精細(xì)化集成技術(shù)在燃煤電廠超低改造中的應(yīng)用

吳建峰 戚磊 顧建權(quán) 賴(lài)慧

摘要：針對(duì)燃煤電廠超低排放改造存在改造工程量大，占地空間大，投資成本高的現(xiàn)狀，本文對(duì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、多相流動(dòng)機(jī)理、流場(chǎng)模擬、塔內(nèi)件等進(jìn)行深入的研究分析，摸索出一套適合超低改的精細(xì)化集成技術(shù)，并將研究成果應(yīng)用在某電廠的實(shí)際改造工程中，通過(guò)工程改造的實(shí)際效果來(lái)驗(yàn)證精細(xì)化集成技術(shù)的可行性，為實(shí)現(xiàn)真正的節(jié)能減排改造提供一種方向。

關(guān)鍵詞：濕法脫硫 ?超低改造??精細(xì)化設(shè)計(jì) ?節(jié)能減排

Application of Detailed Integration Technology in Ultra-low Transformation of Coal-fired Power Plants

WU Jianfeng??Qi Lei ?Gu Jianquan ?Lai Hui

（Pyneo Co.， Ltd.， Hangzhou， Zhejiang Province， 311121 China）

Abstract：The ultra-low emission transformation of coal-fired power plants have?the status of large amount of transformation， large space and high investment cost， the chemical reaction mechanism， multiphase flow mechanism， flow field simulation， tower inner parts and so on are deeply studied and analyzed， and find out a set of detailed?integration technology suitable for ultra-low transformation.The research results are applied to the actual transformation project of a power plant， and the feasibility of the detailed integration technology is verified by the actual transformation project， which provides a direction for the realization of the real energy conservation and emission reduction.

Key Words：Wet desulphurization; Ultra-low transformation; Detailed design; Energy conservation and emission reduction.

《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》自2015年12月公布以來(lái)，全國(guó)各地燃煤機(jī)組開(kāi)展了轟轟烈烈的超低排放改造。目前，超低排放技術(shù)路線多種多樣，主要有低溫電除塵器、濕式靜電除塵器、旋匯耦合器、單塔雙循環(huán)、串塔等脫硫除塵技術(shù)，通過(guò)以上技術(shù)的組合使用，可以對(duì)SO、粉塵達(dá)到超凈協(xié)同控制作用。然后，這種協(xié)同控制路線改造工程量大，占地空間大，投資成本高，且忽略了脫硫塔固有的深度脫硫除塵能力，并沒(méi)有真正做到“節(jié)能”減排。本文從脫硫反應(yīng)機(jī)理上進(jìn)行分析，運(yùn)用精細(xì)化設(shè)計(jì)技術(shù)，深度挖掘脫硫塔固有的脫硫除塵潛力，從而避免大刀闊斧的改造，實(shí)現(xiàn)真正的“節(jié)能”減排。

1?項(xiàng)目概況

本文中以某電廠660MW機(jī)組為研究對(duì)象，通過(guò)精細(xì)化設(shè)計(jì)，進(jìn)一步挖掘脫硫塔脫硫除塵能力，以最低的代價(jià)來(lái)實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。該電廠當(dāng)時(shí)簽訂的技術(shù)協(xié)議書(shū)是按照《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB?13223-2011）中特別排放限值要求，按機(jī)組燃煤含硫量1.4%，SO濃度3996mg/Nm，粉塵≤60mg/Nm作為脫硫輸入條件，機(jī)組BMCR工況下吸收塔出口滿(mǎn)足SO≤94mg/Nm，粉塵≤30mg/Nm進(jìn)行設(shè)計(jì)，脫硫效率≥97.6%，粉塵脫除效率≥50%。

隨著2015年12月，國(guó)家發(fā)改委、環(huán)保部、國(guó)家能源局聯(lián)合發(fā)布了《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》，要求全國(guó)燃煤電廠力爭(zhēng)在2020年前實(shí)現(xiàn)超低達(dá)標(biāo)排放（即在干基、6%O條件下，煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別≤10mg/Nm、35mg/Nm、50mg/Nm）。因此，原有的系統(tǒng)設(shè)計(jì)已無(wú)法滿(mǎn)足超低排放要求，故需要對(duì)原有系統(tǒng)進(jìn)行技改提效。

2?技改前相關(guān)情況

2.1?技改前系統(tǒng)介紹

脫硫裝置采用一爐一塔，即每臺(tái)爐設(shè)一套脫硫系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由煙風(fēng)系統(tǒng)、吸收塔循環(huán)系統(tǒng)、脫硫劑制備及供給系統(tǒng)、石膏脫水系統(tǒng)、工藝水系統(tǒng)、疏放系統(tǒng)、電氣儀控系統(tǒng)等組成。除塵后的煙氣經(jīng)引風(fēng)機(jī)進(jìn)入吸收塔，與塔內(nèi)脫硫液反應(yīng)，經(jīng)脫水除霧后排放。脫硫液采用內(nèi)循環(huán)吸收方式，吸收SO后流入塔釜，由循環(huán)泵從塔釜打到噴淋層上，在噴淋層被噴嘴霧化，并在重力作用下落回塔釜。在吸收塔后設(shè)有除霧器，除去出口煙氣中的霧滴及細(xì)小粉塵。

吸收塔底部鼓入空氣對(duì)脫硫中間產(chǎn)物亞硫酸鈣進(jìn)行強(qiáng)制氧化，保證吸收塔中石膏品質(zhì)。引出部分脫硫液至石膏脫水系統(tǒng)，維持塔內(nèi)漿液密度恒定。通過(guò)向塔內(nèi)加入石灰石漿液，維持塔釜漿液的pH值穩(wěn)定及足夠的脫硫有效成分，保證脫硫效率。

2.2?存在問(wèn)題

隨著超低排放對(duì)脫硫系統(tǒng)性能提出了更高的要求，原有的系統(tǒng)配置已無(wú)法滿(mǎn)足達(dá)標(biāo)排放要求。

3?技改措施

3.1?技改思路及方案

采用精細(xì)化設(shè)計(jì)技術(shù)，該技術(shù)基于對(duì)化學(xué)反應(yīng)機(jī)理、多相流動(dòng)原理、化學(xué)反應(yīng)速率等進(jìn)行研究分析，建立深度脫硫和高效除塵計(jì)算模型，同時(shí)結(jié)合我司多年實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，以及在脫硫等模擬技術(shù)方面的國(guó)際領(lǐng)先科研成果，利用CFD技術(shù)對(duì)脫硫系統(tǒng)流場(chǎng)和化學(xué)場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值分析，使塔內(nèi)構(gòu)件和設(shè)備選型達(dá)到精細(xì)化設(shè)計(jì)。精細(xì)化設(shè)計(jì)不僅是對(duì)塔內(nèi)流場(chǎng)、化學(xué)場(chǎng)的精確模擬分析，更是對(duì)塔內(nèi)細(xì)節(jié)的進(jìn)一步優(yōu)化。

3.1.1?化學(xué)需氧量分析，增大氧化風(fēng)機(jī)流量

在濕法煙氣脫硫塔內(nèi)，煙氣中的SOHCl等氣體與含有CaSO、CaCO及CaSO的脫酸漿液接觸并進(jìn)行反應(yīng)，該過(guò)程為非均相反應(yīng)，過(guò)程非常復(fù)雜。石灰石漿液吸收SO的主要反應(yīng)如下。

從上式中可以看出，SO的去除過(guò)程是一個(gè)氣液兩相吸收、反應(yīng)過(guò)程，伴有物理吸收，化學(xué)反應(yīng)。它主要受液相傳質(zhì)阻力所控制。為了提高液相傳質(zhì)系數(shù)，一方面可以提高漿液pH值，另一方面也可以提高氧化率。但是，石灰石是弱堿性物質(zhì)，溶解需要在酸性環(huán)境中，單純通過(guò)提升漿液堿度來(lái)提高液相傳質(zhì)系數(shù)非常有限。因此，控制漿池的氧化空氣量對(duì)超凈排放至關(guān)重要。在本項(xiàng)目中，原系統(tǒng)配置為單塔兩臺(tái)氧化風(fēng)機(jī)，一用一備，氧化風(fēng)量為16?000m/h，我們對(duì)此進(jìn)行了精細(xì)化設(shè)計(jì)，通過(guò)深度脫硫和高效除塵計(jì)算模型對(duì)原有氧化空氣量進(jìn)行了核算，增加氧化風(fēng)量，將氧化風(fēng)機(jī)流量增大到25?000m/h，以滿(mǎn)足超凈排放設(shè)計(jì)要求。

3.1.2?流場(chǎng)分析，優(yōu)化噴淋層布置及噴嘴型式

吸收塔內(nèi)煙氣流場(chǎng)的分布均勻性對(duì)SO的吸收效率和吸收塔阻力有決定性作用，合理的流場(chǎng)分布有利于加強(qiáng)氣液兩相的充分接觸與質(zhì)量傳遞。本項(xiàng)目中，我們利用CFD技術(shù)對(duì)脫硫塔內(nèi)部進(jìn)行了流場(chǎng)分析，對(duì)速度不勻的地方和吸收塔邊緣增加了噴嘴的布置密度以提高噴淋覆蓋率。另外，我們通過(guò)提高噴嘴壓力，降低噴嘴流量來(lái)降低漿液霧化粒徑。霧滴粒徑越小，在塔內(nèi)懸浮停留時(shí)間越長(zhǎng)，與煙塵、SO接觸機(jī)會(huì)增多，脫除效率增高。本項(xiàng)目中，我們將噴嘴壓力從55kPa提高到78kPa，單個(gè)噴嘴流量從64m/h降至57m/h，同時(shí)頂層采用單向空心錐型噴嘴，噴出的漿液平均粒徑在2000μm，除頂層外其他噴淋層采用雙向空心錐型噴嘴，噴出的漿液平均粒徑在1800μm。雙向噴嘴除了自身產(chǎn)生的霧滴粒徑小，漿液之間的碰撞還會(huì)產(chǎn)生二次霧化，使氣液兩相接觸面積大幅度增加，從而強(qiáng)化了吸收塔脫硫除塵效率。

3.1.3?進(jìn)行脫硫除塵模型計(jì)算，提高液氣比

液氣比（L/G）是指吸收塔內(nèi)通過(guò)的煙氣量與噴淋漿液的比值。國(guó)內(nèi)很多學(xué)者吸收塔液氣比對(duì)濕法煙氣脫硫過(guò)程影響進(jìn)行了研究，并研究出了效率與液氣比之間函數(shù)關(guān)系式：

（6）

式中，γ表示脫硫效率;表示吸收速率系數(shù);表示漿液量（m/h）;表示通過(guò)煙氣量（m/h）。

從式（6）中可以看出，液氣比越高，脫硫效率越高。這是因?yàn)閲娏芰吭蕉啵c二氧化硫接觸表面積就越大，在其他參數(shù)不變的情況下，提高液氣比就是增加了塔內(nèi)噴淋密度，即增加了氣相與液相傳質(zhì)表面積，提高漿液液氣比也相對(duì)提高了塔內(nèi)漿液PH值，因此隨著兩相傳質(zhì)單元數(shù)的增加，脫硫效率也隨之提高。本項(xiàng)目中，我們根據(jù)我公司自有的高效脫硫計(jì)算模型和多年設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，對(duì)原有噴淋量進(jìn)行了核算，發(fā)現(xiàn)原有的液氣比22.25l/Nm（入口標(biāo)態(tài)，濕基）偏小。因此，此次改造新增一臺(tái)12?500m/h漿液循環(huán)泵，液氣比達(dá)到27.81l/Nm（入口標(biāo)態(tài)，濕基），以滿(mǎn)足超低排放要求。

3.1.4?石灰石溶解和石膏結(jié)晶過(guò)程分析，擴(kuò)大漿池容積

石灰石溶解和石膏結(jié)晶主要在漿池中完成，石灰石溶解速率和石膏結(jié)晶速率將直接影響到漿池容積大小，石灰石溶解主要發(fā)生下列反應(yīng)。

固體CaCO的溶解：?????????????????????（7）

（8）

（9）

石膏結(jié)晶主要發(fā)生下列反應(yīng)。

CaSO和CaSO的結(jié)晶：??????? （10）

（11）

從式（7）可以看出，石灰石溶解速率主要受漿液中H濃度的影響。溶液酸性越強(qiáng)，H濃度就越高，此時(shí)傳質(zhì)推動(dòng)力相應(yīng)較大，石灰石的溶解速率就越快。同時(shí)，pH值較低時(shí)，CaSO·1/2HO溶解度較大，有利于形成高品質(zhì)石膏。雖然漿液較低pH值對(duì)石灰石溶解、石膏結(jié)晶有利，但pH值太低會(huì)降低SO的吸收效果，實(shí)際運(yùn)行中一般會(huì)考慮石灰石溶解、石膏結(jié)晶與SO吸收之間的一個(gè)平衡。對(duì)此，對(duì)本項(xiàng)目進(jìn)行了石灰石溶解、石膏氧化結(jié)晶、SO吸收等過(guò)程化學(xué)場(chǎng)模擬，得出了本項(xiàng)目最佳pH控制區(qū)間為5.0～5.6，根據(jù)該pH控制區(qū)間內(nèi)的反應(yīng)速率得出漿液停留時(shí)間應(yīng)大于4min。本項(xiàng)目中，原有漿池容積只有3318m，新增一臺(tái)12?500m/h的循環(huán)泵后，漿液停留時(shí)間只有3.2min，對(duì)此我們將漿池抬高4m，漿池容積變?yōu)?279m，漿液停留時(shí)間變?yōu)?.1min，利于石灰石的充分溶解和石膏成核結(jié)晶。

4?技改效果

該脫硫裝置及公用系統(tǒng)經(jīng)過(guò)168h整套試運(yùn)，脫硫裝置及公用系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、正常、各項(xiàng)指標(biāo)基本滿(mǎn)足系統(tǒng)安全運(yùn)行及設(shè)計(jì)要求。主機(jī)最大運(yùn)行負(fù)荷660MW（平均負(fù)荷470MW，原煙氣流量1350kNm/h、標(biāo)干、6%氧量），凈煙氣粉塵排放濃度<10mg/Nm（平均值僅4mg/Nm），吸收塔出口凈煙氣SO濃度能控制在35mg/Nm以?xún)?nèi)（平均值僅12.6mg/Nm）。參照《火力發(fā)電建設(shè)工程啟動(dòng)試運(yùn)及驗(yàn)收規(guī)程》（DL/T 5437-2009）和《火力發(fā)電建設(shè)工程機(jī)組調(diào)試質(zhì)量驗(yàn)收及評(píng)價(jià)規(guī)程》（DL/T?5295-2013），工程質(zhì)量合格。實(shí)踐證明，通過(guò)對(duì)脫硫系統(tǒng)進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，深挖脫硫塔固有的脫硫除塵潛力，避免大刀闊斧的改造，可以實(shí)現(xiàn)煙氣超低排放要求。

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中圖分類(lèi)號(hào)：X773DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2201-5640-3633

作者簡(jiǎn)介：吳建峰（1988—），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)槟茉淳C合利用和大氣污染物治理。