单塔双区湿法高效脱硫技术应用

何永胜　高继贤　陈泽民　柯红阳　任世中　阎冬

摘要：以某电厂机组脱硫增效改造项目为例，系统介绍了“单塔双区”湿法高效脱硫技术的应用。该技术的核心在于仅采用一个吸收塔，不另设塔外反应罐，通过专有分区隔离技术、射流搅拌技术及其他特色强化技术，实现在一个塔内的浆池区具有2个pH区，分别满足SO2吸收和氧化。通过采用该技术，某电厂脱硫增效改造项目取得圆满成功。投运后，测试显示，脱硫系统脱硫效率达到99.7%以上，最高瞬时脱硫效率超过99.76%，烟气出口SO2实测浓度13.2 mg/Nm3，达到并优于新环保标准要求，每年可向大气减排SO2 37 434.2 t，减排效果明显，同时运行稳定、节能经济。

关键词：单塔双区；高效；湿法脱硫；分区隔离；射流搅拌

DOI： 10.14068/j.ceia.2015.05.013

中图分类号：X51 文献标识码：A 文章编号：2095-6444（2015）05-0052-05

随着新环保政策的落实[1]，我国火电厂NOx、SO2及烟尘的排放标准将达到甚至超过发达国家和地区的要求，中国燃煤电厂将走上减排降污的改革之路。同时，一些“走在前面”的燃煤电厂，不仅实现新标排放，更提出“超低排放”，如脱硫改造，许多火电厂已经采纳发改委的建议，将35 mg/Nm3作为SO2的排放标准，脱硫效率将高达99%甚至99.5%以上。而对于如此高的脱硫要求，火电厂选用何种脱硫增效改造方案至关重要。目前业内普遍认可的方案是必须采用串联塔或“塔+塔外反应罐”的准串联塔等方式，但这些方案存在工艺较复杂、占地大、投资高，增加运行费用和能耗等问题[2]。

新近推出的单塔双区湿法高效深度脱硫技术，结合了已有单塔脱硫技术和传统串联塔及“塔+罐”脱硫技术的优势，仅采用一个脱硫吸收塔就实现了大于99.3%甚至高于99.7%的脱硫效率。该技术具有系统简单、投资省、占地少、能耗低等明显技术优势，实现了“节能减排”而非“耗能减排”的环保理念，并奠定了“超净塔”技术进一步发展的基础。单塔双区湿法高效脱硫技术自推出以来，已有多个工程应用。本文将以某电厂#9机组300 MW脱硫增效改造项目为案例，阐述该技术的工艺及应用情况。

1 项目概况与存在问题分析

1.1 项目概况

该电厂#9机组 300 MW亚临界供热机组于2010年建设了石灰石-石膏湿法烟气脱硫系统，烟气系统采用增引合一方式，无烟气换热器（GGH）。吸收塔采用典型空塔喷淋技术，使用变径喷淋空塔，直径为11.5/13.5 m，浆池容积1 611 m3。设置4台侧进式搅拌器、2台罗茨式氧化风机（流量9 815 Nm3/h，压力90 kPa）、4层喷淋层及4台循环泵（流量5 520 m3/h）、两级屋脊式除雾器（菱形布置）。此外，与#10机组脱硫装置共用制浆、脱水及工艺水等系统。

由于原设计出口SO2浓度≤200 mg/Nm3，虽能满足目前非特别排放限值地区的标准，但长远来看，并不符合环保趋势和要求，因此该电厂决定对原有脱硫系统进行增容提效改造。

改造要求：仍然采用石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺，设计燃煤硫分按2.0%考虑，对应脱硫入口SO2浓度为4 925 mg/Nm3（标干，6% O2），要求出口SO2浓度≤50 mg/Nm3（标干，6% O2），脱硫效率≥99%。

1.2 原系统存在问题

针对实际情况，发现原脱硫系统存在以下问题：

（1）原系统浆池区采用对流搅拌方式，氧化管网上下浆液pH趋于一致，为5～5.5，离浆液氧化和吸收的最佳pH值都较远，使得脱硫效率和石膏品质受限；

（2）浆液循环总量不足，无法达到高脱硫效率；

（3）喷淋层与喷嘴选型配置不当，导致烟气与喷淋液接触不够充分，降低脱硫效果；

（4）无防止烟气“短路”措施；

（5）塔内流场不佳。

2 项目增效改造技术方案

针对该脱硫系统现状和存在问题，按照新标准、新目标要求，在充分分析、计算与研究的基础上[3-5]，提出采用单塔双区湿法高效脱硫技术对本工程进行脱硫增效改造，以达到高效脱硫目的。主要改造方案如下：

2.1 系统主要设计参数

（1）脱硫入口烟气量1 134 640 Nm3/h（标况，湿基，实际氧量）；

（2）脱硫入口烟气温度133℃；

（3）脱硫入口SO2浓度4 925 mg/Nm3（标干，6% O2）；

（4）出口SO2浓度50 mg/Nm3（标干，6% O2）；

（5）脱硫效率≥99%；

（6）吸收区直径11.5 m，空塔流速3.86 m/s；

（7）吸收塔浆池容积2 389 m3，浆池直径13.5 m，浆池正常液位高度16.7 m；

（8）每塔设置5层喷淋层，共5台循环泵，每台循环泵流量为6 850 m3/h；

（9）每塔设置2台氧化风机，一运一备，每台氧化风机流量为11 550 m3/h，压头87 kPa；

（10）机械除雾器采用两级屋脊式除雾器+管式除雾器，保证出口液滴含量不大于50 mg/Nm3（干基）。

2.2 核心改造技术

2.2.1 单塔双区技术

原系统采用的石灰石-石膏湿法脱硫装置为单塔单区方式，主要特点是将早期脱硫系統分别用于吸收和氧化的“塔+罐”形式合并为单个塔，将原吸收塔和氧化罐浆液部分合并为塔下部的浆池。浆池内pH值各处一致，形成“单塔单区”结构。虽然脱硫系统得到简化，但单塔单区存在明显问题：为兼顾吸收和氧化的效果，浆液pH值只能采用5～5.5的折中值。这虽能在一定程度上兼顾酸碱度要求，但离SO2吸收和氧化的最佳pH值均较远。从吸收角度而言，脱硫效率受限，99%的高脱硫效率难以稳定实现；而从氧化角度来看，则是牺牲掉一部分石膏纯度和粒径，易产生石膏纯度低与脱水困难等问题。

因此，项目改造的一项重要内容就是将吸收塔改造为“单塔双区”结构，核心技术是设置分区隔离器以及采用射流搅拌系统。首先，将工程原有吸收塔浆池部分增高6.6 m，一是扩大浆池容积，满足浆液停留时间要求；二是增设分区调节器和射流搅拌系统。

采用石灰石作为脱硫吸收剂的脱硫过程中，涉及烟气中SO2的吸收和CaSO3的氧化结晶。在吸收过程中，需要与酸性气体充分反应，因此浆液pH值应较高（8～9），而在氧化结晶过程中，需要较强的酸性环境，pH值应较低（4～5）。因此，在浆池区设置了分区调节器，在分区调节器处同时设置供氧管系统。在调节器上部，浆液主要为刚完成吸收反应后自由掉落的喷淋液，溶解有相当量的SO2，浆液呈较强酸性，pH可达4.5～6，浆液中SO2-3可以在该区域内供氧管供氧情况下氧化生成SO2-4，并立即与溶液中大量存在的Ca2+结合生成CaSO4，同时也可以实现CaSO4与水结晶生成石膏的反应，并立即将石膏外排。而在调节器下部，为新加入的石灰石浆液，为了避免其对调节器上部浆液pH的影响，采用了射流搅拌系统，当液体从管道末端喷嘴中冲出时产生射流，依靠该射流作用可以搅拌起塔底固体物，进而防止产生沉淀。新加入的吸收剂在短时间内、高pH情况下，进入循环泵，通过喷淋层喷出对SO2进行吸收。因此，通过分区调节器的设置和射流搅拌系统的辅助，整个吸收塔内呈现2个pH区域，调节器下部以及喷淋系统喷出的吸收浆液保持在高pH值（6.1左右），而调节器上部为吸收SO2后呈现的低pH区域（5.3左右），能迅速氧化结晶。通过分区，SO2的氧化和吸收都在各自更适合的pH范围进行，吸收塔的吸收能力最大可有6倍提升。通过技术改造，单塔双区技术体现了以下优点[6-8]：

（1）适合高含硫或高脱硫效率场合，可实现99.3%以上的高脱硫效率；

（2）浆池pH分区，实现“双区”，其中上部氧化区pH为4.9～5.5，生成高纯石膏，下部吸收区pH为5.3～6.1，高效脱除SO2；

（3）全烟气均采用高pH值浆液进行脱硫吸收，有利于保证高脱硫效率，吸收剂利用率高，所有石膏结晶均在同一塔低pH值区进行，有利于氧化，石膏纯度最高；

（4）配套专有射流搅拌措施，吸收塔内无任何转动部件，且搅拌更加均匀，脱硫系统停机后可以很顺利地重新启动；

（5）无任何塔外循环吸收装置或串联塔，可节约大量投资；

（6）脱硫系统运行阻力低，比塔+罐或串联塔低150～600 Pa；

（7）无需设置塔外罐（塔）及其配套设施，本工程可节省电耗约230 kW·h；

（8）无需设置塔外罐（塔），本工程节约占地面积500 m2以上；

（9）系统简单，检修方便，运行维护费用低。

2.2.2 循环浆液总量和烟气流速优化技术

吸收塔内SO2的去除率主要是由吸收塔内循环浆液量同烟气流量的比值、浆液pH值和原烟气SO2的浓度决定的。其中浆液循环量是影响脱硫效率的重要参数，是实现高脱硫效率的基础。该工程需达到99%的高效脱硫，经循环量计算后，共需设置5层喷淋层，循环总量达到34 250 m3/h，系统安全余量在60%左右，明显高于常规40%的水平，这是高脱硫效率的直接保证与前提。

在其他条件如烟气量、烟气温度、烟气成分和吸收塔内喷淋层布置均不变的条件下，烟气中的SO2吸收时间与空塔流速成反比，即吸收塔直径越大，空塔流速越低，SO2吸收时间越长，脱硫效果越好，但吸收塔直径的增加会直接导致造价升高、占地加大，此外机械除雾器厂家要求的空塔流速也有一定范围，不宜过低。该工程是在原有吸收塔的基础上进行利旧改造，经计算空塔流速为3.86 m/s，基本满足高效脱硫的流速要求。

2.2.3 塔内喷淋区域优化配置设计技术

单塔要实现高脱硫效率，塔内喷淋区域的浆液覆盖率和雾滴粒径是关键因素。工程对喷淋层数量、喷嘴选型和浆液覆盖率等进行了优化配置设计，采取了一系列优化措施：（1）喷淋层数量优化。采用5层喷淋层，通过5层喷淋覆盖叠加，每层喷淋覆盖率达到250%以上。（2）喷嘴流量及覆盖率优化。在单层循环流量（6 850 m3/h）确定的情况下，适当降低单个喷嘴流量至67.15 m3/h，提升整体覆盖率11.7%，满足工程高效脱硫的要求。（3）喷嘴背压、浆液喷淋粒径优化。在合理范围内，适当提高了喷嘴背压，喷淋雾化粒径降低7%以上，提高气体和粉尘的捕捉及脱除效果，以较小的能耗增加为代价换取更好的效果。（4）喷嘴布置优化。根据气流流动规律，设置吸收塔中心区域喷嘴布置密度高于外围，从中心向四周呈现逐渐降低趋势，以保证喷淋效果和流场均匀。（5）喷嘴选型优化。根据各个区域气流和喷淋浆液相互作用机理的不同，以及对喷淋效果要求的区别，喷嘴型可采用大角度中空錐型、常规角中空锥型、常规角实心锥型、单向或双向等不同类型喷嘴的组合。工程中针对顶层喷淋层、喷淋中心区域和塔壁四周不同气体和喷淋液相互作用机理的不同，分别选取了大角度中空锥型、常规角中空锥型、常规角实心锥型、单向或双向等不同类型喷嘴的组合，增强覆盖效果、减轻塔壁冲刷，提高塔壁处浆液利用率30%以上。

2.2.4 烟气分布功能环和流场优化技术

为防止烟气在塔壁处“短路”进而降低脱硫效率，在喷淋层之间适当位置（位置根据流场分析结果设置）设置提效环，防止烟气短路，使其向中心区域流动，实现了流场的优化，有效防止脱硫效率无谓降低，保证高脱硫效率。

同时，通过CFD模拟技术对脱硫吸收塔进行模拟分析，以实现吸收塔内流场均布的效果。塔内流场均匀性指标由速度离散偏差Cv值来表示，本工程塔内流场Cv值应≤0.2。通过模拟，项目采用了以下措施实现流场均布优化：（1）调整喷淋层数量，新增一层喷淋层，利用多层喷淋层覆盖来保证流场均布；（2）优化喷淋层喷嘴布置，根据流场分析情况，采用非均布来布置喷嘴；（3）增加吸收区高度2 m，提高浆液烟气接触时间；（4）除雾器前增加1.5 m直段长度，提高除雾器前流场均布性；（5）设置防止烟气短路的提效环。吸收塔不同断面流场模拟示意图如图1所示。

2.2.5 除雾器与氧化风机改造优化技术

将原有两级屋脊式除雾器拆除，吸收塔抬高1.5 m，重新安装两级屋脊式和一级管式除雾器，保证脱硫塔出口烟气带浆量不大于50 mg/Nm3。原有氧化风机无法满足脱硫增效改造的需要，为提升能力并节能降噪，改用2台大流量离心式氧化风机。

3 项目改造后运行情况

本项目采用以“单塔双区”为核心技术的高效脱硫除尘系统。

改造后的该电厂脱硫装置表现出优异的脱硫性能，投运后测试的主要结果如表1所示，脱硫装置测试实际近半年运行数据如图2所示。

从测试期间的运行情况看来，该项目投运以来仅需投运3台循环泵，在接近设计值的条件下，脱硫效率就可稳定达到99.3%以上。在测试达到99.7%～99.76%的效果时，多数工况下烟气出口SO2含量≤35 mg/Nm3，在同类湿法脱硫项目中处于明显领先水平，是单塔湿法高效脱硫技术的重大突破。同时，由于循环泵投运数量降低，项目不仅满足排放要求，还明显降低了设计能耗，实现了节能环保。

该电厂采用单塔双区湿法高效脱硫技术的经济投入如表2所示。相关数据表明，单塔双区钙基湿法高效脱硫技术可采用单塔装备在较高烟气SO2浓度入口的工况下实现超净脱硫和超低排放的效果，超净脱硫技术的脱硫效率最高超过了99.91%，各运行参数性能稳定良好，关键参数超过了设计值，在低耗高效的技术路线上取得了重大突破。该电厂#9机组脱硫改造工程采用该技术的一次性初投资仅为90.9元/kW，远远低于市场同类高效脱硫技术的单价，表明该技术具有良好的市场推广应用前景。

4 结论

通過某电厂脱硫改造等高效脱硫实践证明：采用以“单塔双区”为核心技术的高效脱硫除尘系统，运行稳定、技术成熟可靠、经济性能好，完全可以实现99%甚至99.76%以上的高脱硫效率，实现“超净脱

硫”。根据实际项目验证，即使在入口SO2浓度为5 000 mg/Nm3的情况下，采用“单塔双区”技术，出口SO2浓度仍可稳定在35 mg/Nm3以下。目前，“单塔双区”高效脱硫技术已经在多个工程项目中得到应用和推广，脱硫效率均保持在99.0%以上，达到并优于新环保标准的要求，在我国超净技术发展和烟气超低排放治理的背景下具有广阔的发展前景。

参考文献（References）：

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[3] 阎冬. 石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺吸收剂制备系统方案比较[C]//中国环境科学学会. 中国环境科学学会学术年会优秀论文集2006. 北京： 中国环境科学出版社， 2006： 2682-2687.

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