精細化集成技術在燃煤電廠超低改造中的應用

吳建峰 戚磊 顧建權 賴慧

摘要：針對燃煤電廠超低排放改造存在改造工程量大，占地空間大，投資成本高的現狀，本文對化學反應機理、多相流動機理、流場模擬、塔內件等進行深入的研究分析，摸索出一套適合超低改的精細化集成技術，并將研究成果應用在某電廠的實際改造工程中，通過工程改造的實際效果來驗證精細化集成技術的可行性，為實現真正的節能減排改造提供一種方向。

關鍵詞：濕法脫硫 ?超低改造??精細化設計 ?節能減排

Application of Detailed Integration Technology in Ultra-low Transformation of Coal-fired Power Plants

WU Jianfeng??Qi Lei ?Gu Jianquan ?Lai Hui

（Pyneo Co.， Ltd.， Hangzhou， Zhejiang Province， 311121 China）

Abstract：The ultra-low emission transformation of coal-fired power plants have?the status of large amount of transformation， large space and high investment cost， the chemical reaction mechanism， multiphase flow mechanism， flow field simulation， tower inner parts and so on are deeply studied and analyzed， and find out a set of detailed?integration technology suitable for ultra-low transformation.The research results are applied to the actual transformation project of a power plant， and the feasibility of the detailed integration technology is verified by the actual transformation project， which provides a direction for the realization of the real energy conservation and emission reduction.

Key Words：Wet desulphurization; Ultra-low transformation; Detailed design; Energy conservation and emission reduction.

《全面實施燃煤電廠超低排放和節能改造工作方案》自2015年12月公布以來，全國各地燃煤機組開展了轟轟烈烈的超低排放改造。目前，超低排放技術路線多種多樣，主要有低溫電除塵器、濕式靜電除塵器、旋匯耦合器、單塔雙循環、串塔等脫硫除塵技術，通過以上技術的組合使用，可以對SO、粉塵達到超凈協同控制作用。然后，這種協同控制路線改造工程量大，占地空間大，投資成本高，且忽略了脫硫塔固有的深度脫硫除塵能力，并沒有真正做到“節能”減排。本文從脫硫反應機理上進行分析，運用精細化設計技術，深度挖掘脫硫塔固有的脫硫除塵潛力，從而避免大刀闊斧的改造，實現真正的“節能”減排。

1?項目概況

本文中以某電廠660MW機組為研究對象，通過精細化設計，進一步挖掘脫硫塔脫硫除塵能力，以最低的代價來實現達標排放。該電廠當時簽訂的技術協議書是按照《火電廠大氣污染物排放標準》（GB?13223-2011）中特別排放限值要求，按機組燃煤含硫量1.4%，SO濃度3996mg/Nm，粉塵≤60mg/Nm作為脫硫輸入條件，機組BMCR工況下吸收塔出口滿足SO≤94mg/Nm，粉塵≤30mg/Nm進行設計，脫硫效率≥97.6%，粉塵脫除效率≥50%。

隨著2015年12月，國家發改委、環保部、國家能源局聯合發布了《全面實施燃煤電廠超低排放和節能改造工作方案》，要求全國燃煤電廠力爭在2020年前實現超低達標排放（即在干基、6%O條件下，煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別≤10mg/Nm、35mg/Nm、50mg/Nm）。因此，原有的系統設計已無法滿足超低排放要求，故需要對原有系統進行技改提效。

2?技改前相關情況

2.1?技改前系統介紹

脫硫裝置采用一爐一塔，即每臺爐設一套脫硫系統，系統主要由煙風系統、吸收塔循環系統、脫硫劑制備及供給系統、石膏脫水系統、工藝水系統、疏放系統、電氣儀控系統等組成。除塵后的煙氣經引風機進入吸收塔，與塔內脫硫液反應，經脫水除霧后排放。脫硫液采用內循環吸收方式，吸收SO后流入塔釜，由循環泵從塔釜打到噴淋層上，在噴淋層被噴嘴霧化，并在重力作用下落回塔釜。在吸收塔后設有除霧器，除去出口煙氣中的霧滴及細小粉塵。

吸收塔底部鼓入空氣對脫硫中間產物亞硫酸鈣進行強制氧化，保證吸收塔中石膏品質。引出部分脫硫液至石膏脫水系統，維持塔內漿液密度恒定。通過向塔內加入石灰石漿液，維持塔釜漿液的pH值穩定及足夠的脫硫有效成分，保證脫硫效率。

2.2?存在問題

隨著超低排放對脫硫系統性能提出了更高的要求，原有的系統配置已無法滿足達標排放要求。

3?技改措施

3.1?技改思路及方案

采用精細化設計技術，該技術基于對化學反應機理、多相流動原理、化學反應速率等進行研究分析，建立深度脫硫和高效除塵計算模型，同時結合我司多年實際項目經驗，以及在脫硫等模擬技術方面的國際領先科研成果，利用CFD技術對脫硫系統流場和化學場進行數值分析，使塔內構件和設備選型達到精細化設計。精細化設計不僅是對塔內流場、化學場的精確模擬分析，更是對塔內細節的進一步優化。

3.1.1?化學需氧量分析，增大氧化風機流量

在濕法煙氣脫硫塔內，煙氣中的SOHCl等氣體與含有CaSO、CaCO及CaSO的脫酸漿液接觸并進行反應，該過程為非均相反應，過程非常復雜。石灰石漿液吸收SO的主要反應如下。

從上式中可以看出，SO的去除過程是一個氣液兩相吸收、反應過程，伴有物理吸收，化學反應。它主要受液相傳質阻力所控制。為了提高液相傳質系數，一方面可以提高漿液pH值，另一方面也可以提高氧化率。但是，石灰石是弱堿性物質，溶解需要在酸性環境中，單純通過提升漿液堿度來提高液相傳質系數非常有限。因此，控制漿池的氧化空氣量對超凈排放至關重要。在本項目中，原系統配置為單塔兩臺氧化風機，一用一備，氧化風量為16?000m/h，我們對此進行了精細化設計，通過深度脫硫和高效除塵計算模型對原有氧化空氣量進行了核算，增加氧化風量，將氧化風機流量增大到25?000m/h，以滿足超凈排放設計要求。

3.1.2?流場分析，優化噴淋層布置及噴嘴型式

吸收塔內煙氣流場的分布均勻性對SO的吸收效率和吸收塔阻力有決定性作用，合理的流場分布有利于加強氣液兩相的充分接觸與質量傳遞。本項目中，我們利用CFD技術對脫硫塔內部進行了流場分析，對速度不勻的地方和吸收塔邊緣增加了噴嘴的布置密度以提高噴淋覆蓋率。另外，我們通過提高噴嘴壓力，降低噴嘴流量來降低漿液霧化粒徑。霧滴粒徑越小，在塔內懸浮停留時間越長，與煙塵、SO接觸機會增多，脫除效率增高。本項目中，我們將噴嘴壓力從55kPa提高到78kPa，單個噴嘴流量從64m/h降至57m/h，同時頂層采用單向空心錐型噴嘴，噴出的漿液平均粒徑在2000μm，除頂層外其他噴淋層采用雙向空心錐型噴嘴，噴出的漿液平均粒徑在1800μm。雙向噴嘴除了自身產生的霧滴粒徑小，漿液之間的碰撞還會產生二次霧化，使氣液兩相接觸面積大幅度增加，從而強化了吸收塔脫硫除塵效率。

3.1.3?進行脫硫除塵模型計算，提高液氣比

液氣比（L/G）是指吸收塔內通過的煙氣量與噴淋漿液的比值。國內很多學者吸收塔液氣比對濕法煙氣脫硫過程影響進行了研究，并研究出了效率與液氣比之間函數關系式：

（6）

式中，γ表示脫硫效率;表示吸收速率系數;表示漿液量（m/h）;表示通過煙氣量（m/h）。

從式（6）中可以看出，液氣比越高，脫硫效率越高。這是因為噴淋量越多，與二氧化硫接觸表面積就越大，在其他參數不變的情況下，提高液氣比就是增加了塔內噴淋密度，即增加了氣相與液相傳質表面積，提高漿液液氣比也相對提高了塔內漿液PH值，因此隨著兩相傳質單元數的增加，脫硫效率也隨之提高。本項目中，我們根據我公司自有的高效脫硫計算模型和多年設計經驗，對原有噴淋量進行了核算，發現原有的液氣比22.25l/Nm（入口標態，濕基）偏小。因此，此次改造新增一臺12?500m/h漿液循環泵，液氣比達到27.81l/Nm（入口標態，濕基），以滿足超低排放要求。

3.1.4?石灰石溶解和石膏結晶過程分析，擴大漿池容積

石灰石溶解和石膏結晶主要在漿池中完成，石灰石溶解速率和石膏結晶速率將直接影響到漿池容積大小，石灰石溶解主要發生下列反應。

固體CaCO的溶解：?????????????????????（7）

（8）

（9）

石膏結晶主要發生下列反應。

CaSO和CaSO的結晶：??????? （10）

（11）

從式（7）可以看出，石灰石溶解速率主要受漿液中H濃度的影響。溶液酸性越強，H濃度就越高，此時傳質推動力相應較大，石灰石的溶解速率就越快。同時，pH值較低時，CaSO·1/2HO溶解度較大，有利于形成高品質石膏。雖然漿液較低pH值對石灰石溶解、石膏結晶有利，但pH值太低會降低SO的吸收效果，實際運行中一般會考慮石灰石溶解、石膏結晶與SO吸收之間的一個平衡。對此，對本項目進行了石灰石溶解、石膏氧化結晶、SO吸收等過程化學場模擬，得出了本項目最佳pH控制區間為5.0～5.6，根據該pH控制區間內的反應速率得出漿液停留時間應大于4min。本項目中，原有漿池容積只有3318m，新增一臺12?500m/h的循環泵后，漿液停留時間只有3.2min，對此我們將漿池抬高4m，漿池容積變為4279m，漿液停留時間變為4.1min，利于石灰石的充分溶解和石膏成核結晶。

4?技改效果

該脫硫裝置及公用系統經過168h整套試運，脫硫裝置及公用系統運行穩定、正常、各項指標基本滿足系統安全運行及設計要求。主機最大運行負荷660MW（平均負荷470MW，原煙氣流量1350kNm/h、標干、6%氧量），凈煙氣粉塵排放濃度<10mg/Nm（平均值僅4mg/Nm），吸收塔出口凈煙氣SO濃度能控制在35mg/Nm以內（平均值僅12.6mg/Nm）。參照《火力發電建設工程啟動試運及驗收規程》（DL/T 5437-2009）和《火力發電建設工程機組調試質量驗收及評價規程》（DL/T?5295-2013），工程質量合格。實踐證明，通過對脫硫系統進行精細化設計，深挖脫硫塔固有的脫硫除塵潛力，避免大刀闊斧的改造，可以實現煙氣超低排放要求。

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中圖分類號：X773DOI：10.16660/j.cnki.1674-098x.2201-5640-3633

作者簡介：吳建峰（1988—），男，碩士，工程師，研究方向為能源綜合利用和大氣污染物治理。