適合燃煤火電機組SO2超低排放改造的通用技術(shù)原則
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作者：李斌
國內(nèi)火電機組煙氣脫硫多采用石灰石一石膏濕法工藝，目前主流的脫硫改造中多采用單塔技術(shù)（包括噴淋空塔、托盤塔、單塔雙循環(huán)等技術(shù)）和串聯(lián)塔技術(shù)，本文結(jié)合實際工程案例，對其進行了分析研究，為需要實施超低排放改造的機組提供參考。
1 單塔技術(shù)
單塔技術(shù)包括單塔單循環(huán)技術(shù)和單塔雙循環(huán)技術(shù)，單塔單循環(huán)技術(shù)根據(jù)吸收塔型式的不同又包括噴淋空塔、托盤塔、填料塔等，其中噴淋空塔是應(yīng)用最普遍的吸收塔型式。
對于燃用中低硫煤的火電機組．通過優(yōu)化吸收塔設(shè)計，提高吸收塔液氣比（增設(shè)噴淋層，提高漿液循環(huán)泵流量）或者采取增強氣液傳質(zhì)措施（增設(shè)托盤持液層、湍流層、聚氣環(huán)等），可大幅提高吸收塔的脫硫效率，滿足超低排放要求。
1.1 噴淋空塔技術(shù)
影響煙氣脫硫系統(tǒng)脫硫效率的因素很多，包括煙氣參數(shù)、吸收塔結(jié)構(gòu)設(shè)計、運行參數(shù)控制、吸收劑品質(zhì)等。在吸收塔結(jié)構(gòu)設(shè)計上影響脫硫效率的因素主要包括塔內(nèi)煙氣流速、炯氣停留時間、液氣比、噴嘴霧化效果、噴淋覆蓋率等。通過優(yōu)化吸收塔設(shè)計．如適當降低塔內(nèi)煙氣流速．延長塔內(nèi)煙氣停留時間，增加循環(huán)漿液流量，提高液氣比，增加噴淋覆蓋率等手段，可以提高吸收塔脫硫效率，滿足超低排放要求。
工程案例：河北某電廠300 MW燃煤機組新建煙氣脫硫裝置采用石灰石一石膏濕法工藝．1爐1塔配置，無煙氣換熱器(GGH)，吸收塔為逆流噴淋空塔。鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)工況下設(shè)計炯氣量為133.6x104 m3/h（標準狀態(tài)，濕基，實際含氧量），設(shè)計入口SO2質(zhì)量濃度5 000 mg/m3，設(shè)計脫硫效率97%。設(shè)計吸收塔尺寸13.5 m(直徑)x39.2 m（高度），塔內(nèi)煙氣流速3.29 m/s，吸收塔出口液(L)氣(m3)比為25.8 L/m3，漿池容積3 896 m3，漿液循環(huán)停留時間4 min。噴淋層為5層，層間距2m，每層噴淋層安裝110個噴嘴。
該脫硫裝置為新建工程，從設(shè)計參數(shù)分析，該工程吸收塔整體設(shè)計裕量較大．塔內(nèi)流速僅為3.29 m/s．遠遠低于一般常規(guī)設(shè)計(3.8-4 m/s)，且液氣比、噴淋層間距及噴淋覆蓋率均處在相對較高值。2012年該脫硫裝置投運，在滿負荷工況下，人口SO24 000 mg/m3左右時，脫硫效率達99%以上，凈煙氣SO2排放質(zhì)量濃度低于35 mg/m3，滿足超低排放要求。
1.2托盤塔技術(shù)
托盤塔為美國巴威公司技術(shù)，在吸收塔內(nèi)最下層噴淋層和吸收塔入口炯道上沿之間設(shè)置1層或2層合金托盤。合金托盤能有效改善吸收塔內(nèi)煙氣分布，而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)進行程度。有無托盤時吸收塔截面流速分布如圖1所示。由圖l可見．設(shè)置托盤后，進入吸收塔的氣體流速得到很好的均布，大部分氣體流速處在平均流速范同內(nèi)；而沒有托盤時，氣體的流速分布范圍較寬。托盤上的持液層使煙氣在吸收塔內(nèi)的停留時間增加，當煙氣通過托盤時，氣液充分接觸，強化了氣液傳質(zhì)．從而可有效降低液氣比，提高脫硫效率。
工程案例：河北某電廠600 MW超臨界機組脫硫裝置采用石灰石一石膏濕法技術(shù)，1爐l塔配置。改造前設(shè)計煤質(zhì)硫分1.21%．吸收塔為逆流噴淋空塔，設(shè)置4層噴淋層（每層噴淋層對應(yīng)漿液循環(huán)泵流量8 375m3/h）。因?qū)嶋H燃用煤質(zhì)變化，對該機組脫硫裝置進行了增容提效改造。改造后設(shè)計參數(shù)：煤質(zhì)收到基硫分Sar為2.1%．入口SO2質(zhì)量濃度5 500 mg/m3，煙氣流量233.0x104 m3/h．脫硫效率97.27%。因改造設(shè)計對入口SO2濃度及脫硫效率均增加較多．吸收塔系統(tǒng)更換了4臺大容量漿液循環(huán)泵( 12 500 m3/h)，改造后液氣比（以吸收塔出口標準狀態(tài)濕基煙氣量計）增加至19.9L／m3．更換了4層噴淋層及噴嘴，優(yōu)化噴嘴布置，提高噴淋覆蓋率。同時在吸收塔入口煙道頂部至最底層噴淋層間增加1層合金托盤持液層。因漿液循環(huán)量增加．相應(yīng)抬高了吸收塔漿池液位，增加了漿池容積。同時對氧化風系統(tǒng)、除霧器及石膏排出系統(tǒng)等進行了相應(yīng)改造。
增加合金托盤時吸收塔改造剖面如圖2所示。目前該脫硫增容改造工程已完成性能驗收試驗，各項性能指標滿足設(shè)計要求。在吸收塔入口SO2質(zhì)量濃度為3 300 mg/m3左右時，脫硫效率達99%以上，凈煙氣SO2排放質(zhì)量濃度低于35 mg/m3，滿足超低排放要求。硫裝置原采用循環(huán)流化床半干法脫硫工藝．因?qū)嶋H燃用煤質(zhì)及環(huán)保標準變化．采用單塔雙循環(huán)技術(shù)對該機組進行了石灰石一石膏濕法脫硫改造。改造后設(shè)計參數(shù)：煤質(zhì)收到基硫分Sar為1.5%，入口SO2質(zhì)量濃度3 846 mg/m3，煙氣流量114.lx104 m3/h．脫硫效率不低于98.7%．凈炯氣中SO2質(zhì)量濃度≤50 mg／m3。吸收塔直徑13.1 m，高度42.5 m，二級循環(huán)漿液箱直徑8.5 m，高度22 m。吸收塔共設(shè)置5層噴淋層，對應(yīng)5臺流量為5 000 m3/h的漿液循環(huán)泵，其中一級循環(huán)設(shè)置2層噴淋層．二級循環(huán)設(shè)置3層噴淋層。吸收塔配套設(shè)置除霧器及氧化空氣系統(tǒng)。
2臺機組分別于2013年5月和2014年4月完成168 h試運行，試運期間SO2質(zhì)量濃度為設(shè)計值，凈煙氣SO2質(zhì)量濃度低于35 mg/m3，達到超低排放要求。
2串塔技術(shù)
串塔技術(shù)是將2座吸收塔串聯(lián)運行．中間通過聯(lián)絡(luò)煙道連接。根據(jù)現(xiàn)場位置及現(xiàn)有吸收塔設(shè)計參數(shù)，改造方案有2種：(1)現(xiàn)有吸收塔作為一級吸收塔，新建二級吸收塔串聯(lián)運行；(2)現(xiàn)有吸收塔作為二級吸收塔，新建一級吸收塔串聯(lián)運行。串塔改造方案可以通過控制一、二級吸收塔的pH值實現(xiàn)分區(qū)控制，一級吸收塔低pH值運行，利于石膏氧化結(jié)晶，二級吸收塔高pH值運行，利于高效脫硫。一般一級吸收塔設(shè)計脫硫效率80%-90%．控制一級吸收塔出口SO2質(zhì)量濃度500-700mg/m3；二級吸收塔設(shè)計脫硫效率93%-95%，通過兩級吸收塔脫硫后，控制凈煙氣SO2排放質(zhì)量濃度在35 mg/m3以下，達到超低排放要求。典型的串塔技術(shù)工藝流程如圖4所示。
改造案例：山東某電廠300 MW機組采用濕式石灰石一石膏法煙氣脫硫技術(shù)，1爐1塔配置，引風機和增壓風機合并設(shè)置，無GGH．吸收塔為逆流噴淋空塔，設(shè)置4層噴淋層。改造前設(shè)計參數(shù)：煤質(zhì)收到基硫分Sar為2.2%，吸收塔入口SO2質(zhì)量濃度5 547 mg/m3，脫硫效率大于97%，出口SO2質(zhì)量濃度小于166 mg/m3。為達到超低排放要求，電廠對現(xiàn)有裝置進行了超低排放提效改造。改造后設(shè)計參數(shù)：入口與出口SO2質(zhì)量濃度分別為5 750和32 mg/m3（干基，O2體積分數(shù)6%），脫硫效率達到了99.44%。改造方案本著充分利用舊有設(shè)備原則，將現(xiàn)有吸收塔作為一級吸收塔．新建1座吸收塔作為二級吸收塔。新建二級吸收塔直徑12.5 m．高29 m，吸收塔內(nèi)煙氣流速3.5 m/s，設(shè)置3層噴淋層，層間距2m。新建二級吸收塔配套設(shè)置除霧器和氧化空氣系統(tǒng)。
目前該脫硫增容改造工程已通過168 h試運．投入運行，在人口SO2質(zhì)量濃度5 000 mg/m3左右時，凈煙氣SO2排放質(zhì)量濃度低于30 mg/m3，滿足超低排放要求。
3改造方案對比分析
單塔單循環(huán)改造方案工藝成熟．主要改造手段為增加噴淋層，加大循環(huán)漿液量，或增設(shè)托盤持液層等強化氣液接觸傳質(zhì)，提高脫硫效率。然而，單塔單循環(huán)改造方案受現(xiàn)有吸收塔設(shè)計塔徑、基礎(chǔ)荷載等條件限制，對入口條件有要求．原則上建議吸收塔設(shè)計入口SO2質(zhì)量濃度不超過3 500mg/m3時采用單塔單循環(huán)技術(shù)方案。
單塔雙循環(huán)技術(shù)是在l座吸收塔內(nèi)完成了2次脫硫，達到了雙塔串聯(lián)效果，其主要特點與雙塔雙循環(huán)類似。兩級循環(huán)分別設(shè)有獨立的循環(huán)漿池和噴淋層，根據(jù)不同的功能，每級循環(huán)具有不同運行參數(shù)，可以分別控制不同的pH值運行范圍，可以滿足不同工藝階段對漿液性質(zhì)的要求．更加精細地控制了工藝反應(yīng)過程．因而可有效提托盤塔是目前某火電集團脫硫改造采用較多的技術(shù)方案。相對于噴淋空塔，增加l層合金托盤后，可有效降低漿液循環(huán)量和液氣比，可不增加或較少增加漿池容積。同時，合金托盤可以作為噴淋層檢修平臺，在塔內(nèi)進行檢修時，不需將塔內(nèi)漿液全部排空搭設(shè)臨時檢修平臺，運行維護人員站在合金托盤上就可對塔內(nèi)部件進行維護和更換，減少運行時系統(tǒng)維護的時間。
1.3單塔雙循環(huán)技術(shù)
單塔雙循環(huán)技術(shù)是在l座吸收塔內(nèi)完成了2次脫硫過程，達到了雙塔串聯(lián)效果，其主要特點與雙塔雙循環(huán)類似．兩級循環(huán)分別沒有獨立的循環(huán)漿池和噴淋層，根據(jù)不同的功能，每級循環(huán)具有不同運行參數(shù)，可以分區(qū)控制漿液的pH值。單塔雙循環(huán)工藝流程如圖3所示，煙氣首先經(jīng)過一級循環(huán)（見圖3下部），一級循環(huán)pH值控制在4.5-5.3．有利于石灰石的溶解和石膏的結(jié)晶，能夠得到品質(zhì)很高的石膏。經(jīng)過一級循環(huán)的煙氣直接進入二級循環(huán)（見圖3上部）．二級循環(huán)主要為脫硫洗滌過程，二級循環(huán)pH值控制在5.8-6.4。相對單塔單循環(huán)，單塔雙循環(huán)可在一定程度上降低所需液氣比，減少需要的漿液循環(huán)量，并能夠得到較高的脫硫效率：此外，每個循環(huán)獨立控制，易于優(yōu)化和快速調(diào)整，能適應(yīng)燃煤硫分和負荷的大幅變化。
工程案例：廣州某電廠2臺300 MW機組脫硫裝置原采用循環(huán)流化床半干法脫硫工藝．因?qū)嶋H燃用煤質(zhì)及環(huán)保標準變化．采用單塔雙循環(huán)技術(shù)對該機組進行了石灰石一石膏濕法脫硫改造。改造后設(shè)計參數(shù)：煤質(zhì)收到基硫分Sar為1.5%，入口SO2質(zhì)量濃度3 846 mg/m3，煙氣流量114.lx104 m3/h．脫硫效率不低于98.7%．凈炯氣中SO2質(zhì)量濃度≤50 mg／m3。吸收塔直徑13.1 m，高度42.5 m，二級循環(huán)漿液箱直徑8.5 m，高度22 m。吸收塔共設(shè)置5層噴淋層，對應(yīng)5臺流量為5 000 m3/h的漿液循環(huán)泵，其中一級循環(huán)設(shè)置2層噴淋層．二級循環(huán)設(shè)置3層噴淋層。吸收塔配套設(shè)置除霧器及氧化空氣系統(tǒng)。
2臺機組分別于2013年5月和2014年4月完成168 h試運行，試運期間SO2質(zhì)量濃度為設(shè)計值，凈煙氣SO2質(zhì)量濃度低于35 mg/m3，達到超低排放要求。
2串塔技術(shù)
串塔技術(shù)是將2座吸收塔串聯(lián)運行．中間通過聯(lián)絡(luò)煙道連接。根據(jù)現(xiàn)場位置及現(xiàn)有吸收塔設(shè)計參數(shù)，改造方案有2種：(1)現(xiàn)有吸收塔作為一級吸收塔，新建二級吸收塔串聯(lián)運行；(2)現(xiàn)有吸收塔作為二級吸收塔，新建一級吸收塔串聯(lián)運行。串塔改造方案可以通過控制一、二級吸收塔的pH值實現(xiàn)分區(qū)控制，一級吸收塔低pH值運行，利于石膏氧化結(jié)晶，二級吸收塔高pH值運行，利于高效脫硫。一般一級吸收塔設(shè)計脫硫效率80%-90%．控制一級吸收塔出口SO2質(zhì)量濃度500-700mg/m3；二級吸收塔設(shè)計脫硫效率93%-95%，通過兩級吸收塔脫硫后，控制凈煙氣SO2排放質(zhì)量濃度在35 mg/m3以下，達到超低排放要求。典型的串塔技術(shù)工藝流程如圖4所示。
改造案例：山東某電廠300 MW機組采用濕式石灰石一石膏法煙氣脫硫技術(shù)，1爐1塔配置，引風機和增壓風機合并設(shè)置，無GGH．吸收塔為逆流噴淋空塔，設(shè)置4層噴淋層。改造前設(shè)計參數(shù)：煤質(zhì)收到基硫分Sar為2.2%，吸收塔入口SO2質(zhì)量濃度5 547 mg/m3，脫硫效率大于97%，出口SO2質(zhì)量濃度小于166 mg/m3。為達到超低排放要求，電廠對現(xiàn)有裝置進行了超低排放提效改造。改造后設(shè)計參數(shù)：入口與出口SO2質(zhì)量濃度分別為5 750和32 mg/m3（干基，O2體積分數(shù)6%），脫硫效率達到了99.44%。改造方案本著充分利用舊有設(shè)備原則，將現(xiàn)有吸收塔作為一級吸收塔．新建1座吸收塔作為二級吸收塔。新建二級吸收塔直徑12.5 m．高29 m，吸收塔內(nèi)煙氣流速3.5 m/s，設(shè)置3層噴淋層，層間距2m。新建二級吸收塔配套設(shè)置除霧器和氧化空氣系統(tǒng)。
目前該脫硫增容改造工程已通過168 h試運投入運行，在人口SO2質(zhì)量濃度5 000 mg/m3左右時，凈煙氣SO2排放質(zhì)量濃度低于30 mg/m3，滿足超低排放要求。
3改造方案對比分析
單塔單循環(huán)改造方案工藝成熟．主要改造手段為增加噴淋層，加大循環(huán)漿液量，或增設(shè)托盤持液層等強化氣液接觸傳質(zhì)，提高脫硫效率。然而，單塔單循環(huán)改造方案受現(xiàn)有吸收塔設(shè)計塔徑、基礎(chǔ)荷載等條件限制，對入口條件有要求．原則上建議吸收塔設(shè)計入口SO2質(zhì)量濃度不超過3 500mg/m3時采用單塔單循環(huán)技術(shù)方案。
單塔雙循環(huán)技術(shù)是在l座吸收塔內(nèi)完成了2次脫硫，達到了雙塔串聯(lián)效果，其主要特點與雙塔雙循環(huán)類似。兩級循環(huán)分別設(shè)有獨立的循環(huán)漿池和噴淋層，根據(jù)不同的功能，每級循環(huán)具有不同運行參數(shù)，可以分別控制不同的pH值運行范圍，可以滿足不同工藝階段對漿液性質(zhì)的要求．更加精細地控制了工藝反應(yīng)過程．因而可有效提高石膏品質(zhì)和脫硫效率。然而，該改造方案對現(xiàn)場布置要求較高．二級循環(huán)漿液箱必須布置在吸收塔就近位置。
串塔技術(shù)是將2座吸收塔串聯(lián)運行．工藝成熟，可以通過控制一、二級吸收塔的pH值實現(xiàn)分區(qū)控制，一級吸收塔低pH值運行，利于石膏氧化結(jié)晶，二級吸收塔高pH值運行，利于高效脫硫，對燃煤硫分有較高的適應(yīng)性，適用于燃用中、高硫煤的機組改造。串塔方案是目前炯氣SO2超低排放主流改造方案，其可充分利用現(xiàn)有設(shè)備，新建吸收塔可以異地建設(shè)，有利于控制改造工期，減少停機時間；2級吸收塔脫硫，增加了煙氣停留時間，且pH值可分區(qū)控制，有效降低了總的液氣比，因而可降低循環(huán)泵能耗，運行調(diào)節(jié)手段靈活，是目前煙氣SO2超低排放主流改造方案。
4建議
根據(jù)實際工程案例及各改造方案工藝技術(shù)特點，綜合考慮技術(shù)可行性、運行可靠性、投資經(jīng)濟性及改造工期等因素，對石灰石一石膏濕法脫硫裝置S0，超低排放的原則性建議如下：
(1)考慮回轉(zhuǎn)式GGH漏風率的影響，執(zhí)行超低排放標準的脫硫裝置不建議設(shè)置回轉(zhuǎn)式GGH：原脫硫裝置設(shè)置有回轉(zhuǎn)式GGH的．建議予以取消，可以用無泄漏GGH替代，或進行濕煙囪防腐改造。
(2)原煙氣SO2質(zhì)量濃度長期穩(wěn)定且小于3 500 mg/m3時，建議采用單塔單循環(huán)技術(shù)改造方案。
(3)原煙氣SO2質(zhì)量濃度長期穩(wěn)定，且大于4 000 mg/m3時，建議采用單塔雙循環(huán)技術(shù)或串塔技術(shù)改造方案。
5結(jié)語
由本文分析可知，火電廠采取相應(yīng)改造措施，可使煙氣中SO2超低排放。受原脫硫塔設(shè)計參數(shù)、基礎(chǔ)荷載、現(xiàn)場空間位置等具體條件限制，具體項目實施時則需根據(jù)實際情況選擇合適的設(shè)計煤種及邊界條件，進行必要的技術(shù)經(jīng)濟分析，經(jīng)詳細論證、充分比選后方可確定改造方案。
6摘 要：
國家對環(huán)保要求日趨嚴格，部分大氣污染防治重點控制區(qū)域省份及部分發(fā)電集團已啟動火電廠煙氣超低排放技術(shù)改造試點，要求主要污染物排放指標達到GB13223-2011《火電廠大氣污染物排放標準》天然氣燃氣輪機組排放限值，其巾S02（標準狀態(tài)）為35 mg/m3。根據(jù)目前脫硫技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀，通過對燃煤火電機組石灰石一石膏濕法煙氣脫硫裝置s0，超低排放改造案例的分析研究，給出了不同方案的成功應(yīng)用結(jié)果，對燃用不同硫分的燃煤機組提出了原則性的SO2超低排放改造方案和建議。
