燃煤電廠量世界第一 中國如何治理煙氣?
導語: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在一個塔中同時實現(xiàn)深度脫硫除塵,高效、能耗低
導語: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在一個塔中同時實現(xiàn)深度脫硫除塵,高效、能耗低、適應性強、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,浙江大學材料科學博士
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)階段以及未來相當長的一段時期內(nèi),中國的能源結構仍然以煤炭為主,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(SPC-3D)正是這樣一種技術。
(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,污染物濃度仍遠超過最新的超低排放標準,且目前大部分的脫硫裝置還存在嚴重的“石膏雨”問題。為了達到超低排放標準,現(xiàn)在所有的燃煤機組的煙氣處理裝置幾乎都需要進一步改造優(yōu)化,其中關鍵的重點和難點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。所以整個常規(guī)技術改造的投資高,工期長,改造難度大,場地受限制,運行費用也高,大多電廠仍然很難承擔這種常規(guī)技術改造帶來的損失。
如果能夠不對已有的靜電除塵器進行多處改造,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大大降低,工期也可以大大縮短,那么,在單個吸收塔內(nèi)做到同時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(SPC-3D技術),該技術在一個吸收塔內(nèi)同時實現(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;下圖為欲達到超低排放標準的常規(guī)改造方案)
(二)單個吸收塔如何同時做到深度脫硫除塵?
運用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現(xiàn)超低排放,不需要對原有靜電式除塵器進行改造,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,改善原有噴淋層結構和噴嘴布置方式,并且用管束式除塵除霧裝置代替了傳統(tǒng)的除霧器。
SPC-3D的三大技術核心包括旋匯耦合高效脫硫除塵技術、高效節(jié)能噴淋技術和離心式管束式除塵技術,它們在吸收塔內(nèi)從下至上分布。
(SPC-3D三大核心技術的核心部件)
盡管從科學角度來看,脫硫過程也就是SO2和石灰石漿液反應生成硫酸鈣的過程,不過幾個化學方程式而已,但是工程上想要用盡可能少的漿液去吸收盡可能多的SO2卻不是一個簡單的問題。
我們都知道,化學上兩種物質(zhì)想要反應完全首先要充分接觸,物質(zhì)的比表面積越大對反應促進作用就越強,這也是面粉粉塵為什么會爆炸的原因。
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了,所以需要兩個塔甚至更多才能達到脫硫目標。
而旋匯耦合高效脫硫除塵技術則是先對進入塔內(nèi)的煙氣進行一定的處理,即在引風機出口的煙氣進入吸收塔后,首先經(jīng)過由模塊化湍流器構成的旋匯耦合裝置。根據(jù)流體動力學原理,煙氣會與漿液混合形成強大的可控湍流空間,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)能噴淋技術則是通過優(yōu)化噴淋層結構,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只采用了單個吸收塔,但當煙氣經(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后,已經(jīng)基本實現(xiàn)了深度脫硫目標,可以達到SO2的超低排放標準了,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來完成,當經(jīng)過上面兩個裝置的煙氣進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)生高速離心運動,在離心力的作用下,液滴和煙塵向筒體壁面運動,在運動過程中相互碰撞、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。分離器之間可以設置增速器,提升氣流的離心運動速度,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技術的工作原理,可以看到,在一個塔中同時實現(xiàn)深度脫硫除塵是脫硫和除塵裝置精心設計的結果,它對于脫硫和除塵是相互耦合和疊加的,正是這種優(yōu)化的設計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有何獨特之處?
SPC-3D技術一經(jīng)推出便得到電廠、監(jiān)測單位、國家環(huán)評權威部門的一致好評,這與其獨特的優(yōu)勢是分不開的。
首先,該技術脫硫和除塵效率都非常高,可以實現(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,可以看出運行過程中脫硫效率不低于98.8%;當吸收塔入口處煙塵濃度在50mg/Nm3以內(nèi)時,出口煙塵濃度可以持續(xù)保持≤5 mg/Nm3。
(山西某300MW電廠運行過程中數(shù)據(jù)監(jiān)測)
其次,該技術的系統(tǒng)適應性很強,運行過程穩(wěn)定可靠。受惠于旋匯耦合裝置超強的傳質(zhì)能力,當煙氣中含硫量波動時,系統(tǒng)脫硫效率仍能保持穩(wěn)定,且隨著機組負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。另一個可觀的地方是系統(tǒng)內(nèi)為固定安裝的靜止設備,檢修維護十分方便,所以整個系統(tǒng)運行起來十分穩(wěn)定。
(煙氣入口SO2為2500mg/Nm3的600MW機組系統(tǒng)的脫硫效率曲線)
此外,SPC-3D技術改造投資比常規(guī)技術低30-50%,也不會額外增加用地面積,減少電力企業(yè)投資壓力。運行過程相比常規(guī)改造技術節(jié)能效果顯著,整體運行費用(包括投資成本)僅是常規(guī)加裝濕式電除塵技術的15%-30%。
這主要是基于旋匯耦合裝置良好的均氣效果、超強的傳質(zhì)能力和長的煙氣停留時間,所以運行中的液氣比很低,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機組為例,采用單塔一體化技術和常規(guī)的空塔噴淋加濕除能耗對比)
另外,采用SPC-3D技術改造工程量小,整個改造工期短,直接利用原有吸收塔改造,不改變吸收塔外部結構,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技術整個改造工期只需要20-30天。
最后,基于大量長期數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)SPC-3D技術對機組排放的SO3脫除效率達到約86%,遠遠高于其他技術。而且,它還對液滴和重金屬汞等具備協(xié)同脫除作用。
結語
SPC-3D技術能在單個吸收塔內(nèi)實現(xiàn)脫硫除塵除霧,達到國家制定的超低排放標準。其單塔高效、能耗低、適應性強、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,對中國實現(xiàn)火電全面超低排放起到重要推動作用。
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責任編輯:lixin
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