深度脫硫脫塵除霧組合塔內件用于燃煤電廠脫硫塔系統改造的運行效果分析

神華福能發電有限責任公司 泉州 362712

李國濤神華集團北京低碳清潔能源研究所 北京 100029

技術改造

深度脫硫脫塵除霧組合塔內件用于燃煤電廠脫硫塔系統改造的運行效果分析

姚喜亮*潘長龍
神華福能發電有限責任公司 泉州 362712

李國濤
神華集團北京低碳清潔能源研究所 北京 100029

本文以深度脫硫脫塵除霧組合塔內件技術在某燃煤電廠煙氣脫硫塔系統的工程改造為背景，考察并評價其實際工程應用效果。綜合考察脫硫吸收塔循環泵臺數及凈煙氣中SO2含量、凈煙氣中粉塵含量、脫硫塔系統壓力損失、石灰石漿液消耗量等關鍵工藝指標的變化。結果表明：湍流器和管束式除塵除霧器的組合塔內件改造，能夠有效強化提高脫硫塔對煙氣硫化物的吸收脫除效率、降低脫硫煙氣漿液霧滴濃度和粉塵濃度。

燃煤電廠 湍流器 除霧器 工藝改造 脫硫塔

燃煤發電作為一種設計成熟、技術可靠、操作穩定且建設周期短的電力來源，在電力能源結構中占有重要位置。然而，隨著公眾環保意識的增強和創新技術的進一步發展，燃煤電廠大氣污染物排放控制的重點已經越來越趨向于輔助環保工藝系統的超低排放(即在基準氧含量6%的條件下，粉塵、二氧化硫等污染物排放濃度分別不高于10 mg/Nm3和35 mg/Nm3)，脫硫工藝系統的技術創新和效率提升至關重要[1]。濕法煙氣脫硫由于其適應性強，業已成為當前燃煤電廠煙氣脫硫的主流工藝技術路線。目前，石灰石-石膏法脫硫效率要求為大于98%，而當其脫硫效率超過95%以后，脫硫塔所需的液氣比指數式增加，從而相關能耗大幅增加，進一步降低了其經濟性。同時，傳統上最好的除霧器只能保證脫硫后凈煙氣設計工況下游離水含量小于75mg/m3，實際運行中，凈煙氣中游離水含量遠大于該設計值。另外，凈煙氣中游離水并非一塵不染的干凈液體，而是含固量為12%～18%的漿液，其中固體石膏在凈煙氣中將以粉塵的形式存在，造成“石膏雨”問題[2]。因此，脫硫塔在脫除了部分粉塵的同時，又因煙氣中攜帶游離水而導致粉塵含量增加，因而在布袋除塵系統后的濕式脫硫工藝系統反而會出現除塵效率為負的現象。

在此背景下，北京某環保技術工程公司開發了適用于燃煤電廠脫硫塔系統的深度脫硫脫塵除霧組合塔內件技術。該技術基于多相紊流摻混的強化傳質機理，脫硫塔底部氣相通過特制旋匯耦合器從而產生氣流旋轉翻覆湍流的空間，使氣液固三相充分接觸，快速完成傳質反應過程。同時，脫硫塔內增設管束式除霧除塵器，脫硫煙氣在通過管束式除塵除霧器時產生高速的離心運動，液滴被拋向筒體內壁表面，實現煙氣中霧滴及煙塵的脫除。應用旋匯耦合器強化傳質反應，組合管束式除霧除塵器強化脫硫煙氣中霧滴及煙塵脫除分離，深度脫塵除霧組合塔內件技術可實現燃煤電廠脫硫塔系統脫硫煙氣深度脫硫除塵除霧的目的。

本文以深度脫硫脫塵除霧組合塔內件技術在某燃煤電廠煙氣脫硫塔系統的工程改造為背景，考察并評價該技術的實際工程應用效果，為相關燃煤電廠的深度脫硫除塵除霧技術比選提供有益參考。

1 燃煤電廠煙氣脫硫吸收塔系統介紹

某電廠煙氣脫硫系統采用石灰石-石膏法化學脫硫方案，包括煙氣換熱系統、脫硫塔脫硫系統、脫硫劑漿液制備系統、石膏脫水系統和脫硫廢水處理系統。其中脫硫吸收塔是煙氣脫硫的核心設備系統，鍋爐煙氣經增壓降溫后進入脫硫吸收塔，向上流動穿過吸收劑(石灰石漿液)噴淋層，再次煙氣被冷卻到飽和溫度，煙氣中硫化物和其他污染物被循環吸收劑吸收，洗滌脫硫后的煙氣經脫硫吸收塔頂部除塵除霧器脫除霧滴煙塵后，再通過煙囪排放。脫硫吸收塔設備結構原理見圖1。

圖1 某電廠煙氣脫硫吸收塔設備結構原理

脫硫吸收塔系統主要包括脫硫塔本體、漿液循環泵、石膏漿液排出泵、脫硫塔噴淋層、氧化風機、除霧除塵器及沖洗系統、攪拌器、漿液循環泵入口濾網、輔助排空系統等。在脫硫塔內煙氣自下而上與四層噴淋漿液逆流接觸，并發生吸收化學反應，煙氣中的SO2、SO3被石灰石漿液吸收劑吸收生成亞硫酸鈣，結晶生成石膏，石膏漿液由石膏漿液排出泵送入石膏脫水系統。脫硫后的煙氣經過脫硫塔頂部的除霧除塵器后脫除漿液液滴和微量粉塵后，經脫硫塔出口進入煙囪排入大氣。

2 組合塔內件

深度脫硫脫塵除霧組合塔內件技術包括旋匯耦合器(即湍流器)及管束式除塵除霧器兩部分塔內核心組件。湍流器安裝于煙氣脫硫塔第一層噴淋層的下部，而管束式除霧除塵器安裝于煙氣脫硫塔第四層噴淋層上部，具體安裝位置見圖2。

圖2 組合裝置脫硫塔內安裝位置(改造后)

鍋爐來煙氣經增壓降溫后從底部進入煙氣脫硫塔，基于多相紊流摻混的強傳質機理并利用氣體動力學的原理，脫硫塔內湍流器在脫硫塔噴淋層下部產生氣液固三相旋轉翻覆的強化湍流空間，結構原理見圖3。在強化氣液固三相湍流的作用下，噴淋層進口的液固相在噴淋層入口處被攜帶或打散成細小的漿液滴狀，同時漿液滴也把煙氣包裹或游離成小氣泡狀，根據雙模理論的基本原理，湍流器可快速強化漿液和煙氣的直接接觸和組分傳質和熱量傳遞，另外，兩相(氣相和漿液相)傳熱傳質界面處的氣膜和漿液膜不斷地變化及快速更新，從而實現沖刷吸收劑漿液表面、提高傳熱傳質界面處漿液膜石灰石濃度的目的，因此湍流器可有效提高煙氣脫硫塔對鍋爐煙氣中硫化物的吸收脫除能力。

圖3 組合塔內件技術-湍流器結構原理

煙氣通過脫硫塔噴淋層后，其中含有的硫化物絕大部分被石灰石吸收劑吸收脫除，但同時由于煙氣氣相的漿液滴霧沫夾帶作用，部分石灰石漿液吸收劑被氣相攜帶，因此脫硫吸收塔煙氣出口處必須設置除塵除霧器[3]。深度脫硫脫塵除霧組合塔內件技術以管束式除塵除霧器代替傳統折板式除塵除霧器，見圖4。其結構中設置旋流子分離器，以提升氣相的離心運動速度。當脫硫后的煙氣通過旋流子分離器時，在進口氣壓和旋流子的作用下，氣相產生強大的離心力，因而氣相中漿液霧滴向除塵除霧器筒體壁面運動，在其運動過程中相互碰撞、凝聚而成大直徑的漿液滴，進而漿液滴被拋向內壁表面，在與壁面附著的漿液膜層接觸后湮滅。 管束式除塵除霧器同時設置增速器和擋水環，以維持合適的氣相分布狀態，控制液膜厚度和氣相的出口狀態，并防止液滴的二次氣相夾帶。

圖4 管束式除塵除霧器結構原理

深度脫硫脫塵除霧組合塔內件技術中湍流器可強化漿液和煙氣的直接接觸傳質傳熱，進而強化提高脫硫塔對煙氣硫化物的吸收脫除效率，而管束式除霧除塵器應用氣相壓力產生氣相離心力，達到提高氣相除霧除塵效率效果，湍流器和管束式除霧除塵器的在燃煤電廠脫硫塔內的組合應用，可達到強化脫硫塔煙氣脫硫效率、降低脫硫煙氣漿液霧滴濃度的目的。

3 脫硫塔內件改造對系統運行參數影響

本次燃煤電廠脫硫吸收塔提質增效工程內容主要為塔器內件升級和相應配套實施改造，采用北京某環保工程公司的深度脫硫脫塵除霧組合塔內件技術，按照燃燒煤種0.72% (wt)的含硫量、脫硫吸收塔入口煙氣SO2濃度1625 mg/Nm3(干基；6 % (v) O2)條件下,保證脫硫塔脫硫效率不小于98.9%、出口SO2濃度不大于20 mg/Nm3(干基；6 %(v) O2),同時脫硫吸收塔煙氣煙塵含量30 mg/Nm3(干基；6 vol.% O2)，而經改造后煙囪煙塵排放濃度不大于5 mg/Nm3(干基；6%(v) O2)。

煙氣脫硫塔設備提質增效工程所增加的核心設備為塔內件湍流器和管束式除霧除塵器(代替傳統工藝折板式除塵除霧器)，其中湍流器安裝于煙氣脫硫塔第一層噴淋層下部，管束式除霧除塵器安裝于煙氣脫硫塔第四層噴淋層上部，同時脫硫塔設備系統附帶改造增設相應除塵除霧器沖洗系統。脫硫吸收塔提質增效工程收尾階段為對本次改造工程效果進行客觀評估，主要考察環泵臺數及凈煙氣中SO2含量、凈煙氣中粉塵含量、脫硫塔系統壓力損失和石灰石漿液消耗量等工藝指標的變化情況。

3.1循環泵臺數及凈煙氣中SO2含量

在相同的燃煤電廠機組負荷條件下，考察了不同循環泵臺數(單臺泵石灰石漿液輸送流量相同)條件下脫硫吸收塔頂部出口凈煙氣中SO2含量，見表1。

表1 改造前后不同循環泵臺數條件下脫硫吸收塔煙氣SO2脫除率對比

在脫硫吸收塔吸收漿液循環泵同時運行兩臺時，改造前吸收塔底部入口煙氣中SO2含量為920 mg/Nm3，其頂部出口凈煙氣中SO2含量為26.5 mg/Nm3，脫硫塔對煙氣中SO2脫除率為97.1%；改造后吸收塔底部入口煙氣中SO2含量為910 mg/Nm3，其頂部出口凈煙氣中SO2含量為6.6 mg/Nm3，脫硫塔對煙氣中SO2脫除率為99.3%。改造前后脫硫吸收塔對煙氣中SO2脫除率提升2.2%。

在脫硫吸收塔吸收漿液循環泵同時運行三臺時，改造前吸收塔底部入口煙氣中SO2含量為940 mg/Nm3，其頂部出口凈煙氣中SO2含量為20.2 mg/Nm3，脫硫塔對煙氣中SO2脫除率為97.9%；改造后吸收塔底部入口煙氣中SO2含量為924 mg/Nm3，其頂部出口凈煙氣中SO2含量為8.3 mg/Nm3，脫硫塔對煙氣中SO2脫除率為99.1%。改造前后脫硫吸收塔對煙氣中SO2脫除率提升1.2%。

在吸收漿液循環泵運行三臺時，脫硫塔內漿液吸收劑循環量增加50%，此時漿液對煙氣中SO2吸收強化的效果增強，故而湍流器的脫硫強化傳質反應效果得到部分抑制，但仍達到較好的煙氣SO2脫除率提升效果。表明本次工程改造后，脫硫吸收塔SO2脫除效率和出口凈煙氣SO2濃度兩項工藝指標達到預期工程目標。

3.2 凈煙氣中粉塵含量

在100%的燃煤電廠機組負荷、脫硫吸收塔吸收漿液循環泵同時運行兩臺條件下，本文考察了脫硫吸收塔改造前后塔器進出口煙氣中粉塵含量對比，結果見表2。

改造前吸收塔底部入口煙氣中粉塵含量為21.68 mg/Nm3，其頂部出口凈煙氣中粉塵含量為4.69 mg/Nm3，脫硫塔對煙氣中粉塵脫除率為78.4%；改造后吸收塔底部入口煙氣中粉塵含量為18.67 mg/Nm3，其頂部出口凈煙氣中粉塵含量為2.07 mg/Nm3，脫硫塔對煙氣中粉塵脫除率為88.9%。因而，改造前后脫硫吸收塔對煙氣中粉塵脫除率提升10.5%。表明本次工程改造有效地提升了脫硫吸收塔煙氣粉塵脫除效率的工藝指標，小于煙囪煙塵排放濃度5mg/Nm3的預期工程目標。

表2 改造前后脫硫吸收塔進出口煙氣中粉塵含量對比

3.3脫硫塔系統壓力損失

設定機組負荷為100%，投運兩臺脫硫塔吸收漿液循環泵條件下，考察了工程改造前后脫硫吸收塔除塵除霧器差壓、煙氣進出口系統差壓的增量情況，見表3。

表3 改造前后脫硫塔除塵除霧器差壓與系統差壓對比

在此條件下，經現場考察記錄表明脫硫系統滿負荷情況下除塵除霧器在差壓為590～620 Pa之間穩定運行，而工程改造之前此值為155～220 Pa，除塵除霧器差壓增量為400～435 Pa。同時，現場考察記錄也表明，在脫硫吸收塔系統滿負荷、吸收漿液循環泵二用二備情況下，系統阻力最大為1530 Pa；同樣條件下，工程改造之前，該值為490 Pa。表明塔內除塵除霧器系統差壓、脫硫吸收塔系統差壓均有不同程度的上升。

3.4 石灰石漿液消耗量

在機組負荷100%、吸收漿液循環泵二用二備、脫硫塔內吸收漿液氯離子水平控制8000 ppm、脫硫塔煙氣入口SO2含量約900～940 mg/Nm3條件下，考察了改造前后脫硫吸收塔系統7小時運行時間內的供漿量情況，見表4。

表4 改造前后脫硫吸收塔系統石灰石粉消耗量對比

經測定，脫硫塔系統供漿平均密度為1170 kg/m3，改造前7小時供漿量為141.42 m3(折合石灰石粉消耗量38.06 t/h)，改造后7小時供漿量為122.15 m3(折合石灰石粉消耗量32.87 t/h)，脫硫吸收塔系統石灰石粉消耗量降低13.6%。

4 結語

深度脫硫脫塵除霧組合塔內件技術在某燃煤電廠煙氣脫硫塔系統的工程應用，結果表明：湍流器和管束式除塵除霧器的組合塔內件改造，能夠有效強化提高脫硫塔對煙氣硫化物的吸收脫除效率、降低脫硫煙氣漿液霧滴濃度(直接表現為煙氣粉塵濃度)。

同等條件下，工程改造前后脫硫吸收塔對煙氣中SO2脫除率提升1.2%～2.2%、對煙氣中粉塵脫除率提升10.5%，同時脫硫吸收塔系統石灰石粉消耗量降低5.19%。另外，由于脫硫塔內增設湍流器，同時管束式除塵除霧器代替傳統折板式除塵除霧器，造成脫硫塔系統差壓增加1040 Pa，而新增管束式除塵除霧器運行差壓增加400～435 Pa。

1 國家環保部環發[2015]164號，關于印發《全面實施燃煤電廠超低排放和節能改造工作方案》的通知.

2 郭東明.脫硫工程技術與設備(第二版)[M].北京：化學工業出版社，2011：2-3.

3 周曉猛.煙氣脫硫脫硝工藝手冊[M].北京：化學工業出版社，2016：93.

*姚喜亮：助理工程師。2012年畢業于內蒙古大學熱能動力工程系。主要從事燃煤電廠脫硫系統工藝管理及管控工作。

聯系電話：(0595)36671126，E-mail：308078222@qq.com。

2017-07-11)