技术
摘要：本文结合国内外脱硫技术发展情况，针对燃煤火电机组石灰石和石膏湿法脱硫装置进行二氧化硫超低排放技术分析，给出不同方案和以及具体的应用情况，对使用不同硫份燃煤机组提出了有效的二氧化硫低排放技术改造方案和有关建议，希望能给相关工作人员提供帮助。
关键词：燃煤；火电机组；SO2;超低排放;改造方案
0引言
2014年国家发改委、环保部、能源局联合下发文件，要求加快推进能源生产和能源革命，进一步提升煤电高效清洁发展水平，山西省地方政府高度重视，制定山西省现役燃煤发电机组超低排放改造提速三年推进计划，在2017年全部完成改造，污染物排放指标达到燃气轮机排放限值，其中二氧化硫浓度为每立方米35毫克。近年来，国务院针对大气污染防治提出了一系列方针政策，要求强化火电行业环保技术并进一步推进清洁生产。国家很多重点防治地区目前已经完成了火电厂烟气超低排放改造，要求能够按照火电厂大气污染物排放标准达到重要污染物排放指标要求。此外，国内外目前火电机组烟气脱硫主要采用的是湿法工艺，即石灰石和石膏湿法工艺，主流脱硫采用不同单塔技术，比如单塔双循环，喷淋空塔，串联塔等多种技术。在本研究中结合实际案例对该技术进行分析，以期能够为火电厂燃煤机组低排放改造提供重要的参考。
1硫在煤炭中的存在形式
在煤炭中硫成分与煤炭脱硫赋存状态存在一定联系，在煤炭中硫的形式比较复杂，具体包括有机硫和无机硫，同时还包括一些微量单体元素硫，有机硫主要分为硫醚类，硫蒽类，硫醇类等多种官能团，其中硫化物是无机硫的主要存在形式，其污染物排放能够达到国家有关标准。硫酸盐中的硫成分，无机含硫矿物中具有典型代表的为黄铁矿，硫酸盐是以铁镁钙等硫酸盐形式存在的。煤炭中硫主要来源于黄铁矿，相比无机硫来说有机硫有其特异性，是煤中有机物质的重要构成，以有机键结合形成，主要来源于成煤植物细胞，从一定程度上来看有机硫是成煤植物中参与煤形成的成分。在煤中均匀分布，有机硫主要包括硫醇和硫醚。根据第三次全国煤田资料数据显示，我国煤炭资源，平均硫分可达到1.1%，灰分为17%，其中高硫和高灰分所占煤种比例较大。在煤炭总量中高硫煤占据总量33%左右，在西南和西北地区煤炭含硫量分别达到3.2%和3.0%，而对于华北地区和山东地区来说平均煤炭的含硫量可达到1.6%和2%以上。
燃煤脱硫的主要途径。从方法上来看目前脱硫方法较多，根据其原理可将其分为三种，分别是物理、化学、生物脱硫法。具体来看物理脱硫法是根据目前煤炭中硫的存在形式，以及煤基体的物化性质包括密度，表面性质，磁性等自动将其与煤基体分离，常用的方法为辐射照射，中介质法，浮吸法。化学脱硫是在一定条件下使化学试剂能够与煤种发生充分反应，进而使煤炭中的硫成分转为可溶物质，从煤炭中进行洗脱的重要方法，根据化学试剂的原理，种类不同，可将其分为碱处理，氧化法，热分解法等。目前化学脱硫法还处于初步适应阶段，尽管能够除去大部分有机硫所有无机硫，然而从整体脱硫工艺上来看比较复杂，需要满足一定的酸碱条件或较高的温度条件，同时对于煤的性质影响程度较大，可能会导致媒体出现发热量降低或粘结性变化等。生物脱硫可将其分为生物浸出，浮选脱硫，表面法这几种脱硫方法。目前微生物煤炭表面改性强化脱硫相关研究主要集中于发现新菌种，能够对原有菌种进行培养，使其具备新的功能，扩大菌种运用，探索适合细菌作用的条件，以实现目前工业规模化生产的条件，最后能够结合研究过程针对其他矿物表面性质进行分析测定，掌握微生物生长规律和吸附机理。当前微生物脱硫技术还处于实验室研究阶段，然而国际上对于微生物脱硫也是近年来的开发热点，我国在这一方面也获得了很多成果，未来随微生物技术的发展，利用微生物进行煤炭脱硫将会得到更加广泛的应用。
从脱硫技术上来看，经过较长时期，国家环保部门要求工业窑炉、锅炉烟气排放浓度应当达到相应标准，在没有获得良好脱硫的情况下，目前主要采用增加烟囱高度，稀释扩散二氧化硫，使二氧化硫落地浓度符合相应的排放标准，然而该方法未能从根本上降低二氧化硫的排放量，这也是目前不可取的方式。理想脱硫是降低煤燃烧后向大气排放的二氧化硫总量。
2燃烧脱硫的方法
2.1单塔技术
单塔技术主要包括单塔单循环和双循环两种技术，其中单循环技术主要是根据不同吸收塔形式，比如托盘，喷林空塔，填料塔等，其中使用最为普遍的吸收塔形为喷淋空塔，对于中低硫煤的火电机组来说，可通过吸收塔设计优化进一步提高吸收塔液气比，或者也可以采用强化气液传质措施，从一定程度上显著提高吸收塔脱硫率，满足硫成分的低排放标准。
2.1.1喷淋空塔技术
在分析影响系统脱硫效率影响因素过程中我们发现，吸收塔结构，设备运行参数，烟气参数等都会影响脱硫效率。首先在设计吸收塔结构时内烟气流速，喷淋覆盖率，液气比，烟气停留时长都会影响脱硫效率，可以通过对吸收塔进行优化设计，适当降低烟气流速或者延长烟气在塔内的停留时间，增加循环浆液流量或液气比，提高喷淋覆盖率，能够从一定程度上显著提升吸收塔中的脱硫效率，以满足火电厂超低二氧化硫成分排放的目标要求。针对该技术来说，我公司3、4号机组2015年进行湿法脱硫系统超低排放改造，采用一炉一塔的配置方式，吸收塔主要为喷淋空塔，改造新增2层喷淋层，由于改造后浆液循环总量变化，浆液停留时间仅为2.34min，不满足改造后的浆液循环时间，需要对吸收塔浆池进行扩容，通过吸收塔外建副浆液池等方案，提高浆液循环停留时间在3-4min，并增加2层辅助喷淋层，截塔加高6.5米，烟气量可达到2216103m3/h，在吸收塔入口二氧化硫浓度为3301.25mg/m3，脱硫率可达99.34%，吸收塔外观上尺寸设计为16.7×36.1米，烟气流速为4.07米每秒。吸收塔出口，液气比为22.05升每立方米，共设计5层喷淋层，每层安装188个喷嘴。由于脱硫装置为改造工程，从其设计参数上来看整体设计余量较小，辅助喷淋塔及辅助喷淋层设计起到的减少烟气边壁逃逸效果不明显，副浆液池的设计从改造后虽达到排放标准，但整体效果来看不理想。
2.1.2托盘塔技术
该技术主要为美国所研发的一种重要技术，主要在吸收塔最下层和入口之间设置合金托盘，该托盘能够改善吸收塔中烟气的分布情况，而浆液和烟气流场能够影响吸收塔中反应和传导热量进行程度。当是否存在托盘时吸收塔截面流速如图1所示。
图1吸收塔示意图
我们发现当在吸收塔中设置托盘后，能够分平均分布吸收塔中的气体流速，使大量气体流速处于一个相对平衡的状态中，而没有设置托盘时此时气体流速范围较广，托盘中的浆液层能够使烟气在吸收塔中的停留时间有一定程度延长，通过托盘能够使烟气与气液充分接触，进而强化气液传质，降低液气比，进一步提升二氧化硫的脱硫效率。而与此技术类似的单塔一体化脱硫除尘深度净化技术是由北京清新环境技术股份有限公司自主研发的，是通过一个一体化吸收塔完成全部高效脱硫、除尘过程，烟气自入口向上依次经过第二代高效旋汇耦合脱硫除尘装置、节能高效喷淋装置、离心管束式除尘装置实现超净排放。
目前所使用的单塔一体化脱硫除尘深度净化技术，该技术结合了高效旋汇耦合高效脱硫除尘技术，高效喷淋技术以及高效管束式除尘喷雾技术。在具体过程中烟气可以通过旋汇耦合装置这样与浆液产生可控串流空间，进一步提高气液固三相传质速率，完成一级脱硫除尘，并可在短时间内实现降温和烟气均匀分布，烟气之后会通过高效喷淋技术实现二氧化硫深度脱除和粉尘二次脱除，之后进入管束式除尘除雾装置中，基于离心力作用下粉尘最终会被壁面的液膜捕获，实现粉尘物低的深度脱除，利用该技术具有单塔高效，能耗低，占地空间小，操作比较便捷等特点，可以在同一个吸收塔中同时实现除尘脱硫，满足二氧化硫和烟尘排放标准要求。针对这一脱硫装置，我公司由国电清新设计的1、2号机组在脱硫装置中使用湿法技术，液柱塔，共设计5台浆液循环泵、4层喷淋层+一层湍流器，根据实际煤质变化需求，原地新建吸收塔工期长、改造难度大，综合考虑初始投资、检修方便、节能以及运行可靠性，改造后为异地新建湍流塔，设计余量较大，浆液循环总量42200m3/h，浆池总容积为2692m3，液气比为17.1升每立方米，下两层190上两层242共计674个喷嘴，性能试验期间，经改造后吸收塔入口烟气硫量达2369280m3/h，在二氧化硫浓度为4501.1毫克每立方米，出口24.6毫克每立方米，脱硫率为99.50%，经改造后液气比显著提升，更换喷淋层和喷嘴之后，对喷嘴的布置方式进行优化，可显著提升喷淋覆盖率。同时在吸收塔的入口位置到最底层喷凝间，增加高效旋汇耦合持液层，由于增加浆液循环量，能够相应提升吸收塔浆持液位，进而增加浆池的容积，对于除雾器，石膏排出系统进行相应改造。如下所示。
图2单塔一体化技术构成
目前该改造技术已完成性能测试，且各项测试结果均可满足预期设计要求。我公司通过逆流湍流塔改造，相比喷淋空塔来说，增加合金湍流层，能够显著降低液气比，降液循环量，同时该湍流层也能够被用于喷淋层检修。完成塔内检修过程中无需再将浆液排空，工作人员只需要站在托盘上便可完成对于塔内有关零部件的维护，减少运行过程中系统维修时间。
2.2单塔双循环
该技术是在吸收塔中完成二次脱硫，进而可达到双塔串联的目的，与双塔双循环过程比较类似，两级循环分别设立喷淋层和循环浆池，根据其功能需求每层循环具有不同运行参数，可分别控制浆液pH。单塔双循环硫程如图3所示。
图3单塔双循环工艺
首先烟气经过一级循环之后可将其pH控制在4.8-5.2之间，能够有利于石膏结晶和溶解石灰石，获得高质量的石膏，烟气经过一级循环之后会进入到二级循环过程中，即脱硫洗涤状态，相对单塔单循环技术来说，单塔双循环技术能够显著降低液气比，进而降低浆液循环量，获得较高脱硫率。除此之外，由于可以独立控制不同循环，能够进行过程优化调整，进而适应硫分的变化。在该技术在具体应用中，对于广东省金湾火力电厂机组600MW亚临界机组脱硫除尘系统实施改造，该装置过去采用的是半干法脱硫技术，由于煤质和环保标准的变化，需要对火电机组进行脱硫技术改造，采用湿法脱硫技术，经改造后二氧化硫入口的质量浓度为3800毫克每立方米，烟气流量为114×104立方米每小时，脱硫率为98%，共设置5层喷淋层，并对应5台浆液循环泵，其流量为每小时5000立方米，其中将两层分离层设置在一级循环中，3层喷淋层设置在二级循环中。吸收塔中的装置，包括氧化空气系统和储物器等，这两台机组完成运行之后，在运行过程中净化二氧化硫将其浓度控制在35毫克每立方米的范围内，完全符合环保部门对于二氧化硫排放的相关要求。
3串塔技术
串塔技术实际上是将两座吸收塔进行串联运行的，中间可以通过联络烟道进行连接，通过吸收塔设计参数和现场位置，存在两种改造方案：首先目前现有吸收塔为一级吸收塔，可以串联二级吸收塔。运行方案2为现有吸收塔为二级吸收塔，可以串联一级吸收塔运行，这种改造方案可通过一、二级吸收塔pH值控制来实现分区控制，使一级吸收塔处于低pH值运行，能够促进石膏的结晶和氧化，提高二级吸收塔pH值能够实现高效率脱硫，通常一级吸收塔脱硫率可达85%，控制一级吸收塔入、出口处二氧化硫的浓度使其可达到600毫克每立方米，二级吸收塔脱硫率可达到94%。通过经过两级吸收塔进行脱硫之后，能够将电机组的二氧化硫排放浓度控制在35毫克每立方米以下，进而可达到相应的低排放要求。典型串塔工艺技术如图4所示。
图4串塔技术工艺
这一改造方案中对于广东省金湾火力电厂机组600MW亚临界机组脱硫除尘系统实施改造来说，采用湿法脱硫技术，同时合并设置引风机以及增压风机，吸收塔为喷淋空塔，共设置4层喷淋层，经过技术改造前，吸收塔入口处二氧化硫浓度为5500毫克每立方米，脱硫率高于97%，出口处二氧化硫浓度低于166毫克每立方米。为能够达到国家有关二氧化硫低排放标准，目前对该装置进行改造，经改造之后入口以及出口处二氧化硫浓度可分别达到5700和32毫克每立方米，脱硫率达99.4%，在改造过程中严格遵守充分利用原有装置的原则，将现有吸收塔作为一级吸收塔，新建二级吸收塔，塔内烟气流速为3.5米每秒，设置三层喷淋层，在新建吸收塔后还需要相应配置氧化控系统以及除雾器。目前该脱硫装置已通过试运行，可将二氧化硫排放浓度控制在30毫克每立方米以下，进而满足环保部门对于二氧化硫的超低排放要求。
4方案比较
相对来看，单塔单循环的技术改造方案比较成熟，可增加喷淋层，提高循环浆液量，或者设置托盘、湍流器持液层，进而可使气液充分接触并进一步提高脱硫率，然而单循环会受到目前吸收塔设计条件限制，且对于入口处二氧化硫能够有一定要求，通常当入口处二氧化硫浓度为3500毫克每立方米的范围内，此时利用该技术方案是比较合理的，如果引风机系统出力裕度较大，可采取湍流器技术，对煤种变化适应性较高，单塔双循环技术是在同一座吸收塔中完成二次脱硫，进而可达到双塔串联的效果。两组循环装置分别设有独立喷淋层和循环浆液池。根据其功能不同循环有其相应运行参数，可分别控制pH运行，满足不同工艺对于浆液的要求，更加有效控制工艺反应情况，可提高石膏的结晶效果和脱硫率，然而这种方案对于现场布置条件要求较高，需要就近安装二级循环浆液箱，内部构造较复杂。串塔技术是将两座吸收塔实现串联运行，目前该技术工艺比较成熟，可通过分区控制一、二吸收塔pH值，进而提高脱硫率，这种改造技术对于硫分更高的适应性，能够适用于一些中、高硫煤技术改造，可充分利用现有设备或者也可以在其他地方建设吸收塔，有效控制改造周期，通过采用二级吸收塔脱硫可增加烟气在吸收塔中的停留时间，分区控制pH值，降低液气比和循环泵能耗，使运行更加灵活，但投资费用和场地要求较高。各厂的改造必须开展详实的可行性研究，从系统阻力、综合能耗、初始投资及回报率来综合评估，并且对公用系统进行核算和相应的改造，避免石膏脱水和供浆系统出力不满足要求，造成浆液密度偏高和脱硫效率达不到设计等问题。
5小结
在本研究我们发现，由于考虑到回转式GGH漏风率的影响，在进行脱硫装置改造时若该装置设有回转式机械，在不考虑白烟影响，可对烟囱进行内衬改造适应低温烟气运行。如果对于二氧化硫浓度长期比较稳定，且低于3500毫克每立方米时，根据我厂四台机组两种技术改造，湍流器技术的硫份适用3000-4500都是可行的。可采用单塔单循环的方式，而一旦二氧化硫浓度高于4000毫克每立方米时，应当采用单塔双循环的改造技术或串塔技术是比较合理的。通过研究我们发现对于燃煤火电厂来说，应当采用必要的技术改造措施，尽可能降低烟气中二氧化硫的排放量，由于受到原脱硫装置的参数影响现场空间位置，基础荷载等条件影响，同时在项目实施过程中还需要结合具体情况选择合适的条件和对煤种进行技术、经济条件分析，经研究比较之后选择最优化的改造方案。
发表于：《价值工程》
作者简介：王磊，主任，工程师，研究方向为锅炉及炉后环保设施厂。
