顧莉娟

（上海龍凈環(huán)?？萍脊こ逃邢薰?，上海 200331）

大氣污染主要是大氣中的污染物或由它轉(zhuǎn)化而成的二次污染物的濃度積累超過環(huán)境自凈能力所造成的。大氣污染物主要分為顆粒污染物（如粉塵、光化學(xué)煙霧等）和氣體污染物（如SO2、NOx等），其主要來源于燃料的燃燒和工業(yè)生產(chǎn)過程。在我國一次能源結(jié)構(gòu)中，煤占據(jù)了絕對的主導(dǎo)地位。據(jù)專家預(yù)測，在未來的30年內(nèi)，我國煤炭在一次能源市場中仍將占據(jù)超過50%的份額。由此可以說明，在今后較長時(shí)間內(nèi)，我國一次能源以煤炭為主的格局不會(huì)被打破。

2014年9月，國家發(fā)改委、環(huán)境保護(hù)部、國家能源局三部委聯(lián)合下發(fā)《煤電節(jié)能減排升級與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014-2020年）》：火電廠大氣污染物中SO2的排放濃度降低至35 mg/Nm3，煙塵的排放濃度降低至10 mg/Nm3[1]。相比較之前的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，新標(biāo)準(zhǔn)的出臺(tái)意味著對脫硫協(xié)同除塵的效率提出了更高要求。

上海龍凈環(huán)?？萍脊こ逃邢薰荆ㄒ韵潞喎Q“龍凈環(huán)?！保┩瞥龅母咝摿騾f(xié)同除塵技術(shù)以“單塔雙區(qū)”為核心，不設(shè)塔外氧化罐、不增加串塔的原則，既可以有效解決現(xiàn)有燃煤電廠改造空間小、工期短的問題，同時(shí)滿足最新超凈排放的要求。本文將以某燃煤發(fā)電廠600 MW機(jī)組的脫硫協(xié)同除塵改造工程為案例，詳細(xì)闡述該技術(shù)的應(yīng)用及其成果。

1 項(xiàng)目概況及改造背景

某發(fā)電廠4號機(jī)組裝機(jī)容量為600 MW，采用“石灰石-石膏”濕法煙氣脫硫技術(shù)，“一爐一塔”配置，該裝置于2009年3月通過168 h試運(yùn)行并投入商業(yè)運(yùn)營。脫硫吸收塔內(nèi)設(shè)置3層噴淋層。改造前：設(shè)計(jì)煤種含硫量為0.75%，F(xiàn)GD進(jìn)口SO2濃度1 704 mg/Nm3（干基，6%O2），出口SO2濃度≤75 mg/Nm3（干基，6%O2）。

由于原設(shè)計(jì)的排放指標(biāo)已無法滿足最新環(huán)保要求，電廠要求在現(xiàn)有濕法脫硫基礎(chǔ)上進(jìn)行增容改造。改造后，F(xiàn)GD出口SO2濃度≤35 mg/Nm3（干基，6%O2）；出口煙塵濃度（含液滴顆粒物）≤5 mg/Nm3。

2 提效改造設(shè)計(jì)方案

2.1 FGD入口煙氣條件

FGD入口煙氣條件，如表1、表2所示。

表1 入口煙氣參數(shù)

表2 入口煙氣組分（FGD入口處污染物濃度）

2.2 改造系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)參數(shù)

吸收塔直徑15.5 m，在漿池區(qū)環(huán)切一刀，塔體抬升2.5 m，正常液位為12 m，漿池容積達(dá)到2 263 m3；吸收塔漿池設(shè)置分區(qū)調(diào)節(jié)器，更換氧化空氣管網(wǎng)；在吸收塔原有三層噴淋層上方，增設(shè)一層噴淋層，共四層噴淋層；四層噴淋層分別配置4臺(tái)循環(huán)泵，除3臺(tái)循環(huán)泵為利舊原設(shè)備（每臺(tái)泵流量為8 300 m3/h）外，還新增1臺(tái)循環(huán)泵（流量為9 200 m3/h）。

在吸收塔進(jìn)口煙道上方至最下層噴淋層的空間內(nèi)，增設(shè)一層多孔性分布器；在相鄰兩層噴淋層之間增加聚氣環(huán)，寬度為400 mm；在原除霧器上方再環(huán)切一刀，塔體抬升8.0 m，拆除原有2級屋脊式除霧器，安裝3級屋脊式高效除塵除霧器，保證出口液滴含量≤15 mg/Nm3（干基）；更換2臺(tái)離心式氧化風(fēng)機(jī)（一運(yùn)一備），每臺(tái)氧化風(fēng)機(jī)流量為15 200 m3/h，壓頭84 kPa。

2.3 項(xiàng)目運(yùn)用的技術(shù)特點(diǎn)

2.3.1 單塔雙區(qū)結(jié)構(gòu)

改造前的吸收塔采用的是“單塔單區(qū)”結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是：將早期的“1個(gè)吸收塔+1個(gè)氧化罐”的反應(yīng)模式進(jìn)行整合后，成為1個(gè)吸收塔。其中，“單塔單區(qū)”吸收塔的漿池只是簡單地：把原吸收塔內(nèi)適合吸收反應(yīng)的高pH值堿性環(huán)境漿池和塔外氧化罐內(nèi)適合石膏結(jié)晶氧化的低pH值酸性環(huán)境漿池進(jìn)行合并，組成為一個(gè)吸收塔的漿池，如圖1所示。但“單塔單區(qū)”結(jié)構(gòu)存在一個(gè)明顯的問題是：原本在兩個(gè)獨(dú)立反應(yīng)器中的漿液合并在同一個(gè)吸收塔后，漿液內(nèi)的pH值無法再進(jìn)行分開調(diào)配；而在不得不兼顧吸收和氧化的效果時(shí)，漿池的pH值一般只能取兩者中間值5.0～5.5。這種方法從表面上看，平衡了兩者對于酸堿度的不同需求，但根本上均犧牲了其最佳值。從吸收的方面來看，降低pH值使得脫硫效果受到限制，難以實(shí)現(xiàn)高脫硫率；而從氧化的方面來看，提高pH值則影響石膏的氧化結(jié)晶效果，帶來了石膏純度低、脫水困難等一系列問題。

圖1 常規(guī)“單塔單區(qū)”

龍凈環(huán)保在吸收借鑒“單塔單區(qū)”結(jié)構(gòu)技術(shù)的基礎(chǔ)上，對吸收塔漿池部分進(jìn)行重大變革。在吸收塔漿池部分增設(shè)分區(qū)調(diào)節(jié)器和氧化空氣管網(wǎng)，成功實(shí)現(xiàn)在單塔漿池中維持上下2種不同pH值的區(qū)域，分別滿足氧化和吸收所需，即實(shí)現(xiàn)“單塔雙區(qū)”，如圖2所示[2]。由于塔外循環(huán)泵對吸收塔漿池底部的漿液進(jìn)行抽吸并將其增壓后經(jīng)上部噴淋層噴出，與煙氣充分接觸后落入漿池上部，使整個(gè)漿池的漿液由上向下流動(dòng)，在流經(jīng)分區(qū)調(diào)節(jié)器時(shí)由于流通面積突然變小，從而產(chǎn)生文丘里效應(yīng)：調(diào)節(jié)器處局部流速增大從而有效抑制了下部漿液向上返混，成功實(shí)現(xiàn)了分區(qū)的效果。分區(qū)調(diào)節(jié)器上部漿液的pH值可維持在4.9～5.5，而下部漿液的pH值可達(dá)到6.3。這樣，不同的酸堿性形成的分區(qū)效果，就可實(shí)現(xiàn)“雙區(qū)”運(yùn)行的目的。根據(jù)pH值計(jì)算原理可知，由于分區(qū)調(diào)節(jié)器上下漿液的pH值差值可達(dá)0.8，其吸收能力最大可有6倍的提升。

2.3.2 提高L/G數(shù)值

吸收塔內(nèi)循環(huán)漿液量（L）同煙氣流量（G）的比值稱為液氣比（L/G），該值是吸收塔脫硫協(xié)同除塵設(shè)計(jì)時(shí)的重要參數(shù)。經(jīng)測算經(jīng)濟(jì)運(yùn)行條件下：高效脫硫除塵時(shí)，液氣比不應(yīng)小于15 L/Nm3（吸收塔入口，標(biāo)干，實(shí)際氧），本次改造工程液氣比為17.45 L/Nm3。

循環(huán)漿液量是高效脫硫除塵的直接保證與前提。本次改造工程循環(huán)漿液量經(jīng)計(jì)算后為34 100 m3/h，按照55%的系統(tǒng)安全余量設(shè)計(jì)，明顯優(yōu)于常規(guī)40%的水平。

同時(shí)有研究表明，隨著液氣比的增大，吸收塔單位面積上接觸到噴淋的漿液量越大，液滴數(shù)量就變多，相應(yīng)的比表面積也隨之變大[3]。因此，漿液與顆粒物碰撞的概率增加，煙塵脫除效果提升。以粒徑為900 μm的液滴為例，當(dāng)液氣比從8增加到16（L/Nm3）時(shí)，PM2.5的脫除效率由14.35%上升到26.64%，脫除率增加了84%。所以，提高L/G數(shù)值有助于增強(qiáng)脫硫?qū)焿m的協(xié)同處理作用。

2.3.3 優(yōu)化噴嘴選型，提高噴淋覆蓋和二次霧化效果

根據(jù)吸收塔各個(gè)區(qū)域氣流和噴淋漿液相互作用機(jī)理的不同，以及對噴淋效果要求的區(qū)別，通常選用的噴嘴型式可分為：大角度中空錐形、常規(guī)角中空錐形、常規(guī)角實(shí)心錐型、單向或雙向等。

本項(xiàng)目噴淋層中心區(qū)域采用的“雙頭噴嘴”，特別是單向雙頭噴嘴，具有更高的噴淋覆蓋范圍和二次霧化效果。每個(gè)噴頭的覆蓋范圍均可等同于常規(guī)的單個(gè)噴嘴，且噴淋時(shí)雙頭噴嘴兩個(gè)噴頭噴出的漿液由于噴射的切線方向相反會(huì)產(chǎn)生相反的旋向，使霧滴在噴淋層下方產(chǎn)生更明顯的碰撞，生成更小的霧滴，形成更好的二次霧化效果；漿液霧化粒徑越小，其對氣體和粉塵的捕捉及脫除效果越明顯。此外，塔壁區(qū)域配合選用常規(guī)角實(shí)心錐型噴嘴，可提高噴淋漿液覆蓋率，減輕漿液對塔壁沖刷的影響，同時(shí)提高塔壁處漿液利用率至少30%。

2.3.4 克服煙氣在塔壁處“短路”問題

受塔內(nèi)流場的影響，煙氣在吸收塔塔壁處容易出現(xiàn)“短路”的情況?！岸搪贰睙煔馕唇?jīng)吸收塔內(nèi)漿液洗滌而攜帶污染物排放，勢必會(huì)造成系統(tǒng)脫硫除塵效率的降低。

為解決該問題，人們可以采取以下措施：在兩層噴淋層間，環(huán)塔壁一周設(shè)置400 mm寬聚氣環(huán)，如圖3～圖5所示。在塔壁處阻擋短路煙氣，迫使其向吸收塔中心區(qū)域流動(dòng)，與噴淋漿液充分接觸反應(yīng)；在吸收塔噴淋層最外圈布置實(shí)心錐噴嘴，這種噴嘴產(chǎn)生的噴霧分布均勻，對于塔壁區(qū)域的漿液覆蓋能發(fā)揮極佳的效果。其既可防止煙氣沿塔壁泄露，又可減輕塔壁磨損，提高漿液利用率。

圖3 聚氣環(huán)（立面）

圖4 聚氣環(huán)布置 （噴淋層上方）

圖5 聚氣環(huán)布置 （噴淋層下方）

2.3.5 塔內(nèi)多孔性分布器的應(yīng)用

多孔性分布器技術(shù)借鑒化工行業(yè)“篩板塔”的特點(diǎn)，將其布置于噴淋層下方，使得煙氣流經(jīng)多孔性分布器時(shí)形成強(qiáng)制分布效果，增加吸收塔內(nèi)氣液混合與傳質(zhì)效果，提高塔內(nèi)流場的均布性。同時(shí)，通過控制孔徑可使?jié){液在多孔性均布器表面形成一定高度的持液層，煙氣穿過持液層的流動(dòng)類似“鼓泡塔”的特點(diǎn)，對煙氣的洗滌吸收能力進(jìn)一步增強(qiáng)，提高脫硫除塵效率。

2.3.6 塔內(nèi)流場分布CFD模擬技術(shù)

吸收塔內(nèi)煙氣流場均布效果對脫硫、除塵的效果都有重要影響，尤其是高效脫硫除塵時(shí)，流場分布應(yīng)盡量做到均勻。此時(shí)，需借助CFD計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)對吸收塔進(jìn)行模擬分析，實(shí)現(xiàn)對塔內(nèi)流動(dòng)均布的要求。

塔內(nèi)流場均勻性指標(biāo)用速度離散偏差Cv值來表示，常規(guī)Cv值達(dá)到≤0.3即可接受。本工程為提高脫硫、除塵效率，Cv值按≤0.2設(shè)計(jì)。該項(xiàng)目改善流場均布的措施有：增加噴淋層數(shù)量及優(yōu)化噴嘴布置、增加吸收區(qū)高度和除霧器前后直段長度、在吸收塔進(jìn)出口設(shè)置導(dǎo)流裝置以及塔內(nèi)設(shè)置多孔性分布器。

3 運(yùn)行及驗(yàn)收情況

本項(xiàng)目是采用龍凈環(huán)保專有的以“單塔雙區(qū)”為核心的高效脫硫協(xié)同除塵技術(shù)的投運(yùn)項(xiàng)目之一，已于2017年1月順利通過性能驗(yàn)收。該項(xiàng)目在性能試驗(yàn)期間，機(jī)組均保持滿負(fù)荷穩(wěn)定運(yùn)行，各項(xiàng)超凈排放指標(biāo)均優(yōu)于設(shè)計(jì)值，詳情如表2所示。

4 結(jié)語

為實(shí)現(xiàn)高效脫硫協(xié)同除塵的目標(biāo)，常規(guī)的石灰石-石膏濕法脫硫工藝需要突破。運(yùn)用傳統(tǒng)的兩個(gè)或類似兩個(gè)吸收塔串聯(lián)的方式來達(dá)到高脫硫效率或通過加裝濕式電除塵來達(dá)到煙塵超凈排放的方案，不僅增加投資、檢修運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用，而且在面對超凈改造項(xiàng)目中普遍存在的施工場地有限、停爐時(shí)間短等問題時(shí)往往缺乏可實(shí)施性[4]。

表2 某電廠4號機(jī)組煙氣脫硫協(xié)同除塵系統(tǒng)性能試驗(yàn)結(jié)果

龍凈環(huán)保通過多年的研究和實(shí)踐，研發(fā)出以“單塔雙區(qū)”為核心的高效脫硫協(xié)同除塵新技術(shù)，已在國內(nèi)多個(gè)工程中得到運(yùn)用。以本次改造項(xiàng)目為例，投運(yùn)結(jié)果表明，F(xiàn)GD采用該技術(shù)后，系統(tǒng)完全可以實(shí)現(xiàn)98.6%以上的高脫硫效率，在不設(shè)置濕式電除塵器的情況下，可以保證出口粉塵濃度不大于5 mg/Nm3。該煙氣治理技術(shù)在當(dāng)前嚴(yán)峻的環(huán)保形勢下，有著廣闊的應(yīng)用前景和推廣意義。