簡易脫硫除塵一體化技術方案的研究及其應用
國民經(jīng)濟的持續(xù)增長，對電力的需求越來越大。我國電力構成以煤電為主，因此煤炭消耗量及二氧化硫排放量也迅速增加。隨著我國環(huán)保事業(yè)的不斷發(fā)展和環(huán)保法規(guī)的不斷完善，國家對二氧化硫排放提出更加嚴格的標準，火電廠逐步采取脫硫措施已勢在必行，這將是今后一個時期內(nèi)的重點治理對象。
目前對于控制二氧化硫排放污染，國外已積累了較為成熟的經(jīng)驗，但是由于財力、物力有限，引進這些先進的工藝和設備，工程投資和運行費用都非常昂貴。我們必須結合國情和網(wǎng)情，在消化吸收國內(nèi)外各種脫硫技術的基礎上，尋求以簡單、高效，既滿足環(huán)保要求，又減少投資和運行費用為目標的脫硫方案。
針對東北電網(wǎng)所屬火電廠煤質(zhì)含硫量低，濕式除塵器多的特點，我們經(jīng)過大量調(diào)查研究和比較，提出并論證了簡易脫硫除塵一體化技術方案，以赤峰熱電廠6號爐作藍本進行了可行性研究和初步設計。該方案以爐內(nèi)噴鈣和尾部濕式除塵器改造為核心，在降低二氧化硫排放的同時兼顧減少粉塵排放，從而達到污染物排放全面達標的目標。
1 脫硫工藝比較
從理論上講，降低燃煤產(chǎn)生的SOx排放主要有3個途徑：原煤爐前處理和凈化技術；爐內(nèi)燃燒中脫硫；燃燒后的煙氣脫硫。燃燒前脫硫是采用物理、化學或生物方法將煤中硫脫除，投資大、成本高，尚未推廣應用。燃燒中脫硫是指燃燒與脫硫同時進行，作為最經(jīng)濟、最簡便的工藝，隨著近年來的不斷改進，正愈來愈受到重視。燃燒后的煙氣脫硫被認為是運行可靠、脫硫效率最高的方法，屬于比較成熟的工業(yè)化方法，但因昂貴的投資和運行費用而在實際應用中受到限制。要對各種脫硫工藝進行綜合評估和技術經(jīng)濟比較是相當困難的，因此在選擇時，需要參考別人經(jīng)驗，更需要根據(jù)本國本地情況對脫硫方案進行綜合評估。表1列出了幾種較成熟的脫硫技術粗略比較。從比較結果看，LIFAC工藝更為適合東北電網(wǎng)脫硫的實際情況和要求。
2 簡易脫硫除塵一體化方案
2.1 東北電網(wǎng)火電廠概況
經(jīng)過調(diào)查，東電直屬火電廠有2個特點：煤質(zhì)含硫量低，平均為0.68%，個別大于1%，煙氣中SO2含量約為700×10-6～800×10-6，脫硫效率達到50%以上即可滿足環(huán)保要求；濕式除塵器多，出口煙溫較低(60～90℃)，煙氣濕度大(水分約10%～15%)，除塵效率低。因此，在確定煙氣脫硫方案時，既要考慮到煤質(zhì)特點，又要兼顧濕式除塵器，把脫硫和除塵問題結合起來，力求全面達標，這對當前面臨的老電廠環(huán)保改造問題具有實際意義。
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表1脫硫技術綜合比較
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2.2 LIFAC工藝特點及適用范圍
(1)適用于燃用含硫量為0.6%～2.5%煤種，300MW以下鍋爐脫硫。在Ca/S為1.5～2.0，采用再循環(huán)系統(tǒng)時，總脫硫效率為70%～90%。
(2)具有一定的運行經(jīng)驗，國外已正式投入商業(yè)運行，根據(jù)經(jīng)濟比較分析，LIFAC設備投資為濕法脫硫的32%，運行費用在各類脫硫方案中最低。
(3)占地面積小，適于改造現(xiàn)有運行電廠。
2.3 脫硫方案提出
鑒于上述特點，在老廠改造工程中，對于配置靜電除塵器的電廠，在場地條件允許時，可直接采用LIFAC工藝。對于配置濕式除塵器的電廠，在LIFAC工藝的基礎上加以改造，把濕式除塵器改造成濕式脫硫設備，使之既除塵又脫硫，從而提出煙氣脫硫的新工藝：脫硫除塵一體化方案。該方案以爐膛噴鈣作為一級脫硫，將煙氣增濕作為二級脫硫，實現(xiàn)脫硫與除塵的集成，減小占地面積，總脫硫效率可達60%～80%，工藝流程見圖1，簡述如下：
第1階段，一定細度的石灰石粉(CaCO3)被送入鍋爐爐膛內(nèi)溫度950～1150℃的區(qū)域。CaCO3受熱后分解生成CaO和CO2，煙氣中部分SO2和幾乎全部SO3與CaO反應生成硫酸鈣CaSO4，脫硫效率為20%～30%，反應方程式為：
CaCO3→ CaO+CO2
CaO+SO2+O2→ CaSO4
CaO+SO3→ CaSO4
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圖1 脫硫除塵一體化方案流程簡圖
第2階段，即爐后增濕活化階段。LIFAC工藝在空氣預熱器和電除塵器間安裝增濕反應器，煙氣流經(jīng)過時被噴水增濕。為充分利用現(xiàn)有設備和場地條件，節(jié)約投資，本方案中不安裝反應器，而是設計直接用文丘里濕式除塵器來完成尾部增濕活化功能。煙氣中未反應的CaO與水反應生成在低溫下具有很高活性的Ca(OH)2，同剩余SO2反應生成亞硫酸鈣，部分被氧化成硫酸鈣，形成穩(wěn)定的脫硫產(chǎn)物，脫硫效率可達30%～40%，反應方程式為：
CaO+H2O→ Ca(OH)2
Ca(OH)2+SO2+H2O+O2→ CaSO4+H2O
2.4 技術論證
為保證整個脫硫裝置高效運行，從系統(tǒng)脫硫效率的影響因素出發(fā)，重點考慮幾個關鍵性技術問題并予以解決。
2.4.1 爐膛噴射石灰石的位置和顆粒度
根據(jù)脫硫反應機理要求，應在爐膛燃燒器上方溫度為950～1150℃的范圍內(nèi)噴射石灰石粉，才能確保爐內(nèi)脫硫效率，防止石灰石欠燒和過燒。同時作為改造工程，要避免對水冷壁做較大改動。為此，采用三維流動及燃燒數(shù)值計算軟件包對不同負荷下爐內(nèi)溫度分布進行了模擬，結合現(xiàn)場爐內(nèi)火焰溫度實測結果，確定了合適的噴鈣區(qū)域。要求石灰石品位達到CaCO3含量超過90%，制粉系統(tǒng)應確保80%以上的石灰石粉顆粒尺寸小于40μm。
2.4.2 Ca/S的影響
國內(nèi)外大量研究結果表明：系統(tǒng)的脫硫效率隨Ca/S的增加而增加，但在Ca/S≥2以后，脫硫效率的增加不顯著。考慮到尾部增濕活化階段的脫硫作用，以及系統(tǒng)脫硫效率不要求太高，在脫硫改造中可選取Ca/S為2或略小于2為宜。
2.4.3 鈣粉氣力輸送系統(tǒng)
既要確保鈣粉以足夠的速度噴入爐膛，以便在爐內(nèi)與煙氣充分混合，又要盡量減輕管道磨損并減少送入爐內(nèi)的冷空氣量，以免對爐內(nèi)燃燒產(chǎn)生不利影響。根據(jù)爐膛噴射和管道輸送的要求，合理設計噴口尺寸和結構，開發(fā)輸送系統(tǒng)空氣動力計算軟件，確定了氣力輸送系統(tǒng)的阻力和通風量，從而根據(jù)現(xiàn)場條件合理布置管道和選擇設備，優(yōu)化系統(tǒng)設計。
2.4.4 對鍋爐運行的影響
爐內(nèi)添加固體吸收劑后，灰量增加，灰的物理和化學特性也發(fā)生了變化，可能會帶來爐內(nèi)受熱面沾污和結渣加重等問題。對此國內(nèi)外尚沒有一致的意見。近年來，國外的理論和試驗研究結果以及國內(nèi)外脫硫工程的實際運行情況都表明：爐內(nèi)噴鈣后在爐壁和熱交換面上形成的沉積物較為松軟，很容易用常規(guī)的吹灰器清除掉。噴鈣前后鍋爐主要運行參數(shù)無明顯變化，脫硫?qū)﹀仩t運行影響不大。
2.4.5 濕式除塵器脫硫改造
到達濕式除塵器的脫硫灰中含有部分未反應CaO，遇水生成Ca(OH)2，因此可回收重新利用？煞謩e在文丘里管和捕滴器內(nèi)實現(xiàn)脫硫功能，在文丘里管喉部噴入水或石灰漿吸收劑(根據(jù)系統(tǒng)脫硫效率要求而定)，并在捕滴器內(nèi)設置再循環(huán)系統(tǒng)，增加液/氣比率，從而提高吸收劑利用率和脫硫效率，除塵效率也相應有所提高。相應改造主要包括：文丘里噴嘴的設計和布置，既要防止噴水粘壁效應，又要保證液滴與煙氣良好均勻混合，以保證良好的霧化效果；捕滴器濕段改造，旋流噴嘴的設計及其定位，使捕滴器成為具有噴淋塔功能的二次吸收塔；捕滴器出口段加裝葉片式導流器和除霧器，用來除去煙氣在洗滌過程中帶出的水霧；控制再循環(huán)系統(tǒng)中灰漿濃度和pH值，保證系統(tǒng)除塵脫硫效率，防止設備結垢、堵塞和腐蝕。整個改造要保證不過分增加阻力，減少煙氣帶水，以免影響引風機正常運行。
2.4.6 增濕活化對溫度的要求
濕式除塵器的煙氣進口溫度一般為130～150℃，噴水會降低煙溫。增濕活化脫硫反應要求煙氣溫度越接近露點越好，但不應引起引風機結露，需要解決設備安全運行和提高脫硫效率間的矛盾？刂瞥龎m器出口煙溫的關鍵在于控制噴水量，噴水量與煤的含硫量、Ca/S、煙氣進口溫度及當時煙氣露點等參數(shù)有關。為保證最佳噴水量，需要配備微機控制系統(tǒng)，以便根據(jù)運行參數(shù)控制除塵器出口煙溫，通常在80℃以上。
3 脫硫除塵的綜合治理
按照國家環(huán)保排放標準，配水膜除塵器的老機組粉塵排放普遍不合格，必須改造。實施上述脫硫方案，噴入的鈣粉又進一步增加了灰量。因此，使脫硫方案與除塵改造有機結合，達到全面綜合治理的目標，是人們最為關注的問題。
全面考慮改造技術的難易程度和資金投入等因素，采用水膜除塵器串聯(lián)一或二電場電除塵器的改造方案作為簡易一體化脫硫改造的配套工程。該方案簡單易行，既顯著提高除塵效率，又節(jié)省大量資金，還保留了濕式除塵器的脫硫功能。與燃燒產(chǎn)生的粉塵量相比，脫硫產(chǎn)物的生成量是比較小的，對電除塵器影響不大。同時，濕式除塵器的增濕，能夠改善煙氣性質(zhì)，降低粉塵比電阻，對改善后面電除塵器的總體工作性能是有利的，主要表現(xiàn)在以下方面：
3.1 煙氣溫度
飛灰比電阻值偏高，是影響電除塵器效率的關鍵因素，如何提高高比電阻灰的電除塵效率是一大難題。飛灰比電阻與煙氣溫度有關，其峰值根據(jù)煤灰特性出現(xiàn)在121～232℃之間，在232℃以上時，飛灰的比電阻與絕對溫度成反比，與煙氣成份無關；而在低于121℃時，飛灰比電阻與絕對溫度成正比，并與煙氣的濕度和其它成份有關。
空氣預熱器出口約150℃的煙氣流經(jīng)文丘里水膜除塵器后，煙氣溫度降至70～100℃。與電除塵器直接作為除塵設備相比，鍋爐排煙容積縮小約1/6，有助于降低電除塵器造價。煙氣溫度偏離飛灰比電阻峰值所對應的溫度范圍，比電阻值降低，電除塵效率提高。
3.2 煙氣濕度
根據(jù)粉塵比電阻隨溫度和濕度的變化而發(fā)生改變的原理，常用煙氣增濕處理的方法進行煙氣調(diào)質(zhì)。通常直接向煙氣中噴入水或蒸汽，具體實施是在電除塵器前特制增濕塔中進行，處理比較經(jīng)濟，技術上較為成熟，國內(nèi)外采用較多。特別是在水泥干法窯電除塵器上普遍采用這一方法，現(xiàn)在國際上帶增濕塔的臥式電除塵器已成為現(xiàn)代化水泥廠不可缺少的組成部分。
在脫硫除塵一體化方案中，水膜除塵器起到增濕塔的作用。煙氣通過文丘里水膜除塵器后，含水量增加，粉塵比電阻隨溫度的降低和濕度的增大而降低。對遼寧發(fā)電廠15號爐文丘里水膜除塵器入口和出口的飛灰比電阻進行現(xiàn)場實測，最終測試結果為：入口在1011～1012Ω.cm范圍波動；出口在108～109Ω.cm范圍波動。
可見，在濕式除塵器后，飛灰比電阻值明顯降低，且恰好處于電除塵器處理粉塵的最佳比電阻范圍內(nèi)，對改善電除塵器性能十分有利。但要注意嚴格控制水膜除塵器出口煙溫和濕度，防止電除塵器電極系統(tǒng)及殼體腐蝕。
3.3 煙氣含塵濃度
以水膜除塵器作為電除塵器前的預除塵器，能夠顯著降低電除塵器入口煙氣的含塵濃度，是克服電暈閉塞現(xiàn)象的有效措施，有助于提高電除塵器效率。
4 赤峰熱電廠6號爐初步設計
以赤峰熱電廠6號爐為藍本，進行了簡易脫硫除塵一體化技術方案的可行性研究和初步設計。
4.1 設備規(guī)范
鍋爐型號為BG-130/39-M4，投產(chǎn)日期1989年1月，額定蒸發(fā)量130t/h，設計排煙溫度145℃。燃煤特性見表2。
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表2 燃煤特性
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4.2 初步設計方案
設計中全面考慮了排放標準、場地條件、吸收劑的價格和可用性以及技術關鍵問題，以保證系統(tǒng)脫硫效果，避免影響鍋爐正常安全運行。
4.2.1 整套裝置的工藝流程主要包括以下系統(tǒng)：吸收劑(石灰石粉)制備系統(tǒng)；爐內(nèi)噴鈣系統(tǒng)；爐后煙氣增濕活化系統(tǒng)；自動化控制系統(tǒng)。主要工作包括：確定石灰石礦源和品位；準確進行空氣動力計算；優(yōu)化氣力輸送系統(tǒng)；完成制粉設備的選型和管道布置；合理設計爐膛噴射系統(tǒng)；進一步改造文丘里濕式除塵器以及系統(tǒng)運行監(jiān)控和連鎖保護等。裝置的連接布置是按6號鍋爐現(xiàn)場空間場地配置，從實地考察來看，現(xiàn)有空間位置能夠容納。
4.2.2 石灰石在爐內(nèi)的煅燒屬于吸熱分解反應，需要大約1396kJ/kg的熱量，而相應的硫化反應所釋放的熱量，恰好可以彌補上述熱量的損失。同時，噴入鈣粉必然對鍋爐爐內(nèi)燃燒、傳熱等方面產(chǎn)生影響，降低鍋爐效率？紤]噴入的鈣粉和輸送介質(zhì)（冷空氣），對鍋爐熱力計算軟件進行了修改，重新計算，結果表明：噴鈣后同噴鈣前相比，鍋爐效率的降低不超過0.3%，影響不大。
4.2.3 鈣硫比是影響爐內(nèi)噴鈣脫硫效率的重要參數(shù)。鈣硫比越大，爐內(nèi)噴鈣脫硫的效果越好，吸收劑費用和灰處理量也越大。本方案中，由于采用了尾部濕式除塵器增濕活化系統(tǒng)，提高了吸收劑的利用率和脫硫效率，因而鈣硫比不必選擇過高，選取1.5較為合適，既能保證脫硫效果，又不過分增加灰量。
4 結論
綜上所述，簡易脫硫除塵一體化技術方案具有花錢少、效率較高、方法簡便、切實可行、擴展性好的特點。從工藝流程和技術特點分析，該工藝方案配套串聯(lián)電除塵器改造，能夠全面實現(xiàn)二氧化硫和粉塵排放的全面達標，適合于現(xiàn)有配備濕式除塵器的200MW及以下機組的環(huán)保改造。對于配備電除塵器的機組，可直接安裝增濕反應器構成LIFAC工藝，同樣能夠達到期望的脫硫效果。根據(jù)環(huán)保要求，按目前的污染物排放總量，新擴建火電機組將受到限制。采用簡易脫硫除塵一體化工藝，按脫硫效率50%考慮，可以騰出可觀的環(huán)保容量，對電網(wǎng)長遠建設具有重要意義。
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