摘要：为应对我国日益增长的环保需求以及能源工业可持续发展的迫切需要，资源节约型燃煤超低排放技术的研究和发展意义重大。本文提出以原有燃煤烟气湿法脱硫塔(WFGD)为基础，采用理论研究、数值模拟、冷态实验、中试实验等方法，开发了基于高效渐变分级技术的复合脱硫塔。在不设置湿式电除尘器(WESP)的情况下，实现SO2和烟尘一体化高效协同脱除，满足中高硫燃煤烟气的超低排放要求。660MW机组超低排放改造示范项目连续安全稳定运行，监测结果显示，在脱硫塔入口SO2浓度3585～6249mg/Nm3的情况下，SO2脱除效率≥99.5%，出口SO2≤21.8mg/Nm3，出口烟尘≤2.66mg/Nm3。
关键词：中高硫煤、超低排放、高效渐变分级技术、复合脱硫塔
1. 引言
近来，燃煤电厂超低排放要求日益严格。2014年9月，国家发改委、环保部、能源局三部委联合下发“发改能源[2014]2093号”文件，要求2020前对燃煤机组全面实施超低和节能改造，东部地区新建燃煤发电机组大气污染物排放浓度基本达到燃气轮机组排放限值，即NOX≤50mg/Nm3，SO2≤35mg/Nm3，烟尘≤10mg/Nm3。2015年12月，环保部下发“环发[2015]164号”文件，东、中部地区要提前至2017年和2018年完成超低排放改造。部分环境容量有限的省市，陆续提出更为严格的排放标准，如江苏省、浙江省、山西省、广州市等地要求燃煤电厂大气污染物达到燃气机组排放标准[1]，即：NOX≤50mg/Nm3，SO2≤35mg/Nm3，烟尘≤5mg/Nm3。由于中低硫煤具有含硫量低、灰份低、热值较高等特点，我国燃煤电厂为了急于应对国家的环保限值压力，普遍采用价格较高的中低硫煤。其烟气中SO2和烟尘浓度均较低，通过提高WFGD的石灰品质和液气比、优化ESP的供电调控、低低温电除尘改造等一系列方式可以达到超低排放的要求[2]。一方面，在我国煤炭资源中有大约30%的煤硫含量在2%以上，尤其西南地区有些煤矿含硫量高达10%，在山西等地区因为经济性、煤质地域性的差异，广泛使用含硫量超过2%的煤质;另一方面，随着优质煤的使用量日益加剧，我国燃煤电厂将必须面对低硫煤日益减少，燃料成本上升，而被迫使用中高、高硫煤的局面。
但是中高、高硫煤燃烧对脱硫和除尘效率的要求均大大增加。对脱硫系统，需要99%甚者更高的脱硫效率才能达到超低排放要求，传统的湿法烟气脱硫装置脱硫效率约为90-98%[3]，难以满足。为适应更严格的排放限值，国内各厂家引进和开发了多种高效脱硫的技术，代表性的有双托盘喷淋塔技术、诺尔双循环技术、单塔双区技术、旋汇耦合技术、串联塔技术等。对于燃煤硫份不高的项目，多种脱硫技术都可以达到98%以上的的脱硫效率，满足超净排放的要求。但对于中高硫煤，脱硫装置烟气SO2浓度在4000mg/Nm3(燃煤含硫量1.5%左右)以上，出口SO2浓度可以稳定达到35mg/m3以下，实际投入运行的超低排放脱硫项目实为鲜见，特别是采用单塔方案之前还是空白。
对除尘系统，虽然ESP对于PM10以上颗粒的捕集效率可以达到99.99%以上，但是对PM2.5的捕集效率较低约98%左右[4]，对SO3与H2O结合形成的亚微米气溶胶PM1捕集效率更低[5]，常需要在WFGD后布置WESP来提高PM2.5的脱除效率。WESP目前应用业绩较多，出口烟尘可控制在5mg/Nm3以内，同时还可以联合脱除石膏和汞等污染物。但是无法去除甚至会增加湿烟气中的水雾含量，加大烟囱冒“白烟”的现象，在日本需要配合管式换热器解决石膏雨问题。此外WESP还存在投资运行费用高，占地面积大，腐蚀、能耗和水耗高等问题[6]。
WFGD的主要功能为脱除SO2，同时兼有部分烟尘及其它污染物协同脱除的作用，但国内根据空塔、托盘塔等脱硫装置得出的经验值，认为湿法脱硫的除尘效率仅为50%左右，忽视了WFGD的除尘潜能。一方面，原有环保标准较低不能促使企业关注ESP之外的除尘效率，传统的ESP+WFGD系统就能满足SO2和烟尘的排放限值;另一方面，WFGD系统内除尘机理复杂，烟尘与气相、液相之间发生复杂的拖曳、碰撞、拦截等物理过程，鲜有成熟的机理研究和工业示范为WFGD的除尘效率提供明确的理论依据。
武汉凯迪电力环保有限公司与华能国际股份有限公司针对中高硫煤的超低排放问题，突破传统单一系统或设备只侧重于对单一污染物控制的理念，提出基于高效渐变分级技术的新型脱硫塔工艺，不改变原WFGD主体结构，不设置WESP，通过单塔改造实现深度脱硫协同高效除尘。在入口SO2为5440 mg/Nm3，烟尘为30 mg/Nm3的条件下，单塔脱硫效率≥99.5%，出口SO2≤30mg/Nm3，烟尘≤3mg/Nm3。为中高硫煤的超低排放改造提供了良好的解决方案。
2. 高效渐变分级复合脱硫塔的技术路线研究
2.1理论基础
在传统的石灰石-石膏法单塔脱硫工艺中，由于喷淋层喷出的吸收浆液会落到塔底浆池区进一步氧化，在喷淋层区需较高pH值以利于SO2吸收，在浆池区需较低pH值以利于CaSO3•1/2H2O氧化。从吸收角度而言，为实现较低的排放浓度，必须加大吸收剂用量，而气液传质推动力随着烟气中SO2浓度降低而降低，在不改变平衡条件的情况下，加大浆液循环量，提高液气比的效果是极为有限的;另外，通过提高pH值而加大对SO2的吸收又难以保证石膏的正常氧化，强调一侧的效果都不利于吸收塔的正常运行。
因此本文提出渐变分级吸收原理，如图1所示，高硫的原烟气进入高效传质吸收塔，在喷淋层区采用合适的阻力、液气比、pH实现高负荷SO2的脱除，在新型传质内件区采用低阻力、低液气比、高pH使化学反应向生成物方向移动，实现深度脱硫。该原理同时兼顾SO2深度脱除和石膏氧化的要求，达到超低排放目标。
本技术的关键是，在喷淋层的上方设置一层新型高效传质内件区，因为气液传质需要该塔内件上布满一层吸收浆液，所以该传质设备称为薄膜持液层。其结构上包括一层覆盖塔全截面的集液盘，集液盘上布置有多个矩形或圆柱形升气孔，每个升气孔均被一个底部开若干小孔的气罩封扣，烟气通过升气孔进入气罩，再通过气罩底部间隙和周边多个侧壁小孔沿着水平方向进入液膜层，与浆液充分混合，使浆液形成沸腾状态并与浆液发生反应。由于薄膜区浆液在塔全截面均布，无塔壁泄漏效应，气液充分接触，SO2和烟尘脱除效率高。且该浆液与喷淋段浆液独立，可采用5.4～6.5高pH 值，显著提高SO2脱除效率。通过溢流液位高度调节(50mm～200mm)，可适应不同的脱硫负荷变化。同时在合理的流速设计下，烟气经过持液层后激起的是液泡会夹带少量液滴，液滴粒径和液滴负荷均较小，有利于后续除雾器的液滴去除。
渐变分级复合脱硫塔的除尘原理如图2所示，烟尘在脱硫塔内从下向上依次通过托盘、喷淋层、薄膜持液层，最后经除雾器进入烟囱排放。烟尘通过托盘过程中，部分烟尘被托盘筛孔流下来的液滴所捕获沉入塔底，而大部分烟尘通过筛孔在托盘区激起液泡，增加了烟尘与液体的接触机会，气体得到净化。经过托盘净化的含尘烟气继续向上运动，到达脱硫塔的喷淋区，浆液由喷嘴喷出向下运动，与烟气逆流接触，气流充分接触并对烟气中的SO2进行洗涤脱除，同时气流中的烟尘与液滴之间的惯性碰撞、拦截、扩散、凝聚以及重力沉降等作用，使烟尘被捕集。含尘烟气继续向上通过持液层时再进一步激起大量液泡，增加气、尘与液三相的传质面积，洗涤烟尘和雾滴。净化后的烟气夹带少量的雾滴进入除雾器，烟气得到进一步的净化，烟尘和雾滴最终得到高效捕集。
图1 渐变分级技术的复合脱硫流程
图2 渐变分级技术的的除尘流程
2.2数值模拟研究
薄膜持液层结构的气相流场分布影响了气液接触状态，若在持液层结构中产生偏流、流速过大区域不仅会造成气液接触不均而污染物逃逸;还会影响气液传质效果而影响脱硫、除尘的效率。采用数值模拟技术研究薄膜持液层的通道流速状态，优化持液层出口的流出分布。结合新型传质内件的设计理论，分别设计了多种薄膜持液层构型，并选择了低阻力、低液气比及高传质效率的新型通道塔盘结构，为冷态实验的气液接触状态、阻力、浆液的沉积提供实验参考。优化后的薄膜持液层通道气速分布如图3所示。烟气分布较均匀，在满负荷条件下，无局部速度较大区，压降较低。
图3薄膜持液层通道气速分布
2.3冷态实验研究
冷态实验研究在数值模拟的基础上开展，研究和验证脱硫塔薄膜持液层的相关结构设计的可行性及有效性，为热态中试实验及相关工艺参数提供进一步数据支撑。搭建的冷态脱硫塔薄膜持液层物理模型实验装置如图4所示。主要实验内容包括：(1)气体流速、液体流量、溢流液位高度对薄膜持液层阻力的影响;(2)气体流速、液体流量、溢流液位高度对薄膜持液层气液混合效果的影响;(3)气体流速、液体流量、溢流液位高度、浆液浓度对薄膜持液层物理沉积的影响。实验结果显示影响持液层压降最主要因素是液位高度、流量，其次是风量，最后是浆液浓度;持液层压降随着风量、液位高度和浆液流量增加而增加，浆液浓度对压降影响小。
图4冷态实验装置图
2.4中试实验研究
中试实验以华能阳逻电厂二期3号炉为依托，如图5所示。通过相似原理搭建了处理烟气量6800Nm3/h的中试研究及验证平台，重点研究薄膜持液层的脱硫性能、除尘性能及脱硫影响因子规律，为中高硫煤超低排放改造的大型化示范项目华能左权电厂660MW超临界机组的超低排放改造提供理论和实验依据。
图5中试实验布置图
2015年4月29日，该中试装置顺利通过中国电机工程学会评审，获专家高度评价。主要创新点包括：
1)基于气液传质平衡理论，研发了渐变分级吸收的高效石灰石-石膏湿法脱硫工艺，在脱硫塔入口烟气SO2浓度6000mg/Nm3以下，实现了单塔脱硫效率大于99.45%。
2)开发了以托盘+喷淋层+薄膜持液层为核心的分级复合脱硫塔。
3)研制了高效塔盘，实现了气液高效传质，满足了深度脱硫、高效除尘的要求。
中试实验结果表明：在烟气量负荷、脱硫塔入口烟气SO2浓度为5440mg/Nm3时，脱硫塔出口SO2浓度13.9mg/Nm3，实现了单塔脱硫效率>99.45%。入口烟尘浓度91mg/Nm3时，出口烟尘浓度8.5mg/Nm3，除尘效率>90%。
中试实验中烟尘浓度排放并未达到超低排放要求，主要原因在于：①中试实验的上游除尘器为静电除尘器，除尘效率不高，入口烟尘浓度达91mg/Nm3，而在大型化示范方案中，上游除尘器为低低温电除尘器，除尘效率较高，入口烟尘含量可达30mg/Nm3;②中试实验采用的是两级平板式波纹板除雾器，除雾效率较低。
中试实验在上述不利的条件下仍能够达到90%以上的高效除尘效率，结合烟气协同治理示范工程华能长兴电厂、华能玉环电厂的运行状态，在入口烟尘浓度小于30mg/Nm3时，除尘效率约75%左右，均达到了烟尘出口排放浓度小于5mg/Nm3的要求，表明本实验的除尘效率可以达到预期目标。尤其在实际工程中结合精细化设计、精细化施工及精细化运行等措施如选取合适流速，分区氧化，高效烟道除雾器等，可以保证大型化工程项目中烟尘排放浓度达到超低排放要求。
3. 高效渐变分级复合脱硫塔的大型化示范工程
高效渐变分级复合脱硫塔的大型化示范工程依托华能左权电厂2号660MW机组，如图6所示。通过上述理论基础、数值模拟、冷态实验和中试实验研究，表明该技术的脱硫和除尘性能在理论设计和实验装置运行上均能满足该电厂中高硫燃煤烟气的超低排放要求。大型化示范项目主要解决塔内相关截面的气液均布、降液以及防沉积结垢等工业应用问题。
图6 华能左权电厂2号660MW机组烟气脱硫改造工程
原脱硫塔采用喷淋、吸收和氧化为一体的逆流喷淋单塔方案，进入脱硫装置的原烟气设计温度为130℃，每个吸收塔有4台浆液循环泵，采用4层喷淋层，设置2级除雾器。设计煤种含硫量为2.3%，脱硫装置入口SO2浓度5211 mg/Nm3，SO2脱除率≥95%，出口SO2浓度≤260.6mg/Nm3。实际运行工况如下表1所示。可能由于浆液循环泵效能下降、喷嘴堵塞、烟气分布不均等问题导致脱硫效率持续下降。设计入口烟尘浓度50 mg/Nm3，出口浓度≤30 mg/Nm3。在满负荷测试期间，实际入口烟尘浓度为45.5mg/Nm3，出口浓度为19.1mg/Nm3，除尘效率为58%。并未专门考虑吸收塔的除尘功能。
本次脱硫改造入口烟气参数结合电厂运行及低低温电除尘改造的情况，发生较大的调整，入口温度从130℃降低至90℃，SO2浓度从5211mg/Nm3提高至5440mg/Nm3，烟尘浓度从50 mg/Nm3降低至30 mg/Nm3，烟气量从2100865 Nm3/h减少至2087002 Nm3/h。高效分级复合脱硫塔改造方案为，配置1层托盘+4层喷淋层+1层薄膜持液层。脱硫塔基础不做加固，既可满足改造后荷载要求。脱硫塔浆池不需要增加，可以利旧。原喷枪式氧化空气管道改造为管网式氧化空气系统。在脱硫塔入口烟道上部和最第一层喷淋层之间增加一层托盘。原有的四层喷淋层全部更换，喷嘴更换为单向双头喷嘴，每层喷淋层布置200个喷嘴。每层喷淋层配套设置一台浆液循环泵。喷淋层上部增设一层薄膜持液层。薄膜持液层配套单独的石灰石供给系统。吸收塔出口烟道配置一套三级高性能烟道除雾器，烟气经过除雾器后排至烟囱。
2015年12月示范工程顺利通过168小时试运行，在锅炉负荷328～645MW，入口SO2浓度3585～6249mg/Nm3的情况下，脱硫效率为99.50% ~99.97%，平均值99.80%;出口SO2最高值21.8mg/Nm3，平均值9.1mg/Nm3。
2016年1月示范工程顺利通过晋中市环境监测站环保测试和国电科学技术研究院性能考核。在使用设计煤种生产负荷>90%的情况下，出口SO2浓度8～12mg/Nm3，烟尘浓度≤2.66mg/Nm3;在使用实际煤种生产负荷>90%的情况下，出口SO2浓度4～10mg/Nm3，烟尘浓度≤2.28mg/Nm3;在使用实际煤种生产负荷>50%的情况下，出口SO2浓度4～8mg/Nm3，烟尘浓度≤1.99mg/Nm3，监测结果超低排放达标率100%。
据电厂测算，采用高效渐变分级脱硫技术与串联塔技术相比，可节约占地面积300m2左右，节约改造工期50天左右，节约单位造价41.9元/kW左右，后期电耗水耗维修费用均更低，节约年运行费用17.5元/kW左右;采用本技术后可以燃用高硫煤，至少可节约燃煤购置费50元/吨;同时在社会效益方面较改造前每年SO2多减排2151吨，烟尘多减排254吨。
4. 结论
本文以原有燃煤烟气湿法脱硫塔为基础，采用理论研究、数值模拟、冷态实验、中试实验等方法，开发了基于高效渐变分级技术的复合脱硫塔。在不设置湿式电除尘器，不增加占地，不新增吸收塔的情况下，实现SO2和烟尘一体化高效协同脱除，满足中高硫燃煤烟气的超低排放要求。具体结论如下：
(1)基于气液传质平衡理论，提出了渐变分级吸收的高效石灰石-石膏湿法脱硫工艺，开发了以托盘+喷淋层+薄膜持液层为核心的分级复合脱硫塔，实现气液高效传质，满足深度脱硫、高效除尘的要求。
(2)在中试实验验证的基础上，提出高效渐变分级单塔脱硫除尘技术的大型化工艺方案，并在660MW机组上连续稳定运行，结果表明在脱硫塔入口SO2浓度3585～6249mg/Nm3的情况下，SO2脱除效率≥99.5%，出口SO2≤21.8mg/Nm3，出口烟尘≤2.66mg/Nm3，均达到超低排放要求。
参考文献
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[6] 钟晨曦. 湿式静电除尘技术在燃煤电厂烟气深度净化处理中的应用; 中国电机工程学会清洁高效发电技术协作网2014年会 [C].
作者：赵红，韩长民，张轶，吴敏，汪俊平，王针，陈超
(武汉凯迪电力环保有限公司，湖北省武汉市东湖开发区，430223)
