摘要：為應(yīng)對我國日益增長的環(huán)保需求以及能源工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的迫切需要，資源節(jié)約型燃煤超低排放技術(shù)的研究和發(fā)展意義重大。本文提出以原有燃煤煙氣濕法脫硫塔(WFGD)為基礎(chǔ)，采用理論研究、數(shù)值模擬、冷態(tài)實(shí)驗(yàn)、中試實(shí)驗(yàn)等方法，開發(fā)了基于高效漸變分級技術(shù)的復(fù)合脫硫塔。在不設(shè)置濕式電除塵器(WESP)的情況下，實(shí)現(xiàn)SO2和煙塵一體化高效協(xié)同脫除，滿足中高硫燃煤煙氣的超低排放要求。660MW機(jī)組超低排放改造示范項(xiàng)目連續(xù)安全穩(wěn)定運(yùn)行，監(jiān)測結(jié)果顯示，在脫硫塔入口SO2濃度3585～6249mg/Nm3的情況下，SO2脫除效率≥99.5%，出口SO2≤21.8mg/Nm3，出口煙塵≤2.66mg/Nm3。

　　關(guān)鍵詞：中高硫煤、超低排放、高效漸變分級技術(shù)、復(fù)合脫硫塔

　　1. 引言

　　近來，燃煤電廠超低排放要求日益嚴(yán)格。2014年9月，國家發(fā)改委、環(huán)保部、能源局三部委聯(lián)合下發(fā)“發(fā)改能源[2014]2093號”文件，要求2020前對燃煤機(jī)組全面實(shí)施超低和節(jié)能改造，東部地區(qū)新建燃煤發(fā)電機(jī)組大氣污染物排放濃度基本達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值，即NOX≤50mg/Nm3，SO2≤35mg/Nm3，煙塵≤10mg/Nm3。2015年12月，環(huán)保部下發(fā)“環(huán)發(fā)[2015]164號”文件，東、中部地區(qū)要提前至2017年和2018年完成超低排放改造。部分環(huán)境容量有限的省市，陸續(xù)提出更為嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)，如江蘇省、浙江省、山西省、廣州市等地要求燃煤電廠大氣污染物達(dá)到燃?xì)鈾C(jī)組排放標(biāo)準(zhǔn)[1]，即：NOX≤50mg/Nm3，SO2≤35mg/Nm3，煙塵≤5mg/Nm3。由于中低硫煤具有含硫量低、灰份低、熱值較高等特點(diǎn)，我國燃煤電廠為了急于應(yīng)對國家的環(huán)保限值壓力，普遍采用價(jià)格較高的中低硫煤。其煙氣中SO2和煙塵濃度均較低，通過提高WFGD的石灰品質(zhì)和液氣比、優(yōu)化ESP的供電調(diào)控、低低溫電除塵改造等一系列方式可以達(dá)到超低排放的要求[2]。一方面，在我國煤炭資源中有大約30%的煤硫含量在2%以上，尤其西南地區(qū)有些煤礦含硫量高達(dá)10%，在山西等地區(qū)因?yàn)榻?jīng)濟(jì)性、煤質(zhì)地域性的差異，廣泛使用含硫量超過2%的煤質(zhì);另一方面，隨著優(yōu)質(zhì)煤的使用量日益加劇，我國燃煤電廠將必須面對低硫煤日益減少，燃料成本上升，而被迫使用中高、高硫煤的局面。

　　但是中高、高硫煤燃燒對脫硫和除塵效率的要求均大大增加。對脫硫系統(tǒng)，需要99%甚者更高的脫硫效率才能達(dá)到超低排放要求，傳統(tǒng)的濕法煙氣脫硫裝置脫硫效率約為90-98%[3]，難以滿足。為適應(yīng)更嚴(yán)格的排放限值，國內(nèi)各廠家引進(jìn)和開發(fā)了多種高效脫硫的技術(shù)，代表性的有雙托盤噴淋塔技術(shù)、諾爾雙循環(huán)技術(shù)、單塔雙區(qū)技術(shù)、旋匯耦合技術(shù)、串聯(lián)塔技術(shù)等。對于燃煤硫份不高的項(xiàng)目，多種脫硫技術(shù)都可以達(dá)到98%以上的的脫硫效率，滿足超凈排放的要求。但對于中高硫煤，脫硫裝置煙氣SO2濃度在4000mg/Nm3(燃煤含硫量1.5%左右)以上，出口SO2濃度可以穩(wěn)定達(dá)到35mg/m3以下，實(shí)際投入運(yùn)行的超低排放脫硫項(xiàng)目實(shí)為鮮見，特別是采用單塔方案之前還是空白。

　　對除塵系統(tǒng)，雖然ESP對于PM10以上顆粒的捕集效率可以達(dá)到99.99%以上，但是對PM2.5的捕集效率較低約98%左右[4]，對SO3與H2O結(jié)合形成的亞微米氣溶膠PM1捕集效率更低[5]，常需要在WFGD后布置WESP來提高PM2.5的脫除效率。WESP目前應(yīng)用業(yè)績較多，出口煙塵可控制在5mg/Nm3以內(nèi)，同時(shí)還可以聯(lián)合脫除石膏和汞等污染物。但是無法去除甚至?xí)黾訚駸煔庵械乃F含量，加大煙囪冒“白煙”的現(xiàn)象，在日本需要配合管式換熱器解決石膏雨問題。此外WESP還存在投資運(yùn)行費(fèi)用高，占地面積大，腐蝕、能耗和水耗高等問題[6]。

　　WFGD的主要功能為脫除SO2，同時(shí)兼有部分煙塵及其它污染物協(xié)同脫除的作用，但國內(nèi)根據(jù)空塔、托盤塔等脫硫裝置得出的經(jīng)驗(yàn)值，認(rèn)為濕法脫硫的除塵效率僅為50%左右，忽視了WFGD的除塵潛能。一方面，原有環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)較低不能促使企業(yè)關(guān)注ESP之外的除塵效率，傳統(tǒng)的ESP+WFGD系統(tǒng)就能滿足SO2和煙塵的排放限值;另一方面，WFGD系統(tǒng)內(nèi)除塵機(jī)理復(fù)雜，煙塵與氣相、液相之間發(fā)生復(fù)雜的拖曳、碰撞、攔截等物理過程，鮮有成熟的機(jī)理研究和工業(yè)示范為WFGD的除塵效率提供明確的理論依據(jù)。

　　武漢凱迪電力環(huán)保有限公司與華能國際股份有限公司針對中高硫煤的超低排放問題，突破傳統(tǒng)單一系統(tǒng)或設(shè)備只側(cè)重于對單一污染物控制的理念，提出基于高效漸變分級技術(shù)的新型脫硫塔工藝，不改變原WFGD主體結(jié)構(gòu)，不設(shè)置WESP，通過單塔改造實(shí)現(xiàn)深度脫硫協(xié)同高效除塵。在入口SO2為5440 mg/Nm3，煙塵為30 mg/Nm3的條件下，單塔脫硫效率≥99.5%，出口SO2≤30mg/Nm3，煙塵≤3mg/Nm3。為中高硫煤的超低排放改造提供了良好的解決方案。

　　2. 高效漸變分級復(fù)合脫硫塔的技術(shù)路線研究

　　2.1理論基礎(chǔ)

　　在傳統(tǒng)的石灰石-石膏法單塔脫硫工藝中，由于噴淋層噴出的吸收漿液會落到塔底漿池區(qū)進(jìn)一步氧化，在噴淋層區(qū)需較高pH值以利于SO2吸收，在漿池區(qū)需較低pH值以利于CaSO3•1/2H2O氧化。從吸收角度而言，為實(shí)現(xiàn)較低的排放濃度，必須加大吸收劑用量，而氣液傳質(zhì)推動(dòng)力隨著煙氣中SO2濃度降低而降低，在不改變平衡條件的情況下，加大漿液循環(huán)量，提高液氣比的效果是極為有限的;另外，通過提高pH值而加大對SO2的吸收又難以保證石膏的正常氧化，強(qiáng)調(diào)一側(cè)的效果都不利于吸收塔的正常運(yùn)行。

　　因此本文提出漸變分級吸收原理，如圖1所示，高硫的原煙氣進(jìn)入高效傳質(zhì)吸收塔，在噴淋層區(qū)采用合適的阻力、液氣比、pH實(shí)現(xiàn)高負(fù)荷SO2的脫除，在新型傳質(zhì)內(nèi)件區(qū)采用低阻力、低液氣比、高pH使化學(xué)反應(yīng)向生成物方向移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)深度脫硫。該原理同時(shí)兼顧SO2深度脫除和石膏氧化的要求，達(dá)到超低排放目標(biāo)。

　　本技術(shù)的關(guān)鍵是，在噴淋層的上方設(shè)置一層新型高效傳質(zhì)內(nèi)件區(qū)，因?yàn)闅庖簜髻|(zhì)需要該塔內(nèi)件上布滿一層吸收漿液，所以該傳質(zhì)設(shè)備稱為薄膜持液層。其結(jié)構(gòu)上包括一層覆蓋塔全截面的集液盤，集液盤上布置有多個(gè)矩形或圓柱形升氣孔，每個(gè)升氣孔均被一個(gè)底部開若干小孔的氣罩封扣，煙氣通過升氣孔進(jìn)入氣罩，再通過氣罩底部間隙和周邊多個(gè)側(cè)壁小孔沿著水平方向進(jìn)入液膜層，與漿液充分混合，使?jié){液形成沸騰狀態(tài)并與漿液發(fā)生反應(yīng)。由于薄膜區(qū)漿液在塔全截面均布，無塔壁泄漏效應(yīng)，氣液充分接觸，SO2和煙塵脫除效率高。且該漿液與噴淋段漿液獨(dú)立，可采用5.4～6.5高pH 值，顯著提高SO2脫除效率。通過溢流液位高度調(diào)節(jié)(50mm～200mm)，可適應(yīng)不同的脫硫負(fù)荷變化。同時(shí)在合理的流速設(shè)計(jì)下，煙氣經(jīng)過持液層后激起的是液泡會夾帶少量液滴，液滴粒徑和液滴負(fù)荷均較小，有利于后續(xù)除霧器的液滴去除。

　　漸變分級復(fù)合脫硫塔的除塵原理如圖2所示，煙塵在脫硫塔內(nèi)從下向上依次通過托盤、噴淋層、薄膜持液層，最后經(jīng)除霧器進(jìn)入煙囪排放。煙塵通過托盤過程中，部分煙塵被托盤篩孔流下來的液滴所捕獲沉入塔底，而大部分煙塵通過篩孔在托盤區(qū)激起液泡，增加了煙塵與液體的接觸機(jī)會，氣體得到凈化。經(jīng)過托盤凈化的含塵煙氣繼續(xù)向上運(yùn)動(dòng)，到達(dá)脫硫塔的噴淋區(qū)，漿液由噴嘴噴出向下運(yùn)動(dòng)，與煙氣逆流接觸，氣流充分接觸并對煙氣中的SO2進(jìn)行洗滌脫除，同時(shí)氣流中的煙塵與液滴之間的慣性碰撞、攔截、擴(kuò)散、凝聚以及重力沉降等作用，使煙塵被捕集。含塵煙氣繼續(xù)向上通過持液層時(shí)再進(jìn)一步激起大量液泡，增加氣、塵與液三相的傳質(zhì)面積，洗滌煙塵和霧滴。凈化后的煙氣夾帶少量的霧滴進(jìn)入除霧器，煙氣得到進(jìn)一步的凈化，煙塵和霧滴最終得到高效捕集。

　　圖1 漸變分級技術(shù)的復(fù)合脫硫流程

　　圖2 漸變分級技術(shù)的的除塵流程