電廠海水脫硫提效改造分析

張 林，周 強(qiáng)

（1.世紀(jì)華揚(yáng)環(huán)境工程有限公司，北京 100101；2.華北電力設(shè)計(jì)院，北京 100120）

近幾年來，火電行業(yè)二氧化硫減排工作取得了顯著成效。海水法煙氣脫硫工藝與石灰石-石膏法工藝同屬于濕法脫硫工藝，具有處理煙氣量大、效率高的特點(diǎn)，尤其適合沿海電廠的煙氣治理。海水脫硫工藝排放的二氧化硫濃度可顯著降低，保持在10～20 mg/m3，表明海水具有很強(qiáng)的儲(chǔ)硫能力。從傳質(zhì)機(jī)理上看，海水脫硫所需吸收海水量遠(yuǎn)低于石灰石-石膏法吸收塔循環(huán)漿液量：海水脫硫工藝的吸收劑為海水，其pH值在8.0左右，并一次通過吸收塔與煙氣逆流傳質(zhì)，操作pH值遠(yuǎn)高于石灰石-石膏法的漿液操作pH值（5.0～6.0）。同樣，海水脫硫的這一優(yōu)勢(shì)也大大降低了二氧化硫的吸收能耗[1]。

海水法脫硫在技術(shù)和運(yùn)行維護(hù)經(jīng)濟(jì)性等方面相對(duì)石灰石-石膏法有以下優(yōu)勢(shì)：海水脫硫采用機(jī)組冷卻水為脫硫劑，無需額外采購脫硫劑，運(yùn)行成本低；海水脫硫技術(shù)幾乎不消耗淡水，不產(chǎn)生脫硫廢水和廢渣，無脫硫副產(chǎn)物，徹底解決廢水零排放問題；海水脫硫系統(tǒng)簡單，設(shè)備少，運(yùn)行維護(hù)工作量小。在轉(zhuǎn)動(dòng)設(shè)備、控制閥門及熱工控制點(diǎn)數(shù)量方面，海水法明顯少于石灰石-石膏濕法脫硫工藝，運(yùn)行可靠性高。

某沿海電廠現(xiàn)有2臺(tái)機(jī)組同步建設(shè)有石灰石-石膏濕法煙氣脫硫等環(huán)保設(shè)施，目前，環(huán)保設(shè)施均滿足環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)要求，投產(chǎn)至今運(yùn)行情況良好；但電廠為實(shí)現(xiàn)近零排放的更高目標(biāo)，提出對(duì)現(xiàn)有脫硫系統(tǒng)進(jìn)行提效改造方案論證，要求改造后的SO2排放優(yōu)于35 mg/Nm3的排放要求。該發(fā)電廠各機(jī)組采用海水作為冷卻水，水質(zhì)條件良好；煙氣含硫量適中，具備采用海水脫硫工藝的基本條件。

1 工程條件

1.1 煙囪入口SO2實(shí)際排放濃度

2013年度SO2排放實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)如表1所示。根據(jù)電廠新煙氣排放的要求，改造后的2臺(tái)機(jī)組SO2排放限值按35 mg/Nm3控制。

表1 2013年度SO2排放實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

1.2 主要設(shè)計(jì)原則

采用海水脫硫工藝進(jìn)行提效改造，能夠配合加裝濕式除塵器的需要，確保吸收塔出口（濕式除塵器入口）煙氣液滴含量不超過50 mg/Nm3；設(shè)備年利用小時(shí)按5 500 h考慮；裝置設(shè)計(jì)壽命為30年，可用率不小于98%。

2 海水脫硫流程簡介

2.1 海水脫硫法原理

呈堿性的天然海水堿度范圍在2.0～2.5 mmol/L，具有良好的二氧化硫吸收能力。海水鹽分主要成分是氯化鈉和硫酸鹽等，因此，當(dāng)SO2被海水吸收，再經(jīng)氧化處理為硫酸鹽后，海水的天然組分并沒有被破壞。

在吸收塔內(nèi)，煙氣的SO2成分溶于海水中并發(fā)生弱電離反應(yīng)，如式（1）所示，形成不穩(wěn)定的亞硫酸根離子。向海水中通入大量空氣，則HSO3-離子與O2化學(xué)反應(yīng)后將生成穩(wěn)定的硫酸根離子（SO42-）和H+氫離子。與此同時(shí)，為達(dá)到電離平衡，海水中的CO32-、HCO3-等弱酸根離子與海水中的H+離子發(fā)生中和作用，恢復(fù)了海水的pH值，并釋放CO2，如式（2）、式（3）所示。

這樣吸收了SO2的海水在整個(gè)曝氣過程中加速釋放弱溶于水的CO2氣體，從而加速了氧氣在海水中的溶解，更加對(duì)H+離子的中和作用有益。可見，海水脫硫工藝實(shí)質(zhì)上是截?cái)喙I(yè)排放的硫進(jìn)入大氣造成污染和破壞的渠道，同時(shí)將硫以穩(wěn)定硫酸鹽的形式排入海洋。

2.2 海水法脫硫工藝

從工藝流程上細(xì)分，海水法脫硫工藝主要由四部分組成。

2.2.1 煙氣系統(tǒng)

鍋爐煙氣經(jīng)引風(fēng)機(jī)出口處的聯(lián)絡(luò)煙道引至吸收塔下部（本工程不設(shè)GGH），自下而上流經(jīng)吸收塔，在吸收塔內(nèi)脫除煙氣中的SO2，凈煙氣經(jīng)煙氣脫硫系統(tǒng)出口擋板門由煙囪排入大氣。

2.2.2 SO2吸收系統(tǒng)

作為SO2吸收系統(tǒng)主要設(shè)備，吸收塔內(nèi)的主要設(shè)備有填料、海水分配器及除霧器。填料塔內(nèi)的填料比表面積大，其表面可以充分地形成吸收液膜，充分地利用海水對(duì)二氧化硫的溶解性，其能耗大大降低?；炷廖账?nèi)襯通常為玻璃鱗片，塔內(nèi)部的海水吸收部分采用填料層，海水分配管道全部采用FPR管道。海水通過升壓泵送至塔內(nèi)的布水系統(tǒng)，與煙氣充分接觸發(fā)生吸收反應(yīng)，對(duì)二氧化硫的吸收效率可高達(dá)98%。脫硫后的煙氣經(jīng)塔頂部的除霧器除去煙氣中的水滴，經(jīng)煙囪排入大氣。脫硫后的海水由地下排水管自流排入海水恢復(fù)系統(tǒng)。

2.2.3 供海水系統(tǒng)

供水系統(tǒng)的作用是依托海水升壓泵站向脫硫塔供給符合壓力、流量、堿度要求的海水。脫硫海水的供水系統(tǒng)接自機(jī)組循環(huán)水系統(tǒng)，把虹吸井中部分海水引至脫硫海水升壓泵前取水池，由海水升壓泵送至吸收塔，吸收煙氣中的SO2后流入曝氣池（海水恢復(fù)系統(tǒng)），虹吸井中其余海水直接自流至曝氣池與脫硫塔排出的低pH值海水混合，處理后經(jīng)過排水溝道流入大海。

2.2.4 海水水質(zhì)恢復(fù)系統(tǒng)

海水恢復(fù)系統(tǒng)的作用是處理脫硫塔流出的酸性海水，使之達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn),主要設(shè)備包含曝氣池、曝氣風(fēng)機(jī)、曝氣裝置等。流自吸收塔的低pH值海水混合來自循環(huán)水虹吸井的海水一同流向曝氣池，經(jīng)由風(fēng)機(jī)向曝氣池底部的曝氣裝置吹入攜帶富足O2的空氣，使海水溶解足夠多的氧氣后達(dá)飽和狀態(tài)，進(jìn)一步發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使得易分解的HSO3-氧化后轉(zhuǎn)為可穩(wěn)定存在的SO42-離子。此外，水中的碳酸根離子中和吸收塔排出的H+，使海水pH上升到允許排放的水平。

3 海水法煙氣脫硫改造方案

3.1 設(shè)計(jì)基本參數(shù)

本次改造脫硫后的煙氣污染物近零排放和海水排放目標(biāo)濃度值如表2和表3所示[2]。

表2 煙氣近零排放濃度目標(biāo)

表3 脫硫后海水排放濃度目標(biāo)

3.2 海水脫硫改造簡介

本工程采用海水脫硫方案，對(duì)2臺(tái)爐的脫硫系統(tǒng)進(jìn)行提效改造，除了需要對(duì)二氧化硫吸收系統(tǒng)和煙氣系統(tǒng)進(jìn)行改造外，還需要新建供海水系統(tǒng)和配套的水質(zhì)恢復(fù)系統(tǒng)。

3.2.1 煙氣系統(tǒng)

煙氣系統(tǒng)的改造內(nèi)容有：需要對(duì)從引風(fēng)機(jī)出口至脫硫吸收塔入口的煙道、從吸收塔出口至距濕式電除塵器入口的煙道進(jìn)行改造；還需加裝低溫省煤器，對(duì)煙氣進(jìn)入煙囪前的水平煙道（凈煙道）等進(jìn)行改造。整個(gè)脫硫系統(tǒng)的阻力由引風(fēng)機(jī)克服。

3.2.2 二氧化硫吸收系統(tǒng)

海水脫硫SO2吸收塔采用低能耗的填料塔型，特點(diǎn)是塔內(nèi)流速低，直徑大，塔高遠(yuǎn)低于濕法脫硫吸收塔。

3.2.3 海水供應(yīng)系統(tǒng)

本電廠機(jī)組的冷卻用水通過循環(huán)水排水溝引至海水升壓泵站，部分海水經(jīng)海水升壓泵送至吸收塔，剩余部分進(jìn)入曝氣池。每臺(tái)機(jī)組新建1座海水升壓泵站，每臺(tái)升壓泵站主要配備3臺(tái)50%容量的海水升壓泵，并配備地坑排水泵和其他輔助設(shè)備。

3.2.4 海水水質(zhì)恢復(fù)系統(tǒng)

每臺(tái)機(jī)組設(shè)置1座曝氣池，曝氣池與海水升壓泵站、曝氣風(fēng)機(jī)房結(jié)合布置，單臺(tái)機(jī)組曝氣風(fēng)機(jī)房設(shè)置3臺(tái)曝氣風(fēng)機(jī)，不設(shè)備用。

4 社會(huì)環(huán)境效益分析

4.1 大氣污染控制分析

采用海水脫硫工藝后，污染物排放優(yōu)于《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223—2011）燃機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)的要求，即燃用設(shè)計(jì)煤種的SO2排放濃度＜20 mg/Nm3，燃用校核煤種的SO2排放濃度＜35 mg/Nm3，改造后，單臺(tái)機(jī)組SO2減排660.55～752.49 t/a[3]。

4.2 脫硫排水對(duì)海水水質(zhì)的影響分析

煙氣中SO2經(jīng)吸收、氧化后，以SO42-的形式排入海水中，脫硫排水中SO42-較之取水濃度增加了不足3%；脫硫海水經(jīng)曝氣處理后，pH高于6.8，溶解氧含量恢復(fù)至正常水平，滿足相關(guān)海域海水水質(zhì)四類標(biāo)準(zhǔn)的要求；脫硫系統(tǒng)對(duì)海水溫度的影響主要來自脫硫塔內(nèi)吸收的煙氣熱量，海水脫硫?qū)ε潘疁卦斐傻脑黾又挡怀^1℃。

經(jīng)過電除塵后，進(jìn)入吸收塔的煙塵大多是10 μm以下的小顆粒,吸收塔對(duì)煙塵的去處率約為30%。按照有關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)，電除塵器出口的煙塵含量不高于20 mg/Nm3，則排水懸浮物濃度增量為0.195～0.202 mg/L。

海水脫硫排水中HSO3-氧化率按100%考慮，排水硫酸根增量為60.5～65.3 mg/L，較電廠所處渤海灣的天然海水增加2.08%～2.24%，遠(yuǎn)低于該指標(biāo)在自然海水環(huán)境下的波動(dòng)值。HSO3-未完全氧化可能造成脫硫排水COD增加。海水脫硫排水中HSO3-氧化率按95%考慮，排水COD增量為0.50～0.54 mg/L。由于海水脫硫排水中DO通常接近飽和狀態(tài)，遠(yuǎn)高于脫硫入口海水的DO值，微量的COD增加不會(huì)對(duì)海洋環(huán)境造成負(fù)面影響。

4.3 粉塵、脫硫灰渣處理效果分析

脫硫系統(tǒng)改造采用海水法煙氣脫硫工藝，以天然海水為吸收劑，在整套工藝中無需吸收劑卸料、儲(chǔ)存、漿液制備等過程，不產(chǎn)生粉塵，無需進(jìn)行粉塵控制。脫硫后的海水經(jīng)水質(zhì)恢復(fù)后直接排入海洋，脫硫過程不產(chǎn)生灰渣等副產(chǎn)物。

5 結(jié)語

根據(jù)上述分析，該電廠采用海水法煙氣脫硫工藝對(duì)脫硫系統(tǒng)改造，能有效地控制全廠煙氣中的粉塵和SO2排放量，使其達(dá)標(biāo)排放，滿足大氣污染物排放總量要求。脫硫排水中的各種污染物均得到了有效控制，達(dá)到了國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)，不會(huì)對(duì)海洋環(huán)境產(chǎn)生不良影響，社會(huì)效益和環(huán)境效益明顯。