脱硫系统单塔脱硫、除尘协同处理技术

1概述
国家对主要污染物减排工作要求不断升级。如何选择一种改造便捷、技术可行、运行稳定、投资少的脱硫、除尘协同处理装置改造方式已成为亟需解决的问题。气液再平衡均流器、筛板式托盘相与凝并式除雾器的单塔脱硫、除尘协同处理技术在三门峡公司首次应用。为超低排放改造提供了新思路和新选择。
2脱硫系统概况
大唐三门峡发电有限责任公司建设的脱硫工程由中环(中国)工程有限公司(原江苏苏源环保工程有限公司)总承包，于2006年10月开始投运。脱硫装置均采用石灰石-石膏湿法工艺，一炉一塔配置，脱硫效率不小于95%。原设计燃煤含硫量为1.2%(FGD入口SO2浓度2916mg/m3)，但随着煤炭市场供应的不确定性，实际燃用的煤质条件与设计煤种存在一定的偏差。根据最新版的《GB13223-2011火电厂大气污染物排放标准》要求，及可预见的以后国家将实行更为严格的排放控制标准，2014年由福建龙净环保股份有限公司对脱硫系统进行增容改造。改造按燃用设计脱硫煤种FGD入口5910mg/Nm3时，出口SO2浓度小于150mg/Nm3，脱硫效率≥97.5%设计。
3改造目标及方案
本工程3、4号机组烟气超低排放脱硫、除尘及相关系统改造工程项目，工程采取EPC总承包模式。原有脱硫装置采用石灰石-石膏湿法脱硫工艺，一炉一塔布置，为达到SO2<35mg/Nm3(标态，干基，6%O2)，固体颗粒物<5mg/Nm3(标态，干基，6%O2)的排放环保标准，拟对原脱硫装置进行脱硫、除尘及相关系统改造。改造后满足：在改造设计煤种、锅炉BMCR工况、处理100%烟气量条件下，脱硫装置入口SO2浓度为3643mg/Nm3，烟尘浓度为30mg/Nm3时，脱硫装置出口SO2浓度按小于28mg/Nm3，脱硫效率不小于99.2%，固态颗粒物排放浓度小于4.5mg/Nm3。
采用的主要技术路线：
通过对超低排放项已实施和正在改造电厂的考察，结合电厂现有运行情况等自身特点;兼顾系统整体优化、节省投资与运行成本等因素，确定如下超低排放改造主要方案：
l在入口烟道至第一层喷淋层之间增加气液再平衡均流器;l将第二层喷淋层上移0.6m，再在其下方增设一筛板式托盘;l更换下三层喷淋层主管、支管、喷嘴。提高喷淋层覆盖率达300%。
l在入口烟道至第一层喷淋层之间增加的气液再平衡均流器，在提高烟气在吸收塔均匀性和起到初步脱硫效果的同时，实现吸收塔内第一次协同除尘作用;l将第二层喷淋层上移0.6m，再在其下方增设一托盘;l拆除原有两层屋脊式除雾器，新增一套凝并式除雾器，原有管式除雾器利旧。
4针对本工程的方案论证
4.1关于脱硫系统增设气液再平衡均流器的研究 在入口烟道至第一层喷淋层之间增加气液再平衡均流器，其结构为由许多模块拼装而成。气液再平衡均流器如下图所示：
每个模块由两层错列布置的管栅和固定他们的外框架组成。保证烟气在进入吸收塔后可以均布，且浆液喷淋下来后，可以在均流装置上形成一层液膜，进而提高气液传质系数，同时增加烟气与浆液接触的时间，确保浆液中SO2和烟气中的SO2达到平衡。
当气体从下方向上流动时，经过圆管时会产生文丘里效应，即烟气流经圆管时，会再圆管的背面上方端口产生气压低的区域，从而产生一定的吸附作用，进而使得烟气的含尘颗粒物在圆管的背面产生沉降，沉降下来的颗粒物被下方流下来的液相带走。另气流通过圆管后，在其背后会产生涡流，使得颗粒物之间产生碰撞，进而使得颗粒增大，有利于提高后续部件的除尘效果。
气液再平衡均流器模块的立面结构图如下
气液再平衡均流器相对于筛板来说，气液再平衡均流器开孔的大，b=1580mm，a=73mm，当量直径为de=4ba/2(b+a)=139.55mm，与筛板相比，相同的开孔率下，气液再平衡均流器上方只会形成一层薄薄的液膜，液膜的厚度约为8mm，阻力小，气液再平衡均流器为150Pa。
此处增设气液再平衡均流器考虑到气液平衡平衡再均流器的通流面积较托盘更大，且双层交错的管栅结构具有更小的阻力。可有效的减缓热烟气在此处的结垢情况。据此有效达到烟尘中二氧化硫及烟尘的初级处理。
4.2关于脱硫系统增设筛板式托盘的研究
将第二层喷淋层提高0.6m，在其下方增设一筛板式托盘。开孔率为45%，气液两相同时通过筛孔进行传质，主要机理是将液相作为捕尘体，在惯性、截留、扩散等作用下将粉尘捕集，其中以惯性作用为主。为了提高捕尘效率，特别是惯性捕尘效率，需要提高水滴与气流的相对速度，同时要减小水滴的大小。就惯性碰撞机制来看，因为惯性碰撞效率和尘粒与液滴的相对速度成正比，和液滴直径成反比。
另外，气液通过筛孔时，当气流流速控制在一定范围内时(与水层高度有关)可以在筛板上形成泡沫层。在泡沫层中的气泡不断地断裂、合并，又重新生成。气流在通过这层泡沫后，粉尘被捕集，气体得到净化。
本工程将筛板式托盘设置在次底层喷淋下部，主要考虑上方喷淋梁对在筛板上形成的持液层厚度，以及对系统整体阻力的影响。
4.3关于脱硫系统增设凝并式高效除雾器的研究 本工程拆除原有两级屋脊式除雾器，原有管式除雾器利旧。新形势的屋脊除雾器具有如下结构特点：
凝并式高效除尘除雾器其结构是在高效除尘除雾器的第一级除雾器后加装喷雾装置，喷出大量粒径80——150μm低温水雾，低温水雾产生的大量小粒子水滴与经过第一层除雾器以后的细小液滴及尘粒发生碰撞凝并，变成大粒径的液滴，大液滴再通过第二、三层高效屋脊式除雾器时除去，从而达到高效除尘除雾的效果。
4.4关于脱硫系统流场对系统稳定运行的研究
流场对脱硫系统影响主要有两方面。
(一)浆液喷淋系统烟气旁流的影响。
靠近吸收塔塔壁，为避免喷淋对塔壁冲刷。该处的喷淋与塔壁间形成一定盲区。烟气会形成“趋壁效应”。导致烟气旁流。进而影响二氧化硫及烟尘的脱除。
本工程通过增设均流器、筛板式托盘。对烟气形成一定整流作用。并在上三层喷流下部设置有烟气分布环板。在烟气可能旁流位置“回拢”烟气。消除烟气的“趋壁效应”。
(二)吸收塔出口烟道形式对除雾器区域流场的影响。
本次改造工程为保证除雾器的效果对吸收塔进行抬高7米，第一层屋脊式除雾器底部距离最顶层喷淋中心线的距离为3.4米，每层除雾器之间的距离为2米，最顶层屋脊式除雾器顶部距离吸收塔净烟道的底部为1.8米，最顶层屋脊式除雾器顶部距离吸收塔净烟道的距离足够大，此设计最大限度避开因烟道侧出而影响烟道流场分布不均匀的区域。
本工程原有净烟道为圆锥体侧出，气体从烟道出口侧和远离烟道出口侧进入净烟道的阻力存在一定偏差，在远离烟道出口侧产生大面积的高压区域，使得远离烟道出口侧流速下降，靠近烟道出口侧的流速快，将影响除雾器内部流速，进而影响到除雾器的除尘效果。针对此种情况，三门峡公司采用CFD模拟进行了印证。下列相关图为三门峡电厂吸收塔烟气流场CFD模拟图。从图中可得出结论：烟道侧顶出，会造成除雾器出口截面部分烟道压力分布不均，流速存在明显偏差。本工程设计除雾器，设计表面烟气速度4.3m/s，重新夹带临界速度5.9m/s。因此吸收塔顶部烟道侧出势必会对除雾器工作的流场，和安全稳定运行造成不利影响。
5改造后的运行效果
三门峡公司4号机组超低改造主体工程于11月20日完成，进入调试阶段。12月18日机组启动，12月20日凌晨6时，三门峡公司4号机组顺利发电并网，标志着河南公司首台60万千瓦机组的超低排放改造工作圆满落幕。2016年1月，三门峡公司委托河南省电力科学研究院对4号机组进行了烟气超低排放评估监测试验。试验期间，各试验机组负荷下，二氧化硫排放浓度小于25mg/m?，烟尘排放小于4mg/m?。达到并优于改造目标。
6结束语
采用气液再平衡均流器、筛板式托盘相与凝并式除雾器的单塔脱硫、除尘协同处理技术在三门峡公司首次应用。根据实际应用情况，此种超低排放改造技术路线具有投资低、工期适当、无新增施工占地、技术可靠等特点。虽需经机组长周期运行考验，并对原有系统继续研究优化。但根据目前情况观察。此种超低排放改造技术路线是可行的。