单塔双区脱硫技术在燃煤电厂中的应用

张赢丹，丁 俊，丁 宏

（江苏国信扬州发电有限责任公司，江苏 扬州 225131）

0 引言

某公司二期工程为630 MW超临界燃煤机组，原脱硫系统采用石灰石－石膏湿法工艺，脱硫装置采用一炉一塔工艺布置，旁路已拆除，每台吸收塔配置3台浆液循环泵，3层喷淋，1层托盘，2台氧化风机。在煤质含硫量Sar=1%时，添加脱硫催化剂的情况下，烟囱出口的实际排放浓度能够控制在100 mg/m3（已换算为标况下，以下同）以下，脱硫效率约96%。

为进一步加强大气污染防治工作，2014年8月，江苏省经信委和环保厅颁发《关于推进燃煤发电机组大气污染物超低排放示范工程的通知（苏经信电力[2014]541号）》，通知要求“燃煤发电机组通过深度治理改造，机组污染物达到燃气轮机组排放限值标准，即烟尘排放浓度不大于5 mg/m3，SO2排放浓度不大于35 mg/m3，NOX排放浓度不大于50 mg/m3”。在此情况下，该公司拟进行脱硫设施改造。

1 脱硫提效主要工艺路线

石灰石－石膏湿法脱硫工艺以价廉易得的石灰石作为脱硫吸收剂，脱硫效率高，技术成熟，应用广泛，运行可靠，脱硫副产物也具有较为广阔的市场。因此，目前绝大多数燃煤火电机组都采用湿法脱硫工艺进行烟气脱硫。湿法脱硫不同的工艺阶段对浆液性质有不同的要求：

反应阶段，高pH值浆液易与SO2及HCl等酸性气体充分反应，可在较低的液气比和电耗条件下，保证很高的脱硫效率；但太高的浆液pH值会导致吸收塔内部大量结垢和管道堵塞。

氧化阶段，CaSO3的氧化结晶需要较强的酸性环境，因此需要浆液pH值较低，以保证吸收剂的完全溶解以及较高的石膏品质，并大大提高氧化效率，降低氧化风机电耗；但太低的pH值使腐蚀加剧，直接影响吸收塔设备的使用寿命[1－2]。因此，传统的单塔单区湿法脱硫工艺中pH值采用折中值（5～5.6），兼顾了吸收和氧化的要求，但在脱硫效率达98%时，效率进一步提升将会出现明显瓶颈，脱硫效率明显受限，单纯增加喷淋循环量难以大幅提高脱硫效率[3－5]。基于这一特性，衍生出双塔双循环、单塔双循环、单塔双区这3种石灰石一石膏湿法烟气脱硫提效改造方案。

1.1 双塔双循环石灰石-石膏湿法脱硫工艺

双塔双循环技术即两级吸收塔串联使用，分别设有独立的循环浆池、喷淋层。工艺流程如图1所示。烟气首先经一级塔喷淋洗涤，再进入二级塔二次喷淋后排出；石灰石浆液则先进入二级塔经循环喷淋后再进入一级塔。二级塔内浆液pH值较高，有利于SO2和HCl等酸性气体的吸收，可以保证较高的脱硫效率，高硫煤脱硫率可达约98.5%。一级塔内浆液维持较低pH值，以保证CaSO3的氧化结晶。2个循环过程独立控制，避免了参数的相互制约，可以使反应过程更加优化，以便快速适应煤种变化和负荷变化[6]。

图1 双塔双循环湿法脱硫工艺流程

1.2 单塔双循环石灰石-石膏湿法脱硫工艺

单塔双循环技术通过增加喷淋层、集液斗和独立塔外浆池等设施，由集液斗将吸收塔分为2个循环回路，在1座吸收塔内完成2次脱硫，以达到双塔串联效果。如图2所示，石灰石在工艺中的流向为：先进入二级循环（塔外浆池），再进入一级循环。烟气由吸收塔底部浆液池上方进入，首先与pH值较低的一级循环喷淋层的浆液逆向接触，完成1个循环脱除，脱硫效率一般控制在40%～75%，浆液pH值控制在4.5～5.3，有利于完成石膏的氧化。经过一级循环的烟气直接通过碗状集液斗的导流叶片进入pH值较高的二级循环喷淋层，pH值控制在5.8～6.4，主要为脱硫洗涤过程，SO2几乎被完全除去，喷淋后的浆液由碗状集液斗收集至独立塔外浆池。脱硫后的清洁烟气经除雾器除去雾滴后，由吸收塔上侧引出，排入烟囱，石膏仅从一级循环的浆池中排出[7－8]。

图2 单塔双循环湿法脱硫工艺流程

1.3 单塔双区石灰石-石膏湿法脱硫工艺

单塔双区石灰石－石膏湿法脱硫工艺在传统湿法脱硫工艺基础上，对吸收塔浆池部分进行改造，布置pH调节器和射流搅拌，通过两者的相互配合，实现在单塔的浆池中维持上下2种pH值环境的不同区域，分别作为氧化区（pH=4.9～5.5）和吸收区（pH=5.3～6.1）。氧化区生成高纯度的石膏，吸收区高效脱除SO2，实现“双区”运行，如图3、图4所示。

图3 单塔双区湿法脱硫工艺吸收塔结构

图4 单塔双区湿法脱硫工作原理

单塔双区采用分区调节器技术实现了在一个吸收塔内形成2种pH值的浆液，分别满足吸收和氧化时对浆液性质不同的要求，得到了更高的脱硫效率。新鲜的较高pH值的石灰石浆液从吸收塔底部进入，SO2吸收区的浆液从底层抽取，经喷淋吸收SO2后的浆液，落入浆液池的上层，该部分浆液呈较强的酸性。氧化区即抽取该浆液进行喷淋，与氧化空气充分接触后，转化为高纯度的石膏排出。为了避免新加入的石灰石浆液影响上部浆液pH值[9]，采用专有射流搅拌系统，当液体从管道末端喷嘴中冲出时产生射流，依靠该射流作用搅拌塔底固体物，防止产生沉淀，且混合更加均匀。脱硫系统停机后可以很顺利地重新启动。该系统无任何塔外循环吸收装置，系统阻力较低[10]。

2 工艺方案比较

3种工艺都基于湿法脱硫工艺中SO2吸收过程和CaSO3氧化结晶过程所需的不同浆液酸碱性这一原理进行改造，进而提高脱硫效率。双塔双循环和单塔双循环均设有2个不同pH值的浆液池，分别进行循环喷淋，占地面积大，投资大，适用于高含硫量烟气或者对脱硫效率要求特别高的项目。单塔双区改造工艺通过常规的单塔系统达到了双区系统的优点，塔外也无需任何附加脱硫设施，节约大量投资。浆液池分为氧化区和吸收区2个区域，双区pH差值为0.35～0.74。根据pH值计算原理可知，较小的差值也代表浆液的酸碱性有明显差别，也能达到较好的吸收和氧化效果，从而保证较高的脱硫效率。3种改造方案特点对比情况如表1所示。

该公司现有脱硫系统周边场地紧张，且实际运行时，煤质含硫量小于1%。在综合考虑利煤种硫份、场地、施工周期和建设投资等因素，最终选定对脱硫吸收塔进行单塔双区改造的方案，将脱硫效率提高至98.9%以上，确保脱硫系统出口SO2排放浓度不大于 32 mg/m3（干基， 6%O2）。

3 改造方案

该公司对吸收塔进行了一系列改造，以满足单塔双区的技术要求和高脱硫效率的目标。

表1 3种常见湿法脱硫提效改造方案对比

（1）对吸收塔进行两段环切加高：抬升吸收塔底部，加大浆液池容积，并在浆池中部新安装一套分区调节器对浆液进行分区改造；抬升吸收塔上部，喷淋层由3层增加到5层，相应增加2台浆液循环泵。

（2）对吸收塔相关设备进行优化改进：拆除更换旧喷淋层管道和喷嘴，1—4层喷淋喷嘴均采用双向空心锥喷嘴，喷淋层下部新增多孔分布器（托盘），达到增加浆液与烟气充分接触和均布烟气的目的；将原侧进式搅拌器拆除，改造为底部射流搅拌系统（相应增加2台射流泵），并在塔底均布搅拌喷嘴，使浆液循环更充分；原喷枪式氧化空气系统改造为布置在分区调节器处的管网式氧化空气系统，使氧化空气与浆液接触更充分；石灰石供浆口改造布置在吸收塔底部，保持底部浆液高pH值；1—4层喷淋层塔壁对应新增提效环，减少烟气逃逸；新增1台大流量氧化风机，与原小风机并联运行，起到节能效果。

改造完成后，满负荷时主要设计性能指标全部达到了要求，改造和新增的系统和各设备运行稳定、正常。该机组满负荷2个工况下（工况1：电除尘出口烟尘浓度＞20 mg/m3；工况2：电除尘出口烟尘浓度＜20 mg/m3。）的脱硫系统性能试验结果如表2所示。

表2 脱硫系统性能试验检测结果

4 结语

由于SO2的高效吸收和CaSO3的充分氧化对浆液pH值要求不同，为提高脱硫效率，双塔双循环、单塔双循环、单塔双区3种提效方案都对浆液进行了分区，效果显著。其中，单塔双区石灰石－石膏湿法脱硫改造工艺具有以下优势：

（1）此系统利用原吸收塔进行改造，主体改造在塔本体，外围仅需增加浆液循环泵和射流泵的安装位置，占地面积小。

（2）改造涉及的新设备少，设备采购和施工安装投资少。

（3）该系统运行时可在保证脱硫效率的前提下，根据机组负荷、硫份，切换大、小氧化风机的投运，优化1—5层喷淋层投运，运行阻力小、能耗低，运行成本少。

计划进行脱硫系统提效改造时，各发电厂应综合考虑燃用煤种硫份、原有吸收塔的脱硫能力、厂地布置等因素选择适合机组的脱硫方法。

参考文献：

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