神華福能發(fā)電有限責(zé)任公司 泉州 362712

李國濤神華集團(tuán)北京低碳清潔能源研究所 北京 100029

技術(shù)改造

深度脫硫脫塵除霧組合塔內(nèi)件用于燃煤電廠脫硫塔系統(tǒng)改造的運(yùn)行效果分析

姚喜亮*潘長龍
神華福能發(fā)電有限責(zé)任公司 泉州 362712

李國濤
神華集團(tuán)北京低碳清潔能源研究所 北京 100029

本文以深度脫硫脫塵除霧組合塔內(nèi)件技術(shù)在某燃煤電廠煙氣脫硫塔系統(tǒng)的工程改造為背景，考察并評(píng)價(jià)其實(shí)際工程應(yīng)用效果。綜合考察脫硫吸收塔循環(huán)泵臺(tái)數(shù)及凈煙氣中SO2含量、凈煙氣中粉塵含量、脫硫塔系統(tǒng)壓力損失、石灰石漿液消耗量等關(guān)鍵工藝指標(biāo)的變化。結(jié)果表明：湍流器和管束式除塵除霧器的組合塔內(nèi)件改造，能夠有效強(qiáng)化提高脫硫塔對(duì)煙氣硫化物的吸收脫除效率、降低脫硫煙氣漿液霧滴濃度和粉塵濃度。

燃煤電廠 湍流器 除霧器 工藝改造 脫硫塔

燃煤發(fā)電作為一種設(shè)計(jì)成熟、技術(shù)可靠、操作穩(wěn)定且建設(shè)周期短的電力來源，在電力能源結(jié)構(gòu)中占有重要位置。然而，隨著公眾環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和創(chuàng)新技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，燃煤電廠大氣污染物排放控制的重點(diǎn)已經(jīng)越來越趨向于輔助環(huán)保工藝系統(tǒng)的超低排放(即在基準(zhǔn)氧含量6%的條件下，粉塵、二氧化硫等污染物排放濃度分別不高于10 mg/Nm3和35 mg/Nm3)，脫硫工藝系統(tǒng)的技術(shù)創(chuàng)新和效率提升至關(guān)重要[1]。濕法煙氣脫硫由于其適應(yīng)性強(qiáng)，業(yè)已成為當(dāng)前燃煤電廠煙氣脫硫的主流工藝技術(shù)路線。目前，石灰石-石膏法脫硫效率要求為大于98%，而當(dāng)其脫硫效率超過95%以后，脫硫塔所需的液氣比指數(shù)式增加，從而相關(guān)能耗大幅增加，進(jìn)一步降低了其經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，傳統(tǒng)上最好的除霧器只能保證脫硫后凈煙氣設(shè)計(jì)工況下游離水含量小于75mg/m3，實(shí)際運(yùn)行中，凈煙氣中游離水含量遠(yuǎn)大于該設(shè)計(jì)值。另外，凈煙氣中游離水并非一塵不染的干凈液體，而是含固量為12%～18%的漿液，其中固體石膏在凈煙氣中將以粉塵的形式存在，造成“石膏雨”問題[2]。因此，脫硫塔在脫除了部分粉塵的同時(shí)，又因煙氣中攜帶游離水而導(dǎo)致粉塵含量增加，因而在布袋除塵系統(tǒng)后的濕式脫硫工藝系統(tǒng)反而會(huì)出現(xiàn)除塵效率為負(fù)的現(xiàn)象。

在此背景下，北京某環(huán)保技術(shù)工程公司開發(fā)了適用于燃煤電廠脫硫塔系統(tǒng)的深度脫硫脫塵除霧組合塔內(nèi)件技術(shù)。該技術(shù)基于多相紊流摻混的強(qiáng)化傳質(zhì)機(jī)理，脫硫塔底部氣相通過特制旋匯耦合器從而產(chǎn)生氣流旋轉(zhuǎn)翻覆湍流的空間，使氣液固三相充分接觸，快速完成傳質(zhì)反應(yīng)過程。同時(shí)，脫硫塔內(nèi)增設(shè)管束式除霧除塵器，脫硫煙氣在通過管束式除塵除霧器時(shí)產(chǎn)生高速的離心運(yùn)動(dòng)，液滴被拋向筒體內(nèi)壁表面，實(shí)現(xiàn)煙氣中霧滴及煙塵的脫除。應(yīng)用旋匯耦合器強(qiáng)化傳質(zhì)反應(yīng)，組合管束式除霧除塵器強(qiáng)化脫硫煙氣中霧滴及煙塵脫除分離，深度脫塵除霧組合塔內(nèi)件技術(shù)可實(shí)現(xiàn)燃煤電廠脫硫塔系統(tǒng)脫硫煙氣深度脫硫除塵除霧的目的。

本文以深度脫硫脫塵除霧組合塔內(nèi)件技術(shù)在某燃煤電廠煙氣脫硫塔系統(tǒng)的工程改造為背景，考察并評(píng)價(jià)該技術(shù)的實(shí)際工程應(yīng)用效果，為相關(guān)燃煤電廠的深度脫硫除塵除霧技術(shù)比選提供有益參考。

1 燃煤電廠煙氣脫硫吸收塔系統(tǒng)介紹

某電廠煙氣脫硫系統(tǒng)采用石灰石-石膏法化學(xué)脫硫方案，包括煙氣換熱系統(tǒng)、脫硫塔脫硫系統(tǒng)、脫硫劑漿液制備系統(tǒng)、石膏脫水系統(tǒng)和脫硫廢水處理系統(tǒng)。其中脫硫吸收塔是煙氣脫硫的核心設(shè)備系統(tǒng)，鍋爐煙氣經(jīng)增壓降溫后進(jìn)入脫硫吸收塔，向上流動(dòng)穿過吸收劑(石灰石漿液)噴淋層，再次煙氣被冷卻到飽和溫度，煙氣中硫化物和其他污染物被循環(huán)吸收劑吸收，洗滌脫硫后的煙氣經(jīng)脫硫吸收塔頂部除塵除霧器脫除霧滴煙塵后，再通過煙囪排放。脫硫吸收塔設(shè)備結(jié)構(gòu)原理見圖1。

圖1 某電廠煙氣脫硫吸收塔設(shè)備結(jié)構(gòu)原理

脫硫吸收塔系統(tǒng)主要包括脫硫塔本體、漿液循環(huán)泵、石膏漿液排出泵、脫硫塔噴淋層、氧化風(fēng)機(jī)、除霧除塵器及沖洗系統(tǒng)、攪拌器、漿液循環(huán)泵入口濾網(wǎng)、輔助排空系統(tǒng)等。在脫硫塔內(nèi)煙氣自下而上與四層噴淋漿液逆流接觸，并發(fā)生吸收化學(xué)反應(yīng)，煙氣中的SO2、SO3被石灰石漿液吸收劑吸收生成亞硫酸鈣，結(jié)晶生成石膏，石膏漿液由石膏漿液排出泵送入石膏脫水系統(tǒng)。脫硫后的煙氣經(jīng)過脫硫塔頂部的除霧除塵器后脫除漿液液滴和微量粉塵后，經(jīng)脫硫塔出口進(jìn)入煙囪排入大氣。

2 組合塔內(nèi)件

深度脫硫脫塵除霧組合塔內(nèi)件技術(shù)包括旋匯耦合器(即湍流器)及管束式除塵除霧器兩部分塔內(nèi)核心組件。湍流器安裝于煙氣脫硫塔第一層噴淋層的下部，而管束式除霧除塵器安裝于煙氣脫硫塔第四層噴淋層上部，具體安裝位置見圖2。

圖2 組合裝置脫硫塔內(nèi)安裝位置(改造后)

鍋爐來煙氣經(jīng)增壓降溫后從底部進(jìn)入煙氣脫硫塔，基于多相紊流摻混的強(qiáng)傳質(zhì)機(jī)理并利用氣體動(dòng)力學(xué)的原理，脫硫塔內(nèi)湍流器在脫硫塔噴淋層下部產(chǎn)生氣液固三相旋轉(zhuǎn)翻覆的強(qiáng)化湍流空間，結(jié)構(gòu)原理見圖3。在強(qiáng)化氣液固三相湍流的作用下，噴淋層進(jìn)口的液固相在噴淋層入口處被攜帶或打散成細(xì)小的漿液滴狀，同時(shí)漿液滴也把煙氣包裹或游離成小氣泡狀，根據(jù)雙模理論的基本原理，湍流器可快速強(qiáng)化漿液和煙氣的直接接觸和組分傳質(zhì)和熱量傳遞，另外，兩相(氣相和漿液相)傳熱傳質(zhì)界面處的氣膜和漿液膜不斷地變化及快速更新，從而實(shí)現(xiàn)沖刷吸收劑漿液表面、提高傳熱傳質(zhì)界面處漿液膜石灰石濃度的目的，因此湍流器可有效提高煙氣脫硫塔對(duì)鍋爐煙氣中硫化物的吸收脫除能力。

圖3 組合塔內(nèi)件技術(shù)-湍流器結(jié)構(gòu)原理

煙氣通過脫硫塔噴淋層后，其中含有的硫化物絕大部分被石灰石吸收劑吸收脫除，但同時(shí)由于煙氣氣相的漿液滴霧沫夾帶作用，部分石灰石漿液吸收劑被氣相攜帶，因此脫硫吸收塔煙氣出口處必須設(shè)置除塵除霧器[3]。深度脫硫脫塵除霧組合塔內(nèi)件技術(shù)以管束式除塵除霧器代替?zhèn)鹘y(tǒng)折板式除塵除霧器，見圖4。其結(jié)構(gòu)中設(shè)置旋流子分離器，以提升氣相的離心運(yùn)動(dòng)速度。當(dāng)脫硫后的煙氣通過旋流子分離器時(shí)，在進(jìn)口氣壓和旋流子的作用下，氣相產(chǎn)生強(qiáng)大的離心力，因而氣相中漿液霧滴向除塵除霧器筒體壁面運(yùn)動(dòng)，在其運(yùn)動(dòng)過程中相互碰撞、凝聚而成大直徑的漿液滴，進(jìn)而漿液滴被拋向內(nèi)壁表面，在與壁面附著的漿液膜層接觸后湮滅。 管束式除塵除霧器同時(shí)設(shè)置增速器和擋水環(huán)，以維持合適的氣相分布狀態(tài)，控制液膜厚度和氣相的出口狀態(tài)，并防止液滴的二次氣相夾帶。

圖4 管束式除塵除霧器結(jié)構(gòu)原理

深度脫硫脫塵除霧組合塔內(nèi)件技術(shù)中湍流器可強(qiáng)化漿液和煙氣的直接接觸傳質(zhì)傳熱，進(jìn)而強(qiáng)化提高脫硫塔對(duì)煙氣硫化物的吸收脫除效率，而管束式除霧除塵器應(yīng)用氣相壓力產(chǎn)生氣相離心力，達(dá)到提高氣相除霧除塵效率效果，湍流器和管束式除霧除塵器的在燃煤電廠脫硫塔內(nèi)的組合應(yīng)用，可達(dá)到強(qiáng)化脫硫塔煙氣脫硫效率、降低脫硫煙氣漿液霧滴濃度的目的。

3 脫硫塔內(nèi)件改造對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)影響

本次燃煤電廠脫硫吸收塔提質(zhì)增效工程內(nèi)容主要為塔器內(nèi)件升級(jí)和相應(yīng)配套實(shí)施改造，采用北京某環(huán)保工程公司的深度脫硫脫塵除霧組合塔內(nèi)件技術(shù)，按照燃燒煤種0.72% (wt)的含硫量、脫硫吸收塔入口煙氣SO2濃度1625 mg/Nm3(干基；6 % (v) O2)條件下,保證脫硫塔脫硫效率不小于98.9%、出口SO2濃度不大于20 mg/Nm3(干基；6 %(v) O2),同時(shí)脫硫吸收塔煙氣煙塵含量30 mg/Nm3(干基；6 vol.% O2)，而經(jīng)改造后煙囪煙塵排放濃度不大于5 mg/Nm3(干基；6%(v) O2)。

煙氣脫硫塔設(shè)備提質(zhì)增效工程所增加的核心設(shè)備為塔內(nèi)件湍流器和管束式除霧除塵器(代替?zhèn)鹘y(tǒng)工藝折板式除塵除霧器)，其中湍流器安裝于煙氣脫硫塔第一層噴淋層下部，管束式除霧除塵器安裝于煙氣脫硫塔第四層噴淋層上部，同時(shí)脫硫塔設(shè)備系統(tǒng)附帶改造增設(shè)相應(yīng)除塵除霧器沖洗系統(tǒng)。脫硫吸收塔提質(zhì)增效工程收尾階段為對(duì)本次改造工程效果進(jìn)行客觀評(píng)估，主要考察環(huán)泵臺(tái)數(shù)及凈煙氣中SO2含量、凈煙氣中粉塵含量、脫硫塔系統(tǒng)壓力損失和石灰石漿液消耗量等工藝指標(biāo)的變化情況。

3.1循環(huán)泵臺(tái)數(shù)及凈煙氣中SO2含量

在相同的燃煤電廠機(jī)組負(fù)荷條件下，考察了不同循環(huán)泵臺(tái)數(shù)(單臺(tái)泵石灰石漿液輸送流量相同)條件下脫硫吸收塔頂部出口凈煙氣中SO2含量，見表1。

表1 改造前后不同循環(huán)泵臺(tái)數(shù)條件下脫硫吸收塔煙氣SO2脫除率對(duì)比

在脫硫吸收塔吸收漿液循環(huán)泵同時(shí)運(yùn)行兩臺(tái)時(shí)，改造前吸收塔底部入口煙氣中SO2含量為920 mg/Nm3，其頂部出口凈煙氣中SO2含量為26.5 mg/Nm3，脫硫塔對(duì)煙氣中SO2脫除率為97.1%；改造后吸收塔底部入口煙氣中SO2含量為910 mg/Nm3，其頂部出口凈煙氣中SO2含量為6.6 mg/Nm3，脫硫塔對(duì)煙氣中SO2脫除率為99.3%。改造前后脫硫吸收塔對(duì)煙氣中SO2脫除率提升2.2%。

在脫硫吸收塔吸收漿液循環(huán)泵同時(shí)運(yùn)行三臺(tái)時(shí)，改造前吸收塔底部入口煙氣中SO2含量為940 mg/Nm3，其頂部出口凈煙氣中SO2含量為20.2 mg/Nm3，脫硫塔對(duì)煙氣中SO2脫除率為97.9%；改造后吸收塔底部入口煙氣中SO2含量為924 mg/Nm3，其頂部出口凈煙氣中SO2含量為8.3 mg/Nm3，脫硫塔對(duì)煙氣中SO2脫除率為99.1%。改造前后脫硫吸收塔對(duì)煙氣中SO2脫除率提升1.2%。

在吸收漿液循環(huán)泵運(yùn)行三臺(tái)時(shí)，脫硫塔內(nèi)漿液吸收劑循環(huán)量增加50%，此時(shí)漿液對(duì)煙氣中SO2吸收強(qiáng)化的效果增強(qiáng)，故而湍流器的脫硫強(qiáng)化傳質(zhì)反應(yīng)效果得到部分抑制，但仍達(dá)到較好的煙氣SO2脫除率提升效果。表明本次工程改造后，脫硫吸收塔SO2脫除效率和出口凈煙氣SO2濃度兩項(xiàng)工藝指標(biāo)達(dá)到預(yù)期工程目標(biāo)。

3.2 凈煙氣中粉塵含量

在100%的燃煤電廠機(jī)組負(fù)荷、脫硫吸收塔吸收漿液循環(huán)泵同時(shí)運(yùn)行兩臺(tái)條件下，本文考察了脫硫吸收塔改造前后塔器進(jìn)出口煙氣中粉塵含量對(duì)比，結(jié)果見表2。

改造前吸收塔底部入口煙氣中粉塵含量為21.68 mg/Nm3，其頂部出口凈煙氣中粉塵含量為4.69 mg/Nm3，脫硫塔對(duì)煙氣中粉塵脫除率為78.4%；改造后吸收塔底部入口煙氣中粉塵含量為18.67 mg/Nm3，其頂部出口凈煙氣中粉塵含量為2.07 mg/Nm3，脫硫塔對(duì)煙氣中粉塵脫除率為88.9%。因而，改造前后脫硫吸收塔對(duì)煙氣中粉塵脫除率提升10.5%。表明本次工程改造有效地提升了脫硫吸收塔煙氣粉塵脫除效率的工藝指標(biāo)，小于煙囪煙塵排放濃度5mg/Nm3的預(yù)期工程目標(biāo)。

表2 改造前后脫硫吸收塔進(jìn)出口煙氣中粉塵含量對(duì)比

3.3脫硫塔系統(tǒng)壓力損失

設(shè)定機(jī)組負(fù)荷為100%，投運(yùn)兩臺(tái)脫硫塔吸收漿液循環(huán)泵條件下，考察了工程改造前后脫硫吸收塔除塵除霧器差壓、煙氣進(jìn)出口系統(tǒng)差壓的增量情況，見表3。

表3 改造前后脫硫塔除塵除霧器差壓與系統(tǒng)差壓對(duì)比

在此條件下，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)考察記錄表明脫硫系統(tǒng)滿負(fù)荷情況下除塵除霧器在差壓為590～620 Pa之間穩(wěn)定運(yùn)行，而工程改造之前此值為155～220 Pa，除塵除霧器差壓增量為400～435 Pa。同時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)考察記錄也表明，在脫硫吸收塔系統(tǒng)滿負(fù)荷、吸收漿液循環(huán)泵二用二備情況下，系統(tǒng)阻力最大為1530 Pa；同樣條件下，工程改造之前，該值為490 Pa。表明塔內(nèi)除塵除霧器系統(tǒng)差壓、脫硫吸收塔系統(tǒng)差壓均有不同程度的上升。

3.4 石灰石漿液消耗量

在機(jī)組負(fù)荷100%、吸收漿液循環(huán)泵二用二備、脫硫塔內(nèi)吸收漿液氯離子水平控制8000 ppm、脫硫塔煙氣入口SO2含量約900～940 mg/Nm3條件下，考察了改造前后脫硫吸收塔系統(tǒng)7小時(shí)運(yùn)行時(shí)間內(nèi)的供漿量情況，見表4。

表4 改造前后脫硫吸收塔系統(tǒng)石灰石粉消耗量對(duì)比

經(jīng)測(cè)定，脫硫塔系統(tǒng)供漿平均密度為1170 kg/m3，改造前7小時(shí)供漿量為141.42 m3(折合石灰石粉消耗量38.06 t/h)，改造后7小時(shí)供漿量為122.15 m3(折合石灰石粉消耗量32.87 t/h)，脫硫吸收塔系統(tǒng)石灰石粉消耗量降低13.6%。

4 結(jié)語

深度脫硫脫塵除霧組合塔內(nèi)件技術(shù)在某燃煤電廠煙氣脫硫塔系統(tǒng)的工程應(yīng)用，結(jié)果表明：湍流器和管束式除塵除霧器的組合塔內(nèi)件改造，能夠有效強(qiáng)化提高脫硫塔對(duì)煙氣硫化物的吸收脫除效率、降低脫硫煙氣漿液霧滴濃度(直接表現(xiàn)為煙氣粉塵濃度)。

同等條件下，工程改造前后脫硫吸收塔對(duì)煙氣中SO2脫除率提升1.2%～2.2%、對(duì)煙氣中粉塵脫除率提升10.5%，同時(shí)脫硫吸收塔系統(tǒng)石灰石粉消耗量降低5.19%。另外，由于脫硫塔內(nèi)增設(shè)湍流器，同時(shí)管束式除塵除霧器代替?zhèn)鹘y(tǒng)折板式除塵除霧器，造成脫硫塔系統(tǒng)差壓增加1040 Pa，而新增管束式除塵除霧器運(yùn)行差壓增加400～435 Pa。

1 國家環(huán)保部環(huán)發(fā)[2015]164號(hào)，關(guān)于印發(fā)《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》的通知.

2 郭東明.脫硫工程技術(shù)與設(shè)備(第二版)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2011：2-3.

3 周曉猛.煙氣脫硫脫硝工藝手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2016：93.

*姚喜亮：助理工程師。2012年畢業(yè)于內(nèi)蒙古大學(xué)熱能動(dòng)力工程系。主要從事燃煤電廠脫硫系統(tǒng)工藝管理及管控工作。

聯(lián)系電話：(0595)36671126，E-mail：308078222@qq.com。

2017-07-11)