烟气高效脱硫协同除尘技术

林欢

（永清环保股份有限公司，长沙 410330）

引言

目前，国内外烟气脱硫工艺采用石灰石-石膏湿法脱硫工艺的占80%以上，该技术成熟、适用的煤种范围广、脱硫效率高（可达90%以上）、安全可靠、能耗低[1]。

2015年12月2日，国务院常务会议决定，在2020年前，对燃煤机组全面实施超低排放和节能改造，大幅降低发电煤耗和污染物排放。烟气排放SO2稳定达到35mg/Nm3的超低排放标准，脱硫效率则需提升到99%以上，需对脱硫塔进行扩容改造。脱硫塔扩容改造主要有单塔双循环技术、双塔双循环技术、合金托盘技术、单塔一体化除尘技术等。对于超低排放改造项目，通常存在改造空间受限的问题。

某企业两台2×320MW机组进行超低排放提效改造，同步实施吸收塔内协同除尘措施技术改造。改造后，机组在长周期运行时，确保了烟囱入口SO2排放浓度＜28mg/Nm3，出口固体颗粒物排放浓度＜4.5mg/Nm3（标态、干基、6%O2）。

1 改造前脱硫除尘情况

2007年年初，某企业9、10号机组分别投运。脱硫装置均采用石灰石-石膏湿法工艺，一炉一塔配置，脱硫效率大于95%。脱硫系统增压风机于2014年脱硝改造时进行了引增合一改造，锅炉烟气通过引风机后接入吸收塔，烟气经吸收塔入口烟道逆流向上，与喷淋层喷入的浆液进行脱硫反应，净化后的烟气经吸收塔顶部的屋脊式除雾器除去水雾，通过烟囱排出。脱硫工程原设计燃煤含硫量为1.1%。无GGH烟气换热系统，吸收塔入口设置事故喷淋系统。原脱硫塔烟气参数见表1。2014年4月至6月对10号电除尘电控部分进行了高频电源改造，并结合4电场极线进行了相应改造，改造后除尘器出口烟尘浓度＜35mg/Nm3。

表1 原脱硫塔烟气参数

2 改造目标

脱硫除尘超低排放改造采用石灰石-石膏湿法脱硫工艺，脱硫系统性能保证值应满足：烟囱入口SO2排放浓度＜28mg/Nm3（标态、干基、6%O2），烟囱入口固体颗粒物排放浓度＜4.5mg/Nm3（标态、干基、6%O2）。

3 改造技术线路

由于项目场地空间有限，本期吸收塔改造在原址进行。根据项目特点，烟气高效脱硫协同除尘工艺具体改造路线为：1）保留原有3层喷淋层，原喷淋层喷嘴全部更换为高效雾化喷嘴，覆盖率大于300%。在原3层喷淋层上方再新增1层喷淋层，为第4层喷淋层；2）避免烟气偏流短路现象，最下层喷淋层下方增加1层均流托盘。新增第4层喷淋层下方增加1层均流托盘；3）第2层和第3层喷淋层设置增效环；4）为保证除尘效率，吸收塔烟气入口增加1套喷淋预收尘装置；5）对原吸收塔进行结构优化，吸收区塔体抬高；6）吸收塔烟道改造，与吸收塔连接烟道保持15°倾角；7）将原2级屋脊式除雾器更换为3级高效凝并式除雾器。保证除尘除雾装置出口烟气携带的液滴含量＜20mg/Nm3（干基、标态、6%氧）；8）保证浆液停留时间＞4.15min，增大浆液池容积，浆液池增高；9）为提高液气比，新增1台大容量的浆液循环泵；10）原3台罗茨氧化风机改为4台单级离心氧化风机，氧化风机采用单级离心风机，叶轮采用高强度合金钢。更换氧化空气管网。

4 改造技术分析

石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术的主要原理是：烟气中的SO2在水中溶解性好，遇到雾滴时分解为H+、HSO3-或SO42-，与吸收液中的Ca2+反应生成Ca(HSO3)2或极难溶于水的CaSO3，推动SO2进一步溶解，达到脱硫的目的[3]。化学过程为：

由反应过程可知，加快SO2的吸收和CaSO3和CaSO4结晶，可提高吸收塔的脱硫效率[4]。脱硫效率还与浆液pH值、液气比、钙硫比、烟气流速、循环浆液含固物质量分数及停留时间、粉尘浓度等因素有关[5]。吸收塔内的喷淋液滴与烟气中的粉尘逆向接触，发生碰撞、扩散、沉降，烟气高效脱硫的同时协同去除烟气中的粉尘[6]。

4.1 高效喷淋系统

当液气比一定时，吸收塔喷淋层喷嘴产生液滴直径越小，液滴的总表面积越大，雾滴与SO2、粉尘接触的面积越大，脱硫除尘效率越高。由实验结果，不同类型喷嘴脱硫效率曲线（图1）和除尘效率曲线（图2）表明：在液气比一定的情况下，双向喷嘴的脱硫、除尘效率均高于单头喷嘴。本次工程改造，将原有喷淋层的喷嘴全部换为高效雾化双头喷嘴，在原有3层喷淋层的基础上，新增1层喷淋层。高效喷雾双头喷嘴成雾性能好、喷雾效率高。喷嘴的覆盖率由200%提高为300%。不但可以提高气液两相的接触面积，也有利于烟气均布，速度场偏差小于10%，进而提高烟气脱硫除尘效率。空心双头喷嘴布置在喷淋塔靠近中心轴位置，靠近吸收塔壁的喷淋管布置实心双头喷嘴。去除粉尘的同时也可避免“趋壁效应”。

图1 不同类型喷嘴脱硫效率曲线

图2 不同类型喷嘴除尘效率曲线

4.2 双层合金托盘技术

本项目采用的合金托盘为穿流式筛板式托盘。筛板上布满均匀的筛孔。吸收剂浆液在筛板上形成一定厚度的浆液层。烟气逆向穿过筛孔时，烟气被筛板分成小股气流均匀分布到整个吸收塔截面，形成气液接触面。促进SO2更好地被吸收。筛板上的气液接触面还能去除烟气中细小的粉尘。合理的筛孔穿越流速确保了较强的惯性除尘能力。为防止石膏浆液在筛板底部结垢，筛板下方设置冲洗水管和喷嘴，定期对筛板进行冲洗。穿流式筛板托盘结构简单，可降低液气比，节约脱硫装置能耗。能有效延长气液接触时间，同时均布烟气流场，强化气液两相传质，达到高效脱硫除尘。

4.3 设置高效增效环，防止趋壁效应

对吸收塔进行流场分析发现，吸收塔内SO2浓度在吸收塔截面上分布不均，出现中间低，两边高的情况（图3）。因为吸收塔中心区域浆液喷淋密度高，阻力大，靠近吸收塔内壁的浆液喷淋密度低，烟气经过吸收塔喷淋液体时，会自动趋向吸收塔内壁阻力小的区域流动。造成整个吸收塔截面上液气比分布不均匀，引起脱硫除尘效率下降。当浆液喷到吸收塔内壁时，液膜沿吸收塔内壁流下来，造成部分气液接触面的传质效果差。部分烟气气液接触的时间短，造成烟气沿吸收塔内壁“逃逸”，从而影响脱硫效率。吸收塔设置高效增效环，将靠近吸收塔内壁的烟气驱赶到吸收塔中间区域，可避免烟气“趋壁效应”，减弱浆液对吸收塔内壁的冲刷，防止烟气短路。增加烟气与液滴的接触，提高脱硫和除尘效率。增加高效增效环后，吸收塔内SO2浓度分布明显均匀（图4）。

4.4 高效凝并式除雾器

常用的除雾器对细小粒径粉尘的捕捉效率有限，无法去除烟气中粒径＜15μm的液滴，出口粉尘很难达到＜5mg/Nm3的要求。本次改造将除雾器更换为自主研发的凝并式除雾器[7]。凝并式除雾器由三级液滴补集器和穿流式筛板托盘组成。托盘布置在第一级液滴补集器和第二级液滴补集器之间，可稀释石膏液滴，液滴固含量从10%降至2%，且可捕捉粒径小于3μm的细小粉尘。烟气通过第一级液滴补集器，大粒径液滴被去除。进入穿流式筛板托盘时，穿流式筛板托盘可置换稀释烟气携带的石膏液滴，同时捕捉细小粉尘。为防止石膏浆液在穿流式筛板托盘底部结垢，在托盘底部设置冲洗水管和喷嘴，对托盘定期进行冲洗。经过托盘后没有被去除的细小颗粒与喷嘴喷出的小粒径颗粒碰撞，凝结成大粒径液滴，大液滴经过第二级、第三级液滴补集器时被去除。高效凝并式除雾器可加强吸收塔的除尘效果，同时降低烟气中的液滴含量，防止“烟囱雨”。

图3 无高效增效环时吸收塔流场剖面图

图4 增加高效增效环后吸收塔流场剖面图

4.5 烟道优化设计

为达到更好的除尘效果，在吸收塔前烟道入口设置预收尘装置。当吸收塔出口粉尘含量高于4.5mg/Nm3，原烟气温度高于160℃时，3台以上（含3台）循环泵停运，出现任一情况，系统自动开启预收尘喷淋装置，降低粉尘含量。利用数值模拟方法对脱硫塔进行流场分析优化设计发现，如烟气水平进入吸收塔，由于空间增大，速度降低，受吸收塔壁的限制，气流在吸收塔内产生旋涡，形成强烈的湍流区，造成烟气速度不均，影响脱硫效率，也容易造成烟道入口堵塞。通过优化，烟气倾斜入口角度为15°时最为合理。

5 改造后运行结果分析

该企业9、10号机组超低排放改造工程完成168h调试后投入使用。经检测，9号机组吸收塔出口SO2排放浓度平均为15.12mg/Nm3，脱硫率平均为99.21%，吸收塔出口粉尘浓度平均为2.73mg/Nm3。10号机组吸收塔出口SO2排放浓度平均为13.47mg/Nm3，脱硫率平均为99.45%，吸收塔出口粉尘浓度平均为3.12mg/Nm3，均满足超低排放标准，通过验收。

6 结论

烟气脱硫除尘超低排放改造中，单塔一体化高效脱硫协同除尘技术，采用高效喷淋系统、双层合金托盘技术、高效凝并式除雾器、增设增效环、优化烟道设计等方法，实现烟气脱硫除尘的超低排放。相比单塔双循环改造增加浆液池、双塔双循环新增二级吸收塔、脱硫改造+新增湿式除尘器技术，单塔一体化高效脱硫协同除尘技术占地面积小，施工周期短。装置运行成本低、操作维护简单、脱硫除尘效率高，为超低排放改造提供了新思路。