摘要：新標(biāo)準(zhǔn)的制定和超低排放迫使燃煤電站必須選擇經(jīng)濟(jì)可靠的超低排放技術(shù)路線，本文介紹了清新環(huán)境自主研發(fā)的單塔一體化技術(shù)的工藝原理及技術(shù)特點，并針對三個個電廠的改造情況和運(yùn)行效果進(jìn)行了介紹，表明該技術(shù)能夠適應(yīng)各種機(jī)組的超低排放技術(shù)改造，也為新機(jī)組的脫硫系統(tǒng)的設(shè)計選型提供參考。

關(guān)鍵詞：單塔 一體化 超低 脫硫 除塵

隨著我國火電廠大氣污染物排放新標(biāo)準(zhǔn)（GB13223-2011）的頒布實施，幾乎所有的燃煤機(jī)組都安裝了脫硫裝置，對于重點地區(qū)要求按照二氧化硫50 mg/Nm3，氮氧化物100mg/Nm3，煙塵20 mg/Nm3執(zhí)行[1]。由于2013年年底開始爆發(fā)的全國性霧霾，國家要求進(jìn)一步降低電力行業(yè)污染物排放水平，《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014—2020年）》（發(fā)改能源[2014]2093號文）要求火電機(jī)組有條件的執(zhí)行燃機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)（也稱為超低排放標(biāo)準(zhǔn)），即污染物排放限值按照二氧化硫35 mg/Nm3、氮氧化物50 mg/Nm3，煙塵5 mg/Nm3執(zhí)行。因此現(xiàn)有燃煤機(jī)組的環(huán)保設(shè)施還需要進(jìn)一步改造優(yōu)化。

由于NOx的控制主要依靠鍋爐本體范圍的低NOx燃燒技術(shù)和SCR技術(shù)，所以國內(nèi)超低排放的技術(shù)路線一般都按脫硫除塵的工藝進(jìn)行分類，高效脫硫技術(shù)包括雙塔雙循環(huán)、單塔雙循環(huán)、單塔三區(qū)、雙托盤、文丘里棒和旋匯耦合脫硫技術(shù)，而除塵的工藝包括前端的低低溫除塵、后端的濕式靜電除塵和管束式除塵除霧裝置。超低排放的技術(shù)路線耦合了高效脫硫和高效除塵技術(shù)，包括菲達(dá)、龍凈、凱迪、清新環(huán)境等公司都提出了自己的技術(shù)路線，但需要從減排效果和節(jié)能降耗兩方面綜合考慮，同時還要兼顧到系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性、改造難易程度和投資費用等進(jìn)行全面評估。本文將針對清新環(huán)境的單塔一體化超低排放技術(shù)（簡稱SPC-3D技術(shù)）及其運(yùn)用情況進(jìn)行介紹和分析。

 1  單塔一體化技術(shù)介紹

SPC-3D脫硫除塵深度凈化技術(shù)由清新環(huán)境自主研發(fā)，在一個塔內(nèi)實現(xiàn)了以較低能耗完成燃煤煙氣SO2和粉塵的超低排放。該一體化技術(shù)耦合了旋匯耦合技術(shù)、高效噴淋技術(shù)和管束式除塵除霧技術(shù)，對于脫硫和除塵的脫除效果是相互耦合和疊加的，優(yōu)化的設(shè)計組合保證了最終污染物的超低排放。

圖1是單塔一體化技術(shù)集成示意圖，煙氣通過旋匯耦合裝置與漿液產(chǎn)生可控湍流空間, 提高氣液固三相傳質(zhì)速率，完成一級脫硫除塵，同時實現(xiàn)了快速降溫及流場均布；煙氣繼續(xù)經(jīng)過高效噴淋系統(tǒng)，實現(xiàn)SO2的深度脫除及粉塵的二次脫除；煙氣進(jìn)入管束式除塵除霧裝置，在旋流分離器產(chǎn)生的高速離心力作用下，霧滴與塵向筒體壁面運(yùn)動，在運(yùn)動過程中相互碰撞、凝聚成較大的液滴，液滴被拋向筒體內(nèi)壁表面，被壁面附著的液膜層捕獲，實現(xiàn)粉塵和霧滴的深度脫除。在分離器之間設(shè)置導(dǎo)流環(huán)，提升氣流的離心運(yùn)動速度，并維持合適的氣流分布狀態(tài)，以控制液膜厚度，控制氣流的出口狀態(tài)，防止液滴的二次夾帶。塔內(nèi)的核心部件湍流器、噴淋系統(tǒng)和管束除塵裝置如圖2所示。

通過多年的實踐和運(yùn)行效果表明，SPC-3D技術(shù)具有如下特點：

（1）均氣效果好

塔內(nèi)煙氣和漿液分布不均容易造成煙氣短路形成盲區(qū)，這也是造成脫硫效率低和運(yùn)行成本高的重要原因。安裝旋匯耦合裝置的脫硫塔，CFD模擬顯示均氣效果比一般空塔提高15-30%，脫硫裝置能在比較經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定的狀態(tài)下運(yùn)行。

（2）傳質(zhì)效率高

傳質(zhì)速率是決定脫硫效率的關(guān)鍵指標(biāo)，而旋匯耦合裝置改變進(jìn)塔氣體的流動狀態(tài)（由層流變成湍流態(tài)），降低了氣液膜阻力，增加液氣接觸面積，從而提高氣液傳質(zhì)速率。

（3）降溫速度快

從湍流器端面進(jìn)入的煙氣，與漿液通過旋流和匯流的耦合、旋轉(zhuǎn)、翻覆形成湍流度很大的氣液傳質(zhì)體系，煙氣溫度迅速下降，有利于塔內(nèi)氣液的充分反應(yīng)。

（4）高效噴淋系統(tǒng)

優(yōu)化的噴淋布置方式，打造合理的覆蓋率，自主開發(fā)的高效噴嘴的組合，在提升自身霧化效果的同時提高了二次碰撞的效果。同時設(shè)計了防壁流裝置，避免氣液短路 。

（4）   適應(yīng)性強(qiáng)

適用于不同的工藝和工況，由于良好的均氣效果，受氣量大小影響較小，系統(tǒng)穩(wěn)定性強(qiáng)；受進(jìn)塔煙氣二氧化硫濃度變化影響小，脫硫效率高，適用于不同煤種，對于高硫煤優(yōu)勢更明顯。對粉塵的適應(yīng)性廣，在進(jìn)口粉塵濃度低于50mg/Nm3時，可以保證出口濃度小于10mg/Nm3；進(jìn)口粉塵濃度小于30mg/Nm3，出口濃度可以小于5mg/Nm3.

（5）能耗低

增加液氣比能提高脫硫效率，但液氣比增加的同時也使?jié){液循環(huán)泵電耗相應(yīng)增加。采用旋匯耦合專利技術(shù)的湍流塔在低液氣比時能保證較高的脫硫效率，盡管湍流器和管式除塵裝

置會增加一部分阻力，但整個系統(tǒng)能耗會降低，據(jù)統(tǒng)計，比同類技術(shù)節(jié)約電能8%--10%?？紤]到除塵，與采用濕電技術(shù)的技術(shù)路線相比，電耗會降低20%以上。

 2 SPC-3D技術(shù)在300MW機(jī)組上的運(yùn)用

 山西某熱電廠二期原為2×300MW供熱發(fā)電機(jī)組，在2014年6月將其擴(kuò)容至2×320MW，2014年8月，采用了“單塔一體化技術(shù)”對3#機(jī)組脫硫系統(tǒng)進(jìn)行改造示范，該工程已于2014年9月完成改造并成功投運(yùn)。

改造范圍如下：

（1）管束式除塵裝置安裝

     拆除原有二級除霧器及其沖洗水，更換為管束式除塵裝置

（2）噴淋層改造

     增加1層噴淋層和1臺循環(huán)泵

     優(yōu)化原有噴淋系統(tǒng)

（3）湍流器改造

     拆除原有一代湍流器，更換為二代湍流器

表1   改造前后設(shè)計條件和實際排放

 改造前后的數(shù)據(jù)如表1所示，在煙氣量增加的情況下達(dá)到了超低排放，2014年11月由大同市環(huán)境監(jiān)測站、山西省環(huán)境監(jiān)測站、華北電科院分別進(jìn)行了現(xiàn)場實測[2][3][4]。數(shù)據(jù)顯示，

吸收塔入口SO2濃度1988~2505mg/Nm3，粉塵濃度9.1~35.5mg/Nm3，三臺泵運(yùn)行時，出口SO2濃度為21~31mg/Nm3，粉塵濃度為3.8~4.7mg/Nm3，四臺泵運(yùn)行時，吸收塔入口SO2濃度為2981mg/Nm3，出口濃度為12mg/Nm3，脫硫效率可達(dá)99.6%。

在進(jìn)行超低排放改造的前提下也進(jìn)行相關(guān)系統(tǒng)的節(jié)能改造，包括循環(huán)泵變頻運(yùn)行、氧化風(fēng)機(jī)和真空泵的節(jié)能運(yùn)行方式優(yōu)化，改造后按原有標(biāo)準(zhǔn)運(yùn)行耗電率為0.86%，超凈排放運(yùn)行時耗電率為1.01%，依然低于改造前的耗電量1.19%，如表2所示。

 表2   #3脫硫用電量統(tǒng)計表

3 SPC-3D技術(shù)在600MW機(jī)組上的運(yùn)用

 內(nèi)蒙某電廠現(xiàn)有裝機(jī)容量為8×600MW，其中#1～#4機(jī)組為濕冷、#5～#8機(jī)組為空冷機(jī)組，煙氣脫硫均采用石灰石－石膏濕法脫硫工藝，一爐一塔。其中#1機(jī)組脫硫系統(tǒng)設(shè)3層噴淋，漿液循環(huán)泵配置情況如下：

#1泵流量9800m3/h ，電機(jī)功率1120kw

#2泵流量9800m3/h ，電機(jī)功率1000kw

#1泵流量6500m3/h ，電機(jī)功率560kw

該系統(tǒng)原設(shè)計含硫量為0.75%，配有增壓風(fēng)機(jī)和旁路擋板，無GGH，為提高脫硫設(shè)施可靠性以滿足火電廠大氣污染物排放新標(biāo)準(zhǔn)（2011）的要求，同時為了適應(yīng)煤質(zhì)的變化，在2013年對脫硫系統(tǒng)進(jìn)行了增容改造，包括：

（1）   取消增壓風(fēng)機(jī)，拆除旁路擋板；

（2）   吸收塔內(nèi)加裝第二代高效低阻的旋匯耦合裝置；

（3）   漿液噴淋系統(tǒng)噴嘴進(jìn)行調(diào)整及更換，保證噴淋系統(tǒng)的均勻性；

（4）   為了應(yīng)對入爐煤硫含量較高保證漿池反應(yīng)所需耗氧量，新增1路氧化風(fēng)管路；

2014年年底考慮到超低排放，又將原有的除霧器更換為新型的管束式除塵除霧裝置。改造后由華北電科院進(jìn)行了性能試驗，數(shù)據(jù)表明入口SO2在2100mg/Nm3時，開啟兩臺泵能夠保證出口SO2為50 mg/Nm3，三臺泵運(yùn)行時，排放能小于35mg/Nm3；入口塵在30.2 mg/Nm3

時，出口塵為3.25 mg/Nm3。為了應(yīng)對將來更高硫的運(yùn)行工況，準(zhǔn)備通過增加一層噴淋層實現(xiàn)脫硫的超凈排放。

 4 SPC-3D技術(shù)在1000MW機(jī)組上的運(yùn)用

 四川某發(fā)電廠一期工程建設(shè)2×1050MW超超臨界燃煤發(fā)電機(jī)組， 同步配套建設(shè)2套石灰石—石膏濕法煙氣脫硫裝置及公用系統(tǒng)。新建工程在設(shè)計時脫硫系統(tǒng)按鍋爐校核煤種（含硫量0.8%，脫硫裝置入口SO2濃度為1894mg/Nm3）作為脫硫設(shè)計煤種進(jìn)行設(shè)計，設(shè)計脫硫效率≥96%，SO2排放濃度≤76mg/Nm3。實施過程中考慮燃煤含硫量的變化，脫硫系統(tǒng)又按含硫量為1.2%（脫硫裝置入口SO2濃度為2833mg/Nm3）進(jìn)行擴(kuò)容設(shè)計，設(shè)計脫硫效率≥96.5%，SO2排放濃度≤100mg/Nm3。最終考慮到超低排放，本期工程在鍋爐校核煤種含硫量為0.53%（脫硫裝置入口SO2濃度為1170mg/Nm3）對脫硫系統(tǒng)進(jìn)行提效改造，滿足SO2排放≤35mg/Nm3，粉塵排放≤5 mg/Nm3的要求，脫硫裝置效率≥97.1%。設(shè)計條件如表3所示。

表3   超低排放改造吸收塔入口設(shè)計基礎(chǔ)數(shù)據(jù)（單臺爐、BMCR工況）

 原有的煙氣系統(tǒng)、SO2吸收系統(tǒng)、漿液制備系統(tǒng)、石膏脫水系統(tǒng)、工藝水系統(tǒng)、排空系統(tǒng)以及廢水處理系統(tǒng)完全滿足提效后系統(tǒng)出力要求，不需改造，僅對原吸收塔內(nèi)部湍流器及除霧器進(jìn)行改造，原除霧器沖洗水量及沖洗水泵參數(shù)不變。改造范圍如下：

（1）將一代湍流器換成二代湍流器，提高脫硫效率。

（1）吸收塔除霧器改造，取消原吸收塔內(nèi)的三級除霧器（2層屋脊式+1級管式），改造為管束式除塵裝置及相應(yīng)的沖洗水系統(tǒng)。

 經(jīng)過改造后，1#機(jī)組已于2015年2月完成168h運(yùn)行并開始商業(yè)化運(yùn)行， 168h期間（2015年2月3日到2月9日）現(xiàn)場運(yùn)行數(shù)據(jù)顯示，滿負(fù)荷下，SO2進(jìn)口濃度在771~1023mg/Nm3時，SO2出口為2.3~19.0mg/Nm3；入口粉塵濃度為11.7~21.2mg/Nm3時，出口粉塵濃度為1.8~4.2mg/Nm3。完全達(dá)到了設(shè)計要求和污染物的超低排放。

 5 結(jié)論

 上述應(yīng)用案列表明單塔一體化技術(shù)（SPC-3D技術(shù)）完全可以在一個吸收塔內(nèi)脫硫除塵除霧，實現(xiàn)污染物的超低排放，SO2達(dá)到35mg/Nm3以下，粉塵達(dá)到5mg/Nm3以下 。SPC-3D技術(shù)系統(tǒng)電耗要比同類技術(shù)低20%-30%，有效降低了運(yùn)行成本。同等排放指標(biāo)要求下，比常規(guī)技術(shù)投資低40%左右，減少了企業(yè)的投資壓力。另外系統(tǒng)改造簡便，在一個塔內(nèi)完成，沒有附加裝置，且不增加動設(shè)備和用電設(shè)備，便于運(yùn)行人員的實際操作，20~40天即可完成整個工程改造。

SPC-3D技術(shù)具有單塔高效、能耗低、適應(yīng)性強(qiáng)、工期短、不額外增加場地、操作簡便等特點，為現(xiàn)役機(jī)組提效改造及新建機(jī)組實現(xiàn)超低排放和深度凈化提供了創(chuàng)新性的一體化解決方案。

參考文獻(xiàn)

[1] 火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB13223-2011）,環(huán)境保護(hù)部、國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局發(fā)布。

[2] 建設(shè)項目竣工環(huán)境保護(hù)驗收監(jiān)測報告，大同環(huán)境監(jiān)測站，同環(huán)監(jiān)字（2014）第37號。

[3] #3機(jī)組脫硫改造后性能試驗報告，華北電力科學(xué)研究院有限責(zé)任公司，GL/環(huán)保-328-2014。

[4] #3機(jī)組廢氣污染源現(xiàn)狀監(jiān)測，山西省環(huán)境監(jiān)測中心，晉環(huán)監(jiān)字【2014】第059號。

編輯：張偉