何永勝　高繼賢　陳澤民　柯紅陽　任世中　閻冬

摘要：以某電廠機組脫硫增效改造項目為例，系統(tǒng)介紹了“單塔雙區(qū)”濕法高效脫硫技術的應用。該技術的核心在于僅采用一個吸收塔，不另設塔外反應罐，通過專有分區(qū)隔離技術、射流攪拌技術及其他特色強化技術，實現(xiàn)在一個塔內的漿池區(qū)具有2個pH區(qū)，分別滿足SO2吸收和氧化。通過采用該技術，某電廠脫硫增效改造項目取得圓滿成功。投運后，測試顯示，脫硫系統(tǒng)脫硫效率達到99.7%以上，最高瞬時脫硫效率超過99.76%，煙氣出口SO2實測濃度13.2 mg/Nm3，達到并優(yōu)于新環(huán)保標準要求，每年可向大氣減排SO2 37 434.2 t，減排效果明顯，同時運行穩(wěn)定、節(jié)能經濟。

關鍵詞：單塔雙區(qū)；高效；濕法脫硫；分區(qū)隔離；射流攪拌

DOI： 10.14068/j.ceia.2015.05.013

中圖分類號：X51 文獻標識碼：A 文章編號：2095-6444（2015）05-0052-05

隨著新環(huán)保政策的落實[1]，我國火電廠NOx、SO2及煙塵的排放標準將達到甚至超過發(fā)達國家和地區(qū)的要求，中國燃煤電廠將走上減排降污的改革之路。同時，一些“走在前面”的燃煤電廠，不僅實現(xiàn)新標排放，更提出“超低排放”，如脫硫改造，許多火電廠已經采納發(fā)改委的建議，將35 mg/Nm3作為SO2的排放標準，脫硫效率將高達99%甚至99.5%以上。而對于如此高的脫硫要求，火電廠選用何種脫硫增效改造方案至關重要。目前業(yè)內普遍認可的方案是必須采用串聯(lián)塔或“塔+塔外反應罐”的準串聯(lián)塔等方式，但這些方案存在工藝較復雜、占地大、投資高，增加運行費用和能耗等問題[2]。

新近推出的單塔雙區(qū)濕法高效深度脫硫技術，結合了已有單塔脫硫技術和傳統(tǒng)串聯(lián)塔及“塔+罐”脫硫技術的優(yōu)勢，僅采用一個脫硫吸收塔就實現(xiàn)了大于99.3%甚至高于99.7%的脫硫效率。該技術具有系統(tǒng)簡單、投資省、占地少、能耗低等明顯技術優(yōu)勢，實現(xiàn)了“節(jié)能減排”而非“耗能減排”的環(huán)保理念，并奠定了“超凈塔”技術進一步發(fā)展的基礎。單塔雙區(qū)濕法高效脫硫技術自推出以來，已有多個工程應用。本文將以某電廠#9機組300 MW脫硫增效改造項目為案例，闡述該技術的工藝及應用情況。

1 項目概況與存在問題分析

1.1 項目概況

該電廠#9機組 300 MW亞臨界供熱機組于2010年建設了石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)，煙氣系統(tǒng)采用增引合一方式，無煙氣換熱器（GGH）。吸收塔采用典型空塔噴淋技術，使用變徑噴淋空塔，直徑為11.5/13.5 m，漿池容積1 611 m3。設置4臺側進式攪拌器、2臺羅茨式氧化風機（流量9 815 Nm3/h，壓力90 kPa）、4層噴淋層及4臺循環(huán)泵（流量5 520 m3/h）、兩級屋脊式除霧器（菱形布置）。此外，與#10機組脫硫裝置共用制漿、脫水及工藝水等系統(tǒng)。

由于原設計出口SO2濃度≤200 mg/Nm3，雖能滿足目前非特別排放限值地區(qū)的標準，但長遠來看，并不符合環(huán)保趨勢和要求，因此該電廠決定對原有脫硫系統(tǒng)進行增容提效改造。

改造要求：仍然采用石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝，設計燃煤硫分按2.0%考慮，對應脫硫入口SO2濃度為4 925 mg/Nm3（標干，6% O2），要求出口SO2濃度≤50 mg/Nm3（標干，6% O2），脫硫效率≥99%。

1.2 原系統(tǒng)存在問題

針對實際情況，發(fā)現(xiàn)原脫硫系統(tǒng)存在以下問題：

（1）原系統(tǒng)漿池區(qū)采用對流攪拌方式，氧化管網(wǎng)上下漿液pH趨于一致，為5～5.5，離漿液氧化和吸收的最佳pH值都較遠，使得脫硫效率和石膏品質受限；

（2）漿液循環(huán)總量不足，無法達到高脫硫效率；

（3）噴淋層與噴嘴選型配置不當，導致煙氣與噴淋液接觸不夠充分，降低脫硫效果；

（4）無防止煙氣“短路”措施；

（5）塔內流場不佳。

2 項目增效改造技術方案

針對該脫硫系統(tǒng)現(xiàn)狀和存在問題，按照新標準、新目標要求，在充分分析、計算與研究的基礎上[3-5]，提出采用單塔雙區(qū)濕法高效脫硫技術對本工程進行脫硫增效改造，以達到高效脫硫目的。主要改造方案如下：

2.1 系統(tǒng)主要設計參數(shù)

（1）脫硫入口煙氣量1 134 640 Nm3/h（標況，濕基，實際氧量）；

（2）脫硫入口煙氣溫度133℃；

（3）脫硫入口SO2濃度4 925 mg/Nm3（標干，6% O2）；

（4）出口SO2濃度50 mg/Nm3（標干，6% O2）；

（5）脫硫效率≥99%；

（6）吸收區(qū)直徑11.5 m，空塔流速3.86 m/s；

（7）吸收塔漿池容積2 389 m3，漿池直徑13.5 m，漿池正常液位高度16.7 m；

（8）每塔設置5層噴淋層，共5臺循環(huán)泵，每臺循環(huán)泵流量為6 850 m3/h；

（9）每塔設置2臺氧化風機，一運一備，每臺氧化風機流量為11 550 m3/h，壓頭87 kPa；

（10）機械除霧器采用兩級屋脊式除霧器+管式除霧器，保證出口液滴含量不大于50 mg/Nm3（干基）。

2.2 核心改造技術

2.2.1 單塔雙區(qū)技術

原系統(tǒng)采用的石灰石-石膏濕法脫硫裝置為單塔單區(qū)方式，主要特點是將早期脫硫系統(tǒng)分別用于吸收和氧化的“塔+罐”形式合并為單個塔，將原吸收塔和氧化罐漿液部分合并為塔下部的漿池。漿池內pH值各處一致，形成“單塔單區(qū)”結構。雖然脫硫系統(tǒng)得到簡化，但單塔單區(qū)存在明顯問題：為兼顧吸收和氧化的效果，漿液pH值只能采用5～5.5的折中值。這雖能在一定程度上兼顧酸堿度要求，但離SO2吸收和氧化的最佳pH值均較遠。從吸收角度而言，脫硫效率受限，99%的高脫硫效率難以穩(wěn)定實現(xiàn)；而從氧化角度來看，則是犧牲掉一部分石膏純度和粒徑，易產生石膏純度低與脫水困難等問題。

因此，項目改造的一項重要內容就是將吸收塔改造為“單塔雙區(qū)”結構，核心技術是設置分區(qū)隔離器以及采用射流攪拌系統(tǒng)。首先，將工程原有吸收塔漿池部分增高6.6 m，一是擴大漿池容積，滿足漿液停留時間要求；二是增設分區(qū)調節(jié)器和射流攪拌系統(tǒng)。

采用石灰石作為脫硫吸收劑的脫硫過程中，涉及煙氣中SO2的吸收和CaSO3的氧化結晶。在吸收過程中，需要與酸性氣體充分反應，因此漿液pH值應較高（8～9），而在氧化結晶過程中，需要較強的酸性環(huán)境，pH值應較低（4～5）。因此，在漿池區(qū)設置了分區(qū)調節(jié)器，在分區(qū)調節(jié)器處同時設置供氧管系統(tǒng)。在調節(jié)器上部，漿液主要為剛完成吸收反應后自由掉落的噴淋液，溶解有相當量的SO2，漿液呈較強酸性，pH可達4.5～6，漿液中SO2-3可以在該區(qū)域內供氧管供氧情況下氧化生成SO2-4，并立即與溶液中大量存在的Ca2+結合生成CaSO4，同時也可以實現(xiàn)CaSO4與水結晶生成石膏的反應，并立即將石膏外排。而在調節(jié)器下部，為新加入的石灰石漿液，為了避免其對調節(jié)器上部漿液pH的影響，采用了射流攪拌系統(tǒng)，當液體從管道末端噴嘴中沖出時產生射流，依靠該射流作用可以攪拌起塔底固體物，進而防止產生沉淀。新加入的吸收劑在短時間內、高pH情況下，進入循環(huán)泵，通過噴淋層噴出對SO2進行吸收。因此，通過分區(qū)調節(jié)器的設置和射流攪拌系統(tǒng)的輔助，整個吸收塔內呈現(xiàn)2個pH區(qū)域，調節(jié)器下部以及噴淋系統(tǒng)噴出的吸收漿液保持在高pH值（6.1左右），而調節(jié)器上部為吸收SO2后呈現(xiàn)的低pH區(qū)域（5.3左右），能迅速氧化結晶。通過分區(qū)，SO2的氧化和吸收都在各自更適合的pH范圍進行，吸收塔的吸收能力最大可有6倍提升。通過技術改造，單塔雙區(qū)技術體現(xiàn)了以下優(yōu)點[6-8]：

（1）適合高含硫或高脫硫效率場合，可實現(xiàn)99.3%以上的高脫硫效率；

（2）漿池pH分區(qū)，實現(xiàn)“雙區(qū)”，其中上部氧化區(qū)pH為4.9～5.5，生成高純石膏，下部吸收區(qū)pH為5.3～6.1，高效脫除SO2；

（3）全煙氣均采用高pH值漿液進行脫硫吸收，有利于保證高脫硫效率，吸收劑利用率高，所有石膏結晶均在同一塔低pH值區(qū)進行，有利于氧化，石膏純度最高；

（4）配套專有射流攪拌措施，吸收塔內無任何轉動部件，且攪拌更加均勻，脫硫系統(tǒng)停機后可以很順利地重新啟動；

（5）無任何塔外循環(huán)吸收裝置或串聯(lián)塔，可節(jié)約大量投資；

（6）脫硫系統(tǒng)運行阻力低，比塔+罐或串聯(lián)塔低150～600 Pa；

（7）無需設置塔外罐（塔）及其配套設施，本工程可節(jié)省電耗約230 kW·h；

（8）無需設置塔外罐（塔），本工程節(jié)約占地面積500 m2以上；

（9）系統(tǒng)簡單，檢修方便，運行維護費用低。

2.2.2 循環(huán)漿液總量和煙氣流速優(yōu)化技術

吸收塔內SO2的去除率主要是由吸收塔內循環(huán)漿液量同煙氣流量的比值、漿液pH值和原煙氣SO2的濃度決定的。其中漿液循環(huán)量是影響脫硫效率的重要參數(shù)，是實現(xiàn)高脫硫效率的基礎。該工程需達到99%的高效脫硫，經循環(huán)量計算后，共需設置5層噴淋層，循環(huán)總量達到34 250 m3/h，系統(tǒng)安全余量在60%左右，明顯高于常規(guī)40%的水平，這是高脫硫效率的直接保證與前提。

在其他條件如煙氣量、煙氣溫度、煙氣成分和吸收塔內噴淋層布置均不變的條件下，煙氣中的SO2吸收時間與空塔流速成反比，即吸收塔直徑越大，空塔流速越低，SO2吸收時間越長，脫硫效果越好，但吸收塔直徑的增加會直接導致造價升高、占地加大，此外機械除霧器廠家要求的空塔流速也有一定范圍，不宜過低。該工程是在原有吸收塔的基礎上進行利舊改造，經計算空塔流速為3.86 m/s，基本滿足高效脫硫的流速要求。

2.2.3 塔內噴淋區(qū)域優(yōu)化配置設計技術

單塔要實現(xiàn)高脫硫效率，塔內噴淋區(qū)域的漿液覆蓋率和霧滴粒徑是關鍵因素。工程對噴淋層數(shù)量、噴嘴選型和漿液覆蓋率等進行了優(yōu)化配置設計，采取了一系列優(yōu)化措施：（1）噴淋層數(shù)量優(yōu)化。采用5層噴淋層，通過5層噴淋覆蓋疊加，每層噴淋覆蓋率達到250%以上。（2）噴嘴流量及覆蓋率優(yōu)化。在單層循環(huán)流量（6 850 m3/h）確定的情況下，適當降低單個噴嘴流量至67.15 m3/h，提升整體覆蓋率11.7%，滿足工程高效脫硫的要求。（3）噴嘴背壓、漿液噴淋粒徑優(yōu)化。在合理范圍內，適當提高了噴嘴背壓，噴淋霧化粒徑降低7%以上，提高氣體和粉塵的捕捉及脫除效果，以較小的能耗增加為代價換取更好的效果。（4）噴嘴布置優(yōu)化。根據(jù)氣流流動規(guī)律，設置吸收塔中心區(qū)域噴嘴布置密度高于外圍，從中心向四周呈現(xiàn)逐漸降低趨勢，以保證噴淋效果和流場均勻。（5）噴嘴選型優(yōu)化。根據(jù)各個區(qū)域氣流和噴淋漿液相互作用機理的不同，以及對噴淋效果要求的區(qū)別，噴嘴型可采用大角度中空錐型、常規(guī)角中空錐型、常規(guī)角實心錐型、單向或雙向等不同類型噴嘴的組合。工程中針對頂層噴淋層、噴淋中心區(qū)域和塔壁四周不同氣體和噴淋液相互作用機理的不同，分別選取了大角度中空錐型、常規(guī)角中空錐型、常規(guī)角實心錐型、單向或雙向等不同類型噴嘴的組合，增強覆蓋效果、減輕塔壁沖刷，提高塔壁處漿液利用率30%以上。

2.2.4 煙氣分布功能環(huán)和流場優(yōu)化技術

為防止煙氣在塔壁處“短路”進而降低脫硫效率，在噴淋層之間適當位置（位置根據(jù)流場分析結果設置）設置提效環(huán)，防止煙氣短路，使其向中心區(qū)域流動，實現(xiàn)了流場的優(yōu)化，有效防止脫硫效率無謂降低，保證高脫硫效率。

同時，通過CFD模擬技術對脫硫吸收塔進行模擬分析，以實現(xiàn)吸收塔內流場均布的效果。塔內流場均勻性指標由速度離散偏差Cv值來表示，本工程塔內流場Cv值應≤0.2。通過模擬，項目采用了以下措施實現(xiàn)流場均布優(yōu)化：（1）調整噴淋層數(shù)量，新增一層噴淋層，利用多層噴淋層覆蓋來保證流場均布；（2）優(yōu)化噴淋層噴嘴布置，根據(jù)流場分析情況，采用非均布來布置噴嘴；（3）增加吸收區(qū)高度2 m，提高漿液煙氣接觸時間；（4）除霧器前增加1.5 m直段長度，提高除霧器前流場均布性；（5）設置防止煙氣短路的提效環(huán)。吸收塔不同斷面流場模擬示意圖如圖1所示。

2.2.5 除霧器與氧化風機改造優(yōu)化技術

將原有兩級屋脊式除霧器拆除，吸收塔抬高1.5 m，重新安裝兩級屋脊式和一級管式除霧器，保證脫硫塔出口煙氣帶漿量不大于50 mg/Nm3。原有氧化風機無法滿足脫硫增效改造的需要，為提升能力并節(jié)能降噪，改用2臺大流量離心式氧化風機。

3 項目改造后運行情況

本項目采用以“單塔雙區(qū)”為核心技術的高效脫硫除塵系統(tǒng)。

改造后的該電廠脫硫裝置表現(xiàn)出優(yōu)異的脫硫性能，投運后測試的主要結果如表1所示，脫硫裝置測試實際近半年運行數(shù)據(jù)如圖2所示。

從測試期間的運行情況看來，該項目投運以來僅需投運3臺循環(huán)泵，在接近設計值的條件下，脫硫效率就可穩(wěn)定達到99.3%以上。在測試達到99.7%～99.76%的效果時，多數(shù)工況下煙氣出口SO2含量≤35 mg/Nm3，在同類濕法脫硫項目中處于明顯領先水平，是單塔濕法高效脫硫技術的重大突破。同時，由于循環(huán)泵投運數(shù)量降低，項目不僅滿足排放要求，還明顯降低了設計能耗，實現(xiàn)了節(jié)能環(huán)保。

該電廠采用單塔雙區(qū)濕法高效脫硫技術的經濟投入如表2所示。相關數(shù)據(jù)表明，單塔雙區(qū)鈣基濕法高效脫硫技術可采用單塔裝備在較高煙氣SO2濃度入口的工況下實現(xiàn)超凈脫硫和超低排放的效果，超凈脫硫技術的脫硫效率最高超過了99.91%，各運行參數(shù)性能穩(wěn)定良好，關鍵參數(shù)超過了設計值，在低耗高效的技術路線上取得了重大突破。該電廠#9機組脫硫改造工程采用該技術的一次性初投資僅為90.9元/kW，遠遠低于市場同類高效脫硫技術的單價，表明該技術具有良好的市場推廣應用前景。

4 結論

通過某電廠脫硫改造等高效脫硫實踐證明：采用以“單塔雙區(qū)”為核心技術的高效脫硫除塵系統(tǒng)，運行穩(wěn)定、技術成熟可靠、經濟性能好，完全可以實現(xiàn)99%甚至99.76%以上的高脫硫效率，實現(xiàn)“超凈脫

硫”。根據(jù)實際項目驗證，即使在入口SO2濃度為5 000 mg/Nm3的情況下，采用“單塔雙區(qū)”技術，出口SO2濃度仍可穩(wěn)定在35 mg/Nm3以下。目前，“單塔雙區(qū)”高效脫硫技術已經在多個工程項目中得到應用和推廣，脫硫效率均保持在99.0%以上，達到并優(yōu)于新環(huán)保標準的要求，在我國超凈技術發(fā)展和煙氣超低排放治理的背景下具有廣闊的發(fā)展前景。

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