1 前言
近年来，大气环境问题日益突出，大气污染治理已成为社会各界共同关注的重大民生问题。
2014年9月12日，国家发改委、环保部和能源局联合印发《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014～2020年)》，明确要求东部地区、中部地区、西部地区新建和在役燃煤发电机组大气污染物排放浓度基本达到或接近达到燃气轮机机组排放限值(即在基准氧含量6%条件下，氮氧化物、二氧化硫、烟尘排放浓度分别不高于50、35、10 mg/Nm3)。
同时，出于更高的社会责任感，部分地方和企业提出了更高的排放要求，如粉尘排放要求低于3mg/Nm3、二氧化硫排放低于10mg/Nm3、氮氧化物排放低于20mg/Nm3等等。
随着环保新政策的出台，火电厂大气污染物中SO2的排放浓度降低至35mg/Nm3将开始普遍实施，相比之前SO2排放浓度50mg/Nm3的要求，新标准意味着脱硫效率的大幅提升，脱硫效率将迈入99%机上的区间。下表为入口SO2不同浓度情况下脱硫效率的比较。
为实现99%甚至更高的脱硫效率，常规的石灰石-石膏湿法脱硫工艺需要革新。目前出现的采用2个或类似2个吸收塔串联的方式来达到高脱硫效率的方案，不仅带来投资上的增加，而且很多项目由于占地原因而不具备实施的可行性。
龙净环保通过多年的研究和实践，研发出以“单塔双区”为核心的高效脱硫除尘新技术，并经过多个项目的工程应用，结果表明采用该技术完全可以实现99.3%以上的高脱硫效率。在入口SO2浓度为5000mg/Nm3的情况下，龙净环保可采用以单塔双区为核心的高效脱硫除尘技术保证出口浓度不大于35mg/Nm3。
2 龙净环保特有的单塔双区结构
2.1 双区理论来源
双区是对石灰石-石膏湿法脱硫过程中吸收区和氧化区的统称。吸收区完成对烟气中SO2的吸收，生成CaSO3或Ca(HSO3)2，而氧化区中则通过对SO32-或HSO3-的氧化并最终结晶，生成CaSO4˙2H2O(石膏)。采用双区是由于吸收和氧化过程所需的不同浆液酸碱性而决定的。吸收区中需要浆液与SO2、HCl等酸性气体充分反应，因此浆液pH值应较高(7~8)。氧化区中发生的氧化结晶反应需要较强的酸性环境，浆液pH值应较低(4~5)。
由于不同的pH值要求，在早期脱硫装置中这两个区域是独立的，脱硫装置的显著特点是采用“1塔+1罐”的方式，吸收区(塔)排出的浆液再进入氧化区(罐)反应，最终生成石膏外排。吸收区和氧化区应分别有浆液调碱性和调酸性的环节，调碱一般通过吸收剂(如石灰、氨水等)的加入实现，而调酸则通过对烟气的单独洗涤或加入酸性物质实现，如图1、2所示。
2.2、单塔双区与单塔单区的区别
目前普遍采用的石灰石-石膏湿法脱硫装置均是单塔单区方式，主要特点是将早期的“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。浆池内既要考虑碱性也要考虑酸性的要求，如图3所示。采用了石灰石作为吸收剂，其基本呈中性或微弱碱性的特点，可以控制浆液在具有吸收能力的同时不至于呈现强碱性，使得“单塔单区”能够实现。
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，更高脱硫效率难以实现;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。
龙净环保在吸收借鉴单塔单区的基础上，对吸收塔浆池部分进行重大变革，成功实现在单塔浆池中维持上下2种不同pH值环境的区域，分别满足氧化和吸收所需，即实现“单塔双区”，如图4所示。
2.3 龙净环保单塔双区结构
龙净环保吸收塔浆池部分布置有pH调节器和射流搅拌，通过两者的相互配合，使得浆液区pH调节器上部分pH可维持在4.9-5.5，而下部分pH可维持在5.1-6.3，这样不同的酸碱性形成的分区效果，就可实现“双区”的运行目的。
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，如下表所示，其吸收能力最大可有6倍的提升。
龙净环保吸收塔浆池部分布置示意如图5~图7所示，运行中浆池浆液的进出示意如图8所示。
龙净环保单塔双区的分区效果在多个项目中均得到了验证：
2.4 龙净环保单塔双区吸收塔具有如下优点：
(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 4.9~5.5-生成高纯石膏
下部吸收区pH5.1~6.3-高效脱除SO2
(3)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
(4)循环浆液停留时间可降至3.0min
(5)无任何塔外循环吸收装置
(6)吸收剂的利用率高、石膏纯度最高
(7)脱硫系统运行阻力低，比塔+罐或串联塔低150Pa～250Pa
(8)优于单塔双循环“塔+罐”系统和串联塔系统:
①全烟气均采用高pH值浆液进行脱硫吸收;
②所有石膏结晶均在同一塔低pH值区进行;
③无需塔外罐(塔)及其配套设施，可节省电耗约200 kW˙h/h(1×300MW机组);
④无需塔外罐(塔)，节约占地面积
1×300MW机组，可节约占地面积500m2以上;
1×600MW机组，可节约占地面积700m2以上;
⑤无需塔外罐(塔)，可节约大量投资;
⑥系统简单，检修方便，运行维护费用低。
3 龙净环保高效脱硫的其他强化措施
3.1 循环量总量
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、浆液的pH值和原烟气中SO2的浓度决定的。下面的经验公式可用于计算SO2的去除率：
式中可以看出，由于正常运行中V、G、pH和CSO2均为常量，因此浆液循环量是影响脱硫效率的最重要参数，是实现高脱硫效率的基础。
达到高效脱硫时，循环量计算后系统安全余量在40~50%左右，明显高于常规30%的水平，这是高脱硫效率的直接保证与前提。
3.2 塔内喷淋区域采取强化措施
单塔要实现高脱硫效率，塔内浆液的覆盖率和雾滴粒径是关键因素。龙净环保采取如下6种措施：
3.2.1喷淋层数量
燃煤机组实现99.3%以上的高脱硫效率时，喷淋层设计值需3层以上，并保证每层有充足的喷淋覆盖率，通过多层喷淋覆盖叠加，保证烟气在塔内横截面上得到充分的洗涤。多层喷淋的布置如图9、10所示，具体层数及覆盖要求根据项目实际情况确定。
3.2.2适当降低喷嘴流量，提高覆盖率
在单层循环流量确定的情况下，在超洁净脱硫下若计算覆盖率不满足要求时，可结合喷嘴选型，适当降低单个喷嘴流量以提升整体覆盖率。
3.2.3选用特殊喷嘴，提高喷淋覆盖和二次雾化效果
目前市场上出现的“双头喷嘴”，特别是单向双头喷嘴，具有更高的喷淋覆盖范围和二次雾化效果。喷嘴图片如下：
每个喷头的覆盖范围均可等同于常规的单个喷嘴，且喷淋时同个喷嘴不同喷头喷出的浆液由于喷射的切线方向相反会产生相反的旋向，相反旋向的雾滴在喷淋层下方产生更明显的碰撞，可生成比喷嘴直接雾化粒径更小的雾滴，形成更好的二次雾化效果。
3.2.4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，因此应在合理范围内，适当提高喷嘴背压，喷淋雾化粒径降低7%以上，以较小代价换取较好的效果。
3.2.5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，吸收塔中心区域喷嘴布置密度应高于外围，从中心向四周呈现逐渐降低趋势。
3.2.6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，针对喷淋中心区域和塔壁区域选用不同的喷嘴类型和组合，增强喷淋浆液覆盖效果，减轻对塔壁冲刷的影响，并提高塔壁处浆液利用率30%以上。
3.3 提效环
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11~图13。
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。
综合各种因素，空塔流速宜选用3.4～3.8m/s。
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，可通过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，常规Cv值达到0.3即可接受，但高效脱硫时，塔内流场Cv值应≯0.2。流场均布可采取调整喷淋层数量、优化喷淋层喷嘴布置、增加吸收区高度以及除雾器前后直段长度、或在吸收塔进出口设置必要的导流装置、塔内设置多孔性分布器等措施。
吸收塔不同断面流场模拟示意图如图14所示。
3.6 塔内多孔性分布器应用
借鉴化工领域“筛板塔”的特点，龙净环保在塔内采用拥有专利的产品--多孔性分布器，浆液在均布器表面形成一定高度的持液层，烟气流经持液层时可产生类似“鼓泡”的效果，对烟气的洗涤吸收能力进一步增强。
4 单塔双区高效脱硫塔有关粉尘、SO3、HCl、HF、汞等的脱除
采用龙净环保单塔双区高效脱硫技术，对粉尘、SO3、HCl、HF、汞等具有一定得协同脱除能力。
1、粉尘脱除率
在目前机组脱硫装置入口粉尘较低的情况下，脱硫塔除尘效率一般为50%，龙净环保高效脱硫塔通过采取新技术措施，可将塔内除尘效率进一步提高至70%，这些强化与技术措施包括：
1)采用多级高效机械除雾器，包括多级除雾器、管式除雾器、烟道除雾器的组合式除雾器。
2)脱硫上游采用低低温省煤器
3)原烟道处设置喷雾除尘系统
4)适当增加塔体的高度，特别是下层喷淋层与吸收塔入口间和除雾器前后段的高度，以保证除雾器流场的均布。
通过采取以上多种强化措施，在部分燃煤灰分亲水性较好的情况下，除尘率甚至可进一步提高至80%。
此外，通过上述措施，还可有效降低机械除雾器出口液滴含量至30mg/Nm3以下甚至更低。
2、其他污染物脱除率
SO3的脱除率≥50%
HCl的脱除率≥90%
HF的脱除率≥90%
汞的脱除率≥30%
5 单塔双区高效脱硫除尘技术与其他脱硫技术比较
针对99.3%高脱硫率，单塔双区高效脱硫与其他脱硫技术进行对比情况如下：
6 工程应用
龙净环保致力于烟气脱硫行业多年，在湿法脱硫领域精耕细作，绩效显著。目前为止，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99.5%，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。
以下为龙净环保单塔双区为核心的高效脱硫除尘技术的典型工程案例：
6.1 已投运的高效脱硫项目典型实例
6.1.1 张家港沙洲电厂脱硫改造项目
张家港沙洲电厂脱硫改造项目采用石灰石—石膏湿法、一炉一塔配置，每塔设计有5台循环泵，保证脱硫效率≥98.3%。本工程2013年8月通过性能测试，各项性能指标均达到或优于保证值。
张家港沙洲电力公司2×630MW机组脱硫装置实际运行参数如下：
入口SO2 2453mg/Nm3 出口SO2 16mg/Nm3，脱硫效率≥99.3%(565MW、四台循环泵运行)
6.1.2 大唐清苑电厂
大唐清苑电厂脱硫采用石灰石—石膏湿法、一炉一塔配置，每塔设计有5台循环泵，保证脱硫效率≥98.42%。本工程2013年12月通过性能测试，系统保持长期安全、可靠地运行。
大唐清苑热电有限公司2×300MW机组烟气脱硫装置实际运行参数如下：
入口SO2 5038mg/Nm3 ，出口SO2 18.2mg/Nm3，脱硫效率99. 64%(BMCR工况)
6.1.3 河北建投沙河电厂
河北沙河电厂脱硫采用石灰石—石膏湿法、一炉一塔配置，每塔设计有5台循环泵。本工程2013年8月通过性能测试，各项性能指标优于保证值。
河北沙河电厂2×600MW机组烟气脱硫装置实际运行参数如下：
入口SO2 3679.4mg/Nm3 ，出口SO2 50.5mg/Nm3，脱硫效率98.6%(100%BMCR，三台循环泵运行)
6.1.4 河北建投邢台国泰发电有限责任公司2×300MW机组
邢台国泰发电有限责任公司2×300MW机组脱硫采用石灰石—石膏湿法、一炉一塔配置，每塔设计有5台循环泵，设计保证脱硫效率≥98.75%。本工程10#机组于2014年9月投入运行，各项性能指标满足技术协议要求，运行稳定可靠，要求保证的脱硫效率如下：
10#机组： 入口SO2 4000mg/Nm3 ，出口SO2 ≤50mg/Nm3，脱硫效率≥98.75%
11#机组 ：入口SO2 4000mg/Nm3 ，出口SO2 ≤50mg/Nm3，脱硫效率≥98.75%
6.1.5 华能石洞口二厂2×630MW机组脱硫改造项目
华能石洞口二厂2×630MW机组脱硫改造项目采用石灰石—石膏湿法、一炉一塔配置，每塔设计有5台循环泵。本工程2#机组于2014年11月投入运行，各项性能指标满足技术协议要求。
入口SO2 2500mg/Nm3 ，出口SO2 ≤35mg/Nm3，脱硫效率≥98.6%
6.1.6 华电可门电厂一期2#机组(1×600MW)烟气脱硫改造项目
可门电厂一期2#机组(1×600MW)烟气脱硫改造项目采用石灰石—石膏湿法、一炉一塔配置，每塔设计有5台循环泵。本工程于2014年10月投入运行，各项性能指标优于性能保证要求。
入口SO2 2700mg/Nm3 ，出口SO2 32mg/Nm3，脱硫效率98.82%
6.1.7 大唐河北马头电厂9#机组1×300MW脱硫改造项目
马头电厂9#机组(1×300MW)脱硫采用石灰石—石膏湿法、一炉一塔配置，每塔设计有5台循环泵。本工程于2014年10月投入运行，各项性能指标优于性能保证值。
入口SO2 4556mg/Nm3 ，出口SO2 10.46mg/Nm3，脱硫效率99.78%
作为应用单塔双区高效脱硫技术并最新投运的项目，马头电厂脱硫装置表现出优异的脱硫性能，当入口SO2浓度达到4000 mg/Nm3左右时，在仅投运3台循环泵的情况下，脱硫效率达到99.5%，在同类湿法脱硫项目中处于明显的领先水平。
入口SO2 5020.8mg/Nm3 ，出口SO2 12.1mg/Nm3，脱硫效率99.76%
在入口浓度超出设计值情况下，系统仍保持99.7%以上的高脱硫效率，优于系统性能保证值。
6.2 正在施工设计的高效脱硫项目实例
6.2.1 唐山热电厂脱硫改造项目
唐山热电厂脱硫采用石灰石—石膏湿法、一炉一塔配置，每塔设计有5台循环泵。本工程入口SO2 ：3500mg/Nm3 ，出口SO2 ≤50mg/Nm3，脱硫效率≥98.6%，目前2#机组已施工设计完成，预计12月初进行168小时运行。
6.2.2 华能罗源电厂2×660MW机组脱硫项目
华能罗源电厂2×660MW机组脱硫改造项目采用石灰石—石膏湿法、一炉一塔配置。本工程入口SO2 2730mg/Nm3 ，出口SO2 ≤35mg/Nm3，脱硫效率要求≥98.72%，目前正处于施工设计阶段。
6.2.3 扬州第二发电有限责任公司2×630MW机组脱硫改造项目
扬州第二发电有限责任公司2×630MW机组脱硫改造项目采用石灰石—石膏湿法、一炉一塔配置。本工程入口SO2 2890mg/Nm3 ，出口SO2 ≤34mg/Nm3，脱硫效率要求≥98.85%，目前正处于施工设计阶段。
6.2.4 新疆华泰重化工有限责任公司热电厂3×410t/h锅炉烟气脱硫改造工程
新疆华泰重化工有限责任公司热电厂3×410t/h锅炉烟气脱硫改造工程采用电石渣—石膏湿法、三炉两塔配置。本工程入口SO2 4650mg/Nm3，出口SO2 ≤46mg/Nm3，脱硫效率要求≥99%，目前正处于施工设计阶段。
7 结论
通过以上理论与实践证明：采用龙净环保以单塔双区为核心的高效脱硫除尘技术，系统运行稳定，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。在入口SO2浓度为5000mg/Nm3的情况下，龙净环保以单塔双区为核心的高效脱硫除尘技术可保证出口SO2浓度不大于35mg/Nm3。
龙净环保以单塔双区为核心的高效脱硫除尘技术是当前超洁净排放高效脱硫技术的最佳选择。
