單塔雙區脫硫技術在燃煤電廠中的應用

張贏丹，丁 俊，丁 宏

（江蘇國信揚州發電有限責任公司，江蘇 揚州 225131）

0 引言

某公司二期工程為630 MW超臨界燃煤機組，原脫硫系統采用石灰石－石膏濕法工藝，脫硫裝置采用一爐一塔工藝布置，旁路已拆除，每臺吸收塔配置3臺漿液循環泵，3層噴淋，1層托盤，2臺氧化風機。在煤質含硫量Sar=1%時，添加脫硫催化劑的情況下，煙囪出口的實際排放濃度能夠控制在100 mg/m3（已換算為標況下，以下同）以下，脫硫效率約96%。

為進一步加強大氣污染防治工作，2014年8月，江蘇省經信委和環保廳頒發《關于推進燃煤發電機組大氣污染物超低排放示范工程的通知（蘇經信電力[2014]541號）》，通知要求“燃煤發電機組通過深度治理改造，機組污染物達到燃氣輪機組排放限值標準，即煙塵排放濃度不大于5 mg/m3，SO2排放濃度不大于35 mg/m3，NOX排放濃度不大于50 mg/m3”。在此情況下，該公司擬進行脫硫設施改造。

1 脫硫提效主要工藝路線

石灰石－石膏濕法脫硫工藝以價廉易得的石灰石作為脫硫吸收劑，脫硫效率高，技術成熟，應用廣泛，運行可靠，脫硫副產物也具有較為廣闊的市場。因此，目前絕大多數燃煤火電機組都采用濕法脫硫工藝進行煙氣脫硫。濕法脫硫不同的工藝階段對漿液性質有不同的要求：

反應階段，高pH值漿液易與SO2及HCl等酸性氣體充分反應，可在較低的液氣比和電耗條件下，保證很高的脫硫效率；但太高的漿液pH值會導致吸收塔內部大量結垢和管道堵塞。

氧化階段，CaSO3的氧化結晶需要較強的酸性環境，因此需要漿液pH值較低，以保證吸收劑的完全溶解以及較高的石膏品質，并大大提高氧化效率，降低氧化風機電耗；但太低的pH值使腐蝕加劇，直接影響吸收塔設備的使用壽命[1－2]。因此，傳統的單塔單區濕法脫硫工藝中pH值采用折中值（5～5.6），兼顧了吸收和氧化的要求，但在脫硫效率達98%時，效率進一步提升將會出現明顯瓶頸，脫硫效率明顯受限，單純增加噴淋循環量難以大幅提高脫硫效率[3－5]。基于這一特性，衍生出雙塔雙循環、單塔雙循環、單塔雙區這3種石灰石一石膏濕法煙氣脫硫提效改造方案。

1.1 雙塔雙循環石灰石-石膏濕法脫硫工藝

雙塔雙循環技術即兩級吸收塔串聯使用，分別設有獨立的循環漿池、噴淋層。工藝流程如圖1所示。煙氣首先經一級塔噴淋洗滌，再進入二級塔二次噴淋后排出；石灰石漿液則先進入二級塔經循環噴淋后再進入一級塔。二級塔內漿液pH值較高，有利于SO2和HCl等酸性氣體的吸收，可以保證較高的脫硫效率，高硫煤脫硫率可達約98.5%。一級塔內漿液維持較低pH值，以保證CaSO3的氧化結晶。2個循環過程獨立控制，避免了參數的相互制約，可以使反應過程更加優化，以便快速適應煤種變化和負荷變化[6]。

圖1 雙塔雙循環濕法脫硫工藝流程

1.2 單塔雙循環石灰石-石膏濕法脫硫工藝

單塔雙循環技術通過增加噴淋層、集液斗和獨立塔外漿池等設施，由集液斗將吸收塔分為2個循環回路，在1座吸收塔內完成2次脫硫，以達到雙塔串聯效果。如圖2所示，石灰石在工藝中的流向為：先進入二級循環（塔外漿池），再進入一級循環。煙氣由吸收塔底部漿液池上方進入，首先與pH值較低的一級循環噴淋層的漿液逆向接觸，完成1個循環脫除，脫硫效率一般控制在40%～75%，漿液pH值控制在4.5～5.3，有利于完成石膏的氧化。經過一級循環的煙氣直接通過碗狀集液斗的導流葉片進入pH值較高的二級循環噴淋層，pH值控制在5.8～6.4，主要為脫硫洗滌過程，SO2幾乎被完全除去，噴淋后的漿液由碗狀集液斗收集至獨立塔外漿池。脫硫后的清潔煙氣經除霧器除去霧滴后，由吸收塔上側引出，排入煙囪，石膏僅從一級循環的漿池中排出[7－8]。

圖2 單塔雙循環濕法脫硫工藝流程

1.3 單塔雙區石灰石-石膏濕法脫硫工藝

單塔雙區石灰石－石膏濕法脫硫工藝在傳統濕法脫硫工藝基礎上，對吸收塔漿池部分進行改造，布置pH調節器和射流攪拌，通過兩者的相互配合，實現在單塔的漿池中維持上下2種pH值環境的不同區域，分別作為氧化區（pH=4.9～5.5）和吸收區（pH=5.3～6.1）。氧化區生成高純度的石膏，吸收區高效脫除SO2，實現“雙區”運行，如圖3、圖4所示。

圖3 單塔雙區濕法脫硫工藝吸收塔結構

圖4 單塔雙區濕法脫硫工作原理

單塔雙區采用分區調節器技術實現了在一個吸收塔內形成2種pH值的漿液，分別滿足吸收和氧化時對漿液性質不同的要求，得到了更高的脫硫效率。新鮮的較高pH值的石灰石漿液從吸收塔底部進入，SO2吸收區的漿液從底層抽取，經噴淋吸收SO2后的漿液，落入漿液池的上層，該部分漿液呈較強的酸性。氧化區即抽取該漿液進行噴淋，與氧化空氣充分接觸后，轉化為高純度的石膏排出。為了避免新加入的石灰石漿液影響上部漿液pH值[9]，采用專有射流攪拌系統，當液體從管道末端噴嘴中沖出時產生射流，依靠該射流作用攪拌塔底固體物，防止產生沉淀，且混合更加均勻。脫硫系統停機后可以很順利地重新啟動。該系統無任何塔外循環吸收裝置，系統阻力較低[10]。

2 工藝方案比較

3種工藝都基于濕法脫硫工藝中SO2吸收過程和CaSO3氧化結晶過程所需的不同漿液酸堿性這一原理進行改造，進而提高脫硫效率。雙塔雙循環和單塔雙循環均設有2個不同pH值的漿液池，分別進行循環噴淋，占地面積大，投資大，適用于高含硫量煙氣或者對脫硫效率要求特別高的項目。單塔雙區改造工藝通過常規的單塔系統達到了雙區系統的優點，塔外也無需任何附加脫硫設施，節約大量投資。漿液池分為氧化區和吸收區2個區域，雙區pH差值為0.35～0.74。根據pH值計算原理可知，較小的差值也代表漿液的酸堿性有明顯差別，也能達到較好的吸收和氧化效果，從而保證較高的脫硫效率。3種改造方案特點對比情況如表1所示。

該公司現有脫硫系統周邊場地緊張，且實際運行時，煤質含硫量小于1%。在綜合考慮利煤種硫份、場地、施工周期和建設投資等因素，最終選定對脫硫吸收塔進行單塔雙區改造的方案，將脫硫效率提高至98.9%以上，確保脫硫系統出口SO2排放濃度不大于 32 mg/m3（干基， 6%O2）。

3 改造方案

該公司對吸收塔進行了一系列改造，以滿足單塔雙區的技術要求和高脫硫效率的目標。

表1 3種常見濕法脫硫提效改造方案對比

（1）對吸收塔進行兩段環切加高：抬升吸收塔底部，加大漿液池容積，并在漿池中部新安裝一套分區調節器對漿液進行分區改造；抬升吸收塔上部，噴淋層由3層增加到5層，相應增加2臺漿液循環泵。

（2）對吸收塔相關設備進行優化改進：拆除更換舊噴淋層管道和噴嘴，1—4層噴淋噴嘴均采用雙向空心錐噴嘴，噴淋層下部新增多孔分布器（托盤），達到增加漿液與煙氣充分接觸和均布煙氣的目的；將原側進式攪拌器拆除，改造為底部射流攪拌系統（相應增加2臺射流泵），并在塔底均布攪拌噴嘴，使漿液循環更充分；原噴槍式氧化空氣系統改造為布置在分區調節器處的管網式氧化空氣系統，使氧化空氣與漿液接觸更充分；石灰石供漿口改造布置在吸收塔底部，保持底部漿液高pH值；1—4層噴淋層塔壁對應新增提效環，減少煙氣逃逸；新增1臺大流量氧化風機，與原小風機并聯運行，起到節能效果。

改造完成后，滿負荷時主要設計性能指標全部達到了要求，改造和新增的系統和各設備運行穩定、正常。該機組滿負荷2個工況下（工況1：電除塵出口煙塵濃度＞20 mg/m3；工況2：電除塵出口煙塵濃度＜20 mg/m3。）的脫硫系統性能試驗結果如表2所示。

表2 脫硫系統性能試驗檢測結果

4 結語

由于SO2的高效吸收和CaSO3的充分氧化對漿液pH值要求不同，為提高脫硫效率，雙塔雙循環、單塔雙循環、單塔雙區3種提效方案都對漿液進行了分區，效果顯著。其中，單塔雙區石灰石－石膏濕法脫硫改造工藝具有以下優勢：

（1）此系統利用原吸收塔進行改造，主體改造在塔本體，外圍僅需增加漿液循環泵和射流泵的安裝位置，占地面積小。

（2）改造涉及的新設備少，設備采購和施工安裝投資少。

（3）該系統運行時可在保證脫硫效率的前提下，根據機組負荷、硫份，切換大、小氧化風機的投運，優化1—5層噴淋層投運，運行阻力小、能耗低，運行成本少。

計劃進行脫硫系統提效改造時，各發電廠應綜合考慮燃用煤種硫份、原有吸收塔的脫硫能力、廠地布置等因素選擇適合機組的脫硫方法。

參考文獻：

[1]孫成富，胡煒，胡翔.基于先進控制的燃煤機組超低排放指標優化控制技術[J].浙江電力，2017，36（7）∶37－42.

[2]王晨輝，王敏琪.火力發電廠脫硫廢水系統改造研究[J].浙江電力，2015，34（7）∶53－56.

[3]陳彪，李輝，陳再明.600 MW機組煙氣脫硫系統的結垢問題分析[J].浙江電力，2012，31（3）∶43－46.

[4]陳仲淵，張國鑫，周海明.GGH堵塞的原因分析及對策[J].浙江電力，2013，32（1）∶41－43.

[5]金東春，吳廣生，朱昶.濕法脫硫吸收塔漿液成分影響因素研究[J].浙江電力，2017，36（1）∶30－32.

[6]高廣軍，趙家濤.雙塔雙循環技術在火電廠脫硫改造中的應用[J].江蘇電機工程，2015，34（4）∶79－80.

[7]肖澤亮.某電廠4×200 MW機組煙氣超低排放工程設計[C]//清潔高效發電技術協作網年會論文集，2016.

[8]李娜.石灰石－石膏法單塔雙循環煙氣脫硫工藝介紹[J].硫酸工業，2014（6）∶45－48.

[9]葉道正.單塔雙區高效脫硫技術在火力發電廠中的應用[J].中國電業（技術版），2014（8）∶57－59.

[10]何永勝，高繼賢，陳澤民.單塔雙區濕法高效脫硫技術應用[J].環境影響評價，2014，32（5）∶52－56.