单塔一体化技术在燃煤电站锅炉烟气超低排放上的运用

摘要：新标准的制定和超低排放迫使燃煤电站必须选择经济可靠的超低排放技术路线，本文介绍了清新环境自主研发的单塔一体化技术的工艺原理及技术特点，并针对三个个电厂的改造情况和运行效果进行了介绍，表明该技术能够适应各种机组的超低排放技术改造，也为新机组的脱硫系统的设计选型提供参考。

关键词：单塔 一体化 超低 脱硫 除尘

随着我国火电厂大气污染物排放新标准（GB13223-2011）的颁布实施，几乎所有的燃煤机组都安装了脱硫装置，对于重点地区要求按照二氧化硫50 mg/Nm3，氮氧化物100mg/Nm3，烟尘20 mg/Nm3执行[1]。由于2013年年底开始爆发的全国性雾霾，国家要求进一步降低电力行业污染物排放水平，《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014—2020年）》（发改能源[2014]2093号文）要求火电机组有条件的执行燃机排放标准（也称为超低排放标准），即污染物排放限值按照二氧化硫35 mg/Nm3、氮氧化物50 mg/Nm3，烟尘5 mg/Nm3执行。因此现有燃煤机组的环保设施还需要进一步改造优化。

由于NOx的控制主要依靠锅炉本体范围的低NOx燃烧技术和SCR技术，所以国内超低排放的技术路线一般都按脱硫除尘的工艺进行分类，高效脱硫技术包括双塔双循环、单塔双循环、单塔三区、双托盘、文丘里棒和旋汇耦合脱硫技术，而除尘的工艺包括前端的低低温除尘、后端的湿式静电除尘和管束式除尘除雾装置。超低排放的技术路线耦合了高效脱硫和高效除尘技术，包括菲达、龙净、凯迪、清新环境等公司都提出了自己的技术路线，但需要从减排效果和节能降耗两方面综合考虑，同时还要兼顾到系统运行的稳定性、改造难易程度和投资费用等进行全面评估。本文将针对清新环境的单塔一体化超低排放技术（简称SPC-3D技术）及其运用情况进行介绍和分析。

 1  单塔一体化技术介绍

SPC-3D脱硫除尘深度净化技术由清新环境自主研发，在一个塔内实现了以较低能耗完成燃煤烟气SO2和粉尘的超低排放。该一体化技术耦合了旋汇耦合技术、高效喷淋技术和管束式除尘除雾技术，对于脱硫和除尘的脱除效果是相互耦合和叠加的，优化的设计组合保证了最终污染物的超低排放。

图1是单塔一体化技术集成示意图，烟气通过旋汇耦合装置与浆液产生可控湍流空间, 提高气液固三相传质速率，完成一级脱硫除尘，同时实现了快速降温及流场均布；烟气继续经过高效喷淋系统，实现SO2的深度脱除及粉尘的二次脱除；烟气进入管束式除尘除雾装置，在旋流分离器产生的高速离心力作用下，雾滴与尘向筒体壁面运动，在运动过程中相互碰撞、凝聚成较大的液滴，液滴被抛向筒体内壁表面，被壁面附着的液膜层捕获，实现粉尘和雾滴的深度脱除。在分离器之间设置导流环，提升气流的离心运动速度，并维持合适的气流分布状态，以控制液膜厚度，控制气流的出口状态，防止液滴的二次夹带。塔内的核心部件湍流器、喷淋系统和管束除尘装置如图2所示。

通过多年的实践和运行效果表明，SPC-3D技术具有如下特点：

（1）均气效果好

塔内烟气和浆液分布不均容易造成烟气短路形成盲区，这也是造成脱硫效率低和运行成本高的重要原因。安装旋汇耦合装置的脱硫塔，CFD模拟显示均气效果比一般空塔提高15-30%，脱硫装置能在比较经济、稳定的状态下运行。

（2）传质效率高

传质速率是决定脱硫效率的关键指标，而旋汇耦合装置改变进塔气体的流动状态（由层流变成湍流态），降低了气液膜阻力，增加液气接触面积，从而提高气液传质速率。

（3）降温速度快

从湍流器端面进入的烟气，与浆液通过旋流和汇流的耦合、旋转、翻覆形成湍流度很大的气液传质体系，烟气温度迅速下降，有利于塔内气液的充分反应。

（4）高效喷淋系统

优化的喷淋布置方式，打造合理的覆盖率，自主开发的高效喷嘴的组合，在提升自身雾化效果的同时提高了二次碰撞的效果。同时设计了防壁流装置，避免气液短路 。

（4）   适应性强

适用于不同的工艺和工况，由于良好的均气效果，受气量大小影响较小，系统稳定性强；受进塔烟气二氧化硫浓度变化影响小，脱硫效率高，适用于不同煤种，对于高硫煤优势更明显。对粉尘的适应性广，在进口粉尘浓度低于50mg/Nm3时，可以保证出口浓度小于10mg/Nm3；进口粉尘浓度小于30mg/Nm3，出口浓度可以小于5mg/Nm3.

（5）能耗低

增加液气比能提高脱硫效率，但液气比增加的同时也使浆液循环泵电耗相应增加。采用旋汇耦合专利技术的湍流塔在低液气比时能保证较高的脱硫效率，尽管湍流器和管式除尘装

置会增加一部分阻力，但整个系统能耗会降低，据统计，比同类技术节约电能8%--10%。考虑到除尘，与采用湿电技术的技术路线相比，电耗会降低20%以上。

 2 SPC-3D技术在300MW机组上的运用

 山西某热电厂二期原为2×300MW供热发电机组，在2014年6月将其扩容至2×320MW，2014年8月，采用了“单塔一体化技术”对3#机组脱硫系统进行改造示范，该工程已于2014年9月完成改造并成功投运。

改造范围如下：

（1）管束式除尘装置安装

     拆除原有二级除雾器及其冲洗水，更换为管束式除尘装置

（2）喷淋层改造

     增加1层喷淋层和1台循环泵

     优化原有喷淋系统

（3）湍流器改造

     拆除原有一代湍流器，更换为二代湍流器

表1   改造前后设计条件和实际排放

 改造前后的数据如表1所示，在烟气量增加的情况下达到了超低排放，2014年11月由大同市环境监测站、山西省环境监测站、华北电科院分别进行了现场实测[2][3][4]。数据显示，

吸收塔入口SO2浓度1988~2505mg/Nm3，粉尘浓度9.1~35.5mg/Nm3，三台泵运行时，出口SO2浓度为21~31mg/Nm3，粉尘浓度为3.8~4.7mg/Nm3，四台泵运行时，吸收塔入口SO2浓度为2981mg/Nm3，出口浓度为12mg/Nm3，脱硫效率可达99.6%。

在进行超低排放改造的前提下也进行相关系统的节能改造，包括循环泵变频运行、氧化风机和真空泵的节能运行方式优化，改造后按原有标准运行耗电率为0.86%，超净排放运行时耗电率为1.01%，依然低于改造前的耗电量1.19%，如表2所示。

 表2   #3脱硫用电量统计表

3 SPC-3D技术在600MW机组上的运用

 内蒙某电厂现有装机容量为8×600MW，其中#1～#4机组为湿冷、#5～#8机组为空冷机组，烟气脱硫均采用石灰石－石膏湿法脱硫工艺，一炉一塔。其中#1机组脱硫系统设3层喷淋，浆液循环泵配置情况如下：

#1泵流量9800m3/h ，电机功率1120kw

#2泵流量9800m3/h ，电机功率1000kw

#1泵流量6500m3/h ，电机功率560kw

该系统原设计含硫量为0.75%，配有增压风机和旁路挡板，无GGH，为提高脱硫设施可靠性以满足火电厂大气污染物排放新标准（2011）的要求，同时为了适应煤质的变化，在2013年对脱硫系统进行了增容改造，包括：

（1）   取消增压风机，拆除旁路挡板；

（2）   吸收塔内加装第二代高效低阻的旋汇耦合装置；

（3）   浆液喷淋系统喷嘴进行调整及更换，保证喷淋系统的均匀性；

（4）   为了应对入炉煤硫含量较高保证浆池反应所需耗氧量，新增1路氧化风管路；

2014年年底考虑到超低排放，又将原有的除雾器更换为新型的管束式除尘除雾装置。改造后由华北电科院进行了性能试验，数据表明入口SO2在2100mg/Nm3时，开启两台泵能够保证出口SO2为50 mg/Nm3，三台泵运行时，排放能小于35mg/Nm3；入口尘在30.2 mg/Nm3

时，出口尘为3.25 mg/Nm3。为了应对将来更高硫的运行工况，准备通过增加一层喷淋层实现脱硫的超净排放。

 4 SPC-3D技术在1000MW机组上的运用

 四川某发电厂一期工程建设2×1050MW超超临界燃煤发电机组， 同步配套建设2套石灰石—石膏湿法烟气脱硫装置及公用系统。新建工程在设计时脱硫系统按锅炉校核煤种（含硫量0.8%，脱硫装置入口SO2浓度为1894mg/Nm3）作为脱硫设计煤种进行设计，设计脱硫效率≥96%，SO2排放浓度≤76mg/Nm3。实施过程中考虑燃煤含硫量的变化，脱硫系统又按含硫量为1.2%（脱硫装置入口SO2浓度为2833mg/Nm3）进行扩容设计，设计脱硫效率≥96.5%，SO2排放浓度≤100mg/Nm3。最终考虑到超低排放，本期工程在锅炉校核煤种含硫量为0.53%（脱硫装置入口SO2浓度为1170mg/Nm3）对脱硫系统进行提效改造，满足SO2排放≤35mg/Nm3，粉尘排放≤5 mg/Nm3的要求，脱硫装置效率≥97.1%。设计条件如表3所示。

表3   超低排放改造吸收塔入口设计基础数据（单台炉、BMCR工况）

 原有的烟气系统、SO2吸收系统、浆液制备系统、石膏脱水系统、工艺水系统、排空系统以及废水处理系统完全满足提效后系统出力要求，不需改造，仅对原吸收塔内部湍流器及除雾器进行改造，原除雾器冲洗水量及冲洗水泵参数不变。改造范围如下：

（1）将一代湍流器换成二代湍流器，提高脱硫效率。

（1）吸收塔除雾器改造，取消原吸收塔内的三级除雾器（2层屋脊式+1级管式），改造为管束式除尘装置及相应的冲洗水系统。

 经过改造后，1#机组已于2015年2月完成168h运行并开始商业化运行， 168h期间（2015年2月3日到2月9日）现场运行数据显示，满负荷下，SO2进口浓度在771~1023mg/Nm3时，SO2出口为2.3~19.0mg/Nm3；入口粉尘浓度为11.7~21.2mg/Nm3时，出口粉尘浓度为1.8~4.2mg/Nm3。完全达到了设计要求和污染物的超低排放。

 5 结论

 上述应用案列表明单塔一体化技术（SPC-3D技术）完全可以在一个吸收塔内脱硫除尘除雾，实现污染物的超低排放，SO2达到35mg/Nm3以下，粉尘达到5mg/Nm3以下 。SPC-3D技术系统电耗要比同类技术低20%-30%，有效降低了运行成本。同等排放指标要求下，比常规技术投资低40%左右，减少了企业的投资压力。另外系统改造简便，在一个塔内完成，没有附加装置，且不增加动设备和用电设备，便于运行人员的实际操作，20~40天即可完成整个工程改造。

SPC-3D技术具有单塔高效、能耗低、适应性强、工期短、不额外增加场地、操作简便等特点，为现役机组提效改造及新建机组实现超低排放和深度净化提供了创新性的一体化解决方案。

参考文献

[1] 火电厂大气污染物排放标准（GB13223-2011）,环境保护部、国家质量监督检验检疫总局发布。

[2] 建设项目竣工环境保护验收监测报告，大同环境监测站，同环监字（2014）第37号。

[3] #3机组脱硫改造后性能试验报告，华北电力科学研究院有限责任公司，GL/环保-328-2014。

[4] #3机组废气污染源现状监测，山西省环境监测中心，晋环监字【2014】第059号。

编辑：张伟