梁晏萱，蘇 成

（華能重慶珞璜發(fā)電有限責任公司，重慶 402283）

雙托盤噴淋塔在石灰石-石膏濕法脫硫裝置改造中的應用

梁晏萱，蘇 成

（華能重慶珞璜發(fā)電有限責任公司，重慶 402283）

分析了某電廠從日本三菱重工引進的我國第一套石灰石-石膏濕法煙氣脫硫裝置在使用中遇到的主要問題。介紹了該脫硫裝置改造的技術方案、主要內容和改造效果。分析了雙托盤噴淋塔的結構形式和特點。通過某電廠所使用的四種吸收塔在設計參數、結構形式、性能特點、可靠性、檢修維護難易度等方面的對比，分析了雙托盤噴淋塔在高效脫硫、協同除塵等方面的技術優(yōu)勢。

燃煤鍋爐；煙氣脫硫；吸收塔改造；雙托盤；噴淋塔

2012年1月1日，《火電廠大氣污染排放標準》（GB13223-2011）正式執(zhí)行，進一步提高了火電機組SO2、煙塵的排放標準。根據國家環(huán)保部于2011年年底做出的預測，我國現役7.07億千瓦火電機組中，將有94%、80%和90%的機組需要分別進行除塵器、脫硫和脫硝改造。

某電廠從日本三菱重工為一期2×360 MW機組引進了我國第一套煙氣脫硫裝置，該裝置為我國火電廠煙氣脫硫技術的發(fā)展做出了重要貢獻。但是隨著時間的推移，機組運行工況不斷變化，而且國家環(huán)保標準進一步嚴格，原脫硫裝置已難以滿足新的排放要求，必須進行改造。2012年，該脫硫裝置由格柵填料塔改造為雙托盤噴淋塔，改造后脫硫率超過97.2%，其他指標均達到設計要求，取得預期的效果。

1 改造前的脫硫裝置

某電廠一期2×360 MW整套發(fā)電設備從法國阿爾斯通公司成套引進，石灰石-石膏濕法煙氣脫硫裝置從日本三菱重工全套引進。一期1#、2#煙氣脫硫裝置分別于1991年和1992年隨主機同步投入商業(yè)運行。吸收塔采用格柵填料塔，塔內負壓運行（增壓風機后置），設計燃煤含硫量為4.02%，ECR工況下處理煙氣量1 087 200 Nm3/h，脫硫率≥95%，SO2排放濃度為500 mg/Nm3。

改造前的脫硫裝置主要存在的問題表現在以下三個方面。

（1）格柵填料塔結垢堵塞

脫硫吸收塔采用的格柵填料塔為上世紀80年代早期的技術，未設置預洗滌塔。未經洗滌的煙氣直接進入格柵塔后，格柵表面極易結垢堵塞。由于格柵填料塔的“氣－液”傳質過程基本是緊貼格柵孔內壁面進行，因此在格柵孔內壁面上，煙氣與吸收液極易形成“干濕界面”，產生結垢。根據性能試驗結果，吸收塔運行約一個大修周期（約5 000 h）后，增壓風機的風量（調節(jié)風門全開狀態(tài)）只能達到設計風量的70%，表明脫硫煙氣系統的系統阻力特性因結垢堵塞發(fā)生了相當大的變化。

吸收塔入口煙氣溫度上升會大幅加劇格柵塔的結垢堵塞。實際運行中，由于鍋爐排煙溫度上升、GGH運行狀況不佳，使得進入吸收塔的煙氣溫度由設計值的103 ℃升高到140～145 ℃，高溫煙氣與格柵表面過大的溫度梯度加速了氣相的傳質動力和滲透力，使吸收液的水分在格柵孔內表面沸騰蒸發(fā)并迅速形成“干濕界面”，產生結垢。運行與檢修實踐表明，進入吸收塔的煙氣溫度越高，結垢堵塞程度也越嚴重，當煙氣溫度達到約130 ℃以上時，極易使軟垢轉換成硬垢，極端情況下，會發(fā)生嚴重的大面積結垢堵塞而被迫停運脫硫裝置。

（2）機組實際煙氣量高于設計值

ECR工況設計煙氣量為1 087 200 Nm3/h，實際煙氣量為1 300 000 Nm3/h。盡管日本三菱重工對增壓風機的風量選擇是按MCR工況選取，取值為1 170 000 Nm3/h，但仍然出力不夠，無法接受機組ECR工況下100%進煙脫硫。

（3）原煤含硫量超設計值

近年來，由于煤炭市場變化，電廠燃煤含硫量居高不下，超過4.02%的設計值，甚至接近5%。脫硫裝置入口煙氣SO2含量接近13 000 mg/Nm3。

基于以上問題，按照工藝成熟、投資省、改造范圍小、改造時間短的原則進行操作，改造沿用了石灰石-石膏濕法脫硫工藝，采取了原吸收塔拆除、新建雙托盤噴淋塔的方式。

2 脫硫裝置改造

2.1 改造范圍簡述

（1）煙氣系統。將原有煙氣系統全部拆除，新增2臺動葉可調軸流風機、煙道及其配套設備等。

（2）吸收塔系統。原吸收塔系統全部拆除。吸收塔采用帶雙層多孔托盤的噴淋塔，吸收塔上部設置3層噴淋層，頂部設置2級屋脊式除霧器。原有漿液循環(huán)泵的4臺利舊，另外8臺由于揚程不滿足要求而進行轉速改造；新增氧化風機、吸收塔攪拌器以及吸收塔排出泵。

（3）石膏脫水系統。更換原有2臺石膏旋流器，部分管道進行改造。

（4）石灰石漿液制備系統。更換原石灰石漿池攪拌器、石灰石漿液供給泵。

（5）工藝水系統。新增工藝水箱、除霧器沖洗水泵、脫水機工藝水增壓泵。

（6）壓縮空氣系統。新增1臺空壓機。

（7）廢水處理系統。新增廢水旋流器。

吸收塔是脫硫裝置的核心設備，它對于煙氣脫硫裝置的性能、可靠性、經濟性均具有決定性的意義。帶多孔托盤塔是B&W公司的專利技術，兩層托盤可以進一步改善煙氣污染物在吸收塔內的氣-液傳質條件，改善塔內漿液的pH值分布，提高吸收塔內流場均勻程度，大幅提高脫硫效率。本方案中，吸收塔采取逆流設計，布置2層托盤、3層交叉噴淋層，如圖1所示。

圖1 吸收塔內部結構示意圖

煙氣以一定的向下傾角進入吸收塔，煙氣與低溫漿液接觸而冷卻飽和，然后煙氣向上運動穿過2層多孔托盤后與噴淋層噴出的漿液霧滴接觸反應。由于托盤內存在一定的持液量，并且對煙氣具有整流效果，因此，在吸收塔各個橫截面上煙氣與漿液接觸反應非常充分有效，完全杜絕了“短路”逃逸現象。在液相中，硫的化合物與碳酸鈣反應生成亞硫酸氫鈣和亞硫酸鈣，由設置在漿液池中的氧化空氣系統鼓入強制氧化成為CaSO4，進而結晶成為石膏。石膏漿液經吸收塔排出泵抽至脫水系統進行處理。

吸收塔內部托盤、噴淋層、除霧器布置如圖2所示。吸收塔總高度48.15 m，漿液存儲區(qū)直徑φ15.39 m，噴淋區(qū)直徑φ13.1 m，采用玻璃鱗片樹脂防腐。兩個托盤的安裝間距2.5 m，采用UNS S32205材質，開孔直徑φ35 mm，開孔率39.3%。吸收塔上部安裝3層交叉噴淋裝置，噴淋層安裝間距1.8 m，采用FRP材質管道，每層交叉噴淋裝置上布置152個空心錐噴嘴（碳化硅），單個噴嘴流量為61.4 m3/h，噴嘴進口壓頭為82.74 kPa。在三層交叉噴淋層的上方預留一層噴淋層的安裝位置，包括連接管口（接口用盲板封堵），預留噴淋層用于滿足出口SO2濃度低于200 mg/Nm3的排放要求。本工程特別采用交叉噴淋方式，每2臺循環(huán)泵對應一層噴淋層，改造前的7臺漿液循環(huán)泵流量為4 670 m3/h，其中的2臺完全利舊，分別對應吸收塔第一層交叉噴淋層；將2臺揚程由22 m改造為24.2 m，分別對應吸收塔第二層交叉噴淋層；將2臺揚程由22 m改造為26.2 m，分別對應吸收塔第三層交叉噴淋層；一臺作為出口達到200 mg/Nm3時的備用泵，同時預留備用泵的基礎。

圖2 吸收塔吸收區(qū)內部結構圖

氧化空氣系統采用FRP管網式，設計氧硫比為4.0，管網沒入深度為7.7 m，可將氧化空氣均勻分布在吸收塔漿池內，提高強制氧化效果。

在噴淋層上部布置有兩級屋脊式除霧器，設計出口煙氣霧滴濃度≤75 mg/Nm3。凈煙氣通過除霧器后，流出吸收塔，經出口煙道排入煙囪。

2.3 改造后吸收塔的優(yōu)化調整

（1）降低托盤開孔率

改造后試運行期間，電廠發(fā)現兩層托盤持液量過低，造成煙氣接觸洗滌不充分，同時上層托盤對石灰石漿液溶解速率的提升不明顯，對脫硫效率造成不良影響。通過均勻堵孔的方式將托盤開孔數量由55 024個降低至47 525個，開孔率降低至33.92%。

(3)定期清管。應根據管段輸送的氣質情況、管道的輸送效率和輸送壓差，預測管道內黑粉沉積規(guī)律，確定合適的清管周期和工藝[9]。可暫定清管周期為1年，后期根據粉末量再調整，直到找到合適的清管周期。清管前可在黑粉易積聚位置打孔，確定黑粉積聚情況，選擇合適的清管工藝。清管時應根據黑粉積聚量，循序漸進，多階段多次清管，防止一次清出量過多，導致卡堵。同時，也要對上游伴生氣輸送管線開展清管作業(yè)，減少輸往下游的黑粉量。

需要指出的是，特殊情況下，可以根據煙氣流場數值模擬情況，對托盤采取不均勻堵孔來進一步改善煙氣流場均勻性，提高脫硫效率。

（2）修正吸收塔運行液位

吸收塔設計運行液位19.5 m，漿液池直徑15.3 m，漿池容積3 400 m3；吸收塔溢流管安裝高度21.07 m，吸收塔入口煙道底部標高21.35 m。試運行期間，吸收塔溢流管頻繁出現溢流現象。

分析認為，溢流原因在于設計方提供的液位計算公式未考慮氧化空氣泡引起的虛高液位的影響。經過美國B&W公司模擬計算，在額定氧化空氣流量、額定液位19.5 m時虛高的液位差最高可達2.06 m。為保證設備安全運行，將吸收塔運行液位調整至18.1 m。

2.4 改造效果

改造完成后，西安熱工研究院于2013年12月完成了一期1#、2#機組性能試驗，試驗數據總結見表1。1#機組的脫硫效率達到了97.4%，凈煙氣SO2質量濃度為354 mg/m3（標、干6%O2）， 2#機組的脫硫效率達到了97.36%，凈煙氣SO2質量濃度為347 mg/m3（標、干6%O2），完全達到了改造的預期效果。

表1 1#、2# FGD滿負荷工況下的性能試驗數據總結［3］

2.5 幾種噴淋塔的技術特點分析

不同種類的吸收塔采用不同的吸收區(qū)設計，其結構差異較大，具有不同的技術特點和性能參數。表2中對某電廠一期2×360 MW機組格柵填料塔、雙托盤噴淋塔，二期2×360 MW機組液柱塔，三期2×600 MW機組單托盤噴淋塔技術參數進行了對比。

表2 四種吸收塔技術參數對比表［4］（100%BMCR工況）

（1）格柵填料塔。一般使用PP材質柵格作為填料，其比表面積大（43 m2/m3）［2］，具有非常良好的氣液接觸條件。因而，即便它采用較小的吸收塔外形尺寸、較低的漿液循環(huán)量、較低的液氣比、較低的吸收塔壓降，也可獲得較高的脫離效率。如表2所示，一期脫硫裝置改造前的格柵塔相對液柱塔和噴淋塔來說，吸收塔壓降最低，僅為1 100 Pa；液氣比較低，為26；因此格柵塔可節(jié)約大量的增壓風機功率和循環(huán)泵功率［3］。但是，由于格柵填料極易結垢，吸收塔阻力特性波動幅度較大，甚至可能危急鍋爐穩(wěn)定運行。因此，格柵塔技術逐漸被淘汰。

（2）液柱塔。液柱塔多采用雙回路結構（順流+逆流），塔內布置非常簡潔，只設置一層噴淋層。噴嘴垂直向上，漿液噴射出來后形成約6.7 m高的液柱，液柱散落向下完全覆蓋吸收塔的橫截面，并洗滌去除煙氣中的SO2。相對格柵塔和帶托盤噴淋塔（1層或2層托盤）來說，液柱塔可以實現較高的煙氣流速（超過6.4 m/s），較小的吸收塔尺寸，塔體投資較??；同時，液柱塔內部構件較少，塔內堵塞結構可能性相對較低，檢修維護工作量較小。但是，它只有一層噴淋層，氣液接觸面積較小，因此，液柱塔必須通過極大的漿液循環(huán)量（液氣比高達35.4），來實現較高的脫硫率。此項目液柱塔由日本三菱重工進行設計，由于設計失誤，吸收塔漿液池容積非常小，循環(huán)漿液停留時間極短，僅為1.87 min。為彌補此問題，它配置了富余量非常大的氧化風機，其設計氧化空氣量比雙托盤噴淋塔多出78%。另外，由于液柱塔內氣液接觸反應區(qū)域單一，當任何一個噴嘴堵塞后，煙氣將發(fā)生“短路”逃逸現象，因此液柱狀態(tài)對脫硫性能影響較大。

（3）雙托盤噴淋塔。雙托盤噴淋塔由于氣液接觸充分、傳質效果好，因此具有極高的單塔脫硫效率；在同等條件下，由于其漿液循環(huán)量最小，液氣比為19.3，它可以節(jié)約大量循環(huán)泵功率；同時，由于其漿液循環(huán)停留時間高達7.21 min，因此，其氧化空氣量最小。但是，由于兩層托盤具有較大的煙氣阻力，雙托盤噴淋塔的阻力高達2 980 Pa；另外，雙托盤噴淋塔內部構件多、噴嘴容易堵塞、托盤容易出現破損，其檢修維護量也相對較大。

根據國內工程經驗來看，雙托盤噴淋塔可以實現單塔脫硫效率超過98.7%，其主要技術優(yōu)勢有以下五點。①加快石灰石漿液的溶解傳質速率。在煙氣脫硫過程中，SO2與石灰石漿液的反應主要包括傳質和化學反應兩個過程。相對而言，化學反應的速率遠遠快于傳質速率。濕法脫硫中的傳質過程一般用雙膜理論來描述，其中，石灰石溶解傳質過程相對更長，并且其溶解率和漿液中氫離子濃度成正比。對于雙托盤噴淋塔，如果漿液池內的pH值是 5.5，其上層托盤內pH值約為4.0，此時，H+濃度比pH為5.5時高出31倍，因此，石灰石溶解傳質速度比漿液池的快31倍。②延長液氣接觸時間。對中高硫煤機組，傳統的噴淋空塔中，煙氣與漿液的接觸時間約3.5 s［5］；而托盤可保持一定高度液膜，增加了煙氣在吸收塔中的停留時間，單托盤上的漿液滯留時間為1.8 s，雙托盤上的漿液滯留時間大約為3.5 s，與煙氣接觸的時間較噴淋空塔延長1倍。而且在托盤上保留3.5 s相當于在漿液池保留時間1.9 min。經過估算，對于雙托盤噴淋塔，石灰石溶解過程中有 30%是在雙托盤上完成的。③增加傳質單元數（NTU），降低液氣比（L/G）。雙托盤比噴淋層提供了更有效的煙氣與漿液接觸方式。相對于噴淋空塔來說，每增加一層噴淋層可增加近50%NTU。托盤在吸收塔內的作用相當于25～30液氣比數（L/G）。④優(yōu)化流場分布。托盤產生的阻力使氣體流量均勻地分布在塔截面，漿液與煙氣的接觸在整個吸收區(qū)域都被優(yōu)化。⑤增強吸收塔去除煙塵能力。由于托盤內存在一定的持液量，煙氣穿越托盤時，氣液擾動劇烈，托盤呈現出類似于“沸騰”的狀態(tài)，漿液對煙塵的洗滌捕集作用非常明顯。

3 結論

雙托盤噴淋塔具有氣液接觸充分、傳質速率快、化學反應充分的特點，其液氣比小、漿液循環(huán)量低，單塔可實現極高的脫硫效率。

本工程成功將雙托盤噴淋塔應用到石灰石-石膏濕法煙氣脫硫裝置改造中，在脫硫入口煙氣量為1 213 328 Nm3/h、SO2濃度為13 615 mg/Nm3情況下，實現的脫硫效率為97.4%，出口SO2濃度為354 mg/Nm3，達到了《火電廠大氣污染排放標準》（GB13223-2011）的要求。同時，吸收塔內還預留了一層噴淋層的位置，為未來環(huán)保標準的提高留有改造空間。本改造工程的成功，為其他火電廠煙氣脫硫裝置改造提供參考和借鑒。

本工程雙托盤的成功應用為脫硫增效改造提供了更廣泛的技術選擇空間，使得吸收塔的增效變得更簡單易行。對于濕法脫硫裝置的噴淋空塔，增加一層托盤省去增加一層噴淋層所必須增加的漿液循環(huán)泵及循環(huán)管道等組件，而且獲得比增加一層噴淋層更好的傳質效果。同時，還可以顯著提高吸收塔對于煙塵的捕集效果，改善脫硫裝置的協同除塵能力。

［1］ 本書編委會.濕法煙氣脫硫工藝技術全程控制指導手冊［M］.北京：中國電力出版社，2009.

［2］ 龍輝，呂安龍.B&W公司煙氣脫硫工藝的選擇及濕法脫硫設計［J］.吉林電力，2000，（4）：22-25.

［3］ 何根然.燃煤煙氣脫硫脫硝技術標準實用手冊［M］.北京：中國科技文化出版社，2010.

A Study on the Application of the Double-pallet Spray Tower in the Renovation of the Limestone-gypsum Wet FGD Device

LIANG Yan-xuan，SU Cheng
（Chongqing Luohuang Power Generation Co., Ltd.of CHNG， Chongqing 402283，China）

This article analyzes the major problems of the first limestone-gypsum wet FGD device in China imported by a power plant from MHI Group．Besides，it introduces the technical scheme，the main contents and the renovating effect of its renovation as well as analyzing the structure and characteristics of the double-pallet spray tower．By comparing the design parameters，structures，characteristics of performance，reliability and degrees of difficulty of the overhaul and maintenance of four different absorption towers in the power plant，it also analyzes the technical advantages of the double-pallet spray tower such as its high efficiency in FGD and functionof auxiliary dust-removal．

coal-fired boiler；FGD；renovation of the absorption tower；double pallet；spray tower

X701

A

1008-8032（2015）05-0038-05

2015-02-06

該文獲重慶市電機工程學會2014年學術年會優(yōu)秀論文三等獎

梁晏萱（1981-），工程師，主要從事于火電廠煙氣脫硫裝置技術管理工作。