煙氣高效脫硫協(xié)同除塵技術(shù)

林歡

（永清環(huán)保股份有限公司，長沙 410330）

引言

目前，國內(nèi)外煙氣脫硫工藝采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝的占80%以上，該技術(shù)成熟、適用的煤種范圍廣、脫硫效率高（可達(dá)90%以上）、安全可靠、能耗低[1]。

2015年12月2日，國務(wù)院常務(wù)會議決定，在2020年前，對燃煤機組全面實施超低排放和節(jié)能改造，大幅降低發(fā)電煤耗和污染物排放。煙氣排放SO2穩(wěn)定達(dá)到35mg/Nm3的超低排放標(biāo)準(zhǔn)，脫硫效率則需提升到99%以上，需對脫硫塔進(jìn)行擴(kuò)容改造。脫硫塔擴(kuò)容改造主要有單塔雙循環(huán)技術(shù)、雙塔雙循環(huán)技術(shù)、合金托盤技術(shù)、單塔一體化除塵技術(shù)等。對于超低排放改造項目，通常存在改造空間受限的問題。

某企業(yè)兩臺2×320MW機組進(jìn)行超低排放提效改造，同步實施吸收塔內(nèi)協(xié)同除塵措施技術(shù)改造。改造后，機組在長周期運行時，確保了煙囪入口SO2排放濃度＜28mg/Nm3，出口固體顆粒物排放濃度＜4.5mg/Nm3（標(biāo)態(tài)、干基、6%O2）。

1 改造前脫硫除塵情況

2007年年初，某企業(yè)9、10號機組分別投運。脫硫裝置均采用石灰石-石膏濕法工藝，一爐一塔配置，脫硫效率大于95%。脫硫系統(tǒng)增壓風(fēng)機于2014年脫硝改造時進(jìn)行了引增合一改造，鍋爐煙氣通過引風(fēng)機后接入吸收塔，煙氣經(jīng)吸收塔入口煙道逆流向上，與噴淋層噴入的漿液進(jìn)行脫硫反應(yīng)，凈化后的煙氣經(jīng)吸收塔頂部的屋脊式除霧器除去水霧，通過煙囪排出。脫硫工程原設(shè)計燃煤含硫量為1.1%。無GGH煙氣換熱系統(tǒng)，吸收塔入口設(shè)置事故噴淋系統(tǒng)。原脫硫塔煙氣參數(shù)見表1。2014年4月至6月對10號電除塵電控部分進(jìn)行了高頻電源改造，并結(jié)合4電場極線進(jìn)行了相應(yīng)改造，改造后除塵器出口煙塵濃度＜35mg/Nm3。

表1 原脫硫塔煙氣參數(shù)

2 改造目標(biāo)

脫硫除塵超低排放改造采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝，脫硫系統(tǒng)性能保證值應(yīng)滿足：煙囪入口SO2排放濃度＜28mg/Nm3（標(biāo)態(tài)、干基、6%O2），煙囪入口固體顆粒物排放濃度＜4.5mg/Nm3（標(biāo)態(tài)、干基、6%O2）。

3 改造技術(shù)線路

由于項目場地空間有限，本期吸收塔改造在原址進(jìn)行。根據(jù)項目特點，煙氣高效脫硫協(xié)同除塵工藝具體改造路線為：1）保留原有3層噴淋層，原噴淋層噴嘴全部更換為高效霧化噴嘴，覆蓋率大于300%。在原3層噴淋層上方再新增1層噴淋層，為第4層噴淋層；2）避免煙氣偏流短路現(xiàn)象，最下層噴淋層下方增加1層均流托盤。新增第4層噴淋層下方增加1層均流托盤；3）第2層和第3層噴淋層設(shè)置增效環(huán)；4）為保證除塵效率，吸收塔煙氣入口增加1套噴淋預(yù)收塵裝置；5）對原吸收塔進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，吸收區(qū)塔體抬高；6）吸收塔煙道改造，與吸收塔連接煙道保持15°傾角；7）將原2級屋脊式除霧器更換為3級高效凝并式除霧器。保證除塵除霧裝置出口煙氣攜帶的液滴含量＜20mg/Nm3（干基、標(biāo)態(tài)、6%氧）；8）保證漿液停留時間＞4.15min，增大漿液池容積，漿液池增高；9）為提高液氣比，新增1臺大容量的漿液循環(huán)泵；10）原3臺羅茨氧化風(fēng)機改為4臺單級離心氧化風(fēng)機，氧化風(fēng)機采用單級離心風(fēng)機，葉輪采用高強度合金鋼。更換氧化空氣管網(wǎng)。

4 改造技術(shù)分析

石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)的主要原理是：煙氣中的SO2在水中溶解性好，遇到霧滴時分解為H+、HSO3-或SO42-，與吸收液中的Ca2+反應(yīng)生成Ca(HSO3)2或極難溶于水的CaSO3，推動SO2進(jìn)一步溶解，達(dá)到脫硫的目的[3]?；瘜W(xué)過程為：

由反應(yīng)過程可知，加快SO2的吸收和CaSO3和CaSO4結(jié)晶，可提高吸收塔的脫硫效率[4]。脫硫效率還與漿液pH值、液氣比、鈣硫比、煙氣流速、循環(huán)漿液含固物質(zhì)量分?jǐn)?shù)及停留時間、粉塵濃度等因素有關(guān)[5]。吸收塔內(nèi)的噴淋液滴與煙氣中的粉塵逆向接觸，發(fā)生碰撞、擴(kuò)散、沉降，煙氣高效脫硫的同時協(xié)同去除煙氣中的粉塵[6]。

4.1 高效噴淋系統(tǒng)

當(dāng)液氣比一定時，吸收塔噴淋層噴嘴產(chǎn)生液滴直徑越小，液滴的總表面積越大，霧滴與SO2、粉塵接觸的面積越大，脫硫除塵效率越高。由實驗結(jié)果，不同類型噴嘴脫硫效率曲線（圖1）和除塵效率曲線（圖2）表明：在液氣比一定的情況下，雙向噴嘴的脫硫、除塵效率均高于單頭噴嘴。本次工程改造，將原有噴淋層的噴嘴全部換為高效霧化雙頭噴嘴，在原有3層噴淋層的基礎(chǔ)上，新增1層噴淋層。高效噴霧雙頭噴嘴成霧性能好、噴霧效率高。噴嘴的覆蓋率由200%提高為300%。不但可以提高氣液兩相的接觸面積，也有利于煙氣均布，速度場偏差小于10%，進(jìn)而提高煙氣脫硫除塵效率?？招碾p頭噴嘴布置在噴淋塔靠近中心軸位置，靠近吸收塔壁的噴淋管布置實心雙頭噴嘴。去除粉塵的同時也可避免“趨壁效應(yīng)”。

圖1 不同類型噴嘴脫硫效率曲線

圖2 不同類型噴嘴除塵效率曲線

4.2 雙層合金托盤技術(shù)

本項目采用的合金托盤為穿流式篩板式托盤。篩板上布滿均勻的篩孔。吸收劑漿液在篩板上形成一定厚度的漿液層。煙氣逆向穿過篩孔時，煙氣被篩板分成小股氣流均勻分布到整個吸收塔截面，形成氣液接觸面。促進(jìn)SO2更好地被吸收。篩板上的氣液接觸面還能去除煙氣中細(xì)小的粉塵。合理的篩孔穿越流速確保了較強的慣性除塵能力。為防止石膏漿液在篩板底部結(jié)垢，篩板下方設(shè)置沖洗水管和噴嘴，定期對篩板進(jìn)行沖洗。穿流式篩板托盤結(jié)構(gòu)簡單，可降低液氣比，節(jié)約脫硫裝置能耗。能有效延長氣液接觸時間，同時均布煙氣流場，強化氣液兩相傳質(zhì)，達(dá)到高效脫硫除塵。

4.3 設(shè)置高效增效環(huán)，防止趨壁效應(yīng)

對吸收塔進(jìn)行流場分析發(fā)現(xiàn)，吸收塔內(nèi)SO2濃度在吸收塔截面上分布不均，出現(xiàn)中間低，兩邊高的情況（圖3）。因為吸收塔中心區(qū)域漿液噴淋密度高，阻力大，靠近吸收塔內(nèi)壁的漿液噴淋密度低，煙氣經(jīng)過吸收塔噴淋液體時，會自動趨向吸收塔內(nèi)壁阻力小的區(qū)域流動。造成整個吸收塔截面上液氣比分布不均勻，引起脫硫除塵效率下降。當(dāng)漿液噴到吸收塔內(nèi)壁時，液膜沿吸收塔內(nèi)壁流下來，造成部分氣液接觸面的傳質(zhì)效果差。部分煙氣氣液接觸的時間短，造成煙氣沿吸收塔內(nèi)壁“逃逸”，從而影響脫硫效率。吸收塔設(shè)置高效增效環(huán)，將靠近吸收塔內(nèi)壁的煙氣驅(qū)趕到吸收塔中間區(qū)域，可避免煙氣“趨壁效應(yīng)”，減弱漿液對吸收塔內(nèi)壁的沖刷，防止煙氣短路。增加煙氣與液滴的接觸，提高脫硫和除塵效率。增加高效增效環(huán)后，吸收塔內(nèi)SO2濃度分布明顯均勻（圖4）。

4.4 高效凝并式除霧器

常用的除霧器對細(xì)小粒徑粉塵的捕捉效率有限，無法去除煙氣中粒徑＜15μm的液滴，出口粉塵很難達(dá)到＜5mg/Nm3的要求。本次改造將除霧器更換為自主研發(fā)的凝并式除霧器[7]。凝并式除霧器由三級液滴補集器和穿流式篩板托盤組成。托盤布置在第一級液滴補集器和第二級液滴補集器之間，可稀釋石膏液滴，液滴固含量從10%降至2%，且可捕捉粒徑小于3μm的細(xì)小粉塵。煙氣通過第一級液滴補集器，大粒徑液滴被去除。進(jìn)入穿流式篩板托盤時，穿流式篩板托盤可置換稀釋煙氣攜帶的石膏液滴，同時捕捉細(xì)小粉塵。為防止石膏漿液在穿流式篩板托盤底部結(jié)垢，在托盤底部設(shè)置沖洗水管和噴嘴，對托盤定期進(jìn)行沖洗。經(jīng)過托盤后沒有被去除的細(xì)小顆粒與噴嘴噴出的小粒徑顆粒碰撞，凝結(jié)成大粒徑液滴，大液滴經(jīng)過第二級、第三級液滴補集器時被去除。高效凝并式除霧器可加強吸收塔的除塵效果，同時降低煙氣中的液滴含量，防止“煙囪雨”。

圖3 無高效增效環(huán)時吸收塔流場剖面圖

圖4 增加高效增效環(huán)后吸收塔流場剖面圖

4.5 煙道優(yōu)化設(shè)計

為達(dá)到更好的除塵效果，在吸收塔前煙道入口設(shè)置預(yù)收塵裝置。當(dāng)吸收塔出口粉塵含量高于4.5mg/Nm3，原煙氣溫度高于160℃時，3臺以上（含3臺）循環(huán)泵停運，出現(xiàn)任一情況，系統(tǒng)自動開啟預(yù)收塵噴淋裝置，降低粉塵含量。利用數(shù)值模擬方法對脫硫塔進(jìn)行流場分析優(yōu)化設(shè)計發(fā)現(xiàn)，如煙氣水平進(jìn)入吸收塔，由于空間增大，速度降低，受吸收塔壁的限制，氣流在吸收塔內(nèi)產(chǎn)生旋渦，形成強烈的湍流區(qū)，造成煙氣速度不均，影響脫硫效率，也容易造成煙道入口堵塞。通過優(yōu)化，煙氣傾斜入口角度為15°時最為合理。

5 改造后運行結(jié)果分析

該企業(yè)9、10號機組超低排放改造工程完成168h調(diào)試后投入使用。經(jīng)檢測，9號機組吸收塔出口SO2排放濃度平均為15.12mg/Nm3，脫硫率平均為99.21%，吸收塔出口粉塵濃度平均為2.73mg/Nm3。10號機組吸收塔出口SO2排放濃度平均為13.47mg/Nm3，脫硫率平均為99.45%，吸收塔出口粉塵濃度平均為3.12mg/Nm3，均滿足超低排放標(biāo)準(zhǔn)，通過驗收。

6 結(jié)論

煙氣脫硫除塵超低排放改造中，單塔一體化高效脫硫協(xié)同除塵技術(shù)，采用高效噴淋系統(tǒng)、雙層合金托盤技術(shù)、高效凝并式除霧器、增設(shè)增效環(huán)、優(yōu)化煙道設(shè)計等方法，實現(xiàn)煙氣脫硫除塵的超低排放。相比單塔雙循環(huán)改造增加漿液池、雙塔雙循環(huán)新增二級吸收塔、脫硫改造+新增濕式除塵器技術(shù)，單塔一體化高效脫硫協(xié)同除塵技術(shù)占地面積小，施工周期短。裝置運行成本低、操作維護(hù)簡單、脫硫除塵效率高，為超低排放改造提供了新思路。