脫硫協(xié)同除塵技術(shù)在大型火電機(jī)組中的應(yīng)用研究

夏力偉　張學(xué)鎖　梁會友　張翔

摘要：隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，國內(nèi)各大發(fā)電集團(tuán)相繼提出了超凈排放的口號，脫硫協(xié)同除塵逐漸成為一條重要的技術(shù)路線。文章從脫硫塔吸收區(qū)除塵和除霧區(qū)除液滴兩方面出發(fā)，闡述了吸收塔協(xié)同除塵的機(jī)理，并以皖能馬鞍山電廠660MW超臨界#2機(jī)組超凈排放改造為例，介紹了脫硫協(xié)同除塵技術(shù)在大型火電機(jī)組中的應(yīng)用情況。

關(guān)鍵詞：超凈排放；脫硫協(xié)同除塵技術(shù)；除霧器；火電機(jī)組；脫硫塔吸收區(qū)除塵 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：X701 文章編號：1009-2374（2016）12-0083-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.12.039

過去，濕法脫硫裝置的主要功能是脫除煙氣中的SO2，雖然同時兼具脫除煙塵和其他污染物的作用，但在設(shè)計時往往忽視了脫硫塔的協(xié)同除塵能力。隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的日益嚴(yán)格，國內(nèi)各大發(fā)電集團(tuán)提出了“超凈排放”的口號，規(guī)定煙塵的排放濃度不高于5mg/m3，脫硫協(xié)同除塵逐漸成為一條重要的技術(shù)路線，即希望脫硫塔在滿足SO2排放濃度達(dá)標(biāo)的同時實現(xiàn)較高的除塵效率。這樣在脫硫系統(tǒng)入口粉塵濃度較低的情況下，便可單獨依靠脫硫裝置達(dá)到除塵目標(biāo)或在脫硫系統(tǒng)入口粉塵濃度較高的情況下，減輕下游濕式電除塵器的壓力，降低投資運行費用。

1 協(xié)同除塵機(jī)理

目前，燃煤電廠的脫硫塔大多采用噴淋塔形式，煙氣由吸收塔入口進(jìn)入向上運動，漿液由噴嘴噴出向下運動，兩者逆流接觸，煙氣中的SO2發(fā)生中和反應(yīng)被洗滌脫除，其中的微細(xì)粉塵則被液滴所捕獲，煙氣得到凈化。一般來說，經(jīng)過脫硫裝置的處理后，出口煙氣中的粉塵主要包括兩部分：一部分是在吸收塔吸收區(qū)未被捕集到的細(xì)小粉塵；另一部分是煙氣流經(jīng)除霧器后攜帶的液滴中逃逸的石膏及漿液中的可溶鹽。因此，從上述兩方面結(jié)合出發(fā)，通過對吸收塔及相關(guān)系統(tǒng)的合理設(shè)計或改造，便可以在獲得高脫硫率的同時實現(xiàn)高效除塵。

1.1 吸收區(qū)除塵

脫硫塔吸收區(qū)除塵與濕法除塵中的重力噴霧洗滌器類似，當(dāng)煙氣進(jìn)入吸收塔后，粉塵顆粒與噴淋霧化的液滴之間發(fā)生攔截和慣性碰撞，經(jīng)凝聚和重力沉降等作用被液滴捕集。

影響吸收區(qū)除塵效率的因素有很多，主要包括塔內(nèi)流場、噴淋密度與液氣比、霧化粒徑和塔內(nèi)氣速等。

1.1.1 塔內(nèi)流場。吸收塔是濕法脫硫系統(tǒng)最核心的設(shè)備，內(nèi)部的復(fù)雜流場對于塔內(nèi)脫硫、除塵效率起著關(guān)鍵作用。煙氣進(jìn)入吸收塔后體積迅速膨脹，速度減慢，受塔壁的影響，一部分煙氣沿吸收塔入口對側(cè)向上流動，另一部分煙氣則向下運動，在吸收塔底部漿池附近形成逆時針漩渦，造成強(qiáng)烈的湍流區(qū)，導(dǎo)致塔內(nèi)煙氣分布極不均勻，氣液兩相之間傳質(zhì)效果變差。另外，由于塔壁周邊噴淋密度低、阻力小，煙氣到達(dá)噴淋層附近時容易貼壁運動，而噴淋液滴則黏附塔壁形成液膜。這兩點對吸收塔的脫硫和協(xié)同除塵能力造成了很大的影響。

優(yōu)化流場可以采取的措施主要包括以下三點：

第一，安裝合金托盤。托盤不僅可以使氣流分布均勻，還能持有一定高度的液膜，增加氣液接觸的比表面積和反應(yīng)時間，提高吸收劑的利用率和脫硫效率。煙氣流經(jīng)托盤后，一部分塵粒被托盤篩孔流下來的液滴所捕獲，一部分較粗的塵粒沉降到塔的底部被底部的液膜捕集，而大部分微細(xì)煙塵通過托盤的篩孔進(jìn)入泡沫層，激起大量的氣泡，煙塵在慣性、擴(kuò)散作用的同時又不斷受到泡沫的擾動，改變方向，從而增加與液體接觸的機(jī)會，完成凈化。

脫硫塔入口煙氣中粉塵粒徑的大小直接影響脫硫塔的除塵效率，而煙氣自鍋爐本體產(chǎn)生后，先經(jīng)過除塵裝置處理，然后進(jìn)入脫硫系統(tǒng)，此時煙塵的粒徑大部分位于2.5μm以下，因此，對PM2.5顆粒的洗滌去除效率是體現(xiàn)脫硫塔除塵性能的關(guān)鍵。圖1對比了空塔和托盤塔對煙塵粒徑的分級去除效率，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，對于粒徑在2.5μm以下的微細(xì)粉塵，托盤塔具有更高的捕集效率。

第二，在煙道關(guān)鍵截面上設(shè)置導(dǎo)流板，減少煙氣的偏流。

第三，通過對吸收塔煙氣入口傾角進(jìn)行流場模擬發(fā)現(xiàn)，在同等煙氣條件下，煙氣以入口傾斜15°進(jìn)入吸收塔內(nèi)的流暢性較好。

1.1.2 噴淋密度與液氣比。噴淋密度定義為吸收塔單位截面積上的噴淋量。噴淋密度越大，即吸收塔單位截面積上的噴淋漿液量越大，與不同直徑粉塵接觸的機(jī)會也就越多，粉塵被捕獲脫除的概率也就越大。但隨之而來的是液氣比的增大和脫硫系統(tǒng)能耗的增加，因此噴淋密度的選取要綜合考慮。

1.1.3 霧化粒徑。液滴直徑受噴嘴形式和噴淋壓力的影響很大。噴淋量一定的條件下，提高噴嘴壓力，霧滴直徑減小，在塔內(nèi)懸浮停留的時間延長，煙塵被捕集的機(jī)會增多，但運行的能耗隨之增大。因此，在同樣液氣比的條件下，可采用高霧化效果的高效噴嘴來降低液滴直徑。高效噴嘴不僅可以提高單個噴嘴的霧化效果，而且增加了煙氣通過噴淋層的行進(jìn)路徑，額外的噴射重疊區(qū)產(chǎn)生大量的二次霧化，反應(yīng)表面積大量增加，煙氣有更多的機(jī)會與霧化的液滴發(fā)生反應(yīng)，強(qiáng)化了吸收塔的脫硫除塵效果。

同時，可以在噴淋層下方的塔壁處設(shè)置合金聚氣環(huán)。煙氣流經(jīng)聚氣環(huán)后會被導(dǎo)流至塔中部，減少了煙氣的一次覆蓋區(qū)域，塔壁逃逸現(xiàn)象減少，粉塵被霧滴捕集的機(jī)會增大；而沿塔壁流動的漿液也返回到吸收塔中心區(qū)域再次參與反應(yīng)，強(qiáng)化了氣液兩相之間的混合和傳質(zhì)，提高脫硫效率的同時改善了除塵效果。

1.1.4 塔內(nèi)氣速。吸收塔的首要任務(wù)是脫硫，因此，選取塔內(nèi)流速時必須先滿足脫硫效率，而后兼顧除塵。這種情況下，一般要求新建吸收塔的氣體流速為3～3.5m/s。另外，根據(jù)本次改造工程的實測數(shù)據(jù)，在不同負(fù)荷煙氣量下，吸收塔入口及出口粉塵濃度基本趨于平穩(wěn)，表明此時改變吸收塔內(nèi)的氣體流速，對除塵效率的提高不是非常明顯。

1.2 除霧區(qū)除液滴

煙氣攜帶的液滴流經(jīng)除霧器后會逃逸出固態(tài)物或可溶物，這是吸收塔出口粉塵的一大來源，若在后續(xù)煙道設(shè)備沉積、造成堵塞結(jié)垢現(xiàn)象，會影響系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。同時，游離的液滴也會加劇煙羽現(xiàn)象，產(chǎn)生石膏雨，造成二次污染，因此，提高除霧區(qū)的除液滴效率十分重要。

除霧區(qū)除液滴主要是依靠重力和慣性撞擊作用。煙氣進(jìn)入除霧器的彎曲通道后，會沿通道進(jìn)行流動，一旦方向突變，煙氣的流線會立即發(fā)生偏轉(zhuǎn)，但煙氣夾帶的液滴自身慣性很大，仍然維持原來的運動方向，這時，液滴會在離心力的作用下從煙氣中分離出來。當(dāng)液滴凝聚到自身重力大于煙氣上升的拉力與液體表面張力的合力時，就會從葉片上滑落至漿池，實現(xiàn)氣液分離。

影響液滴去除效率的因素主要包括除霧器間距、結(jié)構(gòu)、型式、級數(shù)和沖洗等。

1.2.1 除霧器間距。合理設(shè)置除霧器間距是減少液滴夾帶現(xiàn)象發(fā)生的重要措施。為保證下級粗級除霧器不被煙氣攜帶的大顆粒漿液堵塞，一般在噴淋層與底層除霧器之間設(shè)置至少3m的凈空，同時為保證除霧器后的液滴不被夾帶出吸收塔，在頂層除霧器頂端與吸收塔入口煙道底部之間應(yīng)設(shè)置至少2m的凈空。

1.2.2 除霧器結(jié)構(gòu)。除霧器的結(jié)構(gòu)如葉片間距、葉片傾角等對除霧器的性能有很大的影響。葉片間距增大，意味著液滴在通道中的流通面積增大，顆粒與煙氣流之間的偏轉(zhuǎn)差異變小，這種情況下，液滴通過葉片偏轉(zhuǎn)角時便不容易被捕集。隨著葉片間距的減小，除霧效率雖然有所提高，但壓損增大，沖洗困難，葉片極有可能發(fā)生堵塞現(xiàn)象。因此，對除霧器進(jìn)行設(shè)計選型時，應(yīng)該根據(jù)給定的除霧器邊界條件進(jìn)行流場模擬，對不同工況下的除霧效果進(jìn)行比對分析，選取最優(yōu)的除霧器葉片傾角及間距。同時，必須保證煙氣在除霧器內(nèi)合理的流速，避免因流速太低而達(dá)不到液滴的慣性撞擊速度造成除霧器出口霧滴含量高，也避免因流速太高造成液滴的二次夾帶。

1.2.3 除霧器型式和級數(shù)。對除霧器型式和級數(shù)進(jìn)行組合優(yōu)化，可以增強(qiáng)除霧效果。根據(jù)布置形式的不同，除霧器可分為管式、平板式和屋脊式三種，通常優(yōu)先選用屋脊式除霧器。除霧器使用級數(shù)大多為1～4級，一般而言，級數(shù)越大，除霧效率越高，但提高的幅度卻越來越小，而且壓損和成本相應(yīng)增加，因此應(yīng)該綜合考慮。

為使吸收塔的協(xié)同除塵能力達(dá)到最大，很多改造工程甚至要求吸收塔的出口霧滴含量達(dá)到不超過20mg/m3的標(biāo)準(zhǔn)，傳統(tǒng)的兩級除霧器已經(jīng)很難滿足這樣的高要求，這就必須對原有的除霧器型式進(jìn)行組合，可在粗級處理前采用增加一級管式除霧器對400～500μm的霧滴進(jìn)行攔截，同時還兼顧有均衡流場的作用，然后再采用兩級或三級高效屋脊式除霧器進(jìn)行進(jìn)一步的精處理。必要的時候甚至可以再根據(jù)需要在吸收塔出口凈煙道再設(shè)置一級或兩級煙道除霧器來滿足嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)。

1.2.4 除霧器沖洗。系統(tǒng)運行時，煙氣流中夾帶的固體顆粒可能會聚集于除霧器通道的某些角落，造成煙氣流通面積減小，局部地區(qū)速度過大，二次霧沫夾帶現(xiàn)象嚴(yán)重，這是除霧器出口霧滴含量超標(biāo)的重要原因。為了增強(qiáng)除霧器的抗堵塞能力，在除霧器結(jié)構(gòu)、型式和級數(shù)確定的條件下，可以對除霧器沖洗水系統(tǒng)進(jìn)行改造升級并合理設(shè)置除霧器沖洗水沖洗周期。

2 工程實例

皖能馬鞍山電廠#2機(jī)組為660MW超臨界機(jī)組，于2015年8月開始實施超凈排放改造工作。改造從協(xié)同除塵的機(jī)理出發(fā)，結(jié)合電廠現(xiàn)有脫硫裝置的實際情況，優(yōu)化設(shè)計，獲得了很好的提效效果。

本次改造的主要措施如下：（1）增設(shè)合金托盤，均勻流場。對改造前后吸收塔內(nèi)的流場進(jìn)行模擬，結(jié)果如圖2所示，通過對比可以看出，煙氣自下而上通過合金托盤后流速降低，高速區(qū)消失，并能均勻通過吸收區(qū)；（2）增加一層噴淋層，提高噴淋密度及液氣比；（3）增設(shè)合金聚氣環(huán)，減少煙氣的一次覆蓋率；（4）采用高效噴嘴及300%的噴淋覆蓋率，有效去除SO2的同時去除粉塵；（5）增設(shè)一級管式除霧器并拉大兩級屋脊式除霧器之間的距離，均衡流場的同時去除霧滴。

改造完成后，對吸收塔的脫硫效果進(jìn)行測定，脫硫效率大于99%，滿足超凈排放的要求。

對吸收塔的除塵效果進(jìn)行測定，結(jié)果如圖3、圖4所示。在不同鍋爐負(fù)荷下，對于未改造的#1機(jī)組，入口粉塵平均濃度約為47mg/m3（標(biāo)態(tài)、干基，6%O2），出口粉塵平均濃度約為22mg/m3（標(biāo)態(tài)、干基，6%O2），粉塵去除率僅為53%；而對于完成超低排放改造的#2機(jī)組，入口粉塵平均濃度約為35mg/m3（標(biāo)態(tài)、干基，6%O2），出口粉塵平均濃度約為5.4mg/m3，粉塵去除率達(dá)到85%。這表明，通過優(yōu)化吸收塔的設(shè)計，完全可以在滿足SO2排放濃度達(dá)標(biāo)的同時實現(xiàn)較高的除塵效率。

3 結(jié)語

（1）從本次改造后的測試效果來看，脫硫系統(tǒng)的除塵率高達(dá)85%，出口穩(wěn)定在6mg/m3以下，為后續(xù)的濕式電除塵器創(chuàng)造了良好的入口邊界條件，若在條件允許的情況下，對除霧器的前后間距再進(jìn)行合理調(diào)整，并采用高效除霧器，要達(dá)到超低排放的效果是完全能實現(xiàn)的；（2）對除霧器的前后間距進(jìn)行合理設(shè)置，采用高效除霧器，能有效地降低出口霧滴含量，減少霧滴對出口粉塵排放的影響；（3）采用合金托盤塔，通過吸收塔流速、流場及噴淋密度的優(yōu)化，能大大提高吸收塔的除塵效率；（4）進(jìn)行超低排放路線選擇時，一定要預(yù)先考慮好脫硫系統(tǒng)的協(xié)同除塵能力，在滿足達(dá)標(biāo)排放的前提下，盡可能提高經(jīng)濟(jì)效益。

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作者簡介：夏力偉（1971-），男，安徽合肥人，皖能馬鞍山發(fā)電有限公司副總經(jīng)理，工程師，研究方向：火電廠熱能動力設(shè)備。

（責(zé)任編輯：王 波）