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武汉凯迪电力赵红:湿法脱硫超低排放应用关键技术分析湿法脱硫超低排放技术是烟气协同治理技术路线实施的关键 随着燃煤电厂污染物“超低排放”局势的越演越烈,人们对实现“超低排放”技术的关注度也越来越高。目前,烟气协同治理技术已成为燃煤电厂满足烟气污染物“超低排放”的主流技术之一,该技术的应用可使燃煤烟气主要污染物SOX、NOX及颗粒物排放浓度达到或接近燃机排放标准。国内已有多套采用烟气协同治理技术路线的燃煤电厂烟气“超低排放”机组投运,为燃煤电厂烟气排放污染物控制技术应用提供了重要参考。 烟气协同治理技术是在现有的燃煤电厂烟气污染物处理技术路线基础上,通过系统流程优化、过程参数优化、协同发挥烟气处理流程上各处理单元设备的能力实现烟气污染物的超低排放技术。该技术在上世纪九十年代的日本燃煤电厂得到较为普遍的应用。燃煤电厂烟气协同治理技术的核心在于低低温电除尘技术的应用,难点在于在不采用湿式电除尘的前提条件下,通过对湿法脱硫装置的科学设计以及工程实施过程的精细管理,经济、高效地实现烟气污染物排放浓度达到超低排放的要求。因此湿法脱硫超低排放关键技术的开发与应用是烟气协同治理技术路线成功实施的关键。 我国早在上世纪90年代就引进了以石灰石-石膏法为代表的湿法脱硫技术,并得到广泛的应用,市场占有率达到80%以上。就目前技术应用情况看,对SOx的脱除性能无论是工艺原理还是系统设计及装备制造技术都较为成熟,也有达到35mg/Nm3排放浓度的工程应用案例,但对湿法脱硫装置颗粒物协同脱除性能乃至超低排放控制技术却鲜有研究,自然也没有相关的应用案例。因此对湿法脱硫装置颗粒物协同脱除性能的研究、技术开发及应用是较终实现燃煤电厂烟气超低排放的关键。 传统的湿法脱硫装置存在的问题 1 忽视了湿法脱硫协同除尘能力 传统的湿法脱硫系统主要以脱除二氧化硫为主,在设计时忽视了吸收塔的协同除尘能力。国家权威机构结合大多数脱硫装置,包括空塔、托盘塔得出的经验值,认为湿法脱硫的除尘效率仅为50%左右,该观念广泛地被环保企业和燃煤电厂所接受,产生这种观念的主要原因在于:一方面,现有环保标准尚不能促使企业关注湿法脱硫的脱硫效率之外的除尘效率,即采用常规的湿法脱硫系统就能满足现有的二氧化硫和烟尘的排放限值;另一方面,湿法脱硫的除尘机理复杂尚无成熟理论可循。携带烟尘的烟气进入吸收塔后,与喷淋层喷出的浆液发生一些列复杂的碰撞、拦截等物理过程,鲜有成熟的机理研究案例和工业示范应用为湿法脱硫的除尘效率计算提供明确的理论依据。 2 石膏雨现象的困扰 当吸收塔设计不恰当、比如塔内关键截面烟气流场设计、喷淋吸收区设计、除雾器设计选型不合理时,造成排放烟气中夹带大量含飞灰、石膏等颗粒物的雾滴,尤其与较低的大气压、烟囱内部流场设计不合理等客观因素结合时,极易发生“石膏雨”现象,对周围环境造成二次污染。 “石膏雨”是烟气中夹带的石膏雾滴随烟气排放以“雨”的形式落到地面的一种现象。“石膏雨”频发的原因在于石灰石/石膏湿法脱硫工艺中,烟气经过喷淋层喷出的浆液洗涤后会携带大量的液滴到除雾器,这些液滴中包含固形物及可溶盐类,如石灰石浆液吸收SO2后的反应生成物石膏、过剩的脱硫剂以及未被捕集的粉尘等。如果烟气在除雾器处的流速超过液滴携带临界气速则发生二次携带,大量的石膏雾滴会随烟气进入烟囱,继而产生“石膏雨”现象。 “石膏雨”的形成与多方面的因素有关,主要包括除雾器的除雾性能、吸收塔的设计、运行操作等。目前,我国已能自主设计生产除雾器,大多除雾器的排放出口液滴携带量的保证值为75mg/Nm3,且国内业界认为除雾器出口雾滴含固量等同于塔内石膏浆液含固量(20%),即除雾器出口排放的液滴对烟尘的贡献值为75 mg/Nm3×20%=15 mg/Nm3,这与超低排放要求5—10 mg/Nm3是有相当大的差距的。 因此,许多改造工程往往仅要求烟气中的粉尘经过湿法脱硫系统后其浓度不再升高即可,对脱硫的除尘性能不敢多做奢求。 3 烟气流场不均 湿法脱硫系统的烟气偏流是导致粉尘排放浓度高的重要因素之一。 一方面,由于我国燃煤电厂污染物治理起步较晚,在燃煤电厂建设中未给污染治理设备预留充足的空间,导致新建或改造的湿法脱硫设备烟道布置不合理,烟道布置难以满足流场设计基本要求,烟气经过烟道进入吸收塔前偏流严重。 另一方面,湿法脱硫装置普遍采用单塔单侧入口进气方式,该方式会造成烟气沿塔截面的流场不均,在入口对侧形成高速区,致使烟气到达首层喷淋层入口处流场分布偏流严重,形成远离吸收塔入口区域的液气比较低,靠近吸收塔入口区域的液气比较高的,这是引起近塔壁烟气逃逸,脱除效率偏离设计值的重要原因,其影响在超低排放应用时尤为突出。 湿法脱硫超低排放关键技术 上述湿法脱硫装置烟尘控制难题阻碍了烟气协同治理技术在我国超低排放技术应用中的推广,由于通过湿法脱硫改造、升级达到超低排放技术难度大,实施风险高相当一部分的环保企业认为在湿法脱硫系统后通过增加处理设备来达到超低排放要求是一种行之有效、一劳永逸的技术选择。 在总结已承接的200多套湿法脱硫装置运行经验的基础上,武汉凯迪电力环保有限公司通过自主研发,建立了高效除尘和深度脱硫的理论模型,结合数值模拟、半工业化实验和已有产品实测数据开发了湿法脱硫关键设备及部件,优化了系统流程,创立了精细化工程实施过程管理体系,形成了具有凯迪特色的II代高效除尘深度脱硫托盘塔技术。 1 优化烟气流场强化气液传质 根据进入塔内截面烟气流速分布,设置非均匀开孔托盘——异形托盘,精细化调整进入喷淋层的烟气流场,确保喷淋区域液气比均衡从而保证污染物脱除效率。
烟气进入吸收塔后,依次通过托盘、喷淋层及除雾器。喷嘴喷出的浆液由塔上部喷入落到托盘上,与含尘烟气接触,部分粉尘被托盘筛孔流下来的液滴所捕获,或由于气流在改变方向时的惯性力作用,部分较粗的尘粒沉降到塔的底部被底部液膜捕集;而大部分微细粉尘与烟气一起通过小孔进入托盘上部的持液层,烟气高速进入持液层并激起大量的液泡,形成的液膜能有效的增大烟气与浆液的传质表面积,粉尘在惯性、扩散作用的同时又不断地受到液泡的扰动,使粉尘不断改变方向,增加了粉尘与液体的接触机会,气体得到净化。 如图2所示,为空塔对烟尘粒径的分级去除效率,由图可知,空塔喷淋对于1~2.5μm的粉尘,分级除尘效率较小,粉尘去除效率变化不明显;对于3~5μm的粉尘,分级除尘效率较大,粉尘去除效率变化明显;对于大于5μm的粉尘,分级除尘效率区趋于稳定接近100%。 如图3所示,为托盘对烟尘粒径的分级去除效率,由图可知,托盘对不小于2μm的粉尘具有较高的捕集效率。对于0.1~1μm的粉尘,有10%~30%的捕集效率;对于1~2μm的粉尘,有30%~40%的捕集效率。在一定条件下,在同一粒径分布区间,托盘的分级除尘效率比空塔喷淋高20%以上。因此,凯迪的托盘塔技术对PM2.5的粉尘具有较为显著的脱除性能。
2 高效吸收内件技术 喷淋层是吸收塔的核心部件,其中的喷嘴选型与脱除性能紧密相关。喷嘴喷出的液滴直径越小,吸收比表面积越大,气液传质效果越好。因此,采用雾滴直径小的喷嘴,有利于提高脱硫除尘效率。提高喷嘴压力,雾滴直径减小,但运行能耗增大。采用双头喷嘴,不仅可以提高喷嘴布置密度,还可以利用相邻喷嘴反向旋转流体的相互碰撞,获得显著的液滴二次雾化效果,从而实现提高脱硫除尘效率,同时节省能耗。
3 高性能除雾技术 针对石膏雨现象,凯迪环保对除雾器的理论模型、结构及做了全面的研究,确定了合理的除雾器选型原则,并且可以精确量化通过除雾器携带出的颗粒物含量。
图5 除雾器出口液滴粒径分布与质量百分比关系 4 全烟气流场仿真技术 全烟气流场仿真技术是指借助流场计算软件将上述湿法脱硫超低排放装置进行计算机流场数值模拟,优化塔内件布置,通过降阻设计、优化塔内截面烟气流场,并辅以冷态物理模型予以验证,使较终的设计达到设定的目标。 凯迪环保是国内较早关注烟气流场分布对湿法脱硫系统性能影响的企业,通过借助先进的流场分析软件及冷态物理模型试验对湿法脱硫的关键位置进行分析,以使烟气与浆液充分接触,达到理论计算的性能要求。凯迪环保拥有一流的CFD数值模拟研究团队,通过自主研发,实现了对复杂的湿法脱硫系统进行气、液、固多相流的流场分析,借助该技术已对华能长兴电厂、华能玉环电厂、华能邯峰等多个燃煤电厂的流场进行设计优化,有效保证了超低排放技术的成功实施。
湿法脱硫超低排放技术应用案例 (1)华能长兴高效超超临界2×660MW机组 · 机组规模:2×660MW · · 技术路线:低低温电除尘 湿法脱硫超低排放技术 · · 入口烟尘浓度:≥15mg/Nm3; · · 出口烟尘浓度:≤3mg/Nm3; · · 除尘效率:≥80%; · · 承建单位:武汉凯迪电力环保有限公司 · (2)华能玉环百万机组 · 机组规模:1000MW · · 技术路线:低低温电除尘 湿法脱硫超低排放技术 · · 入口烟尘浓度:≥20mg/Nm3; · · 出口烟尘浓度:≤3mg/Nm3; · · 除尘效率:≥85%; · · 承建单位:武汉凯迪电力环保有限公司 ·
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