李建光，姚超良，王芙蓉，凌 斌

（永清環(huán)保股份有限公司，長沙 410005）

煙氣高效脫硫除塵系統(tǒng)在百萬千萬機(jī)組的應(yīng)用

李建光，姚超良，王芙蓉，凌 斌

（永清環(huán)保股份有限公司，長沙 410005）

介紹了廣東某火力發(fā)電廠二期（2×1000MW），針對脫硫脫硝除塵現(xiàn)狀，規(guī)劃、實踐并成功應(yīng)用了超潔凈排放改造路線，達(dá)到并優(yōu)于了既定排放限值（粉塵5.0mg/Nm3、SO230mg/Nm3、NOx50mg/Nm3）。文章總結(jié)了改造實施的工藝路線、技術(shù)原理、設(shè)備選型等方面的經(jīng)驗，為其它改造項目提供參考，并以期今后對大型機(jī)組火力發(fā)電廠污染物深度治理、達(dá)到“近零排放”起到積極的示范及參考。

火力發(fā)電廠；超潔凈排放；改造；近零排放

1 引言

據(jù)2013年數(shù)據(jù)，在我國一次能源消費結(jié)構(gòu)中，煤炭約占了67%（據(jù)2013年數(shù)據(jù)）的份額。而在煤炭利用過程中，會產(chǎn)生大量的粉塵、SO2等污染物，其中以燃煤為主的火力發(fā)電是污染物排放控制的關(guān)鍵行業(yè)[1，2]。而且在今后相當(dāng)長的一段時間，煤炭的主導(dǎo)地位仍不會有太大變化[3]。

國家發(fā)改委等三部委“關(guān)于印發(fā)《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014～2020年）》的通知”指出，東部地區(qū)（遼寧、北京等11省市）基本達(dá)到燃機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，要求排放限值（6%O2）：煙塵：10mg/m3、SO2：35mg/m3、NOx：50mg/m3； 中部地區(qū)（黑龍江、吉林等8?。┰瓌t上接近或達(dá)到燃機(jī)標(biāo)準(zhǔn)； 鼓勵西部地區(qū)接近或達(dá)到燃機(jī)標(biāo)準(zhǔn)。對重點地區(qū)燃煤電廠的污染物排放有更嚴(yán)的要求，達(dá)到燃機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)成為方向和目標(biāo)[4]。

在此背景下，位于沿海重點區(qū)域的大唐廣東某火力發(fā)電廠二期（2×1000MW）擬通過超低排放改造實現(xiàn)污染物

排放濃度達(dá)到燃?xì)鈾C(jī)組排放目標(biāo)。本文結(jié)合該百萬千瓦機(jī)組改造前狀況，進(jìn)行原理分析選擇出了合理的超低排放改造路線，并在該機(jī)組工程中成功應(yīng)用。該技術(shù)方案的推廣對其它實施超低排放的大型火電機(jī)組有重要的參考價值。

2 改造前脫硝脫硫除塵狀況

2.1 脫硝狀況

脫硝采用低氮燃燒（機(jī)組已建）+選擇性催化還原法（SCR）工藝。催化劑高含塵布置，催化劑層數(shù)按“2+1”設(shè)置（最上層為預(yù)留空間），催化劑采用蜂窩型式。原機(jī)組建設(shè)時即采用的低氮燃燒技術(shù)，SCR入口NOx≤350mg/Nm3，二期3、4號機(jī)組，脫硝率為80%，為2層運行，1層備用。

2.2 脫硫狀況

脫硫采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝，一爐一塔。由美國常凈環(huán)保工程公司采用EPC模式建設(shè)。脫硫吸收塔系統(tǒng)為噴淋空塔，脫硫效率為95%，吸收塔直徑為19.06m，總高度38.24m，其中漿池高度9.62m，漿池容積為2745m3，噴淋層為4層，脫硫系統(tǒng)排放狀況：3、4號機(jī)組在燃用校核煤種時，SO2排放值約為110mg/Nm3。脫硫系統(tǒng)設(shè)計有4臺漿液循環(huán)泵及4層噴淋層，在設(shè)計條件下，F(xiàn)GD設(shè)計入口SO2濃度為2181mg/Nm3（干基，6%氧，校核煤種）。

2.3 除塵現(xiàn)狀

電廠原配置采用靜電除塵器，每臺機(jī)組設(shè)置2臺三通道5電場靜電除塵器?，F(xiàn)對靜電除塵器進(jìn)行改造，改造后靜電除塵器出口粉塵濃度≤30mg/Nm3。

2.4 改造目標(biāo)

該次改造目標(biāo)為，F(xiàn)GD入口SO2濃度≤2200mg/m3（標(biāo)干，6%O2），出口SO2濃度＜30mg/m3（標(biāo)干，6%O2）。FGD入口煙塵30mg/Nm3，出口煙塵濃度＜5mg/m3（標(biāo)干，6%O2）。脫硝入口NOx濃度≤350mg/Nm3（標(biāo)干，6%O2），NOx排放濃度不大于50mg/Nm3（標(biāo)干，6%O2）。

3 改造路線選擇分析

3.1 脫硝系統(tǒng)改造路線

國內(nèi)大型燃煤電廠機(jī)組主要通過低氮燃燒和SCR來降低NOx的排放[5]。如前所述，該機(jī)組已裝有低氮燃燒器，根據(jù)目前鍋爐運行情況，為達(dá)到超低排放目標(biāo)，該方案通過加裝備用層催化劑的方案實現(xiàn)。

3.2 吸收塔協(xié)同一體化除塵改造方案

目前市場上常用的提高脫硫效率的工藝主要有單塔雙循環(huán)、托盤技術(shù)、串塔技術(shù)等[6-8]。這些工藝路線已基本成熟，并廣泛應(yīng)用，但施工周期長、難度大，且易受場地條件的限制。該次改造屬于在役大型機(jī)組脫硝脫硫除塵大型技改項目，存在場地狹小，平面布置困難、時間緊張等特點，因此該次改造方案以現(xiàn)有濕法脫硫技術(shù)為基礎(chǔ)，以不增設(shè)和重建吸收塔、節(jié)約占地為原則，確定了脫硫系統(tǒng)增容提效改造的方向。改造方案如下：

（1）將原2級屋脊式除霧器更換為3級高效屋脊式除霧器；

（2）對原有吸收塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化改造，塔升高8.6m，吸收塔新增一層噴淋層，增至5層噴淋，更換原有噴嘴；

（3）為提高液氣比，每臺塔新增和增容各1臺漿液循環(huán)泵，該次改造原有4臺循環(huán)泵中的3臺泵流量不變；另1臺循環(huán)泵增容為大流量泵，并新增1臺大流量漿液循環(huán)泵，對應(yīng)的噴淋層和噴嘴重新設(shè)計并更換，覆蓋率按300%設(shè)計，確保有效的氣液接觸時間及反應(yīng)效率；

（4）為適應(yīng)增大的液氣比，新增噴淋層漿池容積增大，吸收塔漿液池增高約1.5m；

（5）在一、二級除霧器間設(shè)置永清環(huán)保專利技術(shù)凝并裝置；

（6）在最下層噴淋層下部與吸收塔煙氣入口之間加裝氣液平衡湍流裝置；

（7）為保證改造后的氧硫比，對氧化空氣系統(tǒng)進(jìn)行改造，更換每塔原2臺羅茨氧化風(fēng)機(jī)為單級離心風(fēng)機(jī)，風(fēng)機(jī)風(fēng)量從9030m3/h提高到11,600m3/h。

4 改造采用的新技術(shù)原理

根據(jù)該項目超低排放指標(biāo)特點，該次改造采用“改進(jìn)型噴淋空塔+氣液平衡湍流裝置+凝并式高效除霧除塵系統(tǒng)技術(shù)”。通過整體煙氣系統(tǒng)（包含吸收塔）CFD數(shù)字模擬、氣液平衡湍流器的設(shè)置，以及高效噴嘴、高效除霧器、凝并系統(tǒng)的應(yīng)用，確保超低排放的優(yōu)化實現(xiàn)。該系統(tǒng)主要技術(shù)特點如下。

4.1 氣液平衡湍流器系統(tǒng)

在煙道入口至第一層噴淋層之間增加液氣平衡湍流器，液氣平衡湍流器如圖1所示，其結(jié)構(gòu)為由許多模塊拼裝而成。

圖1 氣液平衡湍流裝置

每個模塊由兩層錯列布置的管柵和固定的外框架組成?？杀ＷC煙氣在進(jìn)入吸收塔后均布，且漿液噴淋下來后，可在湍流裝置上形成一層液膜，進(jìn)而提高氣液傳質(zhì)系數(shù)，同時增加煙氣與漿液接觸的時間，確保漿液中的SO2和煙氣中的SO2達(dá)到平衡。

4.2 高效噴淋系統(tǒng)

噴嘴噴出的液滴直徑越小，霧滴與粉塵接觸的可能性越大，除塵效率越高。因此，采用霧滴直徑小的噴嘴，有利于提高除塵效率。為滿足超低排放的要求，該次改造噴嘴布置部分采用單向雙頭噴嘴，如圖2所示。

圖2 單向雙頭噴嘴裝置

單向雙頭噴嘴與其它標(biāo)準(zhǔn)噴嘴的最大區(qū)別是兩個噴射錐體的切向旋轉(zhuǎn)方向相反，不同的旋向不僅使相鄰的錐體碰撞速度提高，確保了二次霧化的效果，更主要的是避免了塔內(nèi)煙氣同向旋轉(zhuǎn)后煙氣富集在塔壁的分布不均問題。

4.3 高效凝并式除霧除塵一體化技術(shù)

該項目進(jìn)入脫硫塔的粉塵濃度為30mg/Nm3，經(jīng)脫硫除塵一體化系統(tǒng)后，粉塵含量需降低到5mg/Nm3，除塵效率應(yīng)不小于83%。如此高的除塵效率需要通過各個環(huán)節(jié)進(jìn)行精心組合設(shè)計。該項目采用高效凝并式除塵除霧一體化裝置，可保證除塵效率的要求。

4.3.1 脫硫系統(tǒng)粉塵的來源

（1）原煙氣經(jīng)脫硫塔噴淋洗滌后殘余的粉塵；

（2）經(jīng)除霧后，煙氣中殘余液滴攜帶的難溶固體；

（3）經(jīng)除霧后，煙氣中殘余液滴攜帶的可溶固體。粉塵來源如圖3。

圖3 粉塵來源示意圖

從圖3可以看出：出口粉塵含量（mg/Nm3）=煙塵殘留+出口液滴含固+溶解鹽。其中：煙塵殘留= 吸收塔入口飛灰含量（mg/Nm3）×[100（%）-脫硫塔除塵率（%）]；出口液滴含固=除霧器出口剩余液滴量（mg/Nm3）×漿液含固量（%），溶解鹽取決于沖洗水品質(zhì)。

4.3.2 除塵措施

該次改造針對以上幾個方面采取了以下改善措施：

（1）提高脫硫塔本身的除塵效果

濕法脫硫過程煙氣在通過噴淋層的洗滌時，有一定的除塵效果[9]，公認(rèn)的除塵效率有60%（不含液滴攜帶的固體），該系統(tǒng)為達(dá)到更好的除塵和脫硫性能，對原設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化，主要有以下方面：

1）增加噴淋層，并在塔內(nèi)設(shè)置有氣液平衡湍流裝置，增加汽液接觸的時間，可起到高效除塵的目的；

2）設(shè)置聚氣環(huán)，避免趨避效應(yīng)，通過CFD模擬，保證煙氣均勻通過，不發(fā)生局部短路。經(jīng)脫硫塔優(yōu)化及氣液平衡裝置的應(yīng)用，脫硫塔的除塵率可由60%提升至90%以上。

（2）提高除霧效果

除霧器最主要的目的是除去因噴淋而使凈煙氣攜帶的液滴，一般要求經(jīng)除霧后液滴的含量不大于75mg/Nm3。但在超低排放要求下，該項目經(jīng)優(yōu)化后液滴的含量低于20mg/Nm3。

1）屋脊式除霧器的作用。合適的葉片間流速。除霧器流速是影響除霧器性能的重要因素[10]，該項目通過計算及模擬選取三級屋脊式除霧器葉片間距為25～30mm，煙氣流速約為3.97m/s（100%BMCR），理論上對于19μm以下的液滴可達(dá)到100%的脫除率；

2）特殊的葉片型式設(shè)計。該項目除霧器采用一鉤一孔的優(yōu)化設(shè)計，屋脊傾斜角度37.5o，可將霧滴最大限度分離。通過屋脊式除霧器后的液滴含量可降至20mg/Nm3以下。

高效屋脊式除霧器葉片示意圖如圖4。

圖4 高效屋脊式除霧器葉片示意圖

（3）增大液滴尺寸，降低煙氣中殘余液滴中固體的含量

1）在特定的氣體流速下，理論上氣流中大于19μm的液滴100%都將得到分離，該方案選用合適的噴淋層噴嘴，控制其最小粒徑主要分布在200～300μm，盡量減少細(xì)顆粒的攜帶；

2）加長液滴在漿池中的停留時間，使石膏結(jié)晶物充分長大，使大于50μm的顆粒比例增大，減少20μm以下生成比例；

3）設(shè)計了一套凝并裝置。凝并裝置結(jié)構(gòu)是在高效第一級除霧器后加裝噴霧裝置，噴出大量低溫水霧，低溫水霧產(chǎn)生的大量小粒子水滴與經(jīng)過第一層除霧器以后的細(xì)小液滴及塵粒發(fā)生碰撞凝并，變成大粒徑的液滴，大液滴再通過第二、三層高效屋脊式除霧器時除去，從而達(dá)到高效除塵除霧的效果。除霧器除霧效率與分離粒徑的關(guān)系見圖5。

圖5 除霧器除霧效率與分離粒徑的關(guān)系

4.3.3 除塵效果的測算

（1）原煙氣經(jīng)脫硫塔噴淋洗滌后殘余的粉塵

（2）經(jīng)除霧后，煙氣中殘余液滴攜帶的難溶固體

說明：小顆粒直徑的石膏顆粒占比不超過37.35%，因此針對20%含固量的吸收塔石膏漿液，通過除霧器的液滴含固量理論約20%×37.35%=7.5%（增加凝并裝置可小于7.5%）。

（3）經(jīng)除霧后，煙氣中殘余液滴攜帶的可溶固體

說明：一般情況下，沖洗水質(zhì)優(yōu)良可忽略不計，這里按取1%。

（4）經(jīng)除霧器后殘余的粉塵

說明：按除霧器廠家最保守值估算。

（5）凈煙氣中總的粉塵含量如下：

5 改造后的效果分析

該電廠脫硫脫硝除塵超潔凈改造3號機(jī)組于2016年 3月20日開工，至2016年5月15日封塔具備運行條件，改造總工期55天。該次改造實施完成后機(jī)組啟動一次成功，各改造、新增設(shè)備均實現(xiàn)正常投運。目前3號機(jī)組投運已3個多月，煙囪處煙氣污染物排放實測值NOx基本在35mg/Nm3以下，SO2基本在10mg/Nm3以下，煙塵基本在3.9mg/Nm3以下，完全達(dá)到了并優(yōu)于改造目標(biāo)。

6 總結(jié)

本文以某百萬千瓦機(jī)組電廠污染物超低排放改造為例，重點介紹了1000MW燃煤機(jī)組主要污染物深度治理技術(shù)措施，研發(fā)的單塔一體化脫硫除塵深度凈化技術(shù)為電廠實現(xiàn)SO2和煙塵的深度凈化提供了創(chuàng)新性的一體化解決方案，集成應(yīng)用的效果實現(xiàn)了節(jié)能與環(huán)保的有機(jī)組合。改造實施后機(jī)組運行穩(wěn)定，各項污染物排放濃度均優(yōu)于燃?xì)鈾C(jī)組排放指標(biāo)，實現(xiàn)了“近零排放”（煙塵5mg/m3、SO230mg/m3、NOx50mg/m3）。此外，氣液平衡湍流裝置及凝并裝置等設(shè)備均為行業(yè)領(lǐng)先且具有代表性的新技術(shù)，對現(xiàn)役機(jī)組提效改造及新建機(jī)組實現(xiàn)深度凈化具有良好的推廣價值。

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Application of Dust Removal System of Flue Gas Desulfurization with High Efficiency in Million Kilowatt Generating Set

LI Jian-guang, YAO Chao-liang, WANG Fu-rong, LING Bin

X701

A

1006-5377（2017）03-0033-04