超凈排放中循環流化床半干法脫硫工藝的優化升級

楊家軍

浙江德創環保科技股份有限公司，浙江 杭州　310012

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超凈排放中循環流化床半干法脫硫工藝的優化升級

楊家軍

浙江德創環保科技股份有限公司，浙江 杭州310012

摘要針對燃煤機組超凈排放的要求，常規循環流化床半干法脫硫工藝經過技術升級后，當脫硫裝置入口SO2濃度低于1 000 mg?m3時，脫硫裝置出口凈煙氣中的SO2排放濃度可穩定在35 mg?m3以下，粉塵排放濃度穩定在5 mg?m3以下，脫硫效率達96.5%，實現了脫硫效率高、粉塵排放濃度低、運行穩定可靠等優點，尤其適用于燃燒含硫量約為0.4%的煤粉爐和含硫量約為1%的流化床鍋爐。相比占主導地位的濕法脫硫工藝，升級后的半干法脫硫工藝投資更省、綜合凈化效益更高。以浙江某熱電廠為實例，從吸收塔、布袋除塵器、控制系統三大環節全方位深入剖析了整個工程的改造過程，從各項運行數據指標來判斷，該半干法脫硫工藝不但能滿足目前嚴格的超凈排放要求，還有諸多濕法工藝無法企及的優勢。

關鍵詞超凈排放；吸收塔；布袋除塵器；控制系統

隨著國家發展和改革委員會、環境保護部及國家能源局聯合下發《關于印發〈煤電節能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)〉的通知》(發改能源〔2014〕2093號)，實現燃煤機組煙氣超凈排放的要求愈加突出。濕法脫硫以脫硫效率高而受到環境保護部門及專家學者的青睞，成為目前的主流脫硫工藝，然而目前有學者認為濕法脫硫可導致霧霾現象[1]。循環流化床半干法脫硫工藝有著濕法脫硫工藝難以比擬的諸多優勢，如投資省、占地小、能耗低、工藝水耗量低、廢水零排放以及排放煙氣無石膏雨等[2]，是當下城市熱電機組超凈排放的最佳選擇之一。循環流化床半干法脫硫工藝之所以沒有得到廣泛應用，是因為大多數脫硫公司一味簡單模仿，尤其疏忽了“運行控制”這一關鍵環節，造成許多項目上出現了脫硫效率低下、運行不穩定且結壁等一系列問題。

1運行問題分析

浙江某熱電廠原半干法脫硫工藝運行時間已超過4 a，運行期間經常結壁，結壁區域無明顯規律可循。從運行參數和狀況分析，可能是由霧化系統和吸收塔內流場問題所致。為進行印證，經現場測試霧化噴槍，發現水霧呈明顯的條狀，而非團霧狀，且用手觸碰有明顯被擊打感，霧化效果較差。同時，對吸收塔內部流場進行了模擬，模擬結果見圖1。從圖1可以看出，吸收塔內7個文丘里出口流場比較混亂，氣流分布極不均勻。另外，原系統在控制上采用的是手動控制，許多關鍵點的控制未采用PID(proportional-integral-derivative)自動調節控制，造成調節粗糙、響應延遲、聯鎖控制不到位等諸多問題。

圖1　原吸收塔內流場模擬Fig.1　Inner flow field simulation of original absorption tower

原系統脫硫效率設計值為90%，SO2排放濃度為100 mgm3，粉塵排放濃度為30 mgm3，無法滿足超凈排放的要求。如要滿足超凈排放的要求，脫硫效率需提升至96.5%，粉塵脫除效率接近100%。循環流化床半干法脫硫工藝最穩定、經濟的脫硫效率約為90%[3]，要突破該值，原有常規半干法脫硫工藝在吸收塔和布袋除塵器上的設計必須要有相應的升級改進措施。鍋爐原始煙氣參數見表1。

表1　鍋爐原始煙氣參數

2吸收塔的改造

2.1調整吸收塔內流場的均勻性

循環流化床半干法脫硫工藝吸收塔中，氣、固混合程度是其內部反應的決定性因素之一，吸收塔內7個文丘里的氣流分布將直接影響吸收塔內床層的穩定性[4]。因此，為了使CFD(computational fluid dynamics)數值模擬最大程度地接近吸收塔內流場的真實情況，將模擬斷面選擇在鍋爐尾部豎井煙道上。通過在吸收塔進口外的各彎頭處及變徑處增加導流板，并在文丘里進口之前增加2 m左右的整流段，從而最大限度地調整吸收塔內流場的均勻性，模擬結果見圖2。

圖2　調整后的吸收塔內流場模擬Fig.2　Inner flow field simulation of adjusted absorption tower

2.2增加導灰環

吸收塔結壁是造成循環流化床半干法脫硫裝置無法可靠運行的主要原因之一，因此，要提升裝置的可靠性，必須先處理好結壁問題。循環流化床半干法脫硫工藝吸收塔內是“灰包水”反應，只有避免液態水與反應器的直接接觸，才能降低結壁的風險[5-6]。在反應器直筒段每隔4～5 m安裝導灰環裝置，導灰環采用規格為100 mm×8 mm的等邊角鋼環向焊接在吸收塔內壁，其目的在于將濕灰導向吸收塔中心，避免濕灰直接貼壁，可最大限度降低吸收塔內結壁的風險，保證了系統的正常穩定運行。

2.3延長化學吸收反應時間

煙氣中的SO2與吸收劑的反應是在液相離子狀態下發生的，延長液相揮發時間可增加化學吸收反應時間，從而提高脫硫效率[7]。因此，液體霧化粒徑的大小尤為重要，過大則蒸發時間過長，不但增加設備的投資，也增加了結壁風險；過小則反應時間過短，不利于效率的提升。本項目選擇了高壓回流式霧化噴槍，平均粒徑(D32)為200 μm。圖3為霧滴蒸發時間曲線。從圖3可以看出，200 μm的粒徑在130 ℃時，蒸發時間約為3 s，考慮到充分反應，吸收塔的高度按4 s停留時間進行計算，留足安全余量，比改造前增加了1.5 s的反應時間，效率提升有了保障。

圖3　霧滴蒸發時間曲線[8]Fig.3　Droplets evaporation time curve

2.4提高吸收塔內循環灰濃度

循環流化床半干法脫硫工藝中，吸收塔內循環灰濃度是影響脫硫效率的又一關鍵因素，循環灰濃度越高，則脫硫效率越高[9]。常規半干法脫硫工藝，吸收塔內循環灰濃度通常為800～1 000 gm3。為提高脫硫效率，將循環灰濃度控制在1 000～1 200 gm3；為防止塌床，須對文丘里進行相應的改造，縮小喉口尺寸，將喉口流速從45 ms提高到50 ms。

2.5降低近絕熱飽和溫度

反應器出口煙氣溫度與煙氣絕熱飽和溫度之差稱為近絕熱飽和溫度(△T)[10]，△T的降低能促進脫硫效率的提高。△T越低，煙氣的含濕率越大，液滴干燥時間就越長，化學吸收反應時間也越長，從而脫硫效率就越高(圖4)。改造前，吸收塔出口煙氣溫度控制在80 ℃(△T為25 ℃)，煙氣含濕率為11.11%。改造后，吸收塔出口煙氣溫度控制在75 ℃(△T為20 ℃)，煙氣含濕率為11.40%，比改造前增加了2.61%，避免了糊袋的發生。

圖4　△T與脫硫效率的關系[11]Fig.4　The relationship between the △Tand the desulfurization efficiency

3配套布袋除塵器的改造

3.1氣布比的選取

常規半干法脫硫工藝配套布袋除塵器的氣布比較高，一般為0.75～0.80 mmin。但在超凈排放中，由于布袋入口煙氣中的粉塵濃度更高，黏度和濕度更大，因此，布袋除塵器的過濾面積必須合理經濟，才能達到最佳的過濾效果。同時合適的氣布比可在循環灰建立過程中，使布袋壓差處于“可控”狀態。經反復試驗，本項目改造后，最佳氣布比為0.65 mmin。

3.2氣流上升速度的選取

在超凈排放中，布袋箱體內的氣流上升速度是非常關鍵的控制參數。在設計過程中，須保證氣流的上升速度小于粉塵顆粒的沉降速度，如果氣流上升速度過大，則會造成濾袋清理下來的粉塵懸停在半空中，甚至會二次夾帶到濾袋上，造成布袋除塵器的阻力居高不下，使得整個清灰系統處于癱瘓狀態。由于循環灰的粉塵顆粒粒徑90%在60 μm以上[12]，經CFD反復模擬，當氣流上升速度低于0.80 ms時，粉塵顆粒能靠重力自由沉降。

3.3濾料的配置

濾袋作為布袋除塵器的核心部件，有著舉足輕重的作用，濾料的選擇自然也成為重中之重。對于常規的半干法脫硫工藝而言，聚苯硫醚(PPS)是首選濾料[13]，然而其無法滿足超凈排放的要求，通常粉塵排放濃度只能達到30 mgm3。為此，經過大量試驗研究，對現有濾料升級為高精過濾濾料，高精過濾濾料分為梯度濾料和超微孔覆膜濾料。從加工難易程度及成本上比較，梯度濾料優于超微孔覆膜濾料；如果場地受限，過濾風速較高時，可選超微孔覆膜濾料。本次改造選用梯度濾料，其結構為：PPS基層+PTFE(聚四氟乙烯)基布+PPS基層+超細PPS面層(圖5)。同時，濾袋增加針孔涂封防滲漏處理。

圖5　梯度濾料結構Fig.5　Filter material structure

濾料的后處理工藝同樣非常重要，如表面燒光、砑光、熱定型、防水防油、浸滯及抗靜電處理等，可更有效地改善濾料的性能[14-15]。另外濾料的表面克重也是不可忽略的因素，在常規的半干法脫硫工藝中，濾料表面克重只有550 gm2，而在超凈排放中，濾料表面克重不得低于630 gm2，甚至要更高。經過一系列處理后，濾料纖維之間的間隙可控制在1 μm左右，能有效阻擋細粉塵和PM2.5通過濾袋。

3.4布風系統的流場優化

由于采用模塊化結構設計，袋室內分為多個小袋室，袋室與袋室之間相互獨立，因此，各袋室的進風均勻性至關重要，直接影響布袋的除塵效果。通過CFD數值模擬驗證流場的均勻性，圖6為布風系統優化前后的煙氣流場模擬對比。

圖6　布風系統優化前后的煙氣流場模擬對比Fig.6　Comparison of flue gas flow field beforeand after optimization of air distribution system

由圖6可知，優化前，各袋室的煙氣負荷極不均勻，尤其是靠近尾部的袋室煙氣負荷偏大，這將導致尾部袋室超負荷運行，出現“頭重腳輕”的狀況，氣布比和氣流上升速度都將嚴重超出設計值，導致清灰系統無法正常運行；優化后，各袋室的煙氣負荷分配較為均勻，為清灰系統正常運行提供了有力保障。

3.5旁路系統的取消

常規的布袋除塵器一般設置內置式旁路，當鍋爐爆管時，切換煙氣走向以保護布袋。但在超凈排放系統中，布袋除塵器的旁路密封性極其重要，正常運行時，如果密封性不好，原煙氣極易泄露，對煙氣排放濃度造成影響，導致其排放超標，而旁路閥又很難做到零泄漏。與此同時，環境保護部已明文規定脫硫除塵系統不準設置任何旁路系統。此次改造過程中，考慮取消內置旁路系統，從源頭上杜絕泄漏的一切可能性。

4控制系統的優化

(1)在超凈排放中，霧化系統的聯鎖控制尤為重要，如當吸收塔內床層差壓小于500 Pa時，不允許啟動霧化噴水系統等。

(2)在超凈排放中，由于吸收塔床層差壓較大，布袋的灰斗必須存有足夠循環的灰量，滿足吸收塔灰循環系統的建立。常規的半干法脫硫工藝采用料位計控制方式，在實際運行中，經常出現誤報警，不是灰斗排灰過量，就是灰位過高，導致二次揚塵。經優化后，采用分區流化風壓力的遠程控制方式，通過流化風壓力來監控和控制灰斗內的料位，從而可精確控制灰斗內的循環灰量，確保循環灰系統的正常運行。

(3)調整清灰系統脈沖閥的清灰模式，由連續式清灰方式改為跳躍式清灰，可有效防止粉塵的二次夾帶。

(4)控制系統由分布式控制系統(DCS)調整為可編程邏輯控制器(PLC)。由于布袋除塵器清灰脈沖最佳寬度為50～120 ms，調試時需每隔10 ms調節，而DCS最小調度周期為50 ms，再加上總線輪巡周期，其能發出最快脈寬為150 ms以上。如需每隔10 ms調節，會影響系統正常運行。為保證布袋清灰效果和系統正常運行，不宜采用DCS控制。而PLC屬高速邏輯開關控制器，能發出ms級脈沖，適合控制布袋除塵器。

5運行評價

該脫硫裝置自2015年6月通過168 h試運行后，至2016年1月，已運行近8個月，在此期間，系統運行良好，各項性能指標均滿足且優于設計值，其中脫硫效率達到96.5%，SO2排放濃度小于35 mgm3，粉塵排放濃度小于5 mgm3，且年運行費用較改造前僅增加20.401萬元，綜合凈化效益較高(表2、表3和圖7)。

表2　脫硫裝置性能驗收試驗結果

表3　脫硫裝置改造前后經濟性比較

圖7　脫硫裝置168 h運行數據Fig.7　Running data of the desulfurization device during the 168 hours operation

6結語

在燃煤機組實現超凈排放，濕法脫硫工藝占主導的大環境下，傳統的循環流化床半干法脫硫工藝經技術革新后，在脫硫裝置入口SO2濃度低于1 000 mgm3時，脫硫裝置出口凈煙氣中的SO2排放濃度可穩定在35 mgm3以下，粉塵排放濃度穩定在5 mgm3以下，脫硫效率約為96.5%，該工藝尤其適用于燃燒含硫量約為0.4%的煤粉爐和含硫量約為1%的流化床鍋爐(通常爐內脫硫的效率為60%左右)。

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Optimization and Upgrading of Semi-dry Desulfurization Process of Circulating Fluidized Bed for Ultra Clean Emission

YANG Jiajun

Zhejiang Dechuang Environmental Polytron Technologies Inc., Hangzhou 310012, China

AbstractIn order to achieve ultra clean emission requirements of coal-fired units, the conventional semi-dry desulfurization process for circulating fluidized bed was upgraded. When the SO2concentration of the FGD inlet is lower than 1 000 mg?m3, the SO2concentration of the FGD outlet can be stable below 35 mg?m3, dust emission concentration is stable below 5 mg?m3, with the desulfurization efficiency of up to 96.5%, achieving the advantages of high desulfurization efficiency, low emission concentration of dust, and stable and reliable operation, etc. This process is particularly suitable for the pulverized coal boilers with sulfur content of about 0.4% in coal and the fluidized bed boilers with sulfur content of about 1%. Compared the dominate process of wet desulfurization, the upgraded semi-dry desulfurization process is cheaper by investment and more efficient by comprehensive benefits. Taking an example of a thermal power plant in Zhejiang, the whole project transformation process was analyzed from three links of the absorption tower, the bag filter and the control system. According to the operational data, the semi-dry process route not only can meet the current stringent ultra clean emission requirements, but also has more advantages than the wet desulfurization.

Key wordsclean emissions; absorption tower; baghouse; control system

收稿日期：2016-02-14

作者簡介：楊家軍(1979—)，男，工程師，主要從事大氣污染控制技術的研究，15868125350@126.com

中圖分類號:X505

文章編號:1674-991X(2016)04-0371-06

doi:10.3969?j.issn.1674-991X.2016.04.055

楊家軍.超凈排放中循環流化床半干法脫硫工藝的優化升級[J].環境工程技術學報,2016,6(4):371-376.

YANG J J.Optimization and upgrading of semi-dry desulfurization process of circulating fluidized bed for ultra clean emission[J].Journal of Environmental Engineering Technology,2016,6(4):371-376.