技術方案的優(yōu)化研究

郎鑫焱

(山西漳山發(fā)電有限責任公司，山西 長治 046021)

隨著國家經(jīng)濟的發(fā)展，環(huán)保問題成了影響人民生活質量的頭等大事。其中工業(yè)鍋爐向大氣環(huán)境中排放的可吸入顆粒物、SO2、粉塵等是國家實行排放總量控制的重點污染物。

根據(jù)國家發(fā)展改革委員會、國家能源局、環(huán)境保護部發(fā)布的《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》(發(fā)改能源(2014)2093號)文件中要求，到2020年燃煤電廠要實現(xiàn)鍋爐SO2(35 mg/Nm3)、粉塵(10 mg/Nm3)的超凈排放目標。為了落實該行動計劃，山西省環(huán)境保護廳在[《建設項目主要污染物排放總量核定辦法》[晉環(huán)發(fā)(2015)25號)]文件中進一步要求，到2017年燃煤電廠要實現(xiàn)鍋爐SO2(35 mg/Nm3)、粉塵(5 mg/Nm3)的超凈排放目標，其中粉塵污染物的超凈排放目標具有前瞻性[1-2]。

鑒于此，本文以某燃煤發(fā)電廠的1#、2#機組(300 MW)作為研究對象，立足于原有設備，結合設備運行可靠性及檢修經(jīng)濟性、SO2和粉塵排放濃度、系統(tǒng)阻力、場地占用等條件，通過對國內(nèi)多種可適用的超凈排放改造工程技術方案進行詳細的比較論證，最終選用設備占地面積最少、改造工作量最小、投資費用最低、超凈參數(shù)控制達標的兩種不同技術方案分別對兩臺機組濕法脫硫系統(tǒng)進行SO2和粉塵超凈排放改造，并驗證了該改造工程的污染物排放控制效果。

1 某燃煤發(fā)電廠現(xiàn)有環(huán)保設備概況

某燃煤發(fā)電廠1#、2#機組的原有除塵器為電-袋除塵器，濕法脫硫系統(tǒng)設置5層噴淋、頂部2級國產(chǎn)屋脊式除霧器，原有脫硫系統(tǒng)設計當進口煙氣中SO2濃度為5 500 mg/Nm3時，煙囪出口SO2排放濃度小于100 mg/Nm3。根據(jù)超凈排放新標準中SO2和粉塵的排放限值，該廠現(xiàn)有的煙囪出口SO2排放濃度不能滿足要求，同時受日趨惡劣的煤質含硫量、漿液循環(huán)量、漿液噴淋霧化顆粒大小、漿液噴淋覆蓋率、石膏逃逸等因素的影響，原有脫硫系統(tǒng)和除塵除霧設備已不能滿足新的超凈排放環(huán)保要求。因此，SO2和粉塵排放治理勢在必行，必須對現(xiàn)有環(huán)保設備進行升級改造。

2 超凈排放改造技術方案的比較與確定

2.1 改造目標

污染物排放改造目標：當脫硫系統(tǒng)進口煙氣中SO2濃度為5 500 mg/Nm3時，煙囪出口SO2排放濃度小于35 mg/Nm3;當脫硫系統(tǒng)進口煙氣中粉塵濃度為20 mg/Nm3時，煙囪出口粉塵排放濃度(含石膏)小于5 mg/Nm3；霧滴排放含量小于20 mg/Nm3;HF、HCl、SO3、PM2.5、汞的排放濃度均明顯下降。

該改造工程要結合自身設備及場地占用情況，重點把握設備布置、各主系統(tǒng)和分系統(tǒng)阻力、鍋爐煙氣量及煙氣流速對各種不同改造技術方案的影響，并考慮引風機余量、漿液循環(huán)量、漿液噴淋覆蓋率及噴淋霧化顆粒度、粉塵(含石膏)脫除及攜帶率等參數(shù)，注重近期和遠期污染物排放指標的控制;此外，還要兼顧設備的占地面積少、改造工作量小、運行穩(wěn)定、操作及維護簡單、運行周期長以及投資、檢修、維護費用低等。

2.2 改造技術方案的確定

在設備改造前，對國內(nèi)多種可適用的超凈排放改造技術方案進行了比較，并結合該燃煤發(fā)電廠已有設備及場地布置情況，初步篩選出3種改造技術方案，各方案的關鍵參數(shù)及經(jīng)濟對比見表1。

表1 超凈排放改造技術方案的參數(shù)及經(jīng)濟對比[3-4]Table 1 Comparison and economic analysis of ultra-clean emission transformation scheme[3-4]

注：方案一為“增加1層漿液噴淋+濕式電除塵器”；方案二為“湍流器+優(yōu)化噴淋層+1臺小功率泵換為大功率泵+塔頂管束除塵除霧器”；方案三為“湍流器+優(yōu)化噴淋層+1臺小功率泵換為大功率泵+塔頂3級蒙特斯屋脊式除霧器+煙道1級蒙特斯平板除霧器”。

表1中各關鍵技術的篩選依據(jù)如下：

(1) 在吸收塔噴淋層下方增設湍流器，可以均布煙氣，使煙氣中的SO2充分與噴淋漿液接觸，同時有利于濕煙氣中大顆粒水滴被甩至塔壁上，從而可大大提高SO2的捕捉率[5]。

(2) 重新布置漿液噴淋層，并根據(jù)噴淋層位置布置單向單頭、單向雙頭空心錐噴嘴，以提高漿液噴淋覆蓋率，防止煙氣逃逸和提高脫硫效率[6]。

(3) 將1臺最小功率的漿液循環(huán)泵(560 kW)更換為與現(xiàn)場同型號的最大功率循環(huán)泵(800 kW)，以提高漿液的循環(huán)量[7]。

(4) 在吸收塔頂部除霧器位置，將原有國產(chǎn)屋脊式除霧器更換為管束除塵除霧器(方案二)，有利于大顆粒石膏或含塵液滴被甩至塔壁，以減少石膏或粉塵的逃逸，從而達到收集石膏和粉塵的目的。

在上述關鍵技術篩選的基礎上，進一步考慮以下其他因素：

(1) 由于受場地條件限制，改造工程只能在原有設備及場地上進行，湍流器+管束除塵除霧器(或煙道除霧器)改造技術方案(方案二、方案三)符合實際情況，可作為優(yōu)選技術方案，而方案一的脫硫增容改造、增加濕式電除塵器等技術由于占地面積大、投入成本高，不能作為優(yōu)選方案。以下不再對方案一進行討論。

(2) 湍流器、管束除塵除霧器均采用離心分離原理，設備系統(tǒng)結構簡單、單一，生產(chǎn)成本低，改造工作量小，但湍流器和管束除塵除霧器方案缺乏在國內(nèi)大型發(fā)電機組上的應用案例，雖然原理上可行，但實際的除塵除霧滴效果還有待驗證。

(3) 考慮到管束除塵除霧器方案的除塵除霧滴效果具有不確定性，擬在另一臺機組上將塔頂2級國產(chǎn)屋脊式除霧器更換為塔頂3級蒙特斯屋脊式除霧器+煙道1級蒙特斯平板除霧器，以提高改造的成功率，同時可對這兩套技術方案對污染物的超凈排放控制效果進行比較。

綜合上述因素的考慮，最終采用兩種不同技術方案分別對兩臺機組進行了改造，其中：1#機組采用方案二，即：吸收塔噴淋層下部安裝湍流器+優(yōu)化噴淋層+1臺小功率泵換為大功率泵+塔頂管束除塵除霧器;2#機組采用方案三，即：噴淋層下部安裝湍流器+優(yōu)化噴淋層+1臺小功率泵換為大功率泵+塔頂3級蒙特斯屋脊式除霧器+煙道1級蒙特斯平板除霧器。在改造工程中，主要把握湍流器的脫硫和管束除塵除霧器的設計原理，將機組運行最低負荷的煙氣流速作為設計重點，確保低負荷時濕煙氣進入設備的離心力滿足脫硫、除塵除霧的要求。

3 超凈排放改造工程設備結構的特點和設計參數(shù)

該燃煤發(fā)電廠SO2和粉塵超凈排放改造工程中主要對原有脫硫及除塵除霧器設備進行了改造，具體改造技術方案為：保留吸收塔基礎及本體，在原有漿液噴淋層下部安裝湍流器；拆除原有2級國產(chǎn)屋脊式除霧器，在該位置安裝管束除塵除霧器(另一臺機組安裝3級蒙特斯屋脊除霧器+煙道1級蒙特斯平板除霧器)；將1臺小功率的漿液循環(huán)泵更換為最大功率的揚程泵；對原有噴淋層噴嘴型式及覆蓋率進行優(yōu)化，最上層噴嘴由單向單噴改為單向雙噴，下面四層噴嘴由雙向單噴改為單向雙噴，使?jié){液噴淋覆蓋率由120%提高到300%。

改造工程中涉及的主要設備包括湍流器、管束除塵除霧器和蒙特斯除霧器，其結構特點和設計參數(shù)如下。

3.1 湍流器的結構特點和設計參數(shù)

湍流器是一種能使脫硫漿液在該設備層與煙氣進行擾動、旋轉、攪拌，并使其充分混合的設備，其主要利用煙氣的流速和液體的離心力，以達到多相紊流摻混的強傳質機理[8-10]。經(jīng)過噴淋層的漿液在湍流器內(nèi)再次被攜帶和打散成細小的液滴，同時漿液也把煙氣包裹和游離成小氣泡，據(jù)雙模理論可實現(xiàn)漿液和煙氣的快速接觸和傳質。這種快速運動的過程，促進了氣液兩相之間的接觸，同時氣膜和液膜之間也不斷變化和更新，可以沖刷漿液表面，使石灰石長期保持新鮮性，從而顯著提高對SO2的脫除能力。

湍流器的工藝流程為：第一階段，煙氣經(jīng)引風機進入吸收塔旋匯耦合區(qū)，通過擾動、旋轉、攪拌，形成巨大的氣液傳質體系，在此過程中煙氣溫度會迅速下降，均氣效果明顯增強，在旋匯耦合裝置湍流反應中，避免吸收塔內(nèi)結垢；第二階段，經(jīng)過旋匯耦合區(qū)一級脫硫的煙氣繼續(xù)上升進入二級脫硫區(qū)，來自吸收塔上部噴淋管的與旋匯耦合裝置配套的高效噴嘴均勻霧化后的漿液，與均勻上升的煙氣繼續(xù)反應，凈化后的煙氣經(jīng)除霧后排入大氣環(huán)境。

湍流器裝置見圖1，其外部為圓形結構，內(nèi)部呈扇形斜角布置，湍流孔中布置有一定偏轉角的固定式葉片，葉片材質為316 L,厚度不低于3 mm。湍流器裝置為整體模塊設計，分步制造，現(xiàn)場焊接拼接，湍流子上邊緣與框架間接縫用耐酸膠或膠皮密封，保證嚴密不漏氣；湍流子流道及葉片磨損度保證10 a內(nèi)滿足脫硫效率要求；各湍流子及湍流器整體制造水平度小于5‰，同心度小于2‰。

圖1 湍流器裝置示意圖Fig.1 Diagram of the turbulator

湍流器的設計及安裝要求如下：

(1) 湍流裝置(包括流道及葉片)需按機組的最低穩(wěn)燃負荷(180 MW)進行設計，并根據(jù)不同機組的機組負荷、煙氣量、煙氣進入吸收塔后塔中心和塔壁側煙氣量的偏差等因素進行流體動力場數(shù)值模擬計算，確定湍流子直徑和開孔率、湍流子內(nèi)煙氣垂直流速和葉片角度等重要參數(shù)。其中，湍流子的直徑是根據(jù)數(shù)值模擬計算確定的，吸收塔中心區(qū)和塔壁區(qū)的煙氣量不同，湍流子的直徑也有所不同，以達到各湍流子出口流場分布均勻性誤差不高于2%為目標；湍流子的開孔率在40%～50%范圍內(nèi)選取；湍流子內(nèi)煙氣垂直流速在2.64～5.81 m/s范圍內(nèi)選?。煌牧髌髯枇χ蹈鶕?jù)煙氣垂直流速確定，一般控制在600～1 200 Pa；葉片反轉角度則控制在39°～42°，既要滿足漿液離心分離的效果，又要滿足煙氣進入湍流子的均勻性和阻力最小。湍流子流道內(nèi)的高流速煙氣能將散落在葉片上的石膏等物質剝離干凈，并保證在任何狀態(tài)下葉片不出現(xiàn)結垢、堵塞、流速明顯下降等現(xiàn)象而導致脫硫效率低于設計值。

(2) 湍流裝置通過框架固定在玻璃鱗片防腐鋼梁上，頂部四周與塔壁要進行密封焊接。

(3) 湍流裝置整體及分部件材料(包括框架、角鐵、槽鋼、湍流子等所有鋼件，湍流子由葉片和導流板組成)全部選用不低于316 L的材質，并滿足耐酸腐蝕、耐磨損要求，整體及分部件使用壽命不低于30 a。

(4) 煙氣經(jīng)過湍流器后均勻分布，有效保證了煙氣與噴淋漿液的充分接觸，煙氣被大量噴淋漿液洗滌后快速降溫，提高了漿液的吸收效果。

(5) 吸收塔內(nèi)漿液的pH值可根據(jù)漿液含固量檢測值進行調整，使?jié){液pH值在4.3左右保持2 h，可有效降低漿液含固量，提高石膏品質，減少石灰石消耗，避免塔壁、塔內(nèi)設備葉片出現(xiàn)石膏結晶、結垢等現(xiàn)象。

3.2 管束除塵除霧器的結構特點和設計參數(shù)

管束除塵除霧器裝置見圖2，主要由框架、旋流子(增速器)組成，其中旋流子包括筒體、葉片、噴嘴等部件。管束除塵除霧器的工作原理為：含水濕煙氣通過管束底部入口的導流葉片后，會在管束內(nèi)壁面形成液膜，并產(chǎn)生高速離心運動，在離心力的作用下，含石膏和粉塵的液滴向管束內(nèi)壁運動，在速度場間相互碰撞、凝聚成較大的液滴，液滴被甩向管束內(nèi)壁表面，大量細小液滴和顆粒與壁面附著的液膜層接觸后被捕獲，大液滴和顆?？恐亓Φ浠厝~片再次進行分離、捕捉[11-12]。

圖2 管束除塵除霧器裝置示意圖Fig.2 Diagram of deduster and demister for pipe bundle

管束除塵除霧器的設計及安裝要求如下：

(1) 管束入口導流葉片角度設計決定了流經(jīng)葉片氣體的流速、離心力及分離效果，并影響液滴捕獲量和管束壁液膜形成的厚度。為了防止形成二次霧滴，有必要設計多級、多角度分離葉片，以達到煙氣在不同流速下對霧滴和粉塵進行脫除的目的。管束的導流葉片角度要根據(jù)不同煙氣量和不同機組負荷下的煙氣動力場數(shù)值模擬計算結果進行設計；管束阻力在80～130 Pa范圍內(nèi)選??；管束內(nèi)煙氣垂直流速在1.77～3.89 m/s范圍內(nèi)選取；管束開孔率在35%～40%范圍內(nèi)選取。

(2) 在相鄰的多級分離葉片之間設置導流裝置，可有效提升氣流的離心速度，并保持氣流均勻分布和出口狀態(tài)，保證液膜厚度足夠，以捕獲細小顆粒，又不至于過厚而造成內(nèi)壁阻力增加過多而形成二次霧滴，從而避免液滴的二次攜帶。

(3) 管束除塵除霧器的管束通過下部316 L格柵和上部PP框架固定，整體放置在玻璃鱗片防腐鋼梁上部，管束間通過PP板焊接固定。

(4) 除塵除霧器頂部四周通過與吸收塔壁上預留的環(huán)形防腐鋼板用耐酸膠密封固定，以保證管束在運行中不晃動，煙氣不走短路。

(5) 本管束除塵除霧器裝置共一層，在脫硫塔截面上水平布置，煙氣垂直流經(jīng)本裝置。為了保證管束內(nèi)不結垢，在管束葉片出入口中心位置設置了軟化水高壓沖洗裝置，有利于管束的沖洗除垢。

3.3 蒙特斯除霧器的結構特點和設計參數(shù)

蒙特斯除霧器的工作原理為：在除霧器波紋板葉片的影響下，含有液滴的煙氣被分隔成多股氣流，氣流流向的改變產(chǎn)生的內(nèi)力使得液滴做慣性運動并撞擊波紋板葉片，隨后液滴被推向分離室，在自身內(nèi)力作用下，從氣流中被分離出來，并在葉片上形成液膜，在重力作用下，液膜向下滴回吸收塔[13-15]，見圖3。

圖3 蒙特斯除霧器示意圖Fig.3 Working principle of Mun ters demister

蒙特斯除霧器的設計及安裝要求是：塔頂屋脊式除霧器為1級粗除霧器+2級精除霧器，煙道除霧器為1級平板除霧器;除霧器上方安裝了沖洗水管路和全錐形噴嘴，以對除霧器葉片進行均勻沖洗;精除霧器設計了經(jīng)過流場測試后確定的折彎角，折彎角在80°左右，且大圓弧過渡，既能保證顆粒物碰撞收集，減少石膏和粉塵逃逸，又能保證系統(tǒng)阻力在合理范圍內(nèi)。蒙特斯除霧器的煙氣流速控制在1.67～2.15 m/s，每層除霧器阻力為70 Pa。

4 超凈排放改造后設備的運行情況

2016年9月和11月，某燃煤發(fā)電廠1#、2#機組分別完成了SO2和粉塵超凈排放改造工程，并投入運行。超凈排放改造設備熱態(tài)運行1個月后，經(jīng)國家環(huán)保性能檢測機構(杭州天量檢測科技有限公司)和國家環(huán)保部門(山西省長治市環(huán)境監(jiān)測站)對各項污染物排放參數(shù)進行監(jiān)測，SO2和粉塵排放濃度均符合國家和地方污染物超凈排放的要求，因此該公司獲得了山西省環(huán)保廳的超凈排放電價補貼。

超凈排放設備改造前、后各項污染物排放濃度的監(jiān)測結果對比詳見表2。

由表2可見，SO2和粉塵排放濃度的減排效果明顯，此外對于國家還暫未列為超凈排放控制指標的HF、HCl、SO3、霧滴、汞、PM2.5等其他煙氣特征污染物的排放濃度，此次改造也超前進行了控制，作為遠期污染物排放的控制參數(shù)，都有大幅度的削減。

結合表2，對改造后的設備運行情況分析如下：

表2 超凈排放改造前、后污染物排放濃度的監(jiān)測結果對比Table 2 Comparison of monitoring results of pollutant emission before and after the transformation of ultra-clean emission

注：①以上污染物濃度數(shù)據(jù)均為標態(tài)、干基、6%O2;②本次污染物排放濃度監(jiān)測采用《固定污染源排氣中顆粒物和氣態(tài)污染物采樣方法》(GB/T 16157—1996)，由于該方法用于超凈排放污染物濃度測量的誤差較大，需選擇先進測量儀器，并對運行設備調整穩(wěn)定后進行測試，以減小測量誤差，測量儀器可選用德國testo煙氣分析儀[17]、嶗應3012HD低濃度煙塵自動測試儀、德國SICK膜法高效煙塵采樣槍；經(jīng)山西省環(huán)境保護廳和性能測試機構同時在線監(jiān)測，并比對在線儀表[據(jù)《固定源廢氣監(jiān)測技術規(guī)范》(HJ/T 397—2007)監(jiān)測]，將監(jiān)測所得各項污染物排放濃度的最大值列入表中“設備改造后污染物排放濃度”內(nèi)，改造后超凈排放污染物濃度值滿足國家能源局、環(huán)境保護部SO2(35 mg/Nm3)、粉塵(10 mg/Nm3)超凈排放和山西省環(huán)境保護廳SO2(35 mg/Nm3)、粉塵(5 mg/Nm3)超凈排放的目標，對于國家還未列入超凈排放控制指標的HF、HCl、SO3、霧滴、汞、PM2.5等其他煙氣特征污染物排放量，此次改造前進行了控制；③測試結果僅針對本工程設備改造前、后除塵、除霧效果的比較。

(1) 湍流器導流裝置的設計能夠很好地適應不同負荷的煙氣流速，設備運行穩(wěn)定、可靠，湍流器阻力為600 Pa，當入口煙氣中的SO2濃度為7 700 mg/Nm3時，SO2排放濃度小于20 mg/Nm3，明顯低于超凈排放的目標值35 mg/Nm3，且SO2的排放濃度能夠保持穩(wěn)定。

(2) 1#機組管束除塵除霧器的導流裝置設計，能夠很好地適應不同機組負荷的煙氣流速，設備運行穩(wěn)定、可靠，管束阻力為50 Pa，粉塵(含石膏)排放濃度可長期穩(wěn)定在3 mg/Nm3，明顯低于超凈排放的目標值5 mg/Nm3。

(3) 采用蒙特斯除霧器的2#機組在石膏和粉塵的抑制上稍顯薄弱，其排放濃度值在3～5 mg/Nm3范圍內(nèi)波動，需要運行人員精心調整。

(4) 1#機組和2#機組均在拆除原屋脊式除霧器的基礎上進行了改造，減少了系統(tǒng)阻力80 Pa，而2#機組煙道除霧器的系統(tǒng)阻力為250 Pa。其中，1#機組系統(tǒng)總阻力為：2 000+600+50-80=2 570 Pa；2#機組系統(tǒng)總阻力為：2 000+600+250-80=2 770 Pa。故2#機組系統(tǒng)總阻力較1#機組高200 Pa。

(5) 設備改造的同時還對脫硫系統(tǒng)進行了優(yōu)化，以降低系統(tǒng)總阻力。系統(tǒng)設備運行至今已9個月，其阻力沒有變化，環(huán)保排放值在機組不同負荷和各種工況下仍能穩(wěn)定達標。但是設備的各項運行工況是否長久保持優(yōu)良還有待驗證，設備的各項設計參數(shù)還需要根據(jù)實際運行工況進行進一步的測試與調整。

5 結 論

湍流器、管束除塵除霧器和蒙特斯除霧器等裝置具有結構簡單、占地面積小、設備少、運行穩(wěn)定、檢修費用低、脫除污染物效率高的優(yōu)點，將其應用在某燃煤發(fā)電廠300 MW機組開展的SO2和粉塵超凈排放技術改造工程后污染物的減排效果明顯，其中SO2排放濃度長期穩(wěn)定在小于20 mg/Nm3，粉塵排放濃度長期穩(wěn)定在4 mg/Nm3，達到了超凈排放的目標，與此同時其他煙氣特征污染物的排放濃度也得到大幅度的削減。