燃用高硫煤火電機組旋流霧化超潔凈排放試驗研究

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(1.華南理工大學 電力學院，廣東 廣州 510640;2.廣東埃森環保科技有限公司，廣東 廣州 510640)

0 引 言

依據GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》要求，燃煤電廠SO2排放濃度需控制在35 mg/Nm3以下，粉塵排放濃度需控制在5 mg/Nm3以下。截至2016年底，化石燃料用量增多，僅我國已投運火電廠機組容量約8.8億kW，占煤電機組容量的93%。采用傳統技術的高硫煤火電機組煙氣超潔凈排放改造出現了脫硫除塵系統投資高、能耗高、系統復雜等諸多問題，發展高效節能的煙氣脫硫除塵一體化技術尤為重要。

目前國內外火力發電機組超低排放改造方案主要是燃燒低硫煤，采用濕法煙氣脫硫裝置，且配套濕電除塵器裝置的技術路線。孟煒等[1]采用低低溫靜電除塵器和電場濕式靜電除塵器除塵改造方案，結合脫硫吸收塔內交互噴淋技術，對設計煤種硫含量0.8%的百萬千瓦機組進行超潔凈排放改造，該改造方案存在系統復雜、造價高以及能耗大等缺點。Sui等[2]使用濕法煙氣脫硫煙氣裝置且配套濕電除塵器裝置對火力發電機組進行脫硫除塵改造，以實現煙氣超低排放。日本碧南電廠1 000 MW機組采用分級燃燒技術和新型燃燒器、SCR脫硝、干式靜電除塵器、濕法煙氣脫硫裝置以及濕式靜電除塵器的技術路線實現煙氣超低排放，具有改造費用高、系統復雜的缺點[3]。張軍等[4]針對2臺1 000 MW火力機組，采用低氮燃燒器、SCR脫硝裝置、干式靜電除塵器、濕法煙氣脫硫裝置和濕式靜電除塵器的技術路線實現煙氣的超潔凈排放。當前國內外火力發電機組超低排放改造方案均具有系統復雜、改造費用高等問題[5-9]。對于高硫煤火電機組，國內目前多采用雙塔雙循環技術對其改造，但具有系統復雜、占地面積大、能耗高等缺點[10-11]。考慮到實際運行的可靠性和經濟性，硫含量大于2.2%時，雙塔雙循環技術難以在現有脫硫增效措施下完成SO2的超低排放[11]。

針對上述問題，本文提出高效旋流霧化脫硫除塵一體化技術以解決現有高硫煤火電機組在煙氣超潔凈排放改造中遇到的諸多問題。該技術可在單塔、高煙氣流速、低液氣比條件下在脫硫塔內同時完成脫硫除塵過程，實現煙氣超潔凈排放。本文對高硫煤火力發電機組煙氣脫硫塔開展高效旋流霧化脫硫除塵一體化改造試驗，通過改造前后性能試驗，分析增裝旋流霧化層后，液氣比、進口煙氣溫度、進口SO2濃度、進口粉塵濃度與脫硫效率、除塵效率的關系，為高硫煤火力發電機組的煙氣超潔凈排放提供一條新的技術路線。

1 旋流霧化脫硫除塵一體化技術機理

1.1 旋流霧化噴嘴

旋流霧化噴嘴是一種氣力式新型雙流噴嘴，采用雙通道結構，中心管通入壓縮空氣，外環管通入液相工質;液相入口貼壁切向布置。其霧化機理為:2個通道中流動的氣體和液體之間存在較大的相對速度，加強了氣體對液體的擾動，形成不穩定波。高壓氣流通過拉法爾噴管射出，帶動四周的液流將其破碎成液滴，形成劇烈湍動的氣液兩相流噴入外部環境中。由于旋流霧化噴嘴內外壓差的劇烈變化，使氣流進一步膨脹，將包裹在其周圍的液膜進一步破碎成為更細小的液滴[12]。旋流霧化噴嘴如圖1所示。

圖1 旋流霧化噴嘴Fig. 1 Swirl atomizing nozzle

1.2 技術機理

本文運用自主研發的高效旋流霧化脫硫除塵一體化技術，通過在脫硫塔壁上切圓布置的旋流霧化器實現脫硫漿液的微細霧化，形成切圓噴霧湍流旋流場。在高效旋流霧化器中，脫硫漿液被霧化成細小顆粒，粒徑由傳統噴淋層的1 500～3 000 μm降到50～150 μm[13]，氣液接觸比表面積提高400～900倍，吸收反應速率顯著提高。同時通過旋流霧化切圓布置技術，煙氣憑借切圓湍流旋流場的作用而不斷螺旋上升，大大延長了煙氣在脫硫塔內的停留時間，提升了煙氣中SO2與漿液顆粒的脫硫反應機率，從而提高了脫硫效率。

脫硫塔內，煙氣與漿液微粒在切圓式旋流場及圓周剪切力的綜合作用下形成強烈湍流[14]，加上高效旋流霧化器對漿液顆粒的破碎撕裂與聲波霧化，形成湍流凝并、聲波凝并與相變凝并的復合作用，煙氣中攜帶的微細顆粒不斷聚集長大，粒徑由<20 μm增大到150 μm以上[15-16]，實現了高效凝并。凝并的大顆粒再由高效復合相變除霧器捕捉除去，可顯著提高脫硫塔的除塵效率，從而實現了協同脫硫除塵。

2 改造試驗

2.1 改造前系統狀況

某燃用高硫煤的火力發電機組采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝，一爐一塔布置。脫硫塔前設有靜電除塵設備。脫硫塔為逆流噴淋塔，脫硫塔直徑為12 m，總高度44 m。吸收區自上而下布置有A、B、C、D、E五層噴淋層和5臺漿液循環泵，漿液循環泵的規格參數見表1。除霧系統由兩級屋脊式除霧器組成。在額定工況下，煙氣流量為150萬m3/h，脫硫塔內流速為3.69 m/s，入口煙氣溫度在120 ℃左右。

表1漿液循環泵規格參數
Table1Specificationsofslurrycirculationpump

參數A層B層C層D層E層流量/(m3·h-1)7 5007 5007 5005 0005 000揚程/m18.4220.1221.8223.5225.22

改造前鍋爐燃用硫含量1.5%的煤，脫硫塔入口SO2質量濃度4 500 mg/Nm3，出口SO2質量濃度55 mg/Nm3左右;脫硫入口粉塵質量濃度30 mg/Nm3，出口粉塵濃度25 mg/Nm3。煙氣在脫硫塔流速為3.686 m/s，粉塵二次攜帶嚴重。

2.2 系統改造

對上述脫硫塔進行旋流霧化脫硫除塵一體化改造。在原A、B、C、D、E五層噴淋層下增設一層旋流霧化層F，對應配套一臺流量為3 500 m3/h漿液循環泵，揚程為36 m。在旋流霧化層F，沿脫硫塔壁切圓式布置36個旋流霧化器。通過加裝高效凝并除霧器對煙氣中的粗粒徑粉塵進行捕捉，達到超潔凈除去微細粉塵顆粒的目的。改造方案如圖2所示。

3 試驗結果及分析

3.1 改造前后試驗結果

為研究改造前后系統性能，選取不同煤種進行試驗。由于環境排放限制，改造前只能選取含硫量為1.5%的試驗煤種，入口SO2質量濃度為4 000～4 500 mg/Nm3，控制入口煙氣流量為150萬m3/h，入口煙氣溫度在120 ℃左右，入口粉塵質量濃度不超過30 mg/Nm3。改造前系統出口SO2質量濃度只維持在55 mg/Nm3，出口粉塵質量濃度維持在20～25 mg/Nm3。

圖2 旋流霧化脫硫除塵一體化改造示意Fig. 2 Transformation diagram of swirl atomization desulphurization and de-dusting integrated technology

改造后，選取試驗煤種硫含量為2.5%～2.7%，控制入口煙氣流量為15萬m3/h，入口煙氣溫度在120 ℃左右，入口SO2質量濃度5 600～6 200 mg/Nm3，入口粉塵質量濃度不超過30 mg/Nm3。啟動旋流霧化層F，選取4種不同運行方式ABCDE、ABCEF、BCDEF、ABCDEF進行試驗。分析4種運行方式下液氣比、入口煙氣溫度、入口SO2濃度、入口粉塵濃度、出口SO2濃度、出口粉塵濃度等測試數據。對現場測得的354組數據進行整理，其中9組重要測試數據見表2。

表2旋流霧化脫硫除塵一體化改造前后實測數據
Table2Measurementdataofswirlatomizationdesulphurizationandde-dustingintegratedtechnologybeforeandaftertransformation

序號運行方式入口煙氣溫度/℃入口SO2質量濃度/(mg·Nm-3)入口粉塵質量濃度/(mg·Nm-3)出口SO2質量濃度/(mg·Nm-3)出口粉塵質量濃度/(mg·Nm-3)液氣比/(L·m-3)脫硫效率/%脫硫塔除塵效率/%1ABCDE126.7 4 499 27.8 53.5 5.2 21.6798.81 81.29 2ABCDE127.8 4 148 27.2 50.6 5.2 21.6798.78 80.88 3ABCEF124.4 4 89527.3 29.5 2.8 19.9399.40 89.74 4ABCEF126.3 4 53428.1 27.5 2.9 19.9399.39 89.68 5BCDEF127.6 4 92528.7 29.6 3.1 18.2799.40 89.20 6BCDEF131.2 4 67529.0 28.7 3.2 18.2799.39 88.97 7ABCDEF125.3 6 20027.3 30.0 2.5 23.2799.52 90.84 8ABCDEF126.0 4 93828.0 25.1 2.7 23.2799.49 90.35 9ABCDEF134.1 4 56030.0 26.8 3.3 23.2799.41 89.00

3.2 液氣比對脫硫效率的影響

為研究液氣比對脫硫效率的影響，選取ABCDE(無旋流霧化層運行)、ABCEF、BCDEF和ABCDEF四種運行方式進行性能測試。試驗結果如圖3所示。運行方式ABCDE、ABCEF、BCDEF和ABCDEF對應的液氣比分別為21.7、19.9、18.3、23.3 L/Nm3，平均脫硫效率分別為98.77%、99.35%、99.34%、99.44%。說明改造后脫硫效率較改造前有較大提升。特別是投運旋流霧化層后，平均脫硫效率都高于99%。隨著液氣比的升高脫硫效率可高達99.44%。

圖3 液氣比對脫硫效率的影響Fig.3 Effect of liquid-gas ratio to desulphurization efficiency

通過多工況反復試驗，表明旋流霧化脫硫除塵一體化技術可更好地適應液氣比的變化，煙氣入口SO2質量濃度4 000～4 500 mg/Nm3、液氣比18.3 L/Nm3的情況下就可以實現煙氣脫硫的超潔凈排放。液氣比23.3 L/Nm3、煙氣入口SO2質量濃度6 200 mg/Nm3的條件下也可實現煙氣脫硫的超潔凈排放。

3.3 入口煙氣溫度對脫硫效率的影響

為了研究入口煙氣溫度對脫硫效率的影響，選取煙氣入口溫度為124～136 ℃，在ABCDE、ABCEF、BCDEF和ABCDEF四種漿液泵運行方式下進行對比分析，試驗結果如圖4所示。

圖4 入口煙氣溫度對脫硫效率的影響Fig.4 Effect of inlet gas temperature on desulphurization efficiency

由圖4可知，運行方式ABCDE、ABCEF、BCDEF和ABCDEF的脫硫效率均隨著入口溫度的升高而緩慢降低。對比運行方式ABCDE和ABCEF、BCDEF，保持噴淋層運行層數不變，改設旋流霧化層F后，平均脫硫效率分別提高了0.58%和0.57%。旋流霧化脫硫除塵一體化技術可以更好地適應入口煙氣溫度的變化，脫硫效率可穩定控制在99.29%以上。

3.4 液氣比對除塵效率的影響

為研究液氣比對除塵效率的影響，選取ABCDE、ABCEF、BCDEF和ABCDEF四種運行方式進行對比，試驗結果如圖5所示。由圖5可知，運行方式ABCDE、ABCEF、BCDEF和ABCDEF對應的液氣比分別為21.7、19.9、18.3、23.3 L/Nm3，平均除塵效率分別為80.0%、89.57%、88.81%、89.92%。旋流霧化改造后，脫硫塔的除塵效率明顯提升。特別是投運旋流霧化層F后，除塵效率隨著液氣比的升高而升高，運行方式ABCDEF的平均除塵效率為89.92%，最高可達90.84%。說明旋流霧化脫硫除塵一體化技術可有效去除脫硫塔尾部微細顆粒物，且投運旋流霧化層后除塵效率可更好地適應液氣比的變化。

圖5 液氣比對除塵效率的影響Fig.5 Effect of liquid-gas ratio on de-dusting efficiency

3.5 入口煙氣溫度對除塵效率的影響

為了研究入口煙氣溫度對除塵效率的影響，選取ABCDE、ABCEF、BCDEF和ABCDEF四種運行方式進行性能試驗，結果如圖6所示。

圖6 入口煙氣溫度對除塵效率的影響Fig.6 Effect of inlet gas temperature on de-dusting efficiency

由圖6可知，在運行方式ABCDE下，入口煙氣溫度由126 ℃升高到132 ℃時，脫硫塔除塵效率隨由81.29%降至79.04%;在ABCEF、BCDEF和ABCDEF運行方式下，入口煙氣溫度由124 ℃升高到135 ℃時，脫硫塔除塵效率隨由90.84%降低到88.52%。由此可見投運旋流霧化層，煙氣溫度對脫硫塔除塵效率的敏感性變小。

3.6 入口SO2濃度對出口SO2濃度的影響

為了研究入口SO2濃度對出口SO2濃度的影響，選取ABCDE、ABCEF、BCDEF和ABCDEF四種運行方式進行性能試驗，結果如圖7所示。

圖7 入口SO2濃度對出口SO2濃度的影響Fig.7 Effect of inlet SO2 concentration on outlet SO2 concentration

由圖7可知，ABCDE運行方式下，因環保要求不允許超標排放，入口SO2質量濃度為4 000～4 500 mg/Nm3，若繼續提高入口SO2濃度，出口SO2濃度將瞬間上升到50 mg/Nm3以上，無法滿足超低排放的要求。投運旋流霧化層后，在運行方式BCDEF、ABCEF和ABCDEF下，入口SO2質量濃度為4 000～6 200 mg/Nm3，出口SO2濃度隨入口SO2濃度的升高而緩慢升高，出口SO2質量濃度穩定控制在35 mg/Nm3以內。旋流霧化脫硫除塵一體化技術可更好地適應入口SO2濃度的變化，在燃用高硫煤的情況下，脫硫塔入口煙氣SO2質量濃度達到6 200 mg/Nm3時，出口煙氣SO2質量濃度穩定在30 mg/Nm3，符合超低排放的要求。

3.7 入口粉塵濃度對出口粉塵濃度的影響

由于煙氣經過靜電除塵器，脫硫塔入口粉塵質量濃度在26～30 mg/Nm3，入口粉塵濃度對出口粉塵濃度的影響如圖8所示。

由圖8可知，在ABCDE運行方式下，出口粉塵質量濃度始終超出5 mg/Nm3，并隨入口粉塵濃度的增加而增加，不能滿足超低排放的要求。在改設旋流霧化層后，運行方式BCDEF、ABCEF和ABCDEF的出口粉塵濃度隨入口粉塵濃度的升高而緩慢升高，出口粉塵質量濃度穩定控制在3.3 mg/Nm3以內。在ABCDEF運行方式下，入口粉塵質量濃度達到30.0 mg/Nm3時，出口粉塵質量濃度達到3.3 mg/Nm3，符合超低排放要求。旋流霧化脫硫除塵一體化技術可較好地適應入口粉塵濃度的變化。

圖8 入口粉塵濃度對出口粉塵濃度的影響Fig.8 Effect of inlet dust concentration on outlet dust concentration

4 結 論

1)對某300 MW火力發電機組采用高效旋流霧化脫硫除塵一體化技術進行改造，在鍋爐燃用高硫煤，采用直徑12 m單塔，不增加濕電除塵器情況下實現了煙氣脫硫與除塵的超潔凈排放。鍋爐燃煤出口SO2質量濃度由53.5 mg/Nm3(硫含量1.5%)降至30 mg/Nm3(硫含量2.7%)，實現了燃用高硫煤的情況下，在單塔高煙氣流速下的超潔凈排放。

2)采用旋流霧化脫硫除塵一體化技術，脫硫塔入口粉塵質量濃度為30 mg/Nm3時，出口粉塵質量濃度實現小于5 mg/Nm3的超潔凈排放要求，不需在脫硫塔后加裝濕電除塵器，可在脫硫單塔協同完成脫硫除塵。煙氣入口SO2質量濃度為6 200 mg/Nm3時，液氣比23.3 L/Nm3即可實現煙氣脫硫的超潔凈排放，解決了高硫煤需要高液氣比的難題。

3)采用旋流霧化脫硫除塵一體化技術，在一定液氣比下，煙氣入口溫度及SO2濃度對脫硫塔的效率影響不大，脫硫效率可穩定在99.29%以上，脫硫塔除塵效率高達90.84%。該示范工程為實現燃煤煙氣SO2和粉塵的協同超低排放提供了穩定可靠的運行結果。