燃煤电厂脱硫除尘超低排放改造措施探讨

温卿云 谢 倩 杨西茜 何永胜( 厦门龙净环保技术有限公司，福建 厦门 36009；上海龙净环保科技工程有限公司，上海 0033)

燃煤电厂脱硫除尘超低排放改造措施探讨

温卿云1谢 倩1杨西茜1何永胜2
(1 厦门龙净环保技术有限公司，福建 厦门 361009；2上海龙净环保科技工程有限公司，上海 200331)

为了给将实施超低排放改造的燃煤电厂提供技术参考，本文从钙基湿法脱硫塔的浆液池、喷淋系统、除雾器和净烟道4个部位论述了常见的超低排放改造措施，并从增效原理和设置原则上加以说明，从而得出简单高效的浆液池pH值分区+托盘复合喷淋+高效除雾器的超低排放改造技术路线，然后以某燃煤电厂2×300MW机组为例，其改造后SO2排放浓度为20.48mg/Nm3，烟尘排放浓度为3.73mg/Nm3，实现了SO2和烟尘的超低排放，从而验证技术路线的可靠性。

超低排放；改造措施；pH值分区；托盘；喷淋；高效除雾器

2014年9月和2015年12月，国家发改委、环保部和能源局联合发布了《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020年)》和《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》，将全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造上升为一项重要的国家专项行动，要求到2020年，全国所有新建和具备改造条件的燃煤电厂力争实现超低排放(即在基准氧含量6%条件下，烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不高于10、35、50mg/m3)。

在国家超低排放政策的推动下，大气环保企业竞相革新技术，实现超低排放的工业化应用。燃煤烟气污染物烟尘、二氧化硫和氮氧化物每种污染物的超低排放均有多种技术选择，而且还需考虑不同污染物治理设施之间的协同作用，因此可以组合出很多的技术路线[1]。本文针对钙基湿法脱硫工艺，探讨钙基湿法脱硫除尘实现超低排放常见的几种改造措施，并以某燃煤电厂300MW机组的超低排放改造工程进行论证，为燃煤电厂超低排放改造提供技术参考。

1 超低排放改造的原则

燃煤电厂烟气污染物超低排放技术路线选择时应遵循“因煤制宜、因炉制宜、因地制宜、统筹协同、兼顾发展”的基本原则[2]，具体到钙基湿法脱硫协同除尘超低排放改造，则应考虑技术成熟可靠，经济性好，节约用地，施工方案简易可靠的原则。目前国家环保部已发布了HJ 2301-2017《火电厂污染防治可行技术指南》，因此在选择SO2超低排放技术路线时可参考该标准；超低排放改造必然会增加电厂的投资、运行和维护费用，据统计，一台660MW机组的超低排放改造工程将增加单位供电成本0.00847元/(kW·h)[3]，因此超低排放改造应考虑其经济性；现有钙基湿法脱硫装置大多建造于2010年之前，超低排放改造时已无多余的场地来布置大型的容器或设备，所以超低排放改造应选用节约用地的技术；超低排放改造工程的工期普遍紧张，改造施工方案只有尽量简易且安全可靠才能同时保证工期和质量。

2 常见的几种改造措施

钙基湿法烟气脱硫塔内浆液对SO2、烟尘的脱除是气液固三相流复杂的反应过程，其增效措施主要有结构优化、控制pH值和添加剂[4]，本文将对脱硫塔不同部位的增效措施进行论述和比较。

2.1 浆液池的改造措施

脱硫塔浆液池是脱硫剂浆液循环停留和石膏氧化结晶的场所，针对该部位的超低排放改造措施有加高浆液池和增加塔外浆液池，更换或增加搅拌设备和循环泵。加高浆液池或增加塔外浆液池的目的均是增大浆液池容积，以解决由于提高L/G比而导致循环浆液停留时间变短的问题。L/G比提高意味着循环浆液量的增加，若不增大浆液池容积则会降低循环浆液停留时间，影响石膏品质，因此在提高L/G比时一般都需增加浆液池容积。但实际上这种改造措施是“简单粗暴”的，因为其没有综合考虑浆液pH值对脱硫除尘效率的影响。

若综合考虑浆液pH值、L/G比和循环浆液停留时间3种因素对脱硫除尘效率的影响，则对脱硫塔浆液池区可以采用pH值分区改造措施。pH值分区改造即将脱硫塔浆液池分为2个区域：上部低pH值(pH值约5.3)区域有利于HSO3-的氧化和石膏的结晶；下部高pH值(pH值约6.1)区域为石灰石供浆和循环浆液抽取之处，有利于喷淋浆液对SO2和烟尘的脱除反应。这种技术即为“单塔双区技术”[5]，该技术同时满足了循环浆液脱除SO2和石膏浆液氧化结晶的pH值要求，具有脱硫除尘的增效作用和相对降低L/G的作用。

由此可知，脱硫塔浆液池采用pH值分区改造技术，综合考虑了各种因素对脱硫除尘效率的影响，只需加装分区隔离器而无需加高浆液池或加设塔外浆液池，改造相对简单，可节约改造工期和占地面积，因此在钙基湿法烟气脱硫除尘改造时，可优先选择此改造措施。

2.2 喷淋系统的改造措施

脱硫塔喷淋系统改造措施实际上是对喷淋吸收区的结构进行优化，常见的措施有增加喷淋层数量或间距，更换高效喷淋喷嘴或增加喷嘴数量，设置增效环，设置托盘或类似结构的增效装置。

2.2.1 喷淋层及喷嘴改造

由于超低排放改造需要增加浆液循环量(提高L/G比)，所以需对原有喷淋层改造。若原有循环泵运行状况良好，则可新增1～2台循环泵和喷淋层；若原有部分循环泵运行状况不良，则可更换部分大流量循环泵和相应的喷淋层；还有一种常见的改造措施是，由于喷淋层喷嘴类型和数量变化，喷嘴要求的运行背压增大，则可改造原有的循环泵，改变其工作点参数使得其流量降低而扬程变大，同时新增1～2台循环泵和喷淋层。

湿法脱硫喷淋层喷嘴一般采用不易堵塞的机械式雾化喷嘴，常用的喷嘴有螺旋型(猪尾巴型)喷嘴、空心/实心锥旋流喷嘴和单向双头空心/实心锥旋流喷嘴(如图1所示)。这3种喷嘴的常规选型参数如表1所示。从表1可知，空心/实心锥旋流喷嘴的雾化粒径和运行背压均适中，而单向双头空心/实心锥旋流喷嘴的雾化粒径最小，但其运行背压最高。在相同的L/G比下，喷嘴的雾化粒径越小，脱硫效率越高，而运行背压越高则意味着所需循环泵的扬程越大，电耗越大。因此，在超低排放改造的工程中，常采用空心/实心锥旋流喷嘴，并对单头单向、双头双向和单向双头进行组合配置，但应遵循每层喷淋覆盖率不小于300%，靠近脱硫塔塔壁一圈应采用实心锥喷嘴和最上层喷淋层喷嘴不应采用双向喷嘴的设计原则。

(a)螺旋型喷嘴 (b)空心锥旋流喷嘴(双向) (c)单向双头空心锥旋流喷嘴图1 三种常用的喷淋层喷嘴外形

表1 三种喷淋层喷嘴常规选型参数表

2.2.2 增设托盘或类似结构的增效装置

与托盘类似的脱硫增效装置有旋汇耦合器、多层管栅等装置。这些装置的工作原理不尽相同，但其均起着增加烟气浆液的传质速率和均流烟气的作用，本文主要论述工程应用最多的托盘增效作用。托盘是一种多孔性合金板，由多个单元孔板组成，遍布整个脱硫塔横截面上。托盘设置于若干层喷淋层下方，下落的喷淋浆液受到托盘的阻隔而形成持液层，上升的烟气穿越托盘的多孔时与持液层浆液发生剧烈的扰动沸腾，从而强化了SO2、烟尘与石灰石浆液的传质和反应速率。托盘具有均布气流、提高脱硫除尘效率、降低脱硫系统能耗和便于喷淋层检修的作用，在超低排放改造中有大量的应用[6]。根据流场数值模拟的结果，托盘开孔率为35%～38%时，持液层高度维持在100 ～200mm之间，压降维持在100～200 Pa之间[7]。实际运行中，单层托盘压降值为400～500Pa。托盘的数量可设置1～2个，可以布置在所有喷淋层的下方，也可以布置在喷淋层之间。对于脱硫塔入口SO2浓度较高(大于4000mg/Nm3)的工程，建议托盘布置在喷淋层之间，这样可以利用最下面的1～2层喷淋层喷淋预先脱除一部分的SO2和烟尘，再用托盘和其他喷淋层实现超低排放，以减少浆液循环量，节约电耗。

2.3 除雾器改造

钙基湿法脱硫的除雾器性能直接影响着最终的烟尘排放浓度[8]，因此在超低排放改造时，必须采用高效除雾器以拦截夹带的浆液。常用的高效除雾器有管束式旋流除雾器和多级高效屋脊式除雾器。管束式旋流除雾器由于受专利注册保护，在超低排放工程中的运用受限，本文主要论述多级高效屋脊式除雾器。

在超低排放改造工程中，常采用三级高效屋脊式除雾器或一级管式(可选)+三级高效屋脊式除雾器。与普通屋脊式除雾器相比，高效除雾器常分为三级，一级叶片为单纯折流板片，二级叶片带单钩片，三级叶片带双钩片(如图2所示)。

带双钩片的除雾器对小粒径的液滴的去除效率显著提高，对于粒径20μm的液滴去除率高达60.49%[9]。除此之外，三级高效屋脊式除雾器每级叶片的叶片间距逐渐变小，并设计合理的叶片倾角，这使其在具有优秀的除雾性能的同时具有较低的压降(可控制在250Pa以下)。三级高效屋脊式除雾器可以将烟气中雾滴携带量控制在20mg/Nm3以下，充分控制了烟气携带的固体颗粒物含量，确保烟尘的超低排放。

一级纯折流板叶片 二级单钩折流板叶片 三级双钩折流板叶片图2 三级高效屋脊式除雾器叶片示意图

2.4 净烟道改造

超低排放工程由于在燃煤电厂终端污染物的浓度极低，所以要求CEMS应采用高精度的监测仪表，这就要求脱硫净烟道有足够长的直段。根据HJ/T 75-2007《固定污染源烟气排放连续监测技术规范》的要求：对于颗粒物CEMS，测量烟道直段长度应不小于6倍的烟道当量直径；对于其他气态污染物CEMS，测量烟道直段长度则应不小于2.5倍的烟道当量直径。因此超低排放工程中，燃煤电厂污染物CEMS常设置于烟囱内筒上。若多台机组共用一个烟囱内筒，则需改造每个机组的烟囱前烟道，使其满足污染物CEMS的测量条件。如本文的工程实例，由于脱硫塔紧邻着烟囱，空间受限严重，所以脱硫净烟道只能设置成垂直下降直段，且其支撑结构只能生根于脱硫塔塔体上。

3 工程实例

某电厂1、2号机组为300MW亚临界间接空冷循环流化床机组，原脱硫系统采用石灰石-石膏湿法烟气空塔喷淋脱硫工艺，一炉一塔配置；原设计在FGD入口浓度达到4600mg/Nm3，脱硫效率不小于95%；当FGD入口SO2浓度达到5980mg/Nm3时，脱硫效率≥93.8%，且FGD出口SO2排放浓度小于200 mg/Nm3。

对1、2号机组原有烟气脱硫系统进行超低排放改造要求：在燃用本次改造选取的设计煤种BMCR工况下，入口SO2设计浓度为4600mg/Nm3，脱硫效率按不小于99.24%设计，SO2排放浓度小于35mg/Nm3；入口烟尘浓度为20mg/Nm3，出口烟尘浓度为5mg/Nm3。全部改造在机组检修期间竣工，工期45天。

最终的超低排放改造措施如下：

(1)脱硫塔浆液池区采用单塔双区技术改造，使得浆液池分为上部pH值低区和下部pH值高区，同时对其原有供浆管和排浆管的位置按照单塔双区的要求进行改造；利旧原有的机械搅拌器，但将原有的矛枪式氧化改为管网式氧化，原有2台氧化风机利旧。

(2)脱硫塔喷淋区域改造：新增1层喷淋层(改造后每座吸收塔共5层喷淋层)及相应的循环泵，新增1层合金托盘。其中第一层喷淋层(从下往上)对应的浆液循环泵和喷淋层完全利旧，原第二层喷淋层位置安装1层合金托盘；第二、三层喷淋层对应的浆液循环泵利旧，但改造其工作参数，适当降低循环泵流量和提高泵扬程；第四层喷淋层对应的浆液循环泵更换电机及减速机改造，改造其工作参数；第五层喷淋层对应的浆液循环泵为本次改造新增的循环泵；原有喷淋层喷嘴碳化硅实心锥喷嘴，运行背压为0.5bar，每层喷淋覆盖率为220%，改造则全部更换采用单向/双向空心锥喷嘴，运行背压0.65bar，每层喷淋覆盖率为300%。

(3)除雾器更换采用三层屋脊式+一级管式除雾器形式，出口烟气夹带的雾滴量不高于20mg/Nm3(干基)。

(4)其他改造：原有脱硫塔出口锥顶为侧出，净烟道直段只有5m，之后接入2台机组的公用烟囱。超低排放改造将脱硫塔壁板加高10m，出口锥顶改为顶出式，并设计净烟道直段长度为18m以尽量满足超低排放污染物的测量条件，并整体依靠脱硫塔支撑。

该电厂超低排放改造后运行稳定，性能指标全面达到设计要求。图3为该机组1号炉2016年4月3日至2016年4月9日的运行数据。在168个小时的运行中，脱硫塔入口SO2浓度为3289～4570mg/Nm3，出口浓度为7～31mg/Nm3，脱硫效率为99.16%～99.83%；脱硫塔入口烟尘浓度为7～15mg/Nm3，出口浓度为2.19～4.43mg/Nm3。该项目的超低排放改造最终通过了环保性能验收，性能验收报告结论为：脱硫系统入口SO2浓度为4223.10mg/m3，出口SO2排放浓度为20.48mg/m3，达到设计要求(≤35mg/m3)，脱硫系统脱硫效率为99.52%，达到设计值要求(≥99.24%)；出口烟尘浓度为3.73mg/m3，达到设计要求(≤5mg/m3)。

图3 脱硫塔进出口168h污染物监测数据

4 结语

本文提出了钙基湿法脱硫实现超低排放的改造原则，从脱硫塔的不同部位分析论述超低排放常见的几种改造措施，得出以下结论：

(1)脱硫塔浆液池改造可以采用增加浆液池体积和pH值分区两种方案。相比而言，pH值分区改造方案具有增效和提高石膏品质作用，同时又施工简单，节约占地，可优先选择。

(2)脱硫塔喷淋系统改造措施中，托盘对脱硫除尘超低排放具有多重有利作用，而高效除雾器则是控制烟尘超低排放的终端设备，这两个设备的改造直接影响着超低排放的效果。

(3)脱硫塔净烟道应改造成有足够的直段以满足污染物监测的要求，若其整体难以独立支撑时，可支撑于脱硫塔上。

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Thediscussionofultra-lowemissionsreformmeasuresforcoal-firedpowerplantdesulfurizationanddedusting

Wen Qingyun1，Xie Qian1，Yang Xiqian1，He Yongsheng2
(1.Xiamen Longking Environmental Technology Co.,Ltd., Xiamen 361009, China;2.Shanghai Longking Environmental Protection Co.,Ltd., Shanghai 200331, China)

In order to provide technical reference for the coal-fired power plant which will carry out the ultra-low emission transformation, this paper discussed the common ultra-low-emission transformation measures from the four parts of the calcium-based wet desulfurization tower, the sprinkler system, the defogger and the net flue, and explained from the efficiency theory and design principle, reached a simple and efficient reforming technology, pH partition in slurry pool+ pallet compound spray + high efficiency demister reforming. With this reforming, a coal-fired power plant of 2×300MW units, realized the ultra-low emission of SO2and soot, the SO2emission concentration was 20.48mg/Nm3and the smoke emission concentration was 3.73mg/Nm3, thus verifying the reliability of the technical route.

ultra-low emission；reform measures；pH division；pallet；spray；efficient demister

X505

A

低成本超低排放技术与高端制造装备(2016YFC0203703)

2017-08-24； 2017-09-18修回

温卿云(1983-)，男，硕士，研究方向：环保工程技术，余热利用技术，化工换热技术等。E-mail：wenqingyun@slep.net.cn