燃煤電廠污染物超低排放吸收塔改造設計

馮立波，羅鐘高

(1.浙江天地環保工程有限公司，杭州 310003；2.浙江省電力設計院，杭州 310012)

燃煤電廠污染物超低排放吸收塔改造設計

馮立波1，羅鐘高2

(1.浙江天地環保工程有限公司，杭州 310003；2.浙江省電力設計院，杭州 310012)

隨著燃煤電廠的發展，煙氣中二氧化硫和氮氧化物等污染物排放量將會相應增加，此造成的大氣污染問題也日漸嚴重。為采取有效的措施控制，目前國內已開展燃煤電廠污染物超低排放工程的建設。面對我國以煤炭為主能源品種消費結構和日益艱巨的環保壓力，浙能集團在全國率先實施超低排放示范改造，創新煤炭的清潔燃燒和清潔排放技術，將給整個燃煤電廠行業拓展了新空間，帶來新的發展機遇。主要對燃煤電廠污染物超低排放吸收塔改造設計進行了較為系統的闡述。

燃煤電廠；超低排放；吸收塔

隨著國家整體實力的提升，對環境保護的意識逐漸加強，國家出臺的大氣污染物控制法規日漸嚴格，對于“長三角”東南沿海重點地區，燃煤電廠所面臨的污染物排放標準已經接近于發達國家的環保法規要求。我國能源生產和消費方式也正在發生變化，低碳清潔能源應用的比重正逐步上升。燃煤電廠是煙塵、二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOx)等大氣污染物的主要排放源，隨著國家大氣污染防治行動計劃的實施，對燃煤電廠實施嚴格的超低改造已是大勢所趨。

為創新傳統燃煤電廠的發展方式，切實履行環境質量和公眾健康的社會責任，浙能集團在滿足現行國家排放標準的基礎上，實施更為嚴格的排放標準，在全國率先提出并實施“燃煤電廠煙氣超低排放”，要求燃煤電廠的大氣主要污染物排放標準達到天然氣燃氣機組的排放標準，即煙塵5 mg/Nm3，二氧化硫35 mg/Nm3，氮氧化物50 mg/Nm3。本文以某2×600 MW機組燃煤電廠污染物超低排放吸收塔改造為例，對提效技術及改造設計方案等進行闡述。

1 吸收塔改造提效技術及設計方案

在燃煤電廠超低排放工程中，對燃煤電廠現有的脫硝設備、除塵設備和脫硫設備進行提效，并引入新的環保設備和環保技術對汞和三氧化硫進行進一步脫除，使電廠排放的煙塵、氮氧化物、二氧化硫、汞和三氧化硫達到超低排放求。針對氮氧化物，通過實施鍋爐低氮燃燒改造、SCR 脫硝系統增設新型催化劑等技術措施實現脫硝提效。針對煙塵、三氧化硫和汞，采用高頻電源低溫靜電除塵器、高效脫硫吸收塔和濕式電除塵器等裝置對煙氣進行協同脫除實現超低排放。針對二氧化硫，主要是對脫硫裝置進行改進，采用增加液氣比、增設均流提效板、脫硫增效環和脫硫添加劑等方式，實現脫硫提效。脫硫裝置提效后，煙囪入口SO2的排放濃度將降低到35 mg/Nm3以下，以實現超低排放工程對二氧化硫排放的控制目標。二氧化硫、氮氧化物和煙塵排放量是超低排放項目的三大關鍵指標，吸收塔既是決定脫硫效率的核心裝置，同時也是決定濕式電除塵能否實現有效除塵的關鍵環節。

吸收塔塔體為大型薄壁殼體鋼結構，吸收塔內布置噴淋層、除霧器、攪拌器等內件，吸收塔設計是脫硫技術國產化和自主化的關鍵，設計過程中需進行氣-液-固多相場的計算流體力學(CFD)分析研究。因改造中交互噴淋層支撐梁荷載有所增加，通常利用有限元分析軟件來分析該處支撐鋼梁等結構的應力和變形，同時根據工程經驗，對計算結果利用相關規范和標準來衡量，為吸收塔結構設計提供可靠的依據[1]。

以某2×600 MW機組為例，該機組超低排放工程改造兩套處理100%BMCR煙氣量的脫硝、除塵和脫硫裝置。超低排放改造工程的目標：煙囪出口氮氧化物(NOx)排放濃度不大于45 mg/Nm3(干基，6%O2)，煙塵排放濃度不大于4. 5 mg/Nm3(干基，6%O2)，二氧化硫(SO2)排放濃度不大于35 mg/Nm3(干基，6%O2)。對現有的除塵、脫硫、脫硝系統進行提效，采用高效協同脫除技術，在35%BMCR及以上負荷投運脫硝系統時，使機組煙氣的主要污染物(NOx、煙塵、SO2)排放濃度達到燃氣輪機組的排放標準，其中脫硫改造主要是對吸收塔及其輔助設備的改造。某2×600 MW機組原脫硫裝置采用石灰石—石膏濕法脫硫技術，吸收塔采用帶托盤的逆向噴淋塔，設計有三層標準型噴淋層，一層托盤。原脫硫裝置設計煤種含硫量為0.7%，設計脫硫效率95%，煙囪出口SO2濃度為81 mg/Nm3。

1.1 脫硫系統提效技術

影響脫硫效率的主要有液氣比、煙氣分布均勻性、吸收區高度、吸收塔漿池容量等因素。根據某2×600 MW機組的實際情況，對該機組超低排放改造可采用以下技術手段。

(1)增加液氣比。液氣比是指單位時間內吸收劑循環量與煙氣流量之比。液氣比對脫硫效率的高低有著重要影響。在吸收塔設計中，循環漿液量的多少決定了SO2吸收表面積的大小，在其他參數恒定的情況下，提高液氣比相當于增大了吸收塔內的漿液噴淋密度，從而增大了氣液傳質表面積，強化了氣液兩相間的傳質，提高液氣比是提高脫硫效率的有效措施。當然，液氣比增大會促使循環泵流量和吸收塔阻力增大，從而增加電耗增高。

(2)采用增加均流提效板提高脫硫效率。吸收塔均流提效板能改善吸收塔內煙氣分布，煙氣和漿液的流場分布直接決定著吸收塔內的傳質、傳熱和反應進行程度。對于某2×600 MW機組的吸收塔，可以通過調節原有托盤開孔率、加裝均流提效板來達到目的，增加均流提效板比原有托盤多了一層液膜，氣液相傳質更為充分，從而增加了脫硫效率，該技術在脫硫效率高于98%或煤種高含硫量時優勢更為明顯。

(3)采用吸收塔增效裝置提高脫硫效率。在石灰石-石膏濕法脫硫工藝中，脫硫吸收塔基本均采用噴淋式吸收結構，該結構在運行中尚存在一定不足，如覆蓋率低的區域噴淋層壓降較小，使煙氣容易從該區域逃逸，造成煙氣旁路，從而降低吸收塔的脫硫效果等。根據這一情況，采用脫硫吸收塔新型增效裝置，可有效地解決了相關問題，該增效裝置主要由布氣錐板、環形箍筒、自緊連接裝置和軟密封組件等構成，增效裝置安裝在噴淋層的下方，通過軟密封組件與吸收塔內壁連接并定位。安裝裝置后，可使吸收塔內周邊區域的煙氣重新分布，向中央區域聚集流動，有效消除塔內煙氣旁路現象，進而提高系統的煙氣脫硫效率。

(4)采用脫硫添加劑提高脫硫效率。

1.2 吸收塔改造設計方案

按煙氣超低排放要求，煙囪出口SO2濃度需控制在35 mg/Nm3以下，原有的脫硫裝置已無法滿足要求，必須進行提效改造。鑒于某2×600 MW機組現場場地條件、施工進度非常緊張等原因，以吸收塔高度不增加、內部主要支撐件不拆除為原則進行設計。考慮到國家對環保的要求在逐步提高，脫硫系統的安全穩定可靠運行，該兩臺機組采用雙層交互式噴淋層+原有托盤方案+增設均流提效板設計方案。采用該技術方案進行提效改造后，在設計煤質工況下可以滿足超低排放要求，并提高了系統的可靠性。

該方案將原有的三層標準型吸收塔噴淋層改造為雙層交互式噴淋層，同時將增加一層吸收塔均流提效板，與原有的托盤形成“均流提效板+托盤”，在液汽比不增加的情況下，通過改善塔內氣流分布，強化脫硫傳質效果實現超低排放工程中的脫硫增效。吸收塔內部的雙層交互式噴淋層噴淋系統由分配母管、支管和噴嘴組成。母管和支管在吸收塔端面內交互布置，該系統能使漿液在吸收塔內均勻分布。由漿液循環泵輸送來的漿液通過網狀管路進入噴嘴霧化, 噴入煙氣中。由于噴淋層合理優化布置設計,保證了漿液能在整個吸收塔斷面上進行均勻噴淋。漿液噴淋管采用玻璃鋼 FRP材料制作,分段加工,現場粘結的連接工藝,從而使整個噴淋層管網外表面光滑,避免堆積結垢。噴嘴為雙偏心空心噴嘴, 采用SiC 制作,外表面光滑無突起,避免了噴嘴的磨損和噴嘴內部的堵塞[2]。吸收塔改造設計中將拆除吸收塔內原有的三層噴淋母管，將第二、三層標準型噴淋母管及噴嘴改為交互式噴淋系統，原第一層循環泵提高揚程后與原第二層循環泵構成第一層交互式噴淋系統；同時增加一臺備用循環泵，與原第三層循環泵構成第二層交互式噴淋系統，在吸收塔壁上增開循環漿液管接口。在第一層噴淋母管拆除后留下的空間增設一層均流提效板及支撐鋼梁，與原有的一層托盤構成“均流提效板+托盤”系統。

現場需拆除原噴淋母管中心線上下各500 mm處沿塔壁一圈防腐層、所有U型抱箍及原母管端部支托。新增設的均流提效板的開孔率為32%，原有托盤的開孔率通過橡膠塞進行堵孔，由34%調整為32%。安裝吸收塔新型增效裝置并在吸收塔壁板上開設噴淋母管接口以及方便安裝噴淋母管的人孔等接口。為了現場檢修等方便，增加相應的平臺扶梯。通過以上吸收塔改造后，在設計煤種工況下，將可滿足煙囪出口二氧化硫濃度35 mg/Nm3以下，且提高了系統的可靠性。

2 吸收塔改造設計注意事項

吸收塔改造設計時，盡可能利用現有支撐結構,因噴淋層由標準式改為交互式，支撐梁所承荷載將增加，吸收塔改造設計時須通過相關計算對原有噴淋支撐鋼梁進行準確的結構應力和變形分析，確定是否原有支撐梁滿足改造要求，如果不能滿足，需通過加強或拆除原有支撐鋼梁以滿足改造要求。改造時，由于吸收塔防腐材料為易燃材料，建議吸收塔改造時，盡可能地以不拆除內部支撐構件等為原則進行改造，吸收塔人孔處設置消火栓以及除霧器頂部設置手動噴淋沖洗系統。吸收塔附屬平臺扶梯設計過程中，在滿足安全便捷的情況下，建議平吸收塔附屬平臺設計為環形雙通道平臺。

3 結語

隨著環境污染問題的日益突出，國家對火電機組二氧化硫等排放指標提出了更高要求。為創新傳統燃煤電廠的發展方式，切實履行環境質量和公眾健康的社會責任，浙能集團在全國率先提出并實施“燃煤電廠煙氣超低排放”，并先后在嘉興、六橫等燃煤電廠實施。該技術的應用將使燃煤電廠的排放水平與天然氣機組相當。陜西、山東和廣州等省市也已啟動煙氣污染物超低排放示范改造工作。超低排放改造過程中，吸收塔的改造設計也尤為重要，本文對吸收塔改造提效技術及改造設計方案進行了闡述。在面對節能減排壓力與霧霾威脅的背景下，燃煤電廠超低排放技術的廣泛運用將進一步提高我國以煤炭為主的能源結構的清潔化水平，而且也為燃煤電廠的生存與發展提供了一種新思路。隨著超低排放技術向浙江省內電廠乃至全國電廠的推廣，將產生十分巨大的社會效益，對保障我國能源安全具有重要的戰略意義。

[1]陳安新，張軍梅，蓋東飛. 濕法煙氣脫硫吸收塔流場的數值模擬研究[J].華電技術，2013,35(6)：75-81.

[2]田明明，楊紅剛，劉繼奎. 600MW機組濕法煙氣脫硫吸收塔系統設計[J].山西電力，2008(4):40-42.

(本文編輯：嚴 加)

Retrofit Design of the Absorption Tower in Coal-Fired Power Plants for Ultra-Low Emissions

FENG Libo1，LUO Zhonggao2

(1. Zhejiang Tiandi Environmental Protection Engineering Co.，Ltd., Hangzhou 310003, China;2. Zhejiang Electric Power Design Institute，Hangzhou 310012, China)

With the development of coal-fired power plants, the pollutants in the flue gas emissions will increase, such as sulfur dioxide and nitrogen oxides, which cause increasing serious air pollution problems. To take effective measures to control the situations at present, China has carried out a series of coal-fired power plant construction of the ultra low pollutant emission. In view of the coal priority in China′s energy consumption structure, and the increasingly difficult environment protection pressure, Zhejiang energy group has taken the lead in implementing ultra-low emissions demonstration retrofit in China, innovating the coal clean combustion and clean emission technology and expanding new spaces and bringing new opportunities for the development of the whole coal industry. This study systematically described the retrofit design of the absorption tower of coal-fired power plant to control the pollutant ultra-low emissions.

coal-fired power plant; ultra-low emissions; absorption tower

10.11973/dlyny201703022

馮立波(1980—) 男，工程師，從事燃煤發電廠脫硫、脫硝及超低排放項目設計工作。

X773

B

2095-1256(2017)03-0320-03

2017-02-25