精细化集成技术在燃煤电厂超低改造中的应用

吴建峰 戚磊 顾建权 赖慧

摘要：针对燃煤电厂超低排放改造存在改造工程量大，占地空间大，投资成本高的现状，本文对化学反应机理、多相流动机理、流场模拟、塔内件等进行深入的研究分析，摸索出一套适合超低改的精细化集成技术，并将研究成果应用在某电厂的实际改造工程中，通过工程改造的实际效果来验证精细化集成技术的可行性，为实现真正的节能减排改造提供一种方向。

关鍵词：湿法脱硫  超低改造  精细化设计  节能减排

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.

《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》自2015年12月公布以来，全国各地燃煤机组开展了轰轰烈烈的超低排放改造。目前，超低排放技术路线多种多样，主要有低温电除尘器、湿式静电除尘器、旋汇耦合器、单塔双循环、串塔等脱硫除尘技术，通过以上技术的组合使用，可以对SO、粉尘达到超净协同控制作用。然后，这种协同控制路线改造工程量大，占地空间大，投资成本高，且忽略了脱硫塔固有的深度脱硫除尘能力，并没有真正做到“节能”减排。本文从脱硫反应机理上进行分析，运用精细化设计技术，深度挖掘脱硫塔固有的脱硫除尘潜力，从而避免大刀阔斧的改造，实现真正的“节能”减排。

1 项目概况

本文中以某电厂660MW机组为研究对象，通过精细化设计，进一步挖掘脱硫塔脱硫除尘能力，以最低的代价来实现达标排放。该电厂当时签订的技术协议书是按照《火电厂大气污染物排放标准》（GB 13223-2011）中特别排放限值要求，按机组燃煤含硫量1.4%，SO浓度3996mg/Nm，粉尘≤60mg/Nm作为脱硫输入条件，机组BMCR工况下吸收塔出口满足SO≤94mg/Nm，粉尘≤30mg/Nm进行设计，脱硫效率≥97.6%，粉尘脱除效率≥50%。

随着2015年12月，国家发改委、环保部、国家能源局联合发布了《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》，要求全国燃煤电厂力争在2020年前实现超低达标排放（即在干基、6%O条件下，烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别≤10mg/Nm、35mg/Nm、50mg/Nm）。因此，原有的系统设计已无法满足超低排放要求，故需要对原有系统进行技改提效。

2 技改前相关情况

2.1 技改前系统介绍

脱硫装置采用一炉一塔，即每台炉设一套脱硫系统，系统主要由烟风系统、吸收塔循环系统、脱硫剂制备及供给系统、石膏脱水系统、工艺水系统、疏放系统、电气仪控系统等组成。除尘后的烟气经引风机进入吸收塔，与塔内脱硫液反应，经脱水除雾后排放。脱硫液采用内循环吸收方式，吸收SO后流入塔釜，由循环泵从塔釜打到喷淋层上，在喷淋层被喷嘴雾化，并在重力作用下落回塔釜。在吸收塔后设有除雾器，除去出口烟气中的雾滴及细小粉尘。

吸收塔底部鼓入空气对脱硫中间产物亚硫酸钙进行强制氧化，保证吸收塔中石膏品质。引出部分脱硫液至石膏脱水系统，维持塔内浆液密度恒定。通过向塔内加入石灰石浆液，维持塔釜浆液的pH值稳定及足够的脱硫有效成分，保证脱硫效率。

2.2 存在问题

随着超低排放对脱硫系统性能提出了更高的要求，原有的系统配置已无法满足达标排放要求。

3 技改措施

3.1 技改思路及方案

采用精细化设计技术，该技术基于对化学反应机理、多相流动原理、化学反应速率等进行研究分析，建立深度脱硫和高效除尘计算模型，同时结合我司多年实际项目经验，以及在脱硫等模拟技术方面的国际领先科研成果，利用CFD技术对脱硫系统流场和化学场进行数值分析，使塔内构件和设备选型达到精细化设计。精细化设计不仅是对塔内流场、化学场的精确模拟分析，更是对塔内细节的进一步优化。

3.1.1 化学需氧量分析，增大氧化风机流量

在湿法烟气脱硫塔内，烟气中的SOHCl等气体与含有CaSO、CaCO及CaSO的脱酸浆液接触并进行反应，该过程为非均相反应，过程非常复杂。石灰石浆液吸收SO的主要反应如下。

从上式中可以看出，SO的去除过程是一个气液两相吸收、反应过程，伴有物理吸收，化学反应。它主要受液相传质阻力所控制。为了提高液相传质系数，一方面可以提高浆液pH值，另一方面也可以提高氧化率。但是，石灰石是弱碱性物质，溶解需要在酸性环境中，单纯通过提升浆液碱度来提高液相传质系数非常有限。因此，控制浆池的氧化空气量对超净排放至关重要。在本项目中，原系统配置为单塔两台氧化风机，一用一备，氧化风量为16 000m/h，我们对此进行了精细化设计，通过深度脱硫和高效除尘计算模型对原有氧化空气量进行了核算，增加氧化风量，将氧化风机流量增大到25 000m/h，以满足超净排放设计要求。

3.1.2 流场分析，优化喷淋层布置及喷嘴型式

吸收塔内烟气流场的分布均匀性对SO的吸收效率和吸收塔阻力有决定性作用，合理的流场分布有利于加强气液两相的充分接触与质量传递。本项目中，我们利用CFD技术对脱硫塔内部进行了流场分析，对速度不匀的地方和吸收塔边缘增加了喷嘴的布置密度以提高喷淋覆盖率。另外，我们通过提高喷嘴压力，降低喷嘴流量来降低浆液雾化粒径。雾滴粒径越小，在塔内悬浮停留时间越长，与烟尘、SO接触机会增多，脱除效率增高。本项目中，我们将喷嘴压力从55kPa提高到78kPa，单个喷嘴流量从64m/h降至57m/h，同时顶层采用单向空心锥型喷嘴，喷出的浆液平均粒径在2000μm，除顶层外其他喷淋层采用双向空心锥型喷嘴，喷出的浆液平均粒径在1800μm。双向喷嘴除了自身产生的雾滴粒径小，浆液之间的碰撞还会产生二次雾化，使气液两相接触面积大幅度增加，从而强化了吸收塔脱硫除尘效率。

3.1.3 进行脱硫除尘模型计算，提高液气比

液气比（L/G）是指吸收塔内通过的烟气量与喷淋浆液的比值。国内很多学者吸收塔液气比对湿法烟气脱硫过程影响进行了研究，并研究出了效率与液气比之间函数关系式：

（6）

式中，γ表示脱硫效率;表示吸收速率系数;表示浆液量（m/h）;表示通过烟气量（m/h）。

从式（6）中可以看出，液气比越高，脱硫效率越高。这是因为喷淋量越多，与二氧化硫接触表面积就越大，在其他参数不变的情况下，提高液气比就是增加了塔内喷淋密度，即增加了气相与液相传质表面积，提高浆液液气比也相对提高了塔内浆液PH值，因此随着两相传质单元数的增加，脱硫效率也随之提高。本项目中，我们根据我公司自有的高效脱硫计算模型和多年设计经验，对原有喷淋量进行了核算，发现原有的液气比22.25l/Nm（入口标态，湿基）偏小。因此，此次改造新增一台12 500m/h浆液循环泵，液气比达到27.81l/Nm（入口标态，湿基），以满足超低排放要求。

3.1.4 石灰石溶解和石膏结晶过程分析，扩大浆池容积

石灰石溶解和石膏结晶主要在浆池中完成，石灰石溶解速率和石膏结晶速率将直接影响到浆池容积大小，石灰石溶解主要发生下列反应。

固体CaCO的溶解：                     （7）

（8）

（9）

石膏结晶主要发生下列反应。

CaSO和CaSO的结晶：        （10）

（11）

从式（7）可以看出，石灰石溶解速率主要受浆液中H浓度的影响。溶液酸性越强，H浓度就越高，此时传质推动力相应较大，石灰石的溶解速率就越快。同时，pH值较低时，CaSO·1/2HO溶解度较大，有利于形成高品质石膏。虽然浆液较低pH值对石灰石溶解、石膏结晶有利，但pH值太低会降低SO的吸收效果，实际运行中一般会考虑石灰石溶解、石膏结晶与SO吸收之間的一个平衡。对此，对本项目进行了石灰石溶解、石膏氧化结晶、SO吸收等过程化学场模拟，得出了本项目最佳pH控制区间为5.0～5.6，根据该pH控制区间内的反应速率得出浆液停留时间应大于4min。本项目中，原有浆池容积只有3318m，新增一台12 500m/h的循环泵后，浆液停留时间只有3.2min，对此我们将浆池抬高4m，浆池容积变为4279m，浆液停留时间变为4.1min，利于石灰石的充分溶解和石膏成核结晶。

4 技改效果

该脱硫装置及公用系统经过168h整套试运，脱硫装置及公用系统运行稳定、正常、各项指标基本满足系统安全运行及设计要求。主机最大运行负荷660MW（平均负荷470MW，原烟气流量1350kNm/h、标干、6%氧量），净烟气粉尘排放浓度<10mg/Nm（平均值仅4mg/Nm），吸收塔出口净烟气SO浓度能控制在35mg/Nm以内（平均值仅12.6mg/Nm）。参照《火力发电建设工程启动试运及验收规程》（DL/T 5437-2009）和《火力发电建设工程机组调试质量验收及评价规程》（DL/T 5295-2013），工程质量合格。实践证明，通过对脱硫系统进行精细化设计，深挖脱硫塔固有的脱硫除尘潜力，避免大刀阔斧的改造，可以实现烟气超低排放要求。

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中图分类号：X773DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2201-5640-3633

作者簡介：吴建峰（1988—），男，硕士，工程师，研究方向为能源综合利用和大气污染物治理。