單塔雙托盤脫硫除塵一體化技術

鄧乾紅，姚超良，李玉蘭，李小芝

（永清環保股份有限公司，長沙 410005）

引言

2014年9月，國家發展和改革委員會、環境保護部、國家能源局聯合出臺了《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014～2020年）》，計劃要求重點區域燃煤電廠的煙氣污染物排放限值達到燃氣輪機組的要求“SO2濃度≤35mg/Nm3、固體顆粒物≤10mg/Nm3”，即“超潔凈排放”的要求。因此，各燃煤鍋爐電廠大力開展超潔凈排放改造工作。

為滿足超潔凈排放的要求，高硫鍋爐新建機組的脫硫超潔凈排放技術可采用雙塔雙循環工藝或單塔雙循環工藝[1]。雙塔雙循環工藝存在占地面積大、投資大、運行維修復雜的缺點。現有的單塔雙循環工藝其實質是雙塔串聯工藝，同樣需要兩個吸收塔，只是將兩個吸收塔的噴淋區疊加在一個吸收塔上，另一個吸收塔只起漿池的作用，同樣存在占地面積大、運行維修復雜的缺點。高硫鍋爐新建機組的除塵超潔凈排放技術可采用干電除塵+吸收塔+濕電除塵工藝或干電除塵+吸收塔脫硫除塵一體化工藝[2]。而老舊電廠超潔凈改造項目，其原有規劃基本都沒有考慮超潔凈排放改造的場地存在面積狹小難以改造的問題。

針對現有高硫分機組改造項目存在場地狹小、改造困難的特點，某電廠二期（2×630MW）高硫鍋爐采用了某環保公司的單塔雙托盤脫硫除塵一體化技術進行超潔凈排放改造，本文通過對該電廠高硫鍋爐改造前后的運行情況進行了理論和實際分析，得出：高硫鍋爐采用單塔雙托盤脫硫除塵一體化技術進行脫硫除塵改造，可以保證高硫鍋爐出口凈煙氣達到超潔凈排放要求。

1 改造前脫硫除塵情況

1.1 改造前脫硫情況

原煙氣脫硫裝置隨主機同步建設，采用日本IHI公司提供的脫硫技術，石灰石-石膏濕法脫硫工藝，一爐一塔配置，吸收塔采用單回路噴淋空塔，設計脫硫效率≥95%。2014年增容改造，改造按照FGD入口SO2濃度≤5910mg/Nm3時、出口SO2濃度＜150mg/Nm3、脫硫效率≥97.5%設計。改造包含吸收塔系統及相應電氣、熱工和土建、旁路封堵、事故噴淋系統等內容。原脫硫系統設置流量為11,000m3/h的漿液循環泵5臺和噴淋層5層，吸收塔吸收區域直徑為15.2米。FGD入口煙氣參數見表1。

1.2 改造前除塵情況

電除塵隨主機同步建設，雙室四電場靜電除塵器、臥式布置，設計除塵效率為99.84%。2014年進行了提效改造，對原有除塵器本體部分改造，增加了第五電場及配套電控系統，同時對除塵器電源改造，保證電除塵出口煙氣粉塵濃度≤30mg/Nm3（干基、標態、6%氧）。

表1 FGD入口煙氣參數

2 本次改造目標

在FGD入口SO2濃度≤5910mg/Nm3、粉塵濃度≤30mg/Nm3（干基、標態、6%氧）的工況下，保證FGD出口SO2濃度≤30mg/m3、固體顆粒物濃度≤5mg/Nm3（干基、標態、6%氧）。

3 吸收塔脫硫除塵技術分析

國內外95%的燃煤火電廠脫硫技術均采用石灰石-石膏濕法脫硫技術，本文重點介紹石灰石-石膏濕法脫硫技術，通過分析FGD吸收塔脫硫和除塵的機理，對現有的石灰石-石膏濕法脫硫技術優化升級，形成了適用高硫鍋爐煙氣脫硫除塵協同處理的單塔雙托盤脫硫除塵一體化技術。

3.1 石灰石-石膏濕法脫硫機理

石灰石-石膏濕法脫硫主要化學反應：

3.1.1 主反應

3.1.2 SO3副反應

其中關鍵步驟為主反應的步驟②和④，步驟②即SO2克服液體表面氣膜進入液相的阻力，同時溶于液相中。步驟④即固體CaCO3溶解產生Ca2+。因此要大幅度提高FGD吸收塔的脫硫效率，需加快上述2個步驟的反應速度[3]。

3.2 石灰石-石膏濕法FGD吸收塔除塵機理

FGD吸收塔內設置多層噴淋層，每層噴淋層上設置多個噴嘴，從漿液循環泵來的漿液通過噴嘴霧化作用在吸收塔內形成噴淋區，噴嘴的覆蓋率為200%～300%。煙氣從吸收塔底部進入，向上流動與噴淋層噴嘴產生的液滴逆向接觸，在氣液兩相接觸過程中，液滴不僅吸收煙氣中的SO2，而且可以捕捉煙氣中的粉塵。吸收塔內噴淋液滴捕捉機理主要有碰撞、擴散、沉降等[4]。

3.2.1 碰撞

當液滴向下流動的時候與被煙氣攜帶向上運動的粉塵相互碰撞時，煙氣中的粉塵進入液滴，而氣體從液滴四周繞流而過。碰撞分為直接碰撞和慣性碰撞，直接碰撞是當煙氣中的粉塵跟隨氣體流線流過液滴表面時，如果流線與液滴表面的距離小于粉塵粒徑的一半，那么粉塵就會與液滴直接碰撞，進而被液滴吸收。影響直接碰撞除塵的主要因素是氣液接觸面積、粉塵的粒徑。一般來說，在同樣液氣比的情況下，液滴粒徑越小、煙氣流場越均勻、氣體和液體的接觸面積越大，就越有利于噴淋層的除塵，同時粉塵粒徑在一定范圍內，粒徑越大越有利于被液滴直接碰撞吸收。但當粒徑大到一定程度時，直接碰撞就變成了慣性碰撞。慣性碰撞是指煙氣流線沿液滴四周流動時，大粒徑（4μm以上）的粉塵動能較大，粉塵沒有跟隨煙氣沿液滴四周流動，而是在慣性的作用下撞向液滴。影響慣性碰撞除塵的主要因素是粉塵的動能。一般來說，粉塵粒徑越大、氣液兩相的相對速度越快，越有利于噴淋層的慣性碰撞除塵。

3.2.2 擴散

當粉塵的粒徑在1～10μm時，根據布朗運動原理，細小的粉塵在吸收塔內被從各個方向來的煙氣分子和液體分子碰撞，進而做無規則的布朗運動，當粉塵做無規則運動過程中與液滴碰撞進而被液滴吸收。

3.2.3 沉降

沉降分為重力沉降和靜電沉降，但是在FGD內，煙氣中的粉塵粒徑小、煙氣空塔流速為3.8m/s左右，且無電場作用，因此不考慮其重力沉降和靜電沉降的作用。

4 改造技術線路

要大幅度提高FGD吸附塔脫硫效率，需加快SO2溶解和CaCO3溶解的速度。SO2溶解速度與氣液接觸的面積、氣液接觸的時間、液相的pH值、氣相中SO2的分壓、液相中SO2的溶解量等有關。CaCO3溶解速度與漿液的pH值有關。

要大幅度提高FGD吸附塔除塵效率，需增加液體與粉塵的接觸機會。液體與粉塵的接觸幾率與氣液接觸的面積、氣液接觸的時間[5]、氣液兩相的相對流速等有關。

綜上所述，增加吸收塔氣液兩相的傳質可以大幅度提高吸收塔的脫硫除塵效果，因此本改造項目確定采用脫硫除塵一體化技術即增設塔內部件強化吸收塔氣液兩相傳質、加強吸收塔脫硫除塵協同處理能力，形成以下改造技術路線：

1）更換原有5層噴淋層，將噴嘴更換為高效噴嘴，噴嘴的覆蓋率從200%提升至300%；2）在最底層噴淋層下方設置一層篩板式托盤（簡稱為第一層托盤），將上二層噴淋抬高1米，其下方設置一層篩板式托盤（簡稱為第二層托盤）；3）在每層噴淋層下方增設聚流環；4）吸收塔整體抬高7.8米，拆除原有除霧器，新增一套自主研發的吸收塔自潔凈除霧器；5）將石灰石漿液進口管連接至上二層循環泵出口管道上。

5 改造技術分析

根據該項目煙氣含硫量高的特點及超潔凈排放指標的要求，改造采用了“單塔+雙托盤+吸收塔自潔凈除霧器的脫硫除塵一體化技術”。

通過對煙氣系統進行CFD數字模擬、采用高效噴淋系統、設置雙穿流式篩板托盤、采用專利技術的吸收塔自潔凈除霧器[6]，確保項目高硫鍋爐超潔凈排放的實現。

5.1 高效噴淋系統

更換原有的5層噴淋層，噴嘴采用高效噴嘴，噴嘴的覆蓋率從200%提升至300%。噴嘴的覆蓋率提高，可有效提高氣液兩相接觸的面積；覆蓋率提高有利于煙氣均布，進而提高FGD噴淋層脫硫除塵的效果。同時采用高效噴嘴，噴淋層產生液滴Sauter粒徑約為1600μm，比常規噴嘴的Sauter粒徑小500μm，球的表面積為4πr2，球的體積為4/3πr3，因此1m3水霧化成粒徑大小一致的液滴的總表面積=1/單個液滴的體積×單個液滴的表面積=即單位體積液體的總表面積與液滴的Sauter粒徑成反比。在吸收塔內，當氣液比一定的時候，噴淋層噴嘴產生的液滴粒徑越小、液體的總表面積越大。當液滴Sauter粒徑從2100μm下降至1600μm時，液體的總表面積增大約1.3倍。因此采用高效噴淋系統，增大氣液接觸的面積和塔內煙氣的均勻性，進而提高噴淋層的脫硫除塵效果。

5.2 雙托盤系統

該項目采用的托盤為穿流式篩板，穿流式篩板是一種典型的氣液逆流式篩板，篩板沒有降液管，篩板上設置篩孔作為氣液上升和液相下降通道，因其結構簡單、處理能力大、氣液兩相傳質效果好，近年來在除塵、洗滌、轉熱等方面廣泛使用[7]。氣液兩相通過篩孔時，當煙氣流速控制在一定范圍（與篩板的開孔率有關）就可以在篩板上形成泡沫層。泡沫層中的氣泡不斷地斷裂、合并，又重新生成，可大幅度強化氣液兩相的傳質，煙氣在通過這層泡沫后，SO2和粉塵被吸附，煙氣得到凈化。

煙氣篩板上的泡沫層對煙氣中細小的粉塵（粒徑＜2μm）具有良好的除塵效果，主要機理是將液相作為捕塵體，在碰撞、擴散等作用下將粉塵捕集，其中以碰撞除塵為主，控制煙氣穿過篩孔的孔速為9～12m/s，保證粉塵和液相較大的相對速度，提高粉塵和泡沫層中液滴碰撞被捕集的概率，進而提高泡沫層對細小粉塵的脫除率。

一般吸收塔運行過程中漿池漿液的pH值約為5.5，通過上式可以計算出石灰石的溶解度S=3.676kg/m3，而托盤上漿液的pH值約為4，計算可得：S=109.52kg/m3，托盤上CaCO3的溶解速度約等于漿池中溶解速度的30倍。

因石灰石供漿管道移動至上二層循環泵出口管道，石灰石漿液直接接入到上二層循環泵出口管道，經過兩二層噴淋層噴嘴噴出，再在第二層托盤上方形成泡沫層，將SO2從5910mg/Nm3下降至30mg/Nm3,每小時需補充CaCO3約17,000kg。實際運行時，CaCO3在第二層托盤泡沫層中達到溶解與電離平衡，此時CaCO3的溶解度為0.773kg/m3，通過式②推算出：第二層托盤上方泡沫層的pH值約為6.3。pH值上升有利于提高吸收塔SO2的脫除率。

該項目設置雙托盤系統的作用：1）延長氣液接觸時間，均布吸收塔內煙氣流場，強化氣液兩相傳質，進而提高吸收塔的脫硫除塵效果；2）將吸收塔內的漿液分成漿池、第一層托盤泡沫層、第二層托盤泡沫層。這3部分的漿液pH分別約為5.5、4、6.3，其中漿池漿液pH值維持在5.5左右可以防止吸收塔結垢、保證系統運行安全可靠；第一層托盤泡沫層漿液pH值維持在4可以加快CaCO3的溶解速度，進而提高吸收塔的脫硫效果；第二層托盤泡沫層漿液pH值維持在6.3左右，經過下三層噴淋層沖洗后，進入第二層托盤的煙氣中SO2的含量大致在130mg/Nm3左右，提高第二層托盤泡沫層和上二層噴淋層漿液的pH值可加快SO2的吸收速度。因此雙托盤系統可以加快石灰石-石膏濕法脫硫反應中的關鍵步驟②（SO2的吸收）和步驟④（CaCO3的溶解），大幅度提高吸收塔的脫硫效果。同時雙托盤系統可以延長氣液接觸的時間、增大氣液接觸的面積、提高氣液兩相的相對速度，大幅度提高吸收塔對粉塵的脫除率。

5.3 吸收塔自潔凈除霧器

吸收塔自潔凈除霧器自下而上依次設置第一級液滴捕集器、溢流式篩板裝置、第二級液滴捕集器和第三級液滴捕集器。這種結構有效地提高吸收系統的除塵效率。溢流式篩板上方形成一層清水層用于對煙氣攜帶的石膏液滴進行置換稀釋和對細小粉塵進行捕捉。同時，部分沒有被捕捉的細小顆粒與供水管網噴嘴噴出的小粒徑顆粒碰撞凝并，變成大粒徑液滴，大液滴再通過第二、三層液滴捕集器除去，從而達到高效除塵、除霧的效果。

通過對溢流式篩板進水和出水中SO42-離子進行對比，數值如表2。

表2 溢流式篩板進出水離子對比

表2 溢流式篩板進出水離子對比

項目 數量 備注進水SO42-離子（mg/L） 1085 項目水質較差出水SO42-離子（mg/L） 1204

機組測試時煙氣量約為206萬Nm3/h（6%氧），一般經過第一級除霧器后，液滴的含量約為80mg/Nm3，石膏液滴的固含量為7.5%，且經過第一級除霧器后煙氣中的石膏含量約為12.36kg/h。溢流式篩板進水流量為30m3/h、除霧器平均沖洗水量為35m3/h，出水SO42-離子增加119mg/L，則溢流式上進水總共溶解帶走石膏10.99kg/h，經吸收塔自潔凈系統后煙氣中的石膏含量下降至1.37kg/h，相當于煙氣攜帶的石膏量為0.664mg/Nm3。如吸收塔自潔凈系統出口液滴含量為20mg/Nm3，此時石膏液滴的固含量從沒裝吸收塔自潔凈系統的10%下降為3.32%，則煙氣攜帶的石膏量從原來的2mg/Nm3減少為0.664mg/Nm3。因此吸收塔自潔凈除霧器可以大幅度溶解經過除霧器的煙氣中的石膏和可溶性鹽，進而減少凈煙氣中顆粒物中石膏和可溶性鹽的含量。

另溢流式篩板上方設置供水管網，產生粒徑為100μm左右的霧化水，可與煙氣中細小的粉塵和液滴進行凝并成大液滴，進而有利于第二、三層液滴捕集器除去。

5.4 脫硫除塵效果預測

脫硫效果預測：進口煙氣SO2濃度5910mg/Nm3，每個部件的脫硫效率如下：第一層托盤：脫硫效率為15%，出口SO2濃度5023mg/Nm3；第一層噴淋層：脫硫效率為66%，出口SO2濃度為1708mg/Nm3；第二層噴淋層：脫硫效率為68%，出口SO2濃度為547mg/Nm3；第三層噴淋層：脫硫效率為70%，出口SO2濃度為164mg/Nm3。第二層托盤：脫硫效率為15%，出口SO2濃度為140mg/Nm3；第四層噴淋層：脫硫效率為60%，出口SO2濃度為56mg/Nm3；第五層噴淋層：脫硫效率為55%，出口SO2濃度為25mg /Nm3。

通過增設雙托盤、采用高效噴淋系統、設置聚流環可以大幅度提高吸收塔內氣相兩相的傳質效率，大幅度提高了吸收塔的脫硫效果。保證高硫分機組進口煙氣SO2濃度在5910mg/Nm3的情況下，出口凈煙氣SO2濃度可達到超潔凈排放的要求＜35mg/Nm3。

除塵效果預測：進口煙氣粉塵濃度30mg/Nm3，每個部件的除塵效率如下：第一層托盤：除塵效率為50%，出口粉塵濃度為15mg/Nm3；第一層噴淋層：除塵效率為10%，出口粉塵濃度為13.5mg/Nm3；第二層噴淋層：除塵效率為10%，出口粉塵濃度為12.15mg/Nm3；第三層噴淋層：除塵效率為10%，出口粉塵濃度為10.9mg/Nm3。第二層托盤：除塵效率為50%，出口粉塵濃度為5.47mg/Nm3；第四層噴淋層：除塵效率為10%，出口粉塵濃度為4.92mg/Nm3；第五層噴淋層：除塵效率為10%，出口粉塵濃度為4.43mg/Nm3；煙氣自潔凈除霧器：除塵效率為10%，出口粉塵濃度為3.97mg/Nm3。

凈煙氣攜帶的石膏液滴為20mg/Nm3，經過煙氣自潔凈除霧器稀釋和溶解后，石膏液滴的固含量為3.32%，折算固體顆粒物為0.664mg/Nm3。

因此，經過吸收塔內部噴淋層、雙層托盤、吸收塔自潔凈除霧器的協同處理后，出口凈煙氣的固體顆粒物的含量為3.986+0.664=4.65mg/Nm3，小于超潔凈排放要求5mg/Nm3。

6 改造后運行結果分析

該電廠脫硫除塵一體化改造于2016年5月30日開工，2016年7月30日封塔具備試運行條件。2016年8月2日一次啟機成功，8月3日進入168h調試，調試期間各新增設備運行正常，到現在運行1年多的時間，煙囪處凈煙氣CEMS測得的數據：SO2≤25mg/Nm3、固體顆粒物≤4mg/Nm3，完全符合超潔凈排放的要求。

7 結論

以某電廠二期（2×630MW）高硫鍋爐機組超潔凈排放為例，根據吸收塔脫硫除塵的機理，確定了高硫鍋爐超潔凈排放的“單塔+雙托盤+吸收塔自潔凈除霧器的脫硫除塵一體化技術”改造線路，通過理論分析和實際運行情況，得出以下結論：

（1）雙托盤可以加快石灰石-石膏濕法脫硫反應中的關鍵步驟②（SO2的吸收）和步驟④（CaCO3的溶解）進而大幅度提高吸收塔的脫硫效果，同時雙托盤系統可以延長氣液接觸的時間、增大氣液接觸的面積、提高氣液兩相的相對速度，進而大幅度提高吸收塔對粉塵的脫除率。

（2）吸收塔自潔凈除霧器可以大幅度溶解經過除霧器的煙氣中的石膏和可溶性鹽，減少凈煙氣中顆粒物中石膏和可溶性鹽的含量，同時使得煙氣中細小的粉塵和液滴進行凝并成大液滴，進而被第二、三級除霧器除去。

（3）高硫分機組采用單塔雙托盤脫硫除塵一體化技術出口凈煙氣完全達到超潔凈排放的要求。

參考文獻：

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