高效脱硫除尘托盘塔技术助力超低排放

中国电力新闻网2018-11-07 17:06:18

近年来,我国雾霾天气频发,对公众健康和生活造成了严重影响,国家和地方政府为此加大火电厂污染物排放浓度的控制力度,提出了一系列史上严格的排放标准,要求燃煤电厂实现烟气污染物“超低排放”。


  • 2011年7月,发布的《火电厂大气污染物排放标准》,要求现役机组自2014年7月1日必须达到新的排放限值。该标准进一步降低了燃煤发电厂烟尘排放限值,提出了重点地区的排放标准,其中要求重点地区烟尘≤20mg/Nm3、SO2≤50mg/Nm3、NOx≤100mg/Nm3。新的排放标准出台后,各地也出台了相应的政策,并加大技改投入。

  • 2013年12月,《浙江省大气污染防治行动计划(2013年-2017年)》要求60万千瓦以上火电机组达到燃气机组排放标准,即烟尘≤5mg/Nm3、SO2≤35mg/Nm3、NOx≤50mg/Nm3。2014年2月,《广州市燃煤电厂“超洁净排放”改造工作方案》也要求广州市燃煤电厂实现燃气排放标准。

  • 2014年9月,国家环保部为降低燃煤发电机组污染物排放量,联合发改委、国家能源局下发了关于印发《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014-2020年)》的通知,文件要求到2020年,现役60万千瓦及以上燃煤机组、东部地区30万千瓦及以上公用燃煤发电机组、10万千瓦级以上自备燃煤发电机组及其他有条件的燃煤发电机组,改造后大气污染物排放浓度基本达到或接近燃气轮机组排放限值,烟尘≤10mg/Nm3,SO2≤35mg/Nm3、NOx≤50mg/Nm3。


超低排放两技术路线对比

燃煤电厂烟气污染物“超低排放”主要涉及烟尘、SO2和NOx的排放,其现阶段的难点是如何实现高效除尘。针对燃煤电厂排放污染物中粉尘浓度小于5mg/Nm3标准,目前国内产生了两种具有代表性的技术路线。一种是烟气末端治理技术路线,即采用湿式电除尘器技术;另一种则是烟气协同治理技术路线。


烟气末端治理技术路线以湿式电除尘器技术为核心,即在现有的常规烟气治理技术的末端增加湿式电除尘器,以达到超低粉尘排放的控制。该技术实施内容单一,但存在初期投资费用高、运行维护费用高以及长期运行易造成设备腐蚀、冲洗液二次污染等问题。


烟气协同治理技术是将烟气中原来各自独立的脱除净化系统相融合,在单一系统内实现多种污染物的脱除,以及实现单一污染物在多个系统同时脱除。典型的技术路线为:烟气脱硝(SCR)+烟气冷却器(FGC)+低低温电除尘(ESP)+高效除尘的湿法脱硫装置(WFGD)。

现有技术忽视各设备对污染物的协同脱除

我国早在90年代就引进了湿法脱硫技术,通过多年消化吸收,已全面掌握,与国外先进技术相比没有本质上的差异,没能做到高效除尘,实现超低排放,其关键在于理念上的差异,忽视了系统中各设备对污染物的协同脱除作用。

硫塔除尘性能:

湿法脱硫装置主要功能为脱除烟气中的二氧化硫,同时兼有脱除烟尘和其它污染物的作用,但国内的脱硫装置在设计时往往忽视了脱硫塔的协同除尘能力。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,原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提供明确的理论依据。

膏雨:

“石膏雨”是指由于脱硫存在系统问题,导致脱硫后烟气在排放过程中“落雨”,并携带石膏的现象。“石膏雨”频发的原因在于石灰石/石膏湿法脱硫工艺中,经过喷淋层浆液洗涤后的烟气会携带大量细小的液滴到达除雾器,这些液滴中包含着固形物或可溶物,主要是石灰石浆液吸收SO2后的生成物、过剩的脱硫剂以及未被捕集的粉尘。如果烟气在除雾器处的流速超过设计值,除雾性能将大大降低,甚至失效,除雾器也会在高速的烟气下发生二次携带现象,大量的石膏浆液将会随烟气被带入烟囱,出现“石膏雨”现象。


“石膏雨”的产生主要与脱硫系统的设计及操作、维护有关。以除雾器为例,当吸收塔设计不恰当、除雾器选型不合适时,会引起烟囱周围会降落大量的石膏雨,其对烟尘的贡献值可高达20mg/Nm3[2]。

统偏流影响:

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烟气流场,致使烟气到达首层喷淋层入口处流场分布偏流严重:远离吸收塔入口区域的液气比较低,而靠近吸收塔入口区域的液气比较高,这是引起近塔壁烟气逃逸,脱除效率偏离设计值的原因之一。超低排放对SO2、尘等主要污染物的排放浓度要求极低,烟气偏流的影响更是不可忽视。


高效脱硫除尘托盘塔技术助力超低排放

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,与烟气接触,部分SO2、粉尘和其它污染物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SO2、微细粉尘与烟气一起通过小孔进入托盘上部的液膜层,烟气高速进入液膜层激起大量的液泡,形成的液膜能有效增大烟气与浆液的传质表面积,烟气在惯性、扩散作用的同时又不断地受到液泡的扰动,而改变方向,增加了SO2、粉尘与液体的接触机会,气体得到良好净化。

硫效率:

托盘上的液膜增加了烟气在吸收塔中的停留时间,气液得到充分接触,从而提高脱硫效率,有效降低液气比,降低循环浆液泵的流量和功耗。另一方面,石灰石的溶解速率与浆液内水合氢离子的浓度[H+]成正比,而托盘上浆液的pH比反应池浆液的pH低,这可以大大加速石灰石的溶解,从而提高脱硫效率。例如:如果反应池内的pH为5.5,那么托盘上浆液的pH将约为4.0,pH为4.0条件下石灰石的溶解速率是pH为5.5条件下的30倍以上。

尘效率:

脱硫塔入口烟气中粉尘粒径的大小直接影响脱硫塔的除尘效率,而对细小颗粒的捕集效率是体现脱硫塔除尘性能的关键。

图1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粉尘的脱除,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%。

图2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。由此可见,托盘塔对PM2.5的粉尘具有较为显著的脱除性能优势,其总除尘效率也远高于空塔。


图1空塔对烟尘粒径的分级去除效率关系


图2托盘对烟尘粒径的分级去除效率关系


场均布效果:

托盘还能提供良好均布烟气的效果,图3左侧图片为空塔中烟气进入吸收塔后达到喷淋层时的流场分布图,可以发现偏流很严重;图3右侧图片为托盘塔中烟气进入吸收塔后达到喷淋层时的流场分布图,烟气经过托盘后得到了强制均布,能较好的与喷淋层浆液分布匹配。


图3 喷淋层出口流场优化前后效果对比


双头喷嘴技术对除尘效率的影响

喷嘴喷出的液滴直径越小,雾滴与粉尘接触的可能性越大,除尘效率越高。因此,采用雾滴直径小的喷嘴,有利于提高除尘效率。提高喷嘴压力,雾滴直径减小,但运行能耗增大。如果采用双头喷嘴,同等能耗下,就能获得更小的雾滴直径。


双头喷嘴是一个喷嘴有两个出口,两个出口喷出来的喷雾方向是相反的。喷嘴外形如下:


图4空心锥型双头单向喷嘴

相对传统喷嘴,采用双头喷嘴不仅可以提高单个喷嘴的雾化效果,可以明显获得密集的二次雾化效果,烟气均匀分布、最佳的脱硫吸收效率,从而实现提高脱硫效率的同时节省浆液循环量,减少喷淋层数量,节能降耗的目的。


图5二次雾化示意图

同时,双喷喷嘴(双向或同向)与其它标准喷嘴的最大区别是两个喷射锥体的切向旋转方向相反,不同的旋向不仅使相邻的锥体碰撞速度提高,确保了二次雾化的效果,更主要的是避免了塔内烟气同向旋转后烟气富集在塔壁的分布不均问题。


图6 喷射锥体切向旋转示意图


防泄漏技术

相对于中部喷嘴覆盖密度,吸收塔周边喷嘴覆盖密度要小,导致塔周边阻力小,烟气大量从周边上升,烟气和浆液分布不均,脱硫和除尘效率下降。高效脱硫除尘托盘塔技术,在塔周边采用实心锥喷嘴,浆液能更好的覆盖吸收塔壁部分,有效将烟气驱赶至塔中部,增加烟气与雾滴的接触,提高脱硫和除尘效率。


高效脱硫除尘托盘塔技术还在喷淋层之间增设气液传质增效环,将靠近塔壁的烟气驱赶到吸收塔中间区域,使各个区域的液气比尽可能接近平均液气比,彻底解决边壁效应,从而增加烟气与液滴的接触,提高脱硫和除尘效率。


高效脱硫除尘托盘塔技术采用高性能屋脊式除雾器,确保液滴携带量不大于20mg/Nm3,其结构示意图见图6、7。


图6 高性能除雾器


图7 带够波纹板除雾器叶片构型示意图


技术应用效果明显


可见,烟气协同治理技术将烟气中原来各自独立的脱除净化系统相融合,实现了单一系统内实现多种污染物的脱除,以及实现单一污染物在多个系统同时脱除,末端高效除尘的湿法脱硫起着关键控制作用;对于高效脱硫除尘托盘塔技术,托盘上的液膜增加了烟气在吸收塔中的停留时间,大大提高脱硫效率,有效降低液气比,降低循环浆液泵的流量和功耗。


同时托盘对PM2.5的粉尘具有较为显著的脱除性能优势,其总除尘效率也远高于空塔;高效脱硫除尘托盘塔技术在长兴电厂、玉环电厂的实际应用结果显示:排放烟气中SO2浓度≤20mg/Nm3,烟尘浓度≤3mg/Nm3,表明该技术在超低排放上取得了突破,实现了燃煤机组“超低排放”。


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