燃煤電廠量世界第一中國如何治理煙氣？

2018-04-10 17:28:39 網(wǎng)易新聞學(xué)院　點(diǎn)擊量：評論 (0)

導(dǎo)語：中國霧霾的首要來源是燃煤排放的二氧化硫和氮氧化物，單塔一體化脫硫除塵深度凈化技術(shù)在一個(gè)塔中同時(shí)實(shí)現(xiàn)深度脫硫除塵，高效、能耗低

導(dǎo)語：中國霧霾的首要來源是燃煤排放的二氧化硫和氮氧化物，單塔一體化脫硫除塵深度凈化技術(shù)在一個(gè)塔中同時(shí)實(shí)現(xiàn)深度脫硫除塵，高效、能耗低、適應(yīng)性強(qiáng)、工期短、操作簡便且不額外增加占地。而且，它的脫硫和除塵效率都非常高，徹底消除了“石膏雨”問題。

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出品| 網(wǎng)易新聞

作者| 天地流皓，浙江大學(xué)材料科學(xué)博士

每到供暖季，霧霾成為北方許多地區(qū)逃不開的話題。根據(jù)目前許多科學(xué)家的研究，“燒煤”中排放的二氧化硫和氮氧化物是中國霧霾的首要來源。

然而現(xiàn)階段以及未來相當(dāng)長的一段時(shí)期內(nèi)，中國的能源結(jié)構(gòu)仍然以煤炭為主，火電廠是燃煤的消耗大戶，要緩解“十面霾伏”的狀況，就不得不考慮電廠燃煤的脫硫處理問題。

今天我們要介紹的單塔一體化脫硫除塵深度凈化技術(shù)(SPC-3D)正是這樣一種技術(shù)。

(一)常規(guī)的改造方案為什么讓電廠難以接受?

隨著對環(huán)保的日益重視，目前中國幾乎所有燃煤機(jī)組均配備了基本的脫硝脫硫除塵裝置，煤炭燃燒后所產(chǎn)生的煙氣會(huì)先后經(jīng)過脫硝裝置、靜電式除塵器、吸收塔脫硫處理后再排放到大氣中。

然而，煙氣經(jīng)過傳統(tǒng)的處理裝置后，污染物濃度仍遠(yuǎn)超過最新的超低排放標(biāo)準(zhǔn)，且目前大部分的脫硫裝置還存在嚴(yán)重的“石膏雨”問題。為了達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)在所有的燃煤機(jī)組的煙氣處理裝置幾乎都需要進(jìn)一步改造優(yōu)化，其中關(guān)鍵的重點(diǎn)和難點(diǎn)在于改造脫硫和除塵工藝。

目前常規(guī)的改造方案是對原有靜電除塵器進(jìn)行多處改造，然后在吸收塔后增加龐大的濕式電除塵器來進(jìn)一步除塵，而脫硫工藝則需要采用兩套或類似兩套吸收塔來實(shí)現(xiàn)，這種方案類似于面多加水，水多加面，無外乎是為了降低污染物的濃度增加吸收裝置的數(shù)量。

而且，濕式電除塵器和增加新的吸收塔都存在占地面積大的問題，除硫處理改造難度也極大。所以整個(gè)常規(guī)技術(shù)改造的投資高，工期長，改造難度大，場地受限制，運(yùn)行費(fèi)用也高，大多電廠仍然很難承擔(dān)這種常規(guī)技術(shù)改造帶來的損失。

如果能夠不對已有的靜電除塵器進(jìn)行多處改造，且不增加額外的濕式電除塵器和新的吸收塔，那么改造的投資將會(huì)大大降低，工期也可以大大縮短，那么，在單個(gè)吸收塔內(nèi)做到同時(shí)深度脫硫除塵有可能么?

在2014年7月，中國開發(fā)出單塔一體化脫硫除塵深度凈化技術(shù)(SPC-3D技術(shù))，該技術(shù)在一個(gè)吸收塔內(nèi)同時(shí)實(shí)現(xiàn)脫硫效率99%以上，除塵效率90%以上，滿足了二氧化硫排放35mg/Nm3、煙塵5mg/Nm3的超低排放要求。

(上圖為傳統(tǒng)的燃煤電廠煙氣治理裝置;下圖為欲達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)的常規(guī)改造方案)

(二)單個(gè)吸收塔如何同時(shí)做到深度脫硫除塵?

運(yùn)用SPC-3D改造的煙氣處理裝置如下圖所示，只需改造已有的吸收塔即可實(shí)現(xiàn)超低排放，不需要對原有靜電式除塵器進(jìn)行改造，也不需要增加濕式電除塵器和新的吸收塔。

(采用SPC-3D技術(shù)的改造方案)

其主要是在原有吸收塔內(nèi)加裝旋匯耦合裝置，改善原有噴淋層結(jié)構(gòu)和噴嘴布置方式，并且用管束式除塵除霧裝置代替了傳統(tǒng)的除霧器。

SPC-3D的三大技術(shù)核心包括旋匯耦合高效脫硫除塵技術(shù)、高效節(jié)能噴淋技術(shù)和離心式管束式除塵技術(shù)，它們在吸收塔內(nèi)從下至上分布。

(SPC-3D三大核心技術(shù)的核心部件)

盡管從科學(xué)角度來看，脫硫過程也就是SO2和石灰石漿液反應(yīng)生成硫酸鈣的過程，不過幾個(gè)化學(xué)方程式而已，但是工程上想要用盡可能少的漿液去吸收盡可能多的SO2卻不是一個(gè)簡單的問題。

我們都知道，化學(xué)上兩種物質(zhì)想要反應(yīng)完全首先要充分接觸，物質(zhì)的比表面積越大對反應(yīng)促進(jìn)作用就越強(qiáng)，這也是面粉粉塵為什么會(huì)爆炸的原因。

傳統(tǒng)的吸收塔(空塔)直接將煙氣通入塔中和噴淋的漿液接觸，然后被吸收，煙氣的分布十分不均勻，造成很大一部分漿液都浪費(fèi)了，所以需要兩個(gè)塔甚至更多才能達(dá)到脫硫目標(biāo)。

而旋匯耦合高效脫硫除塵技術(shù)則是先對進(jìn)入塔內(nèi)的煙氣進(jìn)行一定的處理，即在引風(fēng)機(jī)出口的煙氣進(jìn)入吸收塔后，首先經(jīng)過由模塊化湍流器構(gòu)成的旋匯耦合裝置。根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)原理，煙氣會(huì)與漿液混合形成強(qiáng)大的可控湍流空間，使氣(SO2)、液(漿液)、固(煙塵)三相充分接觸，提高了氣液固三相傳質(zhì)效率，完成了第一步的脫硫除塵。

而加裝模塊化湍流器相比空塔則實(shí)現(xiàn)了快速降溫及流場均布，可以有效避免噴淋氣流分布不均，噴淋層失效的問題。

(有無湍流器的吸收塔內(nèi)速度分布對比，左邊是無湍流器，右邊是有湍流器)

高效節(jié)能噴淋技術(shù)則是通過優(yōu)化噴淋層結(jié)構(gòu)，改變噴嘴布置方式，開發(fā)新型噴嘴從而大大提升自身霧化效果，這些優(yōu)化大大提高了漿液覆蓋率，增大了氣液接觸的面積。經(jīng)過旋匯耦合裝置后的煙氣接觸到噴淋的漿液，即完成第二步的洗滌，可以實(shí)現(xiàn)SO2的深度脫除和煙塵的二次脫除。

盡管SPC-3D只采用了單個(gè)吸收塔，但當(dāng)煙氣經(jīng)過高效旋匯耦合裝置和高效節(jié)能噴淋裝置兩次洗滌反應(yīng)后，已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了深度脫硫目標(biāo)，可以達(dá)到SO2的超低排放標(biāo)準(zhǔn)了，總的脫硫效率是湍流器效率和噴淋層效率的疊加。

而除塵除霧主要靠管束式除塵技術(shù)來完成，當(dāng)經(jīng)過上面兩個(gè)裝置的煙氣進(jìn)入管束式除塵除霧裝置后，煙氣首先通過底部的分離器，產(chǎn)生高速離心運(yùn)動(dòng)，在離心力的作用下，液滴和煙塵向筒體壁面運(yùn)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)過程中相互碰撞、凝聚成較大的液滴，液滴被拋向筒體內(nèi)壁表面，被壁面附著的液膜層捕獲，實(shí)現(xiàn)粉塵和霧滴的深度脫除。

管束式裝置中還可以采用多級分離器，實(shí)現(xiàn)對不同粒徑煙塵顆粒和液滴的捕獲。分離器之間可以設(shè)置增速器，提升氣流的離心運(yùn)動(dòng)速度，并維持合適的氣流分布狀態(tài)，從而控制液膜厚度及氣流的出口狀態(tài)，防止液滴的二次夾帶。

從上面的介紹中我們了解了SPC-3D技術(shù)的工作原理，可以看到，在一個(gè)塔中同時(shí)實(shí)現(xiàn)深度脫硫除塵是脫硫和除塵裝置精心設(shè)計(jì)的結(jié)果，它對于脫硫和除塵是相互耦合和疊加的，正是這種優(yōu)化的設(shè)計(jì)組合保證了污染物的超低排放。

(三)單塔一體化脫硫除塵技術(shù)有何獨(dú)特之處?

SPC-3D技術(shù)一經(jīng)推出便得到電廠、監(jiān)測單位、國家環(huán)評權(quán)威部門的一致好評，這與其獨(dú)特的優(yōu)勢是分不開的。

首先，該技術(shù)脫硫和除塵效率都非常高，可以實(shí)現(xiàn)單塔高效脫硫除塵，而且徹底消除了“石膏雨”問題。

以某300MW電廠為例，可以看出運(yùn)行過程中脫硫效率不低于98.8%;當(dāng)吸收塔入口處煙塵濃度在50mg/Nm3以內(nèi)時(shí)，出口煙塵濃度可以持續(xù)保持≤5 mg/Nm3。

(山西某300MW電廠運(yùn)行過程中數(shù)據(jù)監(jiān)測)

其次，該技術(shù)的系統(tǒng)適應(yīng)性很強(qiáng)，運(yùn)行過程穩(wěn)定可靠。受惠于旋匯耦合裝置超強(qiáng)的傳質(zhì)能力，當(dāng)煙氣中含硫量波動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)脫硫效率仍能保持穩(wěn)定，且隨著機(jī)組負(fù)荷增加噴淋層的脫硫效率逐漸降低，旋匯耦合裝置的脫硫效率則逐漸提高，總的脫硫效率變化較小，這也就是說整個(gè)系統(tǒng)的脫硫效率十分穩(wěn)定。

這一特色使得它不必為高硫煤種額外改造，對中國的豐富煤種國情十分適用。另一個(gè)可觀的地方是系統(tǒng)內(nèi)為固定安裝的靜止設(shè)備，檢修維護(hù)十分方便，所以整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行起來十分穩(wěn)定。

(煙氣入口SO2為2500mg/Nm3的600MW機(jī)組系統(tǒng)的脫硫效率曲線)

此外，SPC-3D技術(shù)改造投資比常規(guī)技術(shù)低30-50%，也不會(huì)額外增加用地面積，減少電力企業(yè)投資壓力。運(yùn)行過程相比常規(guī)改造技術(shù)節(jié)能效果顯著，整體運(yùn)行費(fèi)用(包括投資成本)僅是常規(guī)加裝濕式電除塵技術(shù)的15%-30%。

這主要是基于旋匯耦合裝置良好的均氣效果、超強(qiáng)的傳質(zhì)能力和長的煙氣停留時(shí)間，所以運(yùn)行中的液氣比很低，漿液循環(huán)量也因此大幅降低，還有管束式除塵裝置不需要用電，所以綜合電耗至少可以降低30%。

(以1000MW機(jī)組為例，采用單塔一體化技術(shù)和常規(guī)的空塔噴淋加濕除能耗對比)

另外，采用SPC-3D技術(shù)改造工程量小，整個(gè)改造工期短，直接利用原有吸收塔改造，不改變吸收塔外部結(jié)構(gòu)，不用增加龐大笨重的濕式電除塵器，布置簡潔，相比于常規(guī)改造至少需要60天，采用SPC-3D技術(shù)整個(gè)改造工期只需要20-30天。

最后，基于大量長期數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)SPC-3D技術(shù)對機(jī)組排放的SO3脫除效率達(dá)到約86%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他技術(shù)。而且，它還對液滴和重金屬汞等具備協(xié)同脫除作用。

結(jié)語

SPC-3D技術(shù)能在單個(gè)吸收塔內(nèi)實(shí)現(xiàn)脫硫除塵除霧，達(dá)到國家制定的超低排放標(biāo)準(zhǔn)。其單塔高效、能耗低、適應(yīng)性強(qiáng)、工期短、操作簡便和不額外增加占地等巨大優(yōu)勢大大減輕了電力企業(yè)改造壓力，對中國實(shí)現(xiàn)火電全面超低排放起到重要推動(dòng)作用。

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責(zé)任編輯：李鑫

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