通过对大唐马头热电公司9#机组脱硫增效改造项目的实践，验证了龙净环保以“单塔双区”为核心的高效脱硫除尘技术的可行性。该技术路线仅采用一个吸收塔，通过设置分区调节器、射流搅拌系统及六大强化措施，在马头脱硫改造项目中取得99.7%以上的脱硫效率，优于最新环保要求，运行稳定，技术可靠，经济性能好。
关键词：单塔双区、高效、脱硫、系统、强化措施
引言
当前煤电脱硫增效改造如火如荼，走什么技术路线，采用什么技术方案至关重要。按照最新要求[1]，东部十一省市煤电在役机组脱硫将执行35 mg/Nm3 标准，脱硫效率高于99%甚至99.5%以上也将成为现实。面对高效率的要求，目前业内通常认为必须采用串联塔或者“塔+塔外反应罐”的准串联塔等技术路线，但该路线较复杂、占地大、投资高，增加运行费用和能耗。
近一年多来，龙净环保推出了以“单塔双区”为核心的高效脱硫除尘技术路线，仅采用一个脱硫吸收塔实现大于99.3%，甚至高于99.5%以上的脱硫效率。该技术路线具有系统简单、投资省、占地少、能耗低等明显技术优势，实现“节能减排”而非“耗能减排”的环保理念。
以“单塔双区”为核心的高效脱硫除尘技术，已经过大量工程实践验证。本文将以大唐河北发电有限公司马头热电分公司9# 300MW脱硫增效改造项目为案例，阐述具体设计技术方案。
1 项目概况与存在问题分析
1.1 项目概况
大唐马头热电公司9# 300MW亚临界供热机组于2010年建设石灰石-石膏湿法烟气脱硫系统，采用典型空塔喷淋技术。原脱硫烟气系统采用增引合一方式，无GGH。SO2吸收系统采用变径喷淋空塔，D11.5/13.5m×H32.8m，浆池容积1611m3，设置4台侧进式搅拌器、2台罗茨式氧化风机(流量9815Nm3/h，压力90kPa)、设置4层喷淋层及4台循环泵(流量5520m3/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。
由于原设计的出口SO2浓度为不超过200 mg/Nm3，无法满足现有环保标准的要求，因此马头电厂决定对原有的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4925mg/Nm3(标干，6%O2)，要求出口SO2浓度50mg/Nm3(标干，6%O2)，脱硫效率≮99%。
1.2 原系统存在问题
(1)原系统塔内浆液无分区效果;
(2)浆液循环总量不足;
(3)喷淋层与喷嘴选型配置不当;
(4)无措施防止烟气“短路”;
(5)塔内流场不佳。
2 项目增效改造技术方案
按照新标准、新目标要求，在充分分析、计算与研究本项目存在问题基础上，业主方决定采用龙净环保专有的以“单塔双区”为核心的高效脱硫除尘路线对本工程进行脱硫增效改造，以保证高脱硫效率。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1134640 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4925mg/Nm3(标干，6%O2);
(4)出口SO2浓度50mg/Nm3(标干，6%O2);
(5)脱硫效率≮99%;
(6)吸收区直径11.5m，空塔流速为3.86m/s;
(7)吸收塔浆池容积为2389m3，浆池直径为13.5m，浆池正常液位高度为16.7m;
(8)每塔设置5层喷淋层，共5台循环泵，每台循环泵流量为6850m3/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11550m3/h，压头87kPa;
(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50mg/Nm3(干基)。
2.2 浆池设置分区调节器，实现单塔双区结构
2.2.1 单塔单区难以满足本工程高脱硫效率的要求
原系统采用的石灰石-石膏湿法脱硫装置是单塔单区方式，主要特点是将早期脱硫分别用于吸收和氧化的“塔+罐”型式合并为单个塔，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，但单塔单区存在着明显的问题：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。这种结果虽能一定程度上兼顾酸碱度要求，但均离最佳值较远。从吸收角度而言，脱硫效率受限，本工程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。
2.2.2 采用单塔双区结构，满足高脱硫效率的要求
本工程原有吸收塔浆池部分增高6.6m，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。本次改造后吸收塔浆池外形图如下：
通过中部的分区调节器和下部射流搅拌系统的相互配合，浆液上部分pH值可在5.3左右，而下部分pH值可在6.1左右，不同pH值形成的分区效果可实现“双区”的运行目的，吸收塔的吸收能力最大可有6倍的提升。改造布置示意如图1~图3所示，运行中浆池浆液的进出示意如图1所示。
图1 “双区”浆池立面图
图2 分区调节器及氧化空气管道
图3 射流管道
2.2.3 单塔双区技术优点
(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 ~5.3-生成高纯石膏;
下部吸收区pH~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，吸收剂的利用率高;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150Pa～250Pa;
(7)无需设置塔外罐(塔)及其配套设施，本工程可节省电耗约200 kW˙h/h;
(8)无需设置塔外罐(塔)，本工程节约占地面积500m2以上;
(9)系统简单，检修方便，运行维护费用低。
2.3 六大强化技术措施，保证高脱硫除尘效率
2.3.1 循环浆液总量
吸收塔内SO2的去除率主要是由吸收塔内循环浆液量(L)同烟气流量(G)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。
本工程需达到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34250m3/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。
2.3.2 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。本工程对喷淋层数量、喷嘴选型和浆液覆盖率进行优化配置设计，采取如下五种措施：
2.3.2.1 喷淋层数量
本工程为实现99%以上的高脱硫效率，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，5层喷淋的布置如图4、5所示。
图4 五层喷淋层布置示意图
图5 五台循环泵布置示意图
2.3.2.2 适当降低喷嘴流量，提高覆盖率
本工程在单层循环流量(6850m3/h)确定的情况下，适当降低单个喷嘴流量至67.15m3/h，提升整体覆盖率11.7%，满足本工程高效脱硫的要求。
2.3.2.3 提高喷嘴背压，降低浆液喷淋粒径
喷嘴喷淋一次雾化粒径越小，其对气体和粉尘的捕捉及脱除效果越明显。但由于雾化粒径的减少是以更大的能耗为代价，因此本工程在合理范围内，适当提高了喷嘴背压，喷淋雾化粒径降低7%以上，以较小代价换取较好的效果。
2.3.2.4 喷嘴布置疏密有致
根据气流流动规律，中心区域气体流量高于外围，为保证喷淋效果和流场均匀，本工程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。
2.3.2.5 喷嘴型式的选取
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，喷嘴型式可采用大角度中空锥形、常规角中空锥形、常规角实心锥型、单向或双向等不同类型喷嘴的组合，本工程中针对顶层喷淋层、喷淋中心区域和塔壁四周喷嘴选用不同类型，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。
2.3.3 提效环
本工程为防止烟气在塔壁处“短路”而降低脱硫效率，龙净环保还特别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，可有效防止脱硫效率无谓降低，保证高脱硫效率。提效环在塔内布置的示意图见图6~图8。
图6 提效环(立面)
图7 提效环布置(喷淋层上方)
图8 提效环布置(喷淋层下方)
2.3.4 烟气空塔流速
在吸收塔的设计中，吸收塔直径是一个较为重要的参数，将直接影响烟气在吸收塔内的流速(空塔流速)。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。
本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3.86m/s，基本满足高效脱硫的流速要求。
2.3.5 塔内流场分布
吸收塔内流场均布效果对脱硫、除尘、除雾的效果都有重要影响，高效脱硫时，流场分布应尽量做到均匀，本工程通过CFD模拟技术实现对塔内流动均布的要求，对脱硫吸收塔进行模拟分析。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，流场均布采取如下措施：
2.3.5.1 调整喷淋层数量，新增一层喷淋层，利用多层喷淋层覆盖，保证流场均布;
2.3.5.2 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;
2.3.5.3 增加吸收区高度2m，提高浆液烟气接触时间;
2.3.5.4 除雾器前增加1.5m直段长度，提高除雾器前流场均布性。
2.3.5.5 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9所示。
图9 吸收塔不同断面流场模拟示意图
2.3.6 除雾器与氧化风机的改造
原有两级屋脊式除雾器拆除，吸收塔抬高1.5m，重新安装两级屋脊式+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，龙净环保改用2台大流量离心式氧化风机。
3、项目改造后运行情况简述
本项目是采用龙净环保专有的以“单塔双区”为核心的高效脱硫除尘技术的最新投运的项目之一，改造前后吸收塔外形图如图10所示。改造后的马头电厂脱硫装置表现出优异的脱硫性能，该项目投运以来仅需投运3台循环泵，在SO2入口浓度为4000mg/Nm3左右时，脱硫效率就可稳定达到99.3%以上，在同类湿法脱硫项目中处于明显的领先水平。
图10 马头项目吸收塔改造前后外形图
由于循环泵投运数量的降低，因此马头项目不仅满足排放要求，还明显降低设计能耗，实现了真正意义的“节能环保”!马头项目环保测试期间的实际运行参数截屏见图11。
图11 马头脱硫改造项目环保测试实际运行参数截屏
由西安热工研究院有限公司负责的系统性能测试已经完成，根据性能试验报告，测试期间9号机组脱硫系统的脱硫效率平均值为99.7%，成为单塔湿法高效脱硫的新标杆和重大突破。
4、其他“单塔双区”高效脱硫除尘项目运行情况
截止到目前，龙净环保在全球范围内已承接100多项工程，共建设200多座吸收塔，脱硫装置规模从5MW机组到1100MW机组，烟气SO2入口浓度从800 mg/Nm3到10000 mg/Nm3，脱硫效率从90%到99.4%，吸收剂可采用石灰石、石灰、电石渣、白泥等等，已具备全方位的湿法脱硫项目实施能力。
特别是近一年多来，采用龙净环保专有的以“单塔双区”为核心的高效脱硫除尘技术在新建和改造机组中的应用，已有二十余个项目，表1为典型工程案例：
表1 龙净环保“单塔双区”高效脱硫除尘技术典型工程案例
Tab.1 The typicalreferences of LONGKING SATA high efficiency FGD and De-dust system
5、结论
通过马头电厂脱硫改造等高效脱硫实践证明：采用龙净环保专有的以“单塔双区”为核心的高效脱硫除尘技术，运行稳定，技术成熟可靠，经济性能好，完全可以实现99.3%以上的高脱硫效率。根据实际项目的验证，在吸收塔入口SO2浓度为5000mg/Nm3的情况下，龙净环保采用以“单塔双区”为核心的高效脱硫除尘技术，出口SO2浓度全面低于35mg/Nm3。
铸“治霾”之剑，领“超净”之先。龙净环保将秉承“净化环境，造福人类”的宗旨，为祖国的大气污染治理事业、为实现人类的“环保梦”，克难奋进、继续奋斗!
参考文献：
1. [1] 发改能源[2014]2093号文 《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014—2020年)》
原标题：单塔湿法高效脱硫技术的新标杆
