燃煤火電機組SO2超低排放改造方案研究

王磊

摘要：本文結合國內外脫硫技術發展情況，針對燃煤火電機組石灰石和石膏濕法脫硫裝置進行二氧化硫超低排放技術分析，給出不同方案和以及具體的應用情況，對使用不同硫份燃煤機組提出了有效的二氧化硫低排放技術改造方案和有關建議，希望能給相關工作人員提供幫助。

Abstract： Based on the development of desulfurization technology at home and abroad， this paper analyzes the ultra-low emission technology of SO2 for coal-fired thermal power unit limestone and gypsum wet desulfurization equipment， and gives different schemes and specific application conditions for the use of different sulfur coal-fired units. An effective SO2 low-emission technical transformation plan and related recommendations were put forward， hoping to provide assistance to relevant staff.

關鍵詞：燃煤;火電機組;SO2;超低排放;改造方案

Key words： coal-fired;thermal power unit;SO2;ultra-low emission;transformation plan

中圖分類號：TM621.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）31-0155-04

0? 引言

2014年國家發改委、環保部、能源局聯合下發文件，要求加快推進能源生產和能源革命，進一步提升煤電高效清潔發展水平，山西省地方政府高度重視，制定山西省現役燃煤發電機組超低排放改造提速三年推進計劃，在2017年全部完成改造，污染物排放指標達到燃氣輪機排放限值，其中二氧化硫濃度為每立方米35毫克。近年來，國務院針對大氣污染防治提出了一系列方針政策，要求強化火電行業環保技術并進一步推進清潔生產。國家很多重點防治地區目前已經完成了火電廠煙氣超低排放改造，要求能夠按照火電廠大氣污染物排放標準達到重要污染物排放指標要求。此外，國內外目前火電機組煙氣脫硫主要采用的是濕法工藝，即石灰石和石膏濕法工藝，主流脫硫采用不同單塔技術，比如單塔雙循環，噴淋空塔，串聯塔等多種技術。在本研究中結合實際案例對該技術進行分析，以期能夠為火電廠燃煤機組低排放改造提供重要的參考。

1? 硫在煤炭中的存在形式

在煤炭中硫成分與煤炭脫硫賦存狀態存在一定聯系，在煤炭中硫的形式比較復雜，具體包括有機硫和無機硫，同時還包括一些微量單體元素硫，有機硫主要分為硫醚類，硫蒽類，硫醇類等多種官能團，其中硫化物是無機硫的主要存在形式，其污染物排放能夠達到國家有關標準。硫酸鹽中的硫成分，無機含硫礦物中具有典型代表的為黃鐵礦，硫酸鹽是以鐵鎂鈣等硫酸鹽形式存在的。煤炭中硫主要來源于黃鐵礦，相比無機硫來說有機硫有其特異性，是煤中有機物質的重要構成，以有機鍵結合形成，主要來源于成煤植物細胞，從一定程度上來看有機硫是成煤植物中參與煤形成的成分。在煤中均勻分布，有機硫主要包括硫醇和硫醚。根據第三次全國煤田資料數據顯示，我國煤炭資源，平均硫分可達到1.1%，灰分為17%，其中高硫和高灰分所占煤種比例較大。在煤炭總量中高硫煤占據總量33%左右，在西南和西北地區煤炭含硫量分別達到3.2%和3.0%，而對于華北地區和山東地區來說平均煤炭的含硫量可達到1.6%和2%以上。

燃煤脫硫的主要途徑。從方法上來看目前脫硫方法較多，根據其原理可將其分為三種，分別是物理、化學、生物脫硫法。具體來看物理脫硫法是根據目前煤炭中硫的存在形式，以及煤基體的物化性質包括密度，表面性質，磁性等自動將其與煤基體分離，常用的方法為輻射照射，中介質法，浮吸法。化學脫硫是在一定條件下使化學試劑能夠與煤種發生充分反應，進而使煤炭中的硫成分轉為可溶物質，從煤炭中進行洗脫的重要方法，根據化學試劑的原理，種類不同，可將其分為堿處理，氧化法，熱分解法等。目前化學脫硫法還處于初步適應階段，盡管能夠除去大部分有機硫所有無機硫，然而從整體脫硫工藝上來看比較復雜，需要滿足一定的酸堿條件或較高的溫度條件，同時對于煤的性質影響程度較大，可能會導致媒體出現發熱量降低或粘結性變化等。生物脫硫可將其分為生物浸出，浮選脫硫，表面法這幾種脫硫方法。目前微生物煤炭表面改性強化脫硫相關研究主要集中于發現新菌種，能夠對原有菌種進行培養，使其具備新的功能，擴大菌種運用，探索適合細菌作用的條件，以實現目前工業規模化生產的條件，最后能夠結合研究過程針對其他礦物表面性質進行分析測定，掌握微生物生長規律和吸附機理。當前微生物脫硫技術還處于實驗室研究階段，然而國際上對于微生物脫硫也是近年來的開發熱點，我國在這一方面也獲得了很多成果，未來隨微生物技術的發展，利用微生物進行煤炭脫硫將會得到更加廣泛的應用。

從脫硫技術上來看，經過較長時期，國家環保部門要求工業窯爐、鍋爐煙氣排放濃度應當達到相應標準，在沒有獲得良好脫硫的情況下，目前主要采用增加煙囪高度，稀釋擴散二氧化硫，使二氧化硫落地濃度符合相應的排放標準，然而該方法未能從根本上降低二氧化硫的排放量，這也是目前不可取的方式。理想脫硫是降低煤燃燒后向大氣排放的二氧化硫總量。

2? 燃燒脫硫的方法

2.1 單塔技術

單塔技術主要包括單塔單循環和雙循環兩種技術，其中單循環技術主要是根據不同吸收塔形式，比如托盤，噴林空塔，填料塔等，其中使用最為普遍的吸收塔形為噴淋空塔，對于中低硫煤的火電機組來說，可通過吸收塔設計優化進一步提高吸收塔液氣比，或者也可以采用強化氣液傳質措施，從一定程度上顯著提高吸收塔脫硫率，滿足硫成分的低排放標準。

2.1.1 噴淋空塔技術

在分析影響系統脫硫效率影響因素過程中我們發現，吸收塔結構，設備運行參數，煙氣參數等都會影響脫硫效率。首先在設計吸收塔結構時內煙氣流速，噴淋覆蓋率，液氣比，煙氣停留時長都會影響脫硫效率，可以通過對吸收塔進行優化設計，適當降低煙氣流速或者延長煙氣在塔內的停留時間，增加循環漿液流量或液氣比，提高噴淋覆蓋率，能夠從一定程度上顯著提升吸收塔中的脫硫效率，以滿足火電廠超低二氧化硫成分排放的目標要求。針對該技術來說，我公司3、4號機組2015年進行濕法脫硫系統超低排放改造，采用一爐一塔的配置方式，吸收塔主要為噴淋空塔，改造新增2層噴淋層，由于改造后漿液循環總量變化，漿液停留時間僅為2.34min，不滿足改造后的漿液循環時間，需要對吸收塔漿池進行擴容，通過吸收塔外建副漿液池等方案，提高漿液循環停留時間在3-4 min，并增加2層輔助噴淋層，截塔加高6.5米，煙氣量可達到2216103m3/h，在吸收塔入口二氧化硫濃度為3301.25mg/m3，脫硫率可達99.34%，吸收塔外觀上尺寸設計為16.7×36.1米，煙氣流速為4.07米每秒。吸收塔出口，液氣比為22.05升每立方米，共設計5層噴淋層，每層安裝188個噴嘴。由于脫硫裝置為改造工程，從其設計參數上來看整體設計余量較小，輔助噴淋塔及輔助噴淋層設計起到的減少煙氣邊壁逃逸效果不明顯，副漿液池的設計從改造后雖達到排放標準，但整體效果來看不理想。

2.1.2 托盤塔技術，該技術主要為美國所研發的一種重要技術，主要在吸收塔最下層和入口之間設置合金托盤，該托盤能夠改善吸收塔中煙氣的分布情況，而漿液和煙氣流場能夠影響吸收塔中反應和傳導熱量進行程度。當是否存在托盤時吸收塔截面流速如圖1所示。

我們發現當在吸收塔中設置托盤后，能夠分平均分布吸收塔中的氣體流速，使大量氣體流速處于一個相對平衡的狀態中，而沒有設置托盤時此時氣體流速范圍較廣，托盤中的漿液層能夠使煙氣在吸收塔中的停留時間有一定程度延長，通過托盤能夠使煙氣與氣液充分接觸，進而強化氣液傳質，降低液氣比，進一步提升二氧化硫的脫硫效率。而與此技術類似的單塔一體化脫硫除塵深度凈化技術是由北京清新環境技術股份有限公司自主研發的，是通過一個一體化吸收塔完成全部高效脫硫、除塵過程，煙氣自入口向上依次經過第二代高效旋匯耦合脫硫除塵裝置、節能高效噴淋裝置、離心管束式除塵裝置實現超凈排放。

目前所使用的單塔一體化脫硫除塵深度凈化技術，該技術結合了高效旋匯耦合高效脫硫除塵技術，高效噴淋技術以及高效管束式除塵噴霧技術。在具體過程中煙氣可以通過旋匯耦合裝置這樣與漿液產生可控串流空間，進一步提高氣液固三相傳質速率，完成一級脫硫除塵，并可在短時間內實現降溫和煙氣均勻分布，煙氣之后會通過高效噴淋技術實現二氧化硫深度脫除和粉塵二次脫除，之后進入管束式除塵除霧裝置中，基于離心力作用下粉塵最終會被壁面的液膜捕獲，實現粉塵物低的深度脫除，利用該技術具有單塔高效，能耗低，占地空間小，操作比較便捷等特點，可以在同一個吸收塔中同時實現除塵脫硫，滿足二氧化硫和煙塵排放標準要求。針對這一脫硫裝置，我公司由國電清新設計的1、2號機組在脫硫裝置中使用濕法技術，液柱塔，共設計5臺漿液循環泵、4層噴淋層+一層湍流器，根據實際煤質變化需求，原地新建吸收塔工期長、改造難度大，綜合考慮初始投資、檢修方便、節能以及運行可靠性，改造后為異地新建湍流塔，設計余量較大，漿液循環總量42200m3/h，漿池總容積為2692m3，液氣比為17.1升每立方米，下兩層190上兩層242共計674個噴嘴，性能試驗期間，經改造后吸收塔入口煙氣硫量達2369280m3/h，在二氧化硫濃度為4501.1 毫克每立方米，出口24.6 毫克每立方米，脫硫率為99.50%，經改造后液氣比顯著提升，更換噴淋層和噴嘴之后，對噴嘴的布置方式進行優化，可顯著提升噴淋覆蓋率。同時在吸收塔的入口位置到最底層噴凝間，增加高效旋匯耦合持液層，由于增加漿液循環量，能夠相應提升吸收塔漿持液位，進而增加漿池的容積，對于除霧器，石膏排出系統進行相應改造。如下所示。

目前該改造技術已完成性能測試，且各項測試結果均可滿足預期設計要求。我公司通過逆流湍流塔改造，相比噴淋空塔來說，增加合金湍流層，能夠顯著降低液氣比，降液循環量，同時該湍流層也能夠被用于噴淋層檢修。完成塔內檢修過程中無需再將漿液排空，工作人員只需要站在托盤上便可完成對于塔內有關零部件的維護，減少運行過程中系統維修時間。

2.2 單塔雙循環

該技術是在吸收塔中完成二次脫硫，進而可達到雙塔串聯的目的，與雙塔雙循環過程比較類似，兩級循環分別設立噴淋層和循環漿池，根據其功能需求每層循環具有不同運行參數，可分別控制漿液pH。單塔雙循環硫程如圖3所示。

首先煙氣經過一級循環之后可將其pH控制在4.8-5.2之間，能夠有利于石膏結晶和溶解石灰石，獲得高質量的石膏，煙氣經過一級循環之后會進入到二級循環過程中，即脫硫洗滌狀態，相對單塔單循環技術來說，單塔雙循環技術能夠顯著降低液氣比，進而降低漿液循環量，獲得較高脫硫率。除此之外，由于可以獨立控制不同循環，能夠進行過程優化調整，進而適應硫分的變化。在該技術在具體應用中，對于廣東省金灣火力電廠機組600MW亞臨界機組脫硫除塵系統實施改造，該裝置過去采用的是半干法脫硫技術，由于煤質和環保標準的變化，需要對火電機組進行脫硫技術改造，采用濕法脫硫技術，經改造后二氧化硫入口的質量濃度為3800毫克每立方米，煙氣流量為114×104立方米每小時，脫硫率為98%，共設置5層噴淋層，并對應5臺漿液循環泵，其流量為每小時5000立方米，其中將兩層分離層設置在一級循環中，3層噴淋層設置在二級循環中。吸收塔中的裝置，包括氧化空氣系統和儲物器等，這兩臺機組完成運行之后，在運行過程中凈化二氧化硫將其濃度控制在35毫克每立方米的范圍內，完全符合環保部門對于二氧化硫排放的相關要求。

3? 串塔技術

串塔技術實際上是將兩座吸收塔進行串聯運行的，中間可以通過聯絡煙道進行連接，通過吸收塔設計參數和現場位置，存在兩種改造方案：首先目前現有吸收塔為一級吸收塔，可以串聯二級吸收塔。運行方案2為現有吸收塔為二級吸收塔，可以串聯一級吸收塔運行，這種改造方案可通過一、二級吸收塔pH值控制來實現分區控制，使一級吸收塔處于低pH值運行，能夠促進石膏的結晶和氧化，提高二級吸收塔pH值能夠實現高效率脫硫，通常一級吸收塔脫硫率可達85%，控制一級吸收塔入、出口處二氧化硫的濃度使其可達到600毫克每立方米，二級吸收塔脫硫率可達到94%。通過經過兩級吸收塔進行脫硫之后，能夠將電機組的二氧化硫排放濃度控制在35毫克每立方米以下，進而可達到相應的低排放要求。典型串塔工藝技術如圖4所示。

這一改造方案中對于廣東省金灣火力電廠機組600MW亞臨界機組脫硫除塵系統實施改造來說，采用濕法脫硫技術，同時合并設置引風機以及增壓風機，吸收塔為噴淋空塔，共設置4層噴淋層，經過技術改造前，吸收塔入口處二氧化硫濃度為5500毫克每立方米，脫硫率高于97%，出口處二氧化硫濃度低于166毫克每立方米。為能夠達到國家有關二氧化硫低排放標準，目前對該裝置進行改造，經改造之后入口以及出口處二氧化硫濃度可分別達到5700和32毫克每立方米，脫硫率達99.4%，在改造過程中嚴格遵守充分利用原有裝置的原則，將現有吸收塔作為一級吸收塔，新建二級吸收塔，塔內煙氣流速為3.5米每秒，設置三層噴淋層，在新建吸收塔后還需要相應配置氧化控系統以及除霧器。目前該脫硫裝置已通過試運行，可將二氧化硫排放濃度控制在30毫克每立方米以下，進而滿足環保部門對于二氧化硫的超低排放要求。

4? 方案比較

相對來看，單塔單循環的技術改造方案比較成熟，可增加噴淋層，提高循環漿液量，或者設置托盤、湍流器持液層，進而可使氣液充分接觸并進一步提高脫硫率，然而單循環會受到目前吸收塔設計條件限制，且對于入口處二氧化硫能夠有一定要求，通常當入口處二氧化硫濃度為3500毫克每立方米的范圍內，此時利用該技術方案是比較合理的，如果引風機系統出力裕度較大，可采取湍流器技術，對煤種變化適應性較高，單塔雙循環技術是在同一座吸收塔中完成二次脫硫，進而可達到雙塔串聯的效果。兩組循環裝置分別設有獨立噴淋層和循環漿液池。根據其功能不同循環有其相應運行參數，可分別控制pH運行，滿足不同工藝對于漿液的要求，更加有效控制工藝反應情況，可提高石膏的結晶效果和脫硫率，然而這種方案對于現場布置條件要求較高，需要就近安裝二級循環漿液箱，內部構造較復雜。串塔技術是將兩座吸收塔實現串聯運行，目前該技術工藝比較成熟，可通過分區控制一、二吸收塔pH值，進而提高脫硫率，這種改造技術對于硫分更高的適應性，能夠適用于一些中、高硫煤技術改造，可充分利用現有設備或者也可以在其他地方建設吸收塔，有效控制改造周期，通過采用二級吸收塔脫硫可增加煙氣在吸收塔中的停留時間，分區控制pH值，降低液氣比和循環泵能耗，使運行更加靈活，但投資費用和場地要求較高。各廠的改造必須開展詳實的可行性研究，從系統阻力、綜合能耗、初始投資及回報率來綜合評估，并且對公用系統進行核算和相應的改造，避免石膏脫水和供漿系統出力不滿足要求，造成漿液密度偏高和脫硫效率達不到設計等問題。

5? 小結

在本研究我們發現，由于考慮到回轉式GGH漏風率的影響，在進行脫硫裝置改造時若該裝置設有回轉式機械，在不考慮白煙影響，可對煙囪進行內襯改造適應低溫煙氣運行。如果對于二氧化硫濃度長期比較穩定，且低于3500毫克每立方米時，根據我廠四臺機組兩種技術改造，湍流器技術的硫份適用3000-4500都是可行的。可采用單塔單循環的方式，而一旦二氧化硫濃度高于4000毫克每立方米時，應當采用單塔雙循環的改造技術或串塔技術是比較合理的。通過研究我們發現對于燃煤火電廠來說，應當采用必要的技術改造措施，盡可能降低煙氣中二氧化硫的排放量，由于受到原脫硫裝置的參數影響現場空間位置，基礎荷載等條件影響，同時在項目實施過程中還需要結合具體情況選擇合適的條件和對煤種進行技術、經濟條件分析，經研究比較之后選擇最優化的改造方案。

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