燃煤火電機(jī)組超凈排放技術(shù)路線分析與選擇

徐平

(江蘇華電句容發(fā)電有限公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212300)

0 引言

目前國內(nèi)燃煤火電機(jī)組煙氣排放指標(biāo)控制大多采用石灰石濕法脫硫工藝、低氮燃燒+選擇性催化還原(SCR)脫硝裝置和配高頻電源的靜電除塵器，SO2，NOx和煙塵排放質(zhì)量濃度必須滿足 GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》［1］表2中標(biāo)準(zhǔn)限值的要求，同時(shí)還要滿足發(fā)改能源〔2014〕2093號(hào)文要求執(zhí)行的排放限值。

在國外，煙氣協(xié)同治理技術(shù)是對(duì)現(xiàn)有的燃煤電廠污染治理技術(shù)路線進(jìn)行升級(jí)改造，能實(shí)現(xiàn)超低排放，該技術(shù)主要以日本燃煤電廠為代表，重點(diǎn)在于采用了低低溫電除塵器技術(shù)，但煙囪出口污染物超低排放控制還是要靠濕法脫硫技術(shù)來把關(guān)，從這一點(diǎn)來看，濕法脫硫技術(shù)在煙氣協(xié)同治理技術(shù)中扮演著重要角色。

相比較國外先進(jìn)技術(shù)，我國已形成成熟的燃煤電廠煙氣污染治理技術(shù)(煙氣脫硝裝置+電除塵器裝置+濕法脫硫裝置)，與煙氣協(xié)同治理技術(shù)沒有本質(zhì)差異，但為什么我國燃煤電廠做不到超低排放呢?關(guān)鍵在于忽視了濕法脫硫在污染物控制中的作用［2］。

1 國內(nèi)燃煤機(jī)組煙氣中污染物控制現(xiàn)狀

我國早在20世紀(jì)90年代就引進(jìn)了濕法脫硫技術(shù)，通過消化吸收已全面掌握該技術(shù)。目前，市場(chǎng)上80%以上燃煤電廠都采用石灰石/石膏濕法脫硫技術(shù)。通過對(duì)現(xiàn)有的濕法脫硫裝置進(jìn)行分析，低SO2排放已不存在技術(shù)難題，但在不投用濕式電除塵器的工況下，對(duì)粉塵實(shí)現(xiàn)超凈排放鮮有報(bào)道，其主要原因有以下幾個(gè)方面。

1.1 煙氣中細(xì)小粉塵的收集

煙氣經(jīng)過除塵器除塵后，大顆粒的粉塵被捕集，微細(xì)粉塵占比明顯增大。常規(guī)吸收塔噴淋層霧化漿液對(duì)粒徑為1.0～2.5 μm的粉塵分級(jí)除塵效率較小，粉塵去除效率變化不明顯;對(duì)粒徑為3～5 μm的粉塵分級(jí)除塵效率較大，粉塵去除效率變化明顯;對(duì)粒徑大于5 μm的粉塵分級(jí)除塵效率區(qū)趨于穩(wěn)定，接近100%。即除霧器對(duì)粒徑大于2.5 μm的粉塵能有效收集，對(duì)粒徑小于2.5 μm的粉塵去除率很低。因此，過去許多改造工程需要在濕法脫硫吸收塔出口設(shè)置濕式電除塵裝置，以滿足煙氣粉塵排放要求。

1.2 濕法脫硫系統(tǒng)煙氣逃逸

傳統(tǒng)的濕法脫硫裝置普遍采用單塔單側(cè)入口進(jìn)氣方式，該方式會(huì)造成煙氣沿塔截面的流場(chǎng)不均，在入口對(duì)側(cè)形成高速煙氣流場(chǎng)，使煙氣到達(dá)首層噴淋層入口處流場(chǎng)分布偏流嚴(yán)重。遠(yuǎn)離吸收塔入口區(qū)域的液氣比較低，靠近吸收塔入口區(qū)域的液氣比較高，是引起近塔壁煙氣逃逸、造成煙氣達(dá)不到超凈排放的主要原因。

1.3 吸收塔協(xié)同除塵能力的疏忽

傳統(tǒng)的濕法脫硫系統(tǒng)主要以SO2脫除為主，在技術(shù)引進(jìn)時(shí)，對(duì)吸收塔協(xié)同除塵的前期研究技術(shù)未給予充分重視。國家權(quán)威機(jī)構(gòu)結(jié)合大多數(shù)脫硫裝置，包括空塔、托盤塔得出的經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為濕法脫硫的除塵效率僅為50%左右，該觀念廣泛地被環(huán)保企業(yè)和燃煤電廠所接受，產(chǎn)生這種觀念的主要原因?yàn)?一方面，舊版環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)尚不能促使企業(yè)關(guān)注濕法脫硫技術(shù)中脫硫效率之外的除塵效率，即采用常規(guī)的濕法脫硫系統(tǒng)就能滿足現(xiàn)有的SO2和煙塵的排放限值;另一方面，吸收塔漿液噴淋系統(tǒng)的除塵原理尚無成熟理論可循。

2 目前濕法脫硫超低排放技術(shù)路線［3－6］

2013年以前，國內(nèi)燃煤火電煙氣排放控制技術(shù)路線阻礙了煙氣協(xié)同治理技術(shù)在我國的推廣。相當(dāng)一部分環(huán)保企業(yè)認(rèn)為通過加大濕法脫硫系統(tǒng)的液氣比，并在吸收塔出口增設(shè)濕式電除塵裝置，即采用“電除塵器+濕法脫硫裝置+濕式電除塵裝置”技術(shù)路線來滿足超低排放要求是一種行之有效的技術(shù)選擇。

“低低溫?fù)Q熱器+低低溫電除塵器+高效除塵器脫硫裝置”是在近兩年發(fā)展起來的技術(shù)，如今已在多個(gè)項(xiàng)目中取得成功。因其與前者相比具有多方面的優(yōu)勢(shì)，2015年以來許多企業(yè)技術(shù)改造或新建項(xiàng)目已開始采用此技術(shù)。

3 關(guān)鍵應(yīng)用技術(shù)

3.1 低低溫除塵技術(shù)［7－12］

煙氣協(xié)同治理技術(shù)路線中以低低溫?fù)Q熱器+低低溫電除塵器為核心，該技術(shù)可使電除塵器出口煙塵質(zhì)量濃度大幅度降至20 mg/m3以下，且由于煙氣溫度被降至酸露點(diǎn)附近(一般為90℃左右)，一定限度降低了電除塵器出口排放的煙塵含量。

傳統(tǒng)電除塵器除塵前煙塵中粒徑為1.0～7.0 μm的粉塵顆粒質(zhì)量占比較少，主要為粒徑大于10.0 μm的粉塵顆粒，經(jīng)過除塵器除塵后，大顆粒的粉塵被捕集，微細(xì)粉塵占比明顯增大。

有關(guān)技術(shù)資料顯示，對(duì)低低溫電除塵器排放出口粒徑變化狀況進(jìn)行測(cè)試，當(dāng)電除塵器入口溫度在130℃左右時(shí)，出口粉塵平均粒徑小于2.5 μm;當(dāng)電除塵器入口溫度降至90℃附近時(shí)，電除塵器出口粉塵平均粒徑大于2.5 μm。在煙氣通過濕法脫硫系統(tǒng)時(shí)，煙塵粒徑越大，相對(duì)應(yīng)的除塵效率越高，為有效提高脫硫除塵效率創(chuàng)造了有利條件。

3.2 高效脫硫除塵技術(shù)［13－14］

在濕法脫硫系統(tǒng)前增設(shè)低低溫?fù)Q熱器+低低溫電除塵技術(shù)，為濕法脫硫超低排放技術(shù)的實(shí)施創(chuàng)造了有利條件。2014年下半年以來，托盤脫硫除塵塔技術(shù)、高效旋匯耦合脫硫除塵塔技術(shù)和單塔雙區(qū)脫硫除塵塔技術(shù)路線開始出現(xiàn)(均采取協(xié)同治理，不設(shè)置濕式電除塵裝置，達(dá)到超凈排放目標(biāo))。

3.2.1 托盤脫硫除塵塔技術(shù)

低低溫電除塵器出口煙氣進(jìn)入吸收塔后，依次通過托盤、噴淋層及除霧器。噴淋層噴嘴噴出的漿液由塔上部噴入并落到托盤上，與含塵煙氣接觸，部分粉塵被托盤篩孔流下來的液滴所捕獲，或由于氣流在改變方向時(shí)的慣性作用，部分較粗的塵粒沉降到塔的底部被底部液膜捕集;大部分微細(xì)粉塵與煙氣一起通過小孔進(jìn)入托盤上部的持液層，煙氣高速進(jìn)入持液層并激起大量的液泡，形成的液膜能有效增大煙氣與漿液的傳質(zhì)表面積，粉塵在慣性、擴(kuò)散作用的同時(shí)又不斷受到液泡的擾動(dòng)，使粉塵不斷改變方向，增加了粉塵與液體的接觸機(jī)會(huì)，煙氣得到凈化。同時(shí)，煙氣通過托盤持液層和漿液撞擊產(chǎn)生的氣泡時(shí)，氣、液、固三相混合接觸，實(shí)現(xiàn)第1階段的脫硫和除塵。

吸收塔噴淋層間設(shè)置內(nèi)部環(huán)，阻止煙氣逃逸，使用二次霧化的噴淋層噴嘴，提高噴淋層霧化漿液覆蓋率，有效提高第二階段脫硫率和除塵率。經(jīng)過吸收塔托盤的持液層、吸收塔漿液噴淋層這2階段對(duì)SO2的吸收，使吸收塔出口煙氣SO2質(zhì)量濃度小于35 mg/m3。

托盤對(duì)粒徑不小于2.5μm的粉塵具有較高的捕集效率。對(duì)粒徑為0.1～1.0 μm的粉塵有10% ～20%的捕集效率，對(duì)粒徑為1.0～2.0 μm的粉塵有20%～40%的捕集效率。這在一定程度上彌補(bǔ)了除霧器對(duì)粒徑小于2.5 μm的粉塵無法有效收集的缺陷。托盤還能增加煙氣均布效果，在空塔中，煙氣進(jìn)入吸收塔后達(dá)到噴淋層時(shí)基本都存在偏流問題;在托盤塔中，煙氣進(jìn)入吸收塔后經(jīng)過托盤得到了強(qiáng)制均布，能較好地與噴淋層漿液分布匹配，能將進(jìn)入除霧器的煙氣流速有效控制在其性能流速區(qū)間內(nèi)，降低了粉塵石膏液滴逃逸率。

根據(jù)此技術(shù)的實(shí)際運(yùn)行情況來看，當(dāng)吸收塔入口粉塵質(zhì)量濃度控制在25 mg/m3以內(nèi)、入口煙溫在90℃左右時(shí)，通過吸收塔托盤的持液層、吸收塔漿液噴淋層和除霧器的三級(jí)綜合除塵，可實(shí)現(xiàn)吸收塔出口粉塵質(zhì)量濃度小于5 mg/m3。

3.2.2 高效旋匯耦合脫硫除塵塔技術(shù)

電除塵器出口煙氣進(jìn)入吸收塔后，依次通過高效旋匯耦合器、噴淋層及離心管束式除塵裝置。煙氣進(jìn)入高效旋匯耦合裝置時(shí)，利用流體動(dòng)力學(xué)原理形成湍流空間，使氣、液、固三相充分接觸，以提高傳質(zhì)效率，實(shí)現(xiàn)第1階段的脫硫和除塵，同時(shí)，高效旋匯耦合裝置還能起到一定的煙氣均布效能。高效旋匯耦合裝置上部無噴淋層漿液持液層形成。

采取優(yōu)化噴淋層結(jié)構(gòu)，改變噴嘴布置方式，使霧化吸收塔噴淋漿液覆蓋率提高到300%以上，增大化學(xué)吸收反應(yīng)所需表面積，完成第2階段的脫硫和除塵。煙氣經(jīng)高效旋匯耦合器裝置和噴淋系統(tǒng)二次洗滌反應(yīng)，2次脫硫效率疊加，達(dá)到排放煙氣中SO2質(zhì)量濃度小于35 mg/m3的排放目標(biāo)。

煙氣經(jīng)過吸收塔噴淋層后，向上進(jìn)入管束式除塵裝置。離心管束式除塵裝置由分離器、增速器、導(dǎo)流環(huán)、匯流環(huán)及管束等構(gòu)成，以此取代常規(guī)使用的除霧器。煙氣在一級(jí)分離器作用下，使氣流高速旋轉(zhuǎn)，利用離心力原理，在管束內(nèi)壁形成液滴，進(jìn)而形成一定厚度的動(dòng)態(tài)液膜，煙氣中攜帶的細(xì)顆?；覊m及液滴持續(xù)被液膜捕獲和收集。連續(xù)旋轉(zhuǎn)上升的煙氣經(jīng)增速器調(diào)整后，再經(jīng)二級(jí)分離器去除煙氣中細(xì)顆?；覊m及液滴。同時(shí)，在增速器和分離器葉片表面形成的較厚液膜會(huì)在煙汽氣流的作用下，發(fā)生“散水”現(xiàn)象，即大液滴從葉片表面被拋灑出來。穿過液滴層的細(xì)小液滴被捕獲，變成大液滴后被桶壁液膜捕獲吸收，并經(jīng)匯流環(huán)排出，實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)小霧滴的脫除，達(dá)到排放煙氣中粉塵質(zhì)量濃度小于5mg/m3的目標(biāo)。

3.2.3 單塔雙區(qū)脫硫除塵塔技術(shù)

電除塵器出口煙氣進(jìn)入吸收塔后，依次經(jīng)過多孔性分布器、噴淋層及除霧器。噴淋層噴嘴噴出的漿液由塔上部噴入并落到多孔性分布器持液層上。煙氣通過持液層漿液和漿液撞擊產(chǎn)生的氣泡時(shí)，氣、液、固三相混合接觸，實(shí)現(xiàn)第1階段的脫硫和除塵，并達(dá)到塔內(nèi)煙氣進(jìn)入噴淋區(qū)時(shí)煙氣流場(chǎng)強(qiáng)制均布的目的。

通過設(shè)置pH分區(qū)調(diào)節(jié)器，將運(yùn)行中的吸收塔內(nèi)漿液維持上、下2種不同pH值環(huán)境的區(qū)域。上部pH值維持在4.9～5.5，實(shí)現(xiàn)石膏的氧化與結(jié)晶，石膏漿液抽出泵吸收塔抽出點(diǎn)就設(shè)置在此區(qū)域。下部pH值可維持在5.1～6.3，實(shí)現(xiàn)高效脫除SO2，吸收塔漿液循環(huán)泵入口管與吸收塔的接口、石灰石漿液注入吸收塔的注入口均設(shè)置在此區(qū)域。將吸收塔漿池中的漿液分為氧化區(qū)和吸收區(qū)，以提高脫硫效率，實(shí)現(xiàn)吸收塔出口排放煙氣中的SO2質(zhì)量濃度小于35 mg/m3。

單塔雙區(qū)脫硫除塵塔技術(shù)，首先需將吸收塔入口粉塵質(zhì)量濃度控制在25 mg/m3以內(nèi)，入口煙溫小于90℃，再通過吸收塔多孔性分布器的持液層、吸收塔漿液噴淋層和除霧器的三級(jí)綜合除塵，實(shí)現(xiàn)吸收塔出口煙氣中粉塵質(zhì)量濃度控制在5 mg/m3以內(nèi)。

4 濕法脫硫技術(shù)技術(shù)路線經(jīng)濟(jì)分析

以達(dá)到GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)所需要的初投資成本為基準(zhǔn)，對(duì)新建1000 MW燃煤電廠達(dá)到不同標(biāo)準(zhǔn)所需要的投資和運(yùn)行費(fèi)用進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表1。

從表1可以看出，高效除塵吸收塔的造價(jià)略高于常規(guī)吸收塔，使用濕式電除塵器后造價(jià)上升較大。實(shí)際運(yùn)行中，高效吸收塔的運(yùn)行成本較常規(guī)塔低。

5 濕法脫硫協(xié)同處理、超低排放技術(shù)應(yīng)用情況

表1 新建1000 MW燃煤電廠達(dá)到不同粉塵排放標(biāo)準(zhǔn)所需要的投資和運(yùn)行費(fèi)用

托盤脫硫除塵塔技術(shù)、高效旋匯耦合脫硫除塵塔技術(shù)和單塔雙區(qū)脫硫除塵塔技術(shù)路線，均需采用低低溫?fù)Q熱器+低低溫電除塵技術(shù)，吸收塔入口煙溫和粉塵含量要求也相近，如今已有成熟技術(shù)和設(shè)備系統(tǒng)滿足其指標(biāo)要求。煙氣中SO2質(zhì)量濃度小于35 mg/m3也都不難實(shí)現(xiàn)，但煙氣中粉塵質(zhì)量濃度小于5 mg/m3還需經(jīng)實(shí)際運(yùn)行情況確認(rèn)。托盤脫硫除塵塔技術(shù)目前已在多臺(tái)660 MW以上機(jī)組取得成功(華能長(zhǎng)興電廠2×660 MW機(jī)組、華能南京金陵發(fā)電有限公司2×660 MW機(jī)組、華能玉環(huán)電廠1×1000 MW機(jī)組)，但運(yùn)行中偶爾會(huì)發(fā)生超標(biāo)現(xiàn)象，具體原因還有待探究。單塔雙區(qū)脫硫除塵塔技術(shù)與托盤脫硫除塵塔除塵原理相似，但目前只有合同業(yè)績(jī)，還未取得實(shí)際業(yè)績(jī)。高效旋匯耦合脫硫除塵塔技術(shù)主要為氣流高速旋轉(zhuǎn)，利用離心力原理進(jìn)行收塵，因塔內(nèi)煙氣流速隨機(jī)組負(fù)荷變化而變化，業(yè)內(nèi)對(duì)其在機(jī)組不同負(fù)荷狀態(tài)除塵效能的可靠性存在較多質(zhì)疑。

6 結(jié)束語

綜上所述，根據(jù)目前國內(nèi)各地區(qū)的排放標(biāo)準(zhǔn)要求不同，燃煤火電廠應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程項(xiàng)目和社會(huì)發(fā)展情況設(shè)計(jì)相應(yīng)的煙氣排放指標(biāo)及污染物控制技術(shù)方案。對(duì)于目前排放要求低于燃?xì)廨啓C(jī)標(biāo)準(zhǔn)的項(xiàng)目，建議采用“低低溫?fù)Q熱器+低低溫電除塵器+高效除塵吸收塔(具有持液層托盤技術(shù))”的技術(shù)方案;對(duì)于現(xiàn)已要求達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)排放要求的項(xiàng)目，建議采用“低低溫?fù)Q熱器+低低溫電除塵器+高效除塵吸收塔(具有持液層托盤技術(shù))+濕式電除塵器”的技術(shù)方案，當(dāng)國家或地區(qū)排放標(biāo)準(zhǔn)要求達(dá)到近零標(biāo)準(zhǔn)或需要重金屬脫除時(shí)，也能滿足要求，無需改造。本文對(duì)目前國內(nèi)燃煤濕法脫硫超凈排放的技術(shù)路線問題，簡(jiǎn)單論述了其各自原理和實(shí)際運(yùn)用情況，并提出了自己的觀點(diǎn)，為燃煤火電機(jī)組濕法脫硫超凈排放技術(shù)路線的選擇提供借鑒。

［1］GB 13223—2011火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)［S］.

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