燃煤電廠污染物超低排放吸收塔改造設(shè)計(jì)

馮立波，羅鐘高

(1.浙江天地環(huán)保工程有限公司，杭州 310003；2.浙江省電力設(shè)計(jì)院，杭州 310012)

燃煤電廠污染物超低排放吸收塔改造設(shè)計(jì)

馮立波1，羅鐘高2

(1.浙江天地環(huán)保工程有限公司，杭州 310003；2.浙江省電力設(shè)計(jì)院，杭州 310012)

隨著燃煤電廠的發(fā)展，煙氣中二氧化硫和氮氧化物等污染物排放量將會(huì)相應(yīng)增加，此造成的大氣污染問題也日漸嚴(yán)重。為采取有效的措施控制，目前國內(nèi)已開展燃煤電廠污染物超低排放工程的建設(shè)。面對我國以煤炭為主能源品種消費(fèi)結(jié)構(gòu)和日益艱巨的環(huán)保壓力，浙能集團(tuán)在全國率先實(shí)施超低排放示范改造，創(chuàng)新煤炭的清潔燃燒和清潔排放技術(shù)，將給整個(gè)燃煤電廠行業(yè)拓展了新空間，帶來新的發(fā)展機(jī)遇。主要對燃煤電廠污染物超低排放吸收塔改造設(shè)計(jì)進(jìn)行了較為系統(tǒng)的闡述。

燃煤電廠；超低排放；吸收塔

隨著國家整體實(shí)力的提升，對環(huán)境保護(hù)的意識(shí)逐漸加強(qiáng)，國家出臺(tái)的大氣污染物控制法規(guī)日漸嚴(yán)格，對于“長三角”東南沿海重點(diǎn)地區(qū)，燃煤電廠所面臨的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)接近于發(fā)達(dá)國家的環(huán)保法規(guī)要求。我國能源生產(chǎn)和消費(fèi)方式也正在發(fā)生變化，低碳清潔能源應(yīng)用的比重正逐步上升。燃煤電廠是煙塵、二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOx)等大氣污染物的主要排放源，隨著國家大氣污染防治行動(dòng)計(jì)劃的實(shí)施，對燃煤電廠實(shí)施嚴(yán)格的超低改造已是大勢所趨。

為創(chuàng)新傳統(tǒng)燃煤電廠的發(fā)展方式，切實(shí)履行環(huán)境質(zhì)量和公眾健康的社會(huì)責(zé)任，浙能集團(tuán)在滿足現(xiàn)行國家排放標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，實(shí)施更為嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，在全國率先提出并實(shí)施“燃煤電廠煙氣超低排放”，要求燃煤電廠的大氣主要污染物排放標(biāo)準(zhǔn)達(dá)到天然氣燃?xì)鈾C(jī)組的排放標(biāo)準(zhǔn)，即煙塵5 mg/Nm3，二氧化硫35 mg/Nm3，氮氧化物50 mg/Nm3。本文以某2×600 MW機(jī)組燃煤電廠污染物超低排放吸收塔改造為例，對提效技術(shù)及改造設(shè)計(jì)方案等進(jìn)行闡述。

1 吸收塔改造提效技術(shù)及設(shè)計(jì)方案

在燃煤電廠超低排放工程中，對燃煤電廠現(xiàn)有的脫硝設(shè)備、除塵設(shè)備和脫硫設(shè)備進(jìn)行提效，并引入新的環(huán)保設(shè)備和環(huán)保技術(shù)對汞和三氧化硫進(jìn)行進(jìn)一步脫除，使電廠排放的煙塵、氮氧化物、二氧化硫、汞和三氧化硫達(dá)到超低排放求。針對氮氧化物，通過實(shí)施鍋爐低氮燃燒改造、SCR 脫硝系統(tǒng)增設(shè)新型催化劑等技術(shù)措施實(shí)現(xiàn)脫硝提效。針對煙塵、三氧化硫和汞，采用高頻電源低溫靜電除塵器、高效脫硫吸收塔和濕式電除塵器等裝置對煙氣進(jìn)行協(xié)同脫除實(shí)現(xiàn)超低排放。針對二氧化硫，主要是對脫硫裝置進(jìn)行改進(jìn)，采用增加液氣比、增設(shè)均流提效板、脫硫增效環(huán)和脫硫添加劑等方式，實(shí)現(xiàn)脫硫提效。脫硫裝置提效后，煙囪入口SO2的排放濃度將降低到35 mg/Nm3以下，以實(shí)現(xiàn)超低排放工程對二氧化硫排放的控制目標(biāo)。二氧化硫、氮氧化物和煙塵排放量是超低排放項(xiàng)目的三大關(guān)鍵指標(biāo)，吸收塔既是決定脫硫效率的核心裝置，同時(shí)也是決定濕式電除塵能否實(shí)現(xiàn)有效除塵的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

吸收塔塔體為大型薄壁殼體鋼結(jié)構(gòu)，吸收塔內(nèi)布置噴淋層、除霧器、攪拌器等內(nèi)件，吸收塔設(shè)計(jì)是脫硫技術(shù)國產(chǎn)化和自主化的關(guān)鍵，設(shè)計(jì)過程中需進(jìn)行氣-液-固多相場的計(jì)算流體力學(xué)(CFD)分析研究。因改造中交互噴淋層支撐梁荷載有所增加，通常利用有限元分析軟件來分析該處支撐鋼梁等結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和變形，同時(shí)根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，對計(jì)算結(jié)果利用相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)來衡量，為吸收塔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供可靠的依據(jù)[1]。

以某2×600 MW機(jī)組為例，該機(jī)組超低排放工程改造兩套處理100%BMCR煙氣量的脫硝、除塵和脫硫裝置。超低排放改造工程的目標(biāo)：煙囪出口氮氧化物(NOx)排放濃度不大于45 mg/Nm3(干基，6%O2)，煙塵排放濃度不大于4. 5 mg/Nm3(干基，6%O2)，二氧化硫(SO2)排放濃度不大于35 mg/Nm3(干基，6%O2)。對現(xiàn)有的除塵、脫硫、脫硝系統(tǒng)進(jìn)行提效，采用高效協(xié)同脫除技術(shù)，在35%BMCR及以上負(fù)荷投運(yùn)脫硝系統(tǒng)時(shí)，使機(jī)組煙氣的主要污染物(NOx、煙塵、SO2)排放濃度達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組的排放標(biāo)準(zhǔn)，其中脫硫改造主要是對吸收塔及其輔助設(shè)備的改造。某2×600 MW機(jī)組原脫硫裝置采用石灰石—石膏濕法脫硫技術(shù)，吸收塔采用帶托盤的逆向噴淋塔，設(shè)計(jì)有三層標(biāo)準(zhǔn)型噴淋層，一層托盤。原脫硫裝置設(shè)計(jì)煤種含硫量為0.7%，設(shè)計(jì)脫硫效率95%，煙囪出口SO2濃度為81 mg/Nm3。

1.1 脫硫系統(tǒng)提效技術(shù)

影響脫硫效率的主要有液氣比、煙氣分布均勻性、吸收區(qū)高度、吸收塔漿池容量等因素。根據(jù)某2×600 MW機(jī)組的實(shí)際情況，對該機(jī)組超低排放改造可采用以下技術(shù)手段。

(1)增加液氣比。液氣比是指單位時(shí)間內(nèi)吸收劑循環(huán)量與煙氣流量之比。液氣比對脫硫效率的高低有著重要影響。在吸收塔設(shè)計(jì)中，循環(huán)漿液量的多少?zèng)Q定了SO2吸收表面積的大小，在其他參數(shù)恒定的情況下，提高液氣比相當(dāng)于增大了吸收塔內(nèi)的漿液噴淋密度，從而增大了氣液傳質(zhì)表面積，強(qiáng)化了氣液兩相間的傳質(zhì)，提高液氣比是提高脫硫效率的有效措施。當(dāng)然，液氣比增大會(huì)促使循環(huán)泵流量和吸收塔阻力增大，從而增加電耗增高。

(2)采用增加均流提效板提高脫硫效率。吸收塔均流提效板能改善吸收塔內(nèi)煙氣分布，煙氣和漿液的流場分布直接決定著吸收塔內(nèi)的傳質(zhì)、傳熱和反應(yīng)進(jìn)行程度。對于某2×600 MW機(jī)組的吸收塔，可以通過調(diào)節(jié)原有托盤開孔率、加裝均流提效板來達(dá)到目的，增加均流提效板比原有托盤多了一層液膜，氣液相傳質(zhì)更為充分，從而增加了脫硫效率，該技術(shù)在脫硫效率高于98%或煤種高含硫量時(shí)優(yōu)勢更為明顯。

(3)采用吸收塔增效裝置提高脫硫效率。在石灰石-石膏濕法脫硫工藝中，脫硫吸收塔基本均采用噴淋式吸收結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在運(yùn)行中尚存在一定不足，如覆蓋率低的區(qū)域噴淋層壓降較小，使煙氣容易從該區(qū)域逃逸，造成煙氣旁路，從而降低吸收塔的脫硫效果等。根據(jù)這一情況，采用脫硫吸收塔新型增效裝置，可有效地解決了相關(guān)問題，該增效裝置主要由布?xì)忮F板、環(huán)形箍筒、自緊連接裝置和軟密封組件等構(gòu)成，增效裝置安裝在噴淋層的下方，通過軟密封組件與吸收塔內(nèi)壁連接并定位。安裝裝置后，可使吸收塔內(nèi)周邊區(qū)域的煙氣重新分布，向中央?yún)^(qū)域聚集流動(dòng)，有效消除塔內(nèi)煙氣旁路現(xiàn)象，進(jìn)而提高系統(tǒng)的煙氣脫硫效率。

(4)采用脫硫添加劑提高脫硫效率。

1.2 吸收塔改造設(shè)計(jì)方案

按煙氣超低排放要求，煙囪出口SO2濃度需控制在35 mg/Nm3以下，原有的脫硫裝置已無法滿足要求，必須進(jìn)行提效改造。鑒于某2×600 MW機(jī)組現(xiàn)場場地條件、施工進(jìn)度非常緊張等原因，以吸收塔高度不增加、內(nèi)部主要支撐件不拆除為原則進(jìn)行設(shè)計(jì)?？紤]到國家對環(huán)保的要求在逐步提高，脫硫系統(tǒng)的安全穩(wěn)定可靠運(yùn)行，該兩臺(tái)機(jī)組采用雙層交互式噴淋層+原有托盤方案+增設(shè)均流提效板設(shè)計(jì)方案。采用該技術(shù)方案進(jìn)行提效改造后，在設(shè)計(jì)煤質(zhì)工況下可以滿足超低排放要求，并提高了系統(tǒng)的可靠性。

該方案將原有的三層標(biāo)準(zhǔn)型吸收塔噴淋層改造為雙層交互式噴淋層，同時(shí)將增加一層吸收塔均流提效板，與原有的托盤形成“均流提效板+托盤”，在液汽比不增加的情況下，通過改善塔內(nèi)氣流分布，強(qiáng)化脫硫傳質(zhì)效果實(shí)現(xiàn)超低排放工程中的脫硫增效。吸收塔內(nèi)部的雙層交互式噴淋層噴淋系統(tǒng)由分配母管、支管和噴嘴組成。母管和支管在吸收塔端面內(nèi)交互布置，該系統(tǒng)能使?jié){液在吸收塔內(nèi)均勻分布。由漿液循環(huán)泵輸送來的漿液通過網(wǎng)狀管路進(jìn)入噴嘴霧化, 噴入煙氣中。由于噴淋層合理優(yōu)化布置設(shè)計(jì),保證了漿液能在整個(gè)吸收塔斷面上進(jìn)行均勻噴淋。漿液噴淋管采用玻璃鋼 FRP材料制作,分段加工,現(xiàn)場粘結(jié)的連接工藝,從而使整個(gè)噴淋層管網(wǎng)外表面光滑,避免堆積結(jié)垢。噴嘴為雙偏心空心噴嘴, 采用SiC 制作,外表面光滑無突起,避免了噴嘴的磨損和噴嘴內(nèi)部的堵塞[2]。吸收塔改造設(shè)計(jì)中將拆除吸收塔內(nèi)原有的三層噴淋母管，將第二、三層標(biāo)準(zhǔn)型噴淋母管及噴嘴改為交互式噴淋系統(tǒng)，原第一層循環(huán)泵提高揚(yáng)程后與原第二層循環(huán)泵構(gòu)成第一層交互式噴淋系統(tǒng)；同時(shí)增加一臺(tái)備用循環(huán)泵，與原第三層循環(huán)泵構(gòu)成第二層交互式噴淋系統(tǒng)，在吸收塔壁上增開循環(huán)漿液管接口。在第一層噴淋母管拆除后留下的空間增設(shè)一層均流提效板及支撐鋼梁，與原有的一層托盤構(gòu)成“均流提效板+托盤”系統(tǒng)。

現(xiàn)場需拆除原噴淋母管中心線上下各500 mm處沿塔壁一圈防腐層、所有U型抱箍及原母管端部支托。新增設(shè)的均流提效板的開孔率為32%，原有托盤的開孔率通過橡膠塞進(jìn)行堵孔，由34%調(diào)整為32%。安裝吸收塔新型增效裝置并在吸收塔壁板上開設(shè)噴淋母管接口以及方便安裝噴淋母管的人孔等接口。為了現(xiàn)場檢修等方便，增加相應(yīng)的平臺(tái)扶梯。通過以上吸收塔改造后，在設(shè)計(jì)煤種工況下，將可滿足煙囪出口二氧化硫濃度35 mg/Nm3以下，且提高了系統(tǒng)的可靠性。

2 吸收塔改造設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

吸收塔改造設(shè)計(jì)時(shí)，盡可能利用現(xiàn)有支撐結(jié)構(gòu),因噴淋層由標(biāo)準(zhǔn)式改為交互式，支撐梁所承荷載將增加，吸收塔改造設(shè)計(jì)時(shí)須通過相關(guān)計(jì)算對原有噴淋支撐鋼梁進(jìn)行準(zhǔn)確的結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形分析，確定是否原有支撐梁滿足改造要求，如果不能滿足，需通過加強(qiáng)或拆除原有支撐鋼梁以滿足改造要求。改造時(shí)，由于吸收塔防腐材料為易燃材料，建議吸收塔改造時(shí)，盡可能地以不拆除內(nèi)部支撐構(gòu)件等為原則進(jìn)行改造，吸收塔人孔處設(shè)置消火栓以及除霧器頂部設(shè)置手動(dòng)噴淋沖洗系統(tǒng)。吸收塔附屬平臺(tái)扶梯設(shè)計(jì)過程中，在滿足安全便捷的情況下，建議平吸收塔附屬平臺(tái)設(shè)計(jì)為環(huán)形雙通道平臺(tái)。

3 結(jié)語

隨著環(huán)境污染問題的日益突出，國家對火電機(jī)組二氧化硫等排放指標(biāo)提出了更高要求。為創(chuàng)新傳統(tǒng)燃煤電廠的發(fā)展方式，切實(shí)履行環(huán)境質(zhì)量和公眾健康的社會(huì)責(zé)任，浙能集團(tuán)在全國率先提出并實(shí)施“燃煤電廠煙氣超低排放”，并先后在嘉興、六橫等燃煤電廠實(shí)施。該技術(shù)的應(yīng)用將使燃煤電廠的排放水平與天然氣機(jī)組相當(dāng)。陜西、山東和廣州等省市也已啟動(dòng)煙氣污染物超低排放示范改造工作。超低排放改造過程中，吸收塔的改造設(shè)計(jì)也尤為重要，本文對吸收塔改造提效技術(shù)及改造設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了闡述。在面對節(jié)能減排壓力與霧霾威脅的背景下，燃煤電廠超低排放技術(shù)的廣泛運(yùn)用將進(jìn)一步提高我國以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)的清潔化水平，而且也為燃煤電廠的生存與發(fā)展提供了一種新思路。隨著超低排放技術(shù)向浙江省內(nèi)電廠乃至全國電廠的推廣，將產(chǎn)生十分巨大的社會(huì)效益，對保障我國能源安全具有重要的戰(zhàn)略意義。

[1]陳安新，張軍梅，蓋東飛. 濕法煙氣脫硫吸收塔流場的數(shù)值模擬研究[J].華電技術(shù)，2013,35(6)：75-81.

[2]田明明，楊紅剛，劉繼奎. 600MW機(jī)組濕法煙氣脫硫吸收塔系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].山西電力，2008(4):40-42.

(本文編輯：嚴(yán) 加)

Retrofit Design of the Absorption Tower in Coal-Fired Power Plants for Ultra-Low Emissions

FENG Libo1，LUO Zhonggao2

(1. Zhejiang Tiandi Environmental Protection Engineering Co.，Ltd., Hangzhou 310003, China;2. Zhejiang Electric Power Design Institute，Hangzhou 310012, China)

With the development of coal-fired power plants, the pollutants in the flue gas emissions will increase, such as sulfur dioxide and nitrogen oxides, which cause increasing serious air pollution problems. To take effective measures to control the situations at present, China has carried out a series of coal-fired power plant construction of the ultra low pollutant emission. In view of the coal priority in China′s energy consumption structure, and the increasingly difficult environment protection pressure, Zhejiang energy group has taken the lead in implementing ultra-low emissions demonstration retrofit in China, innovating the coal clean combustion and clean emission technology and expanding new spaces and bringing new opportunities for the development of the whole coal industry. This study systematically described the retrofit design of the absorption tower of coal-fired power plant to control the pollutant ultra-low emissions.

coal-fired power plant; ultra-low emissions; absorption tower

10.11973/dlyny201703022

馮立波(1980—) 男，工程師，從事燃煤發(fā)電廠脫硫、脫硝及超低排放項(xiàng)目設(shè)計(jì)工作。

X773

B

2095-1256(2017)03-0320-03

2017-02-25