燃用高硫煤火電機(jī)組旋流霧化超潔凈排放試驗(yàn)研究

，，

(1.華南理工大學(xué) 電力學(xué)院，廣東 廣州 510640;2.廣東埃森環(huán)?？萍加邢薰?，廣東 廣州 510640)

0 引 言

依據(jù)GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》要求，燃煤電廠SO2排放濃度需控制在35 mg/Nm3以下，粉塵排放濃度需控制在5 mg/Nm3以下。截至2016年底，化石燃料用量增多，僅我國(guó)已投運(yùn)火電廠機(jī)組容量約8.8億kW，占煤電機(jī)組容量的93%。采用傳統(tǒng)技術(shù)的高硫煤火電機(jī)組煙氣超潔凈排放改造出現(xiàn)了脫硫除塵系統(tǒng)投資高、能耗高、系統(tǒng)復(fù)雜等諸多問(wèn)題，發(fā)展高效節(jié)能的煙氣脫硫除塵一體化技術(shù)尤為重要。

目前國(guó)內(nèi)外火力發(fā)電機(jī)組超低排放改造方案主要是燃燒低硫煤，采用濕法煙氣脫硫裝置，且配套濕電除塵器裝置的技術(shù)路線。孟煒等[1]采用低低溫靜電除塵器和電場(chǎng)濕式靜電除塵器除塵改造方案，結(jié)合脫硫吸收塔內(nèi)交互噴淋技術(shù)，對(duì)設(shè)計(jì)煤種硫含量0.8%的百萬(wàn)千瓦機(jī)組進(jìn)行超潔凈排放改造，該改造方案存在系統(tǒng)復(fù)雜、造價(jià)高以及能耗大等缺點(diǎn)。Sui等[2]使用濕法煙氣脫硫煙氣裝置且配套濕電除塵器裝置對(duì)火力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行脫硫除塵改造，以實(shí)現(xiàn)煙氣超低排放。日本碧南電廠1 000 MW機(jī)組采用分級(jí)燃燒技術(shù)和新型燃燒器、SCR脫硝、干式靜電除塵器、濕法煙氣脫硫裝置以及濕式靜電除塵器的技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)煙氣超低排放，具有改造費(fèi)用高、系統(tǒng)復(fù)雜的缺點(diǎn)[3]。張軍等[4]針對(duì)2臺(tái)1 000 MW火力機(jī)組，采用低氮燃燒器、SCR脫硝裝置、干式靜電除塵器、濕法煙氣脫硫裝置和濕式靜電除塵器的技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)煙氣的超潔凈排放。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外火力發(fā)電機(jī)組超低排放改造方案均具有系統(tǒng)復(fù)雜、改造費(fèi)用高等問(wèn)題[5-9]。對(duì)于高硫煤火電機(jī)組，國(guó)內(nèi)目前多采用雙塔雙循環(huán)技術(shù)對(duì)其改造，但具有系統(tǒng)復(fù)雜、占地面積大、能耗高等缺點(diǎn)[10-11]?？紤]到實(shí)際運(yùn)行的可靠性和經(jīng)濟(jì)性，硫含量大于2.2%時(shí)，雙塔雙循環(huán)技術(shù)難以在現(xiàn)有脫硫增效措施下完成SO2的超低排放[11]。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出高效旋流霧化脫硫除塵一體化技術(shù)以解決現(xiàn)有高硫煤火電機(jī)組在煙氣超潔凈排放改造中遇到的諸多問(wèn)題。該技術(shù)可在單塔、高煙氣流速、低液氣比條件下在脫硫塔內(nèi)同時(shí)完成脫硫除塵過(guò)程，實(shí)現(xiàn)煙氣超潔凈排放。本文對(duì)高硫煤火力發(fā)電機(jī)組煙氣脫硫塔開(kāi)展高效旋流霧化脫硫除塵一體化改造試驗(yàn)，通過(guò)改造前后性能試驗(yàn)，分析增裝旋流霧化層后，液氣比、進(jìn)口煙氣溫度、進(jìn)口SO2濃度、進(jìn)口粉塵濃度與脫硫效率、除塵效率的關(guān)系，為高硫煤火力發(fā)電機(jī)組的煙氣超潔凈排放提供一條新的技術(shù)路線。

1 旋流霧化脫硫除塵一體化技術(shù)機(jī)理

1.1 旋流霧化噴嘴

旋流霧化噴嘴是一種氣力式新型雙流噴嘴，采用雙通道結(jié)構(gòu)，中心管通入壓縮空氣，外環(huán)管通入液相工質(zhì);液相入口貼壁切向布置。其霧化機(jī)理為:2個(gè)通道中流動(dòng)的氣體和液體之間存在較大的相對(duì)速度，加強(qiáng)了氣體對(duì)液體的擾動(dòng)，形成不穩(wěn)定波。高壓氣流通過(guò)拉法爾噴管射出，帶動(dòng)四周的液流將其破碎成液滴，形成劇烈湍動(dòng)的氣液兩相流噴入外部環(huán)境中。由于旋流霧化噴嘴內(nèi)外壓差的劇烈變化，使氣流進(jìn)一步膨脹，將包裹在其周圍的液膜進(jìn)一步破碎成為更細(xì)小的液滴[12]。旋流霧化噴嘴如圖1所示。

圖1 旋流霧化噴嘴Fig. 1 Swirl atomizing nozzle

1.2 技術(shù)機(jī)理

本文運(yùn)用自主研發(fā)的高效旋流霧化脫硫除塵一體化技術(shù)，通過(guò)在脫硫塔壁上切圓布置的旋流霧化器實(shí)現(xiàn)脫硫漿液的微細(xì)霧化，形成切圓噴霧湍流旋流場(chǎng)。在高效旋流霧化器中，脫硫漿液被霧化成細(xì)小顆粒，粒徑由傳統(tǒng)噴淋層的1 500～3 000 μm降到50～150 μm[13]，氣液接觸比表面積提高400～900倍，吸收反應(yīng)速率顯著提高。同時(shí)通過(guò)旋流霧化切圓布置技術(shù)，煙氣憑借切圓湍流旋流場(chǎng)的作用而不斷螺旋上升，大大延長(zhǎng)了煙氣在脫硫塔內(nèi)的停留時(shí)間，提升了煙氣中SO2與漿液顆粒的脫硫反應(yīng)機(jī)率，從而提高了脫硫效率。

脫硫塔內(nèi)，煙氣與漿液微粒在切圓式旋流場(chǎng)及圓周剪切力的綜合作用下形成強(qiáng)烈湍流[14]，加上高效旋流霧化器對(duì)漿液顆粒的破碎撕裂與聲波霧化，形成湍流凝并、聲波凝并與相變凝并的復(fù)合作用，煙氣中攜帶的微細(xì)顆粒不斷聚集長(zhǎng)大，粒徑由<20 μm增大到150 μm以上[15-16]，實(shí)現(xiàn)了高效凝并。凝并的大顆粒再由高效復(fù)合相變除霧器捕捉除去，可顯著提高脫硫塔的除塵效率，從而實(shí)現(xiàn)了協(xié)同脫硫除塵。

2 改造試驗(yàn)

2.1 改造前系統(tǒng)狀況

某燃用高硫煤的火力發(fā)電機(jī)組采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝，一爐一塔布置。脫硫塔前設(shè)有靜電除塵設(shè)備。脫硫塔為逆流噴淋塔，脫硫塔直徑為12 m，總高度44 m。吸收區(qū)自上而下布置有A、B、C、D、E五層噴淋層和5臺(tái)漿液循環(huán)泵，漿液循環(huán)泵的規(guī)格參數(shù)見(jiàn)表1。除霧系統(tǒng)由兩級(jí)屋脊式除霧器組成。在額定工況下，煙氣流量為150萬(wàn)m3/h，脫硫塔內(nèi)流速為3.69 m/s，入口煙氣溫度在120 ℃左右。

表1漿液循環(huán)泵規(guī)格參數(shù)
Table1Specificationsofslurrycirculationpump

參數(shù)A層B層C層D層E層流量/(m3·h-1)7 5007 5007 5005 0005 000揚(yáng)程/m18.4220.1221.8223.5225.22

改造前鍋爐燃用硫含量1.5%的煤，脫硫塔入口SO2質(zhì)量濃度4 500 mg/Nm3，出口SO2質(zhì)量濃度55 mg/Nm3左右;脫硫入口粉塵質(zhì)量濃度30 mg/Nm3，出口粉塵濃度25 mg/Nm3。煙氣在脫硫塔流速為3.686 m/s，粉塵二次攜帶嚴(yán)重。

2.2 系統(tǒng)改造

對(duì)上述脫硫塔進(jìn)行旋流霧化脫硫除塵一體化改造。在原A、B、C、D、E五層噴淋層下增設(shè)一層旋流霧化層F，對(duì)應(yīng)配套一臺(tái)流量為3 500 m3/h漿液循環(huán)泵，揚(yáng)程為36 m。在旋流霧化層F，沿脫硫塔壁切圓式布置36個(gè)旋流霧化器。通過(guò)加裝高效凝并除霧器對(duì)煙氣中的粗粒徑粉塵進(jìn)行捕捉，達(dá)到超潔凈除去微細(xì)粉塵顆粒的目的。改造方案如圖2所示。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 改造前后試驗(yàn)結(jié)果

為研究改造前后系統(tǒng)性能，選取不同煤種進(jìn)行試驗(yàn)。由于環(huán)境排放限制，改造前只能選取含硫量為1.5%的試驗(yàn)煤種，入口SO2質(zhì)量濃度為4 000～4 500 mg/Nm3，控制入口煙氣流量為150萬(wàn)m3/h，入口煙氣溫度在120 ℃左右，入口粉塵質(zhì)量濃度不超過(guò)30 mg/Nm3。改造前系統(tǒng)出口SO2質(zhì)量濃度只維持在55 mg/Nm3，出口粉塵質(zhì)量濃度維持在20～25 mg/Nm3。

圖2 旋流霧化脫硫除塵一體化改造示意Fig. 2 Transformation diagram of swirl atomization desulphurization and de-dusting integrated technology

改造后，選取試驗(yàn)煤種硫含量為2.5%～2.7%，控制入口煙氣流量為15萬(wàn)m3/h，入口煙氣溫度在120 ℃左右，入口SO2質(zhì)量濃度5 600～6 200 mg/Nm3，入口粉塵質(zhì)量濃度不超過(guò)30 mg/Nm3。啟動(dòng)旋流霧化層F，選取4種不同運(yùn)行方式ABCDE、ABCEF、BCDEF、ABCDEF進(jìn)行試驗(yàn)。分析4種運(yùn)行方式下液氣比、入口煙氣溫度、入口SO2濃度、入口粉塵濃度、出口SO2濃度、出口粉塵濃度等測(cè)試數(shù)據(jù)。對(duì)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得的354組數(shù)據(jù)進(jìn)行整理，其中9組重要測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2旋流霧化脫硫除塵一體化改造前后實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)
Table2Measurementdataofswirlatomizationdesulphurizationandde-dustingintegratedtechnologybeforeandaftertransformation

序號(hào)運(yùn)行方式入口煙氣溫度/℃入口SO2質(zhì)量濃度/(mg·Nm-3)入口粉塵質(zhì)量濃度/(mg·Nm-3)出口SO2質(zhì)量濃度/(mg·Nm-3)出口粉塵質(zhì)量濃度/(mg·Nm-3)液氣比/(L·m-3)脫硫效率/%脫硫塔除塵效率/%1ABCDE126.7 4 499 27.8 53.5 5.2 21.6798.81 81.29 2ABCDE127.8 4 148 27.2 50.6 5.2 21.6798.78 80.88 3ABCEF124.4 4 89527.3 29.5 2.8 19.9399.40 89.74 4ABCEF126.3 4 53428.1 27.5 2.9 19.9399.39 89.68 5BCDEF127.6 4 92528.7 29.6 3.1 18.2799.40 89.20 6BCDEF131.2 4 67529.0 28.7 3.2 18.2799.39 88.97 7ABCDEF125.3 6 20027.3 30.0 2.5 23.2799.52 90.84 8ABCDEF126.0 4 93828.0 25.1 2.7 23.2799.49 90.35 9ABCDEF134.1 4 56030.0 26.8 3.3 23.2799.41 89.00

3.2 液氣比對(duì)脫硫效率的影響

為研究液氣比對(duì)脫硫效率的影響，選取ABCDE(無(wú)旋流霧化層運(yùn)行)、ABCEF、BCDEF和ABCDEF四種運(yùn)行方式進(jìn)行性能測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。運(yùn)行方式ABCDE、ABCEF、BCDEF和ABCDEF對(duì)應(yīng)的液氣比分別為21.7、19.9、18.3、23.3 L/Nm3，平均脫硫效率分別為98.77%、99.35%、99.34%、99.44%。說(shuō)明改造后脫硫效率較改造前有較大提升。特別是投運(yùn)旋流霧化層后，平均脫硫效率都高于99%。隨著液氣比的升高脫硫效率可高達(dá)99.44%。

圖3 液氣比對(duì)脫硫效率的影響Fig.3 Effect of liquid-gas ratio to desulphurization efficiency

通過(guò)多工況反復(fù)試驗(yàn)，表明旋流霧化脫硫除塵一體化技術(shù)可更好地適應(yīng)液氣比的變化，煙氣入口SO2質(zhì)量濃度4 000～4 500 mg/Nm3、液氣比18.3 L/Nm3的情況下就可以實(shí)現(xiàn)煙氣脫硫的超潔凈排放。液氣比23.3 L/Nm3、煙氣入口SO2質(zhì)量濃度6 200 mg/Nm3的條件下也可實(shí)現(xiàn)煙氣脫硫的超潔凈排放。

3.3 入口煙氣溫度對(duì)脫硫效率的影響

為了研究入口煙氣溫度對(duì)脫硫效率的影響，選取煙氣入口溫度為124～136 ℃，在ABCDE、ABCEF、BCDEF和ABCDEF四種漿液泵運(yùn)行方式下進(jìn)行對(duì)比分析，試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 入口煙氣溫度對(duì)脫硫效率的影響Fig.4 Effect of inlet gas temperature on desulphurization efficiency

由圖4可知，運(yùn)行方式ABCDE、ABCEF、BCDEF和ABCDEF的脫硫效率均隨著入口溫度的升高而緩慢降低。對(duì)比運(yùn)行方式ABCDE和ABCEF、BCDEF，保持噴淋層運(yùn)行層數(shù)不變，改設(shè)旋流霧化層F后，平均脫硫效率分別提高了0.58%和0.57%。旋流霧化脫硫除塵一體化技術(shù)可以更好地適應(yīng)入口煙氣溫度的變化，脫硫效率可穩(wěn)定控制在99.29%以上。

3.4 液氣比對(duì)除塵效率的影響

為研究液氣比對(duì)除塵效率的影響，選取ABCDE、ABCEF、BCDEF和ABCDEF四種運(yùn)行方式進(jìn)行對(duì)比，試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。由圖5可知，運(yùn)行方式ABCDE、ABCEF、BCDEF和ABCDEF對(duì)應(yīng)的液氣比分別為21.7、19.9、18.3、23.3 L/Nm3，平均除塵效率分別為80.0%、89.57%、88.81%、89.92%。旋流霧化改造后，脫硫塔的除塵效率明顯提升。特別是投運(yùn)旋流霧化層F后，除塵效率隨著液氣比的升高而升高，運(yùn)行方式ABCDEF的平均除塵效率為89.92%，最高可達(dá)90.84%。說(shuō)明旋流霧化脫硫除塵一體化技術(shù)可有效去除脫硫塔尾部微細(xì)顆粒物，且投運(yùn)旋流霧化層后除塵效率可更好地適應(yīng)液氣比的變化。

圖5 液氣比對(duì)除塵效率的影響Fig.5 Effect of liquid-gas ratio on de-dusting efficiency

3.5 入口煙氣溫度對(duì)除塵效率的影響

為了研究入口煙氣溫度對(duì)除塵效率的影響，選取ABCDE、ABCEF、BCDEF和ABCDEF四種運(yùn)行方式進(jìn)行性能試驗(yàn)，結(jié)果如圖6所示。

圖6 入口煙氣溫度對(duì)除塵效率的影響Fig.6 Effect of inlet gas temperature on de-dusting efficiency

由圖6可知，在運(yùn)行方式ABCDE下，入口煙氣溫度由126 ℃升高到132 ℃時(shí)，脫硫塔除塵效率隨由81.29%降至79.04%;在ABCEF、BCDEF和ABCDEF運(yùn)行方式下，入口煙氣溫度由124 ℃升高到135 ℃時(shí)，脫硫塔除塵效率隨由90.84%降低到88.52%。由此可見(jiàn)投運(yùn)旋流霧化層，煙氣溫度對(duì)脫硫塔除塵效率的敏感性變小。

3.6 入口SO2濃度對(duì)出口SO2濃度的影響

為了研究入口SO2濃度對(duì)出口SO2濃度的影響，選取ABCDE、ABCEF、BCDEF和ABCDEF四種運(yùn)行方式進(jìn)行性能試驗(yàn)，結(jié)果如圖7所示。

圖7 入口SO2濃度對(duì)出口SO2濃度的影響Fig.7 Effect of inlet SO2 concentration on outlet SO2 concentration

由圖7可知，ABCDE運(yùn)行方式下，因環(huán)保要求不允許超標(biāo)排放，入口SO2質(zhì)量濃度為4 000～4 500 mg/Nm3，若繼續(xù)提高入口SO2濃度，出口SO2濃度將瞬間上升到50 mg/Nm3以上，無(wú)法滿足超低排放的要求。投運(yùn)旋流霧化層后，在運(yùn)行方式BCDEF、ABCEF和ABCDEF下，入口SO2質(zhì)量濃度為4 000～6 200 mg/Nm3，出口SO2濃度隨入口SO2濃度的升高而緩慢升高，出口SO2質(zhì)量濃度穩(wěn)定控制在35 mg/Nm3以內(nèi)。旋流霧化脫硫除塵一體化技術(shù)可更好地適應(yīng)入口SO2濃度的變化，在燃用高硫煤的情況下，脫硫塔入口煙氣SO2質(zhì)量濃度達(dá)到6 200 mg/Nm3時(shí)，出口煙氣SO2質(zhì)量濃度穩(wěn)定在30 mg/Nm3，符合超低排放的要求。

3.7 入口粉塵濃度對(duì)出口粉塵濃度的影響

由于煙氣經(jīng)過(guò)靜電除塵器，脫硫塔入口粉塵質(zhì)量濃度在26～30 mg/Nm3，入口粉塵濃度對(duì)出口粉塵濃度的影響如圖8所示。

由圖8可知，在ABCDE運(yùn)行方式下，出口粉塵質(zhì)量濃度始終超出5 mg/Nm3，并隨入口粉塵濃度的增加而增加，不能滿足超低排放的要求。在改設(shè)旋流霧化層后，運(yùn)行方式BCDEF、ABCEF和ABCDEF的出口粉塵濃度隨入口粉塵濃度的升高而緩慢升高，出口粉塵質(zhì)量濃度穩(wěn)定控制在3.3 mg/Nm3以內(nèi)。在ABCDEF運(yùn)行方式下，入口粉塵質(zhì)量濃度達(dá)到30.0 mg/Nm3時(shí)，出口粉塵質(zhì)量濃度達(dá)到3.3 mg/Nm3，符合超低排放要求。旋流霧化脫硫除塵一體化技術(shù)可較好地適應(yīng)入口粉塵濃度的變化。

圖8 入口粉塵濃度對(duì)出口粉塵濃度的影響Fig.8 Effect of inlet dust concentration on outlet dust concentration

4 結(jié) 論

1)對(duì)某300 MW火力發(fā)電機(jī)組采用高效旋流霧化脫硫除塵一體化技術(shù)進(jìn)行改造，在鍋爐燃用高硫煤，采用直徑12 m單塔，不增加濕電除塵器情況下實(shí)現(xiàn)了煙氣脫硫與除塵的超潔凈排放。鍋爐燃煤出口SO2質(zhì)量濃度由53.5 mg/Nm3(硫含量1.5%)降至30 mg/Nm3(硫含量2.7%)，實(shí)現(xiàn)了燃用高硫煤的情況下，在單塔高煙氣流速下的超潔凈排放。

2)采用旋流霧化脫硫除塵一體化技術(shù)，脫硫塔入口粉塵質(zhì)量濃度為30 mg/Nm3時(shí)，出口粉塵質(zhì)量濃度實(shí)現(xiàn)小于5 mg/Nm3的超潔凈排放要求，不需在脫硫塔后加裝濕電除塵器，可在脫硫單塔協(xié)同完成脫硫除塵。煙氣入口SO2質(zhì)量濃度為6 200 mg/Nm3時(shí)，液氣比23.3 L/Nm3即可實(shí)現(xiàn)煙氣脫硫的超潔凈排放，解決了高硫煤需要高液氣比的難題。

3)采用旋流霧化脫硫除塵一體化技術(shù)，在一定液氣比下，煙氣入口溫度及SO2濃度對(duì)脫硫塔的效率影響不大，脫硫效率可穩(wěn)定在99.29%以上，脫硫塔除塵效率高達(dá)90.84%。該示范工程為實(shí)現(xiàn)燃煤煙氣SO2和粉塵的協(xié)同超低排放提供了穩(wěn)定可靠的運(yùn)行結(jié)果。