吳建峰 戚磊 顧建權(quán) 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(xiàn)狀，本文對化學(xué)反應(yīng)機理、多相流動機理、流場模擬、塔內(nèi)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(shù)，并將研究成果應(yīng)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(shù)的可行性，為實現(xiàn)真正的節(jié)能減排改造提供一種方向。

關(guān)鍵詞：濕法脫硫 ?超低改造??精細化設(shè)計 ?節(jié)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(jié)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(shù)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(huán)、串塔等脫硫除塵技術(shù)，通過以上技術(shù)的組合使用，可以對SO、粉塵達到超凈協(xié)同控制作用。然后，這種協(xié)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(jié)能”減排。本文從脫硫反應(yīng)機理上進行分析，運用精細化設(shè)計技術(shù)，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(xiàn)真正的“節(jié)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(shè)計，進一步挖掘脫硫塔脫硫除塵能力，以最低的代價來實現(xiàn)達標排放。該電廠當(dāng)時簽訂的技術(shù)協(xié)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(shè)計，脫硫效率≥97.6%，粉塵脫除效率≥50%。

隨著2015年12月，國家發(fā)改委、環(huán)保部、國家能源局聯(lián)合發(fā)布了《全面實施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》，要求全國燃煤電廠力爭在2020年前實現(xiàn)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(tǒng)設(shè)計已無法滿足超低排放要求，故需要對原有系統(tǒng)進行技改提效。

2?技改前相關(guān)情況

2.1?技改前系統(tǒng)介紹

脫硫裝置采用一爐一塔，即每臺爐設(shè)一套脫硫系統(tǒng)，系統(tǒng)主要由煙風(fēng)系統(tǒng)、吸收塔循環(huán)系統(tǒng)、脫硫劑制備及供給系統(tǒng)、石膏脫水系統(tǒng)、工藝水系統(tǒng)、疏放系統(tǒng)、電氣儀控系統(tǒng)等組成。除塵后的煙氣經(jīng)引風(fēng)機進入吸收塔，與塔內(nèi)脫硫液反應(yīng)，經(jīng)脫水除霧后排放。脫硫液采用內(nèi)循環(huán)吸收方式，吸收SO后流入塔釜，由循環(huán)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(shè)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(chǎn)物亞硫酸鈣進行強制氧化，保證吸收塔中石膏品質(zhì)。引出部分脫硫液至石膏脫水系統(tǒng)，維持塔內(nèi)漿液密度恒定。通過向塔內(nèi)加入石灰石漿液，維持塔釜漿液的pH值穩(wěn)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(tǒng)性能提出了更高的要求，原有的系統(tǒng)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(shè)計技術(shù)，該技術(shù)基于對化學(xué)反應(yīng)機理、多相流動原理、化學(xué)反應(yīng)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(jié)合我司多年實際項目經(jīng)驗，以及在脫硫等模擬技術(shù)方面的國際領(lǐng)先科研成果，利用CFD技術(shù)對脫硫系統(tǒng)流場和化學(xué)場進行數(shù)值分析，使塔內(nèi)構(gòu)件和設(shè)備選型達到精細化設(shè)計。精細化設(shè)計不僅是對塔內(nèi)流場、化學(xué)場的精確模擬分析，更是對塔內(nèi)細節(jié)的進一步優(yōu)化。

3.1.1?化學(xué)需氧量分析，增大氧化風(fēng)機流量

在濕法煙氣脫硫塔內(nèi)，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(yīng)，該過程為非均相反應(yīng)，過程非常復(fù)雜。石灰石漿液吸收SO的主要反應(yīng)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(yīng)過程，伴有物理吸收，化學(xué)反應(yīng)。它主要受液相傳質(zhì)阻力所控制。為了提高液相傳質(zhì)系數(shù)，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(zhì)，溶解需要在酸性環(huán)境中，單純通過提升漿液堿度來提高液相傳質(zhì)系數(shù)非常有限。因此，控制漿池的氧化空氣量對超凈排放至關(guān)重要。在本項目中，原系統(tǒng)配置為單塔兩臺氧化風(fēng)機，一用一備，氧化風(fēng)量為16?000m/h，我們對此進行了精細化設(shè)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(fēng)量，將氧化風(fēng)機流量增大到25?000m/h，以滿足超凈排放設(shè)計要求。

3.1.2?流場分析，優(yōu)化噴淋層布置及噴嘴型式

吸收塔內(nèi)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(zhì)量傳遞。本項目中，我們利用CFD技術(shù)對脫硫塔內(nèi)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(nèi)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(chǎn)生的霧滴粒徑小，漿液之間的碰撞還會產(chǎn)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(nèi)通過的煙氣量與噴淋漿液的比值。國內(nèi)很多學(xué)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(shù)關(guān)系式：

（6）

式中，γ表示脫硫效率;表示吸收速率系數(shù);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(shù)不變的情況下，提高液氣比就是增加了塔內(nèi)噴淋密度，即增加了氣相與液相傳質(zhì)表面積，提高漿液液氣比也相對提高了塔內(nèi)漿液PH值，因此隨著兩相傳質(zhì)單元數(shù)的增加，脫硫效率也隨之提高。本項目中，我們根據(jù)我公司自有的高效脫硫計算模型和多年設(shè)計經(jīng)驗，對原有噴淋量進行了核算，發(fā)現(xiàn)原有的液氣比22.25l/Nm（入口標態(tài)，濕基）偏小。因此，此次改造新增一臺12?500m/h漿液循環(huán)泵，液氣比達到27.81l/Nm（入口標態(tài)，濕基），以滿足超低排放要求。

3.1.4?石灰石溶解和石膏結(jié)晶過程分析，擴大漿池容積

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

固體CaCO的溶解：?????????????????????（7）

（8）

（9）

石膏結(jié)晶主要發(fā)生下列反應(yīng)。

CaSO和CaSO的結(jié)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(zhì)推動力相應(yīng)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(zhì)石膏。雖然漿液較低pH值對石灰石溶解、石膏結(jié)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(jié)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(jié)晶、SO吸收等過程化學(xué)場模擬，得出了本項目最佳pH控制區(qū)間為5.0～5.6，根據(jù)該pH控制區(qū)間內(nèi)的反應(yīng)速率得出漿液停留時間應(yīng)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(huán)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?yōu)?279m，漿液停留時間變?yōu)?.1min，利于石灰石的充分溶解和石膏成核結(jié)晶。

4?技改效果

該脫硫裝置及公用系統(tǒng)經(jīng)過168h整套試運，脫硫裝置及公用系統(tǒng)運行穩(wěn)定、正常、各項指標基本滿足系統(tǒng)安全運行及設(shè)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(nèi)（平均值僅12.6mg/Nm）。參照《火力發(fā)電建設(shè)工程啟動試運及驗收規(guī)程》（DL/T 5437-2009）和《火力發(fā)電建設(shè)工程機組調(diào)試質(zhì)量驗收及評價規(guī)程》（DL/T?5295-2013），工程質(zhì)量合格。實踐證明，通過對脫硫系統(tǒng)進行精細化設(shè)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(xiàn)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。