燃煤火电机组超净排放技术路线分析与选择.pdf

第 3 7卷 第 9期 2 0 1 5年 9月 华 电技 术 Hu a d i a n Te c h n o l o g y Vo 1 ． 3 7 No ． 9 S e p． 2 01 5 燃煤火 电机组超净 排放 技术路线分析与选 择 徐 平 江苏华电句容发电有限公司 ， 江苏 镇江2 1 2 3 0 0 摘要 分析了国内燃煤火电机组对烟气中污染物排放的控制现状， 论述了 目前国内燃煤电厂湿法脱硫超净排放技术路 线的原理和实际运用情况， 并对湿法脱硫技术路线的经济性进行分析 ， 为燃煤火电机组湿法脱硫超净排放技术路线的选 择提供建议。 关键词 低低温电除尘器； 高效脱硫除尘塔； 湿式电除尘装置； 超净排放 中图分类号 T M 6 2 1 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 41 9 5 1 2 0 1 5 0 9- 0 0 5 5一 o 4 0 引言 目前国内燃煤火电机组烟气排放指标控制大多 采用石灰石湿法脱硫工艺、 低氮燃烧 选择性催化 还原 S C R 脱硝装置和配高频电源的静电除尘器， S O ， N O 和 烟 尘排 放 质 量 浓 度 必须 满 足 G B 1 3 2 2 3 --2 0 1 1 火电厂大气污染物排放标准 表 2 中标准限值的要求， 同时还要满足发改能源[ 2 0 1 4 ] 2 0 9 3 号文要求执行的排放限值。 在国外， 烟气协同治理技术是对现有的燃煤电 厂污染治理技术路线进行升级改造 ， 能实现超低排 放 ， 该技术主要 以 日本燃煤电厂为代表 ， 重点在于采 用了低低温电除尘器技术， 但烟囱出口污染物超低 排放控制还是要靠湿法脱硫技术来把关， 从这一点 来看 ， 湿法脱硫技术在烟气 协同治理技术 中扮演着 重要角色 。 相比较国外先进技术 ， 我国已形成成熟的燃煤电 厂烟气污染治理技术 烟气脱硝装置 电除尘器装 置 湿法脱硫装置 ， 与烟气协同治理技术 没有本质 差异， 但为什么我国燃煤电厂做不到超低排放 呢关 键在于忽视 了湿法脱硫在污染物控制中的作用 。 1 国内燃煤机组烟气中污染物控制现状 我国早在 2 0 世纪9 0年代就引进了湿法脱硫技 术， 通过消化吸收已全面掌握该技术。目 前， 市场上 8 0 ％以上燃煤电厂都采用石灰石／ 石膏湿法脱硫技 术 。通过对现有 的湿法脱硫装置进行分析 ， 低 S O 排放已不存在技术难题， 但在不投用湿式电除尘器 的工况下 ， 对粉尘实现超净排放鲜有报道 ， 其主要原 因有以下几个方面。 收稿 日期 2 0 1 5 0 71 4； 修 回日期 2 0 1 5一O 82 0 1 ． 1 烟气 中细小粉尘的收集 烟气经过除尘器除尘后 ， 大颗粒的粉尘被捕集 ， 微细粉尘 占比明显增大。常规吸收塔喷淋层雾化浆 液对粒径为 1 ． 0～ 2 ． 5 m的粉尘分级除尘效率较 小， 粉尘去除效率变化不明显； 对粒径为 3 ～ 5 m的 粉尘分级除尘效率较大， 粉尘去除效率变化明显； 对 粒径大于5 m的粉尘分级除尘效率区趋于稳定， 接 近 1 0 0 ％。即除雾器对粒径大于 2 ． 5 m的粉尘能 有效收集， 对粒径小于 2 ． 5 m的粉尘去除率很低。 因此， 过去许多改造工程需要在湿法脱硫吸收塔出 口设置湿式电除尘装置， 以满足烟气粉尘排放要求。 1 ． 2 湿法脱硫系统烟气逃逸 传统的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 人口对侧形成高速烟气流场， 使烟气到达首层喷淋 层入口处流场分布偏流严重。远离吸收塔人口区域 的液气比较低， 靠近吸收塔入口区域的液气比较高， 是引起近塔壁烟气逃逸、 造成烟气达不到超净排放 的主要原因。 1 ． 3 吸收塔协同除尘能力的疏忽 传统的湿法脱硫系统主要以s O 脱除为主， 在 技术引进时 ， 对吸收塔协同除尘的前期研究技术未 给予充分重视。国家权威机构结合大多数脱硫装 置 ， 包括空塔 、 托盘塔得 出的经验认为湿法脱硫 的除 尘效率仅为 5 0 ％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 因为 一方 面 ， 旧版环保标准尚不能促使企业关注湿法脱硫技 术 中脱硫效率之外 的除尘效率 ， 即采用常规 的湿法 脱硫系统就能满足现有的 S O 和烟尘的排放限值； 另一方面 ， 吸收塔浆液喷淋系统的除尘原理 尚无成 熟理论可循 。 5 6 华 电技 术 第 3 7卷 2 目前湿法脱硫超低排放技术路线 ] 2 0 1 3年以前 ， 国内燃煤火 电烟气排放控制技术 路线阻碍了烟气协同治理技术在我国的推广。相当 一 部分环保企业认为通过加大湿法脱硫 系统的液气 比， 并在吸收塔 出口增设湿式电除尘装置 ， 即采用“ 电 除尘器 湿法脱硫装置 湿式电除尘装置” 技术路线 来满足超低排放要求是一种行之有效的技术选择。 “ 低低温换热器 低低温 电除尘器 高效除尘 器脱硫装置” 是在近两年发展起来 的技术 ， 如今 已 在多个项 目中取得成功 。因其与前者相 比具有多方 面的优势 ， 2 0 1 5年 以来许多企业技术改造或新建项 目已开始采用此技术。 3关键应用技术 3 ． 1 低低温除尘技术 卜 烟气协 同治理技术路线中以低低温换热器 低 低温电除尘器为核心 ， 该技术可使 电除尘器出 口烟 尘质量浓度大幅度降至 2 0m g ／ m 以下 ， 且 由于烟气 温度被降至酸露点附近 一般为9 O ℃左右 ， 一定限 度降低了电除尘器出口排放的烟尘含量。 传统 电除尘器 除尘前烟尘 中粒径为 1 ． 0 7 ． 0 m的粉 尘颗 粒质 量 占比较 少 ， 主要为 粒径 大 于 1 0 ． 0 m的粉尘颗粒 ， 经过除尘器除尘后 ， 大颗粒 的 粉尘被捕集 ， 微细粉尘 占比明显增大。 有关技术资料显示 ， 对低低温电除尘器排放 出 口粒径变化状况进行测试 ， 当电除尘器入 口温度在 1 3 0 o C左右时 ， 出口粉尘平均粒径小于 2 ． 5 m； 当电 除尘器入 口温度降至 9 0 ℃附近时 ， 电除尘器 出口粉 尘平均粒径大于 2 ． 5 m。在烟气通过湿法脱硫 系 统时， 烟尘粒径越大， 相对应的除尘效率越高， 为有 效提高脱硫除尘效率创造 了有利条件。 3 ． 2 高效脱硫除尘技术 卜H 在湿法脱硫系统前增设低低温换热器 低低温 电除尘技术 ， 为湿法脱硫超低排放技术 的实施创造 了有利条件。2 0 1 4年下半年以来， 托盘脱硫除尘塔 技术 、 高效旋汇耦合脱硫 除尘塔技术和单塔双 区脱 硫除尘塔技术路线开始 出现 均采取协 同治理 ， 不 设置湿式电除尘装置 ， 达到超净排放 目标 。 3 ． 2 ． 1 托盘脱硫除尘塔技术 低低温电除尘器出 口烟气 进入吸收塔后 ， 依次 通过托盘、 喷淋层及除雾器。喷淋层喷嘴喷出的浆 液 由塔上部喷人并落到托盘上 ， 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 向时的惯性作用 ， 部分较粗 的尘粒沉降 到塔的底部被底部液膜捕集 ； 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 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 ， 烟气得 到净 化。同时， 烟气通过托盘持液层和浆液撞击产生 的 气泡时 ， 气 、 液、 固三相混合接触 ， 实现第 1阶段的脱 硫和除尘 。 吸收塔喷淋层间设置内部环， 阻止烟气逃逸， 使 用二次雾化的喷淋层 喷嘴， 提高喷淋层雾化浆液覆 盖率 ， 有效提高第二阶段脱硫率和除尘率 。经过 吸 收塔托盘的持液层 、 吸收塔浆液 喷淋层这 2阶段 对 S O 的吸收， 使吸收塔 出口烟气 S O 质量浓度小于 3 5mg ／ m 。 托盘对粒径不小于2 ． 5 m的粉尘具有较高的捕 集效率。对粒径为 0 ． 1～ 1 ． 0 的粉尘有 1 0 ％ 一 2 0 ％的捕集效率， 对粒径为 1 ． 0 2 ． 0 的粉尘有 2 0 ％ 一 4 0 ％的捕集效率。这在一定程度上弥补了除 雾器对粒径小于 2 ． 5 的粉尘无法有效收集 的缺 陷。托盘还能增加烟气均布效果， 在空塔中， 烟气进 入吸收塔后达到喷淋层时基本都存在偏流问题； 在托 盘塔中， 烟气进入吸收塔后经过托盘得 到了强制均 布 ， 能较好地与喷淋层浆液分布匹配， 能将进入除雾 器的烟气流速有效控制在其性能流速区间内， 降低了 粉尘石膏液滴逃逸率。 根据此技术 的实际运行情况来看 ， 当吸收塔人 口粉尘质量浓度控制在 2 5m g ／ m 以内、 入 口烟温在 9 O℃左右时， 通 过吸收塔托盘 的持液层 、 吸收塔浆 液喷淋层和除雾器 的三级综合 除尘 ， 可实现 吸收塔 出 口粉尘质量浓度小于 5 mg ／ m 。 3 ． 2 ． 2 高效旋汇耦合脱硫除尘塔技术 电除尘器 出口烟气进入吸收塔后 ， 依次通过高 效旋汇耦合器 、 喷淋层及离心管束式 除尘装置。烟 气进入高效旋汇耦合装置时， 利用流体动力学原理 形成湍流空间， 使气、 液、 固三相充分接触 ， 以提高传 质效率， 实现第 1阶段的脱硫和除尘， 同时， 高效旋 汇耦合装置还能起到一定的烟气均布效能。高效旋 汇耦合装置上部无喷淋层浆液持液层形成 。 采取优化喷淋层结构 ， 改变喷嘴布置方式 ， 使雾 化吸收塔喷淋浆液覆盖率提高到 3 0 0 ％以上， 增大 化学吸收反应所需表面积 ， 完成第 2阶段 的脱硫和 除尘。烟气经高效旋汇耦合器装置和喷淋系统二次 洗涤反应 ， 2次脱硫效率叠加 ， 达到排放烟气 中 s O 质量浓度小于 3 5 m g ／ m 的排放 目标 。 烟气经过吸收塔喷淋层后 ， 向上进入管束式除 尘装置。离心管束式除尘装置由分离器、 增速器、 导 第 9期 徐平 燃煤火电机组超净排放技 术路线分析与选择 5 7 流环 、 汇流环及管束等构成 ， 以此取代常规使用 的除 雾器。烟气在一级分离器作用下 ， 使气流高速旋转， 利用离心力原理， 在管束内壁形成液滴， 进而形成一 定厚度 的动态液膜， 烟气中携带的细颗粒灰尘及液滴 持续被液膜捕获和收集。连续旋转上升的烟气经增 速器调整后 ， 再经二级分离器去除烟气中细颗粒灰尘 及液滴 。同时， 在增速器和分离器叶片表面形成的较 厚液膜会在烟汽气流的作用下， 发生“ 散水 ” 现象 ， 即 大液滴从叶片表面被抛洒出来。穿过液滴层 的细小 液滴被捕获 ， 变成大液滴后被桶壁液膜捕获吸收 ， 并 经汇流环排出， 实现对细小雾滴的脱除 ， 达到排放烟 气中粉尘质量浓度小于 5 m g ／ m 的目标。 3 ． 2 ． 3 单塔双区脱硫除尘塔技术 电除尘器出口烟气进人吸收塔后， 依次经过多 孔性分布器 、 喷淋层及除雾器。喷淋层喷嘴喷出的 浆液由塔上部喷人并落到多孔性分布器持液层上。 烟气通过持液层浆液和浆液撞击产生的气泡时， 气、 液、 固三相混合接触， 实现第 1 阶段的脱硫和除尘， 并达到塔 内烟气进入喷淋区时烟气流场强制均布的 目的。 通过设置 p H分区调节器， 将运行中的吸收塔 内浆液维持上、 下 2种不同 p H值环境的区域。上 部 p H值维持在4 ． 9～ 5 ． 5 ， 实现石膏的氧化与结晶， 石膏浆液抽 出泵吸收塔抽 出点就设置在此区域 。下 部 p H值可维持在 5 ． 1～ 6 ． 3 ， 实现高效脱除 S 0 ， 吸 收塔浆液循环泵人 口管与吸收塔的接 口、 石 灰石浆 液注入吸收塔的注人 口均设置在此区域。将 吸收塔 浆池中的浆液分为氧化区和吸收区， 以提高脱硫效 率， 实现吸收塔出口排放烟气中的 S O 质量浓度小 口粉尘质量浓度控制在 2 5 m g ／ m 以内， 入 口烟温小 于 9 0℃ ， 再通过吸收塔多孔性分 布器 的持液层 、 吸 收塔浆液喷淋层和除雾器 的三级综合除尘 ， 实现吸 收塔 出 口烟气 中 粉 尘 质 量 浓 度 控 制 在 5 m g ／ m。 以内。 4 湿法脱硫 技术技术路线经济分析 以达到 G B 1 3 2 2 3 --2 0 1 1 火电厂大气污染物排 放标准 中烟气排放标准所需要的初投资成本为基 准， 对新建 1 0 0 0 M W燃煤电厂达到不同标准所需要 的投资和运行费用进行统计， 详细数据见表 1 。 从表 1可 以看出 ， 高效除尘吸收塔 的造价略高 于常规吸收塔 ， 使用湿式电除尘器后造价上升较大。 实际运行 中， 高效吸收塔的运行成本较常规塔低。 5 湿法脱硫协同处理、 超低排放技术应用情况 托盘脱硫 除尘塔技术 、 高效旋汇耦合脱硫除尘 塔技术和单塔双区脱硫除尘塔技术路线 ， 均需采用 低低温换热器 低低 温电除尘技术 ， 吸收塔入 口烟 温和粉尘含量要求 也相 近， 如今 已有成熟技术和设 备系统满足其指标要求。烟气中S O 质量浓度小于 3 5 m g ／ m 也都不难实现， 但烟气中粉尘质量浓度小 于 5 m g ／ m 还需经实际运行情况确认。托盘脱硫除 尘塔技术 目前 已在多台 6 6 0 MW 以上机组取得成功 华能长兴电厂 2 6 6 0 MW 机组 、 华 能南京金 陵发 电有限公 司 26 6 0 MW 机组 、 华 能玉环 电厂 1 1 0 0 0 M W机组 ， 但运行中偶尔会发生超标现象， 具 体原因还有待探究。单塔双区脱硫除尘塔技术与托 盘脱硫除尘塔除尘原理相似， 但 目 前只有合同业绩， 于3 5 m g ／ m 。 还未取得实际业绩。高效旋汇耦合脱硫除尘塔技术 单塔双区脱硫除尘塔技术， 首先需将吸收塔入 主要为气流高速旋转， 利用离心力原理进行收尘， 因 表 1 新 建 1 O 0 o MW 燃煤 电厂 达到不 同粉尘排放标准所 需要 的投 资和运行费用 注 炉型 煤粉锅炉 ； 脱硫型式 湿法脱硫。 5 8 华 电技 术 第 3 7卷 塔内烟气流速随机组负荷变化而变化， 业内对其在 机组不 同负荷状态除尘效能 的可靠性存在较多 质疑。 6 结束 语 综上所述 ， 根据 目前国内各地区的排放标准要 求不同， 燃煤火电厂应根据实际工程项 目和社会发 展情况设计相应的烟气排放指标及污染物控制技术 方案。对于 目前排放要 求低于燃气 轮机标准 的项 目， 建议采用“ 低低温换热器 低低温电除尘器 高效除尘吸收塔 具有持液层托盘技术 ” 的技术方 案； 对于现已要求达到燃气轮机排放要求的项 目， 建 议采用“ 低低温换热器 低低温电除尘器 高效除 尘吸收塔 具有持液层托盘技术 湿式电除尘器 ” 的技术方案， 当国家或地区排放标准要求达到近零 标准或需要重金属脱 除时 ， 也 能满足要求 ， 无需改 造。本文对 目前国内燃煤湿法脱硫超净排放的技术 路线 问题 ， 简单论述 了其各 自原理和实际运用情况 ， 并提出了 自己的观点， 为燃煤火 电机组湿法脱硫超 净排放技术路线的选择提供借鉴。 参考文献 [ 1 ] G B 1 3 2 2 3 --2 0 1 1 火电厂大气污染物排放标准[ s ] ． [ 2 ] 黄永琛 ， 杨宋， 陈辰， 等． 燃煤 电厂烟尘超净排放技术路 线探讨[ J ] ． 能源与节能， 2 0 1 5 3 1 2 61 2 9 ． [ 3 ] 孙锦余， 陈亮． 喷淋塔、 鼓泡塔烟气脱硫技术的比较[ J ] ． [ 4 ] 胡成南 ， 赵锡新． 我国燃煤工业锅炉脱硫除尘技术现状 与发展 [ J ] ． 中国环保产业 ， 1 9 9 7 4 1 51 6 ． [ 5 ] 赵旭东 ， 吴少华， 马春元， 等． 湿法脱硫除尘一体化装置 应用中的问题及解决措施[ J ] ． 热能动力工程 ， 2 0 0 2 2 1 8 61 8 8． [ 6 ] 董勇， 韩敏． 湿法脱硫除尘技术研究[ J ] ． 环境工程， 1 9 9 8 6 3 9 4 1 ． [ 7 ] 李立， 李清毅 ， 胡达清， 等． 低低温电除尘对烟气烟尘脱 除的影响[ J ] ． 化工时刊， 2 0 1 5 6 1 1 1 5 ． [ 8 ] 叶子仪， 刘胜强， 曾毅夫 ， 等． 低低温 电除尘技术在燃煤 电厂的应用[ J ] ． 中国环保产业， 2 0 1 5 5 2 2 2 5 ． [ 9 ] 张兰华 ， 闰超． 1 0 0 0 MW 机组低低温 电除尘改造实践 [ J ] ． 工业控制计算机， 2 0 1 5 6 1 6 51 6 7 ． [ 1 0 ] 郦建国， 郦祝海 ， 何毓忠， 等． 低低温电除尘技术的研究 及应用[ J ] ． 中国环保产业， 2 0 1 4 3 2 83 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