大中小 实现超低排放的燃煤烟气沸腾式泡沫 脱硫除尘一体化技术与装备专项研究

       近年来我国大面积区域性重污染灰霾天气频发，环境污染问题日益严重。2011年7月，环保部颁布了《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011)，新标准规定了非常严格的污染物排放限值，被称为史上最严的火电排放标准。2014年9月12日国家发展改革委、环保部、能源局三部门联合印发《煤电节能减排升级与改造行动计划（2014-2020年）》，行动计划明确了在基准氧含量6%条件下，烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不高于10、35、50毫克/标立方米的超低排放要求。随着污染物排放标准的不断升级，对电厂环保设施也提出了更高的要求。一般情况下，常规脱硫塔的脱硫效率、粉尘脱除率分别约为95%、50%左右，常规ESP出口粉尘浓度一般在毫克/标立方米以上。要达到超低排放要求，高硫煤机组要求脱硫塔脱硫效率达到99%以上，环保设施除尘总效率达到99%以上，常规环保设施无法满足要求。针对超低排放要求，国内部分电厂采用湿式电除尘技术，该技术可以满足烟尘小于5毫克/标立方米的排放要求，但存在初投资大、运行费用高、耗水量大等缺点。因此，针对常规脱硫除尘装置进行创新性的技术改造升级，使其能够在投资少、能耗低、运行可靠稳定的前提下，满足日益严格的排放要求，具有非常重要的意义。为此，中电投远达环保工程有限公司组织公司研发骨干力量，针对新形势下燃煤电厂烟气超低排放脱硫除尘开展了各项研究工作。
       二、主要科技创新
       1.发现了脱硫塔内气、液、固三相的沸腾式泡沫强化传质规律；基于泡沫形成理论，开发出了具有强化气、液、固传质效果的沸腾式泡沫传质系统；建立了沸腾式泡沫传质脱硫除尘计算模型，获得了沸腾式泡沫传质脱硫除尘工程计算软件，形成了微细颗粒脱除关键技术。
       深入研究了气、液、固三相传质规律，开发出了沸腾式脱硫除尘技术。该技术通过在脱硫塔内设置沸腾式脱硫除尘构件，使烟气通过该构件自激发形成沸腾式泡沫层，增加了气液接触面积和湍流强度，增强了SO2与浆液的传质效果；通过泡沫对其内部颗粒的惯性和扩散捕集作用，提高了粉尘颗粒与液相表面碰撞粘附机率，实现了对细颗粒粉尘的高效脱除，解决了常规脱硫系统超细粉尘脱除效率低的问题。本技术可在较低成本下实现燃煤电厂超低排放，脱硫效率达到99%以上，整体除尘效率达到80%以上。
       通过本项目，建立了燃煤电厂原烟气沸腾式泡沫传质中试实验装置，该实验平台可对不同参数类型的沸腾式泡沫式传质构件进行实验研究，能真实反应脱硫塔内气、液、固传质状态；通过实验研究并结合理论分析，发现了脱硫塔内气、液、固三相强化传质规律，得到了沸腾式泡沫式传质构件不同参数对泡沫产生、形成、破裂等过程的影响规律，同时得到了泡沫内SO2与液膜的传质机理，以及粉尘受到液膜作用的捕集机理。
       开发出了具有强化气、液、固传质效果的沸腾式泡沫传质系统；根据流体力学、泡沫形成理论、气液固传质理论并结合实验结果，得到了不同开孔孔型、空隙率、孔径大小、气相负荷、液气比等参数下，沸腾式脱硫除尘构件对塔内脱硫除尘效率的影响，确定了沸腾式脱硫除尘构件关键参数的取值范围，开发了具有阻力低、脱硫除尘效率高、运行稳定的沸腾式泡沫传质系统。

图1：沸腾式泡沫传质中试实验装置及泡沫除尘气液区域状态

图2：不同的开孔形式

       建立了沸腾式泡沫传质脱硫除尘计算模型，获得了沸腾式泡沫传质脱硫除尘工程计算软件，形成了微细颗粒脱除关键技术。通过流体力学和传质理论研究，建立了沸腾式泡沫传质脱硫除尘阻力计算模型、脱硫效率计算模型以及除尘效率计算模型。将理论模型与实验数据进行对比，修正了模型中关键系数，开发了沸腾式泡沫传质脱硫除尘工程计算软件，已应用于工程设计。

图3：沸腾式泡沫传质脱硫除尘构件及分级除尘效率

       2.开发了具有气液耦合的精细化喷淋脱硫除尘技术，主要包括喷淋层精细化布置和无壁流吸收塔技术，解决了塔内气液分布不均、同一截面气液比不合理以及壁流等问题，避免了烟气走廊现象，提高了浆液有效利用率。开发了喷淋层精细化布置技术，结合喷淋脱硫原理，在不同喷淋层设计不同浆液量、喷嘴类型和雾化参数等，使每一层浆液都能有效利用，同时采用双头喷嘴、改善雾化参数，增强二次雾化效果，提高SO2传质效果以及粉尘被液滴捕集的概率；根据烟气流场分布特点，同一层喷淋层配置不同喷嘴密度，合理分配浆液量。

图4：喷淋层布置及浆液分布

       根据壁面流场特点，通过在壁面设置塔沿，开发了无壁流脱硫吸收塔，该技术可避免出现烟气走廊，同时可将沿塔壁流下的浆液进行二次分配，增加了浆液的利用率。

图5：无壁流塔示意图及流场模拟

       3.发现了除雾器内雾滴湍流捕集效应，基于惯性碰撞原理及湍流效应，开发了可捕集微细雾滴的惯性湍流双驱高效雾滴捕集技术，解决了常规除雾器捕集微细雾滴捕集效率低的问题；通过研究石膏颗粒粒径分布，得到了除雾器除雾效率对粉尘排放的贡献关系。本技术可保证出口雾滴含量控制在20毫克/标立方米以下。发现了除雾器内雾滴湍流捕集效应，得到了不同颗粒粒径的雾滴在除雾器中的捕集机理，基于惯性碰撞原理及湍流效应，开发了可捕集微细雾滴的惯性湍流双驱高效雾滴捕集技术，解决了常规除雾器捕集微细雾滴捕集效率低的问题。

图6：不同粒径雾滴在除雾器中的湍流效应及除雾器实物图

       通过研究石膏颗粒粒径分布，同时对比除雾器的除雾特性，通过理论分析得到了除雾器除雾效率对粉尘排放的贡献关系，该计算关系以成功应用于实际工程设计。

图7：不同叶片间距下烟气流速与雾滴极限粒径的关系及浆液中的石膏粒径分布

       三、与当前国内外同类技术主要参数、效益、市场竞争力的比较
       常规脱硫+干式除尘技术路线难以达到SO2≤35毫克/标立方米、粉尘≤5毫克/标立方米超低排放要求，本项目开发出了燃煤电厂烟气超低排放脱硫除尘一体化技术，达到国际先进水平，可实现燃煤烟气SO2排放浓度低于35毫克/标立方米，粉尘排放浓度低于5毫克/标立方米，达到超低排放标准。与常规脱硫喷淋塔+湿式电除尘超低排放技术路线相比，在满足超低排放SO2≤35毫克/标立方米，粉尘≤5毫克/标立方米的条件下，对于改造项目，本技术初投资可节省50%以上，运行维护费用可降低约5%。
       以600兆瓦机组超低排放改造为例，本技术与常规脱硫喷淋塔+湿式电除尘超低排放技术路线相比数据汇总如下：

       本技术具备单塔高效、投资少、能耗低、适应性强、稳定性高、工期短、不额外增加场地等特点，对现役机组提效改造及新建机组实现超低排放均具有良好的推广使用价值。
       我国东部地区200兆瓦以上火电装机容量约2亿千瓦，如全部进行超低排放改造，采用本技术总投资节省约65亿元，每年节省运行费用约4.5亿元。目前，本技术正处于工程应用推广阶段，需要在推广应用进程中，积累工程经验，进一步完善化、标准化。
       四、第三方评价
       1.技术鉴定报告。
       2015年6月27日，重庆市科学技术委员会在重庆召开了“实现超低排放的燃煤烟气沸腾式泡沫脱硫除尘一体化技术与装备”成果鉴定会，鉴定专家认为该技术具有自主知识产权，可达到超低排放先进技术指标，并已获工程实践验证，整体达到国际先进水平，一致同意通过科技成果鉴定。创新性成果如下：
       研制了具有强化气、液、固传质效果的沸腾式泡沫传质构件，基于泡沫尺寸及其与颗粒物碰撞的优化，实现了对细颗粒物的高效脱除。
       开发了气液耦合精细化喷淋系统，显著提高了喷淋液滴的均布性，并防止壁流，结合沸腾式泡沫传质构件，实现了高效脱硫。
       研发了惯性湍流双驱高效雾滴捕集技术，解决了常规除雾技术脱除微细雾滴效率低的问题，可有效减少因雾滴携带所带出的固体颗粒物。
       该技术与装备已在重庆合川电厂660兆瓦、上海漕泾电厂1000兆瓦、华能金陵电厂1000兆瓦机组等项目中得到应用。经第三方测试，均达到了国家规定的超低排放要求。
       2.性能测试报告。
       2014年10月20日受重庆合川发电有限责任公司委托，东北电科院对重庆合川发电有限责任公司4号机组进行了相关污染物排放指标测试，检测结论如下：
       测试期间脱硝系统、电除尘系统、脱硫系统均正常投运，检测结果表明：检测期间，4号机组FGD出口SO2测试平均排放浓度为14.4毫克/标立方米，FGD脱硝效率达99.34%；FGD出口烟尘平均排放浓度7.98毫克/标立方米，满足《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）排放限值要求，各项指标达到工程设计要求。
       3.用户意见。
       华能金陵电厂、重庆合川电厂等用户评价“均优于燃机排放标准，各项性能指标达到设计要求”、“各项性能指标达到设计要求，系统运行稳定可靠”。
       4.项目查新报告。
       通过科学技术部西南信息中心查新中心检索，采用计算机检索与手工检索相结合的方式，查阅国内8种数据库和检索资源，经反复筛选，列出相关文献，经与检出文献对比分析，可以得出如下结论：
       已见有燃煤电厂烟气协同治理的文献报道，但涉及本项目所述开发出了燃煤电厂烟气高效脱硫除尘协同治理技术及关键装备，脱硫效率达99%，协同除尘效率达80%，粉尘出口含量<5毫克/标立方米、开发出了具有强化气、液、固传质效果的沸腾式传质构件和可捕集微细雾滴的除雾技术及关键装置，可保证脱硫装置出口液滴含量＜20毫克/标立方米等技术特征，未见文献报道；
       综合本项目所述主要技术特征的燃煤电厂烟气高效脱硫除尘协同治理技术及应用，在所检文献以及时限范围内，国内未见文献报道。
       5.推广应用情况
       本项目开发的实现超低排放的燃煤烟气沸腾式泡沫脱硫除尘一体化技术与装备已在重庆合川发电有限责任公司3号机组、上海上电漕泾发电有限公司2#机组、华能金陵电厂1号机组等项目实现了应用。其中合川发电有限责任公司4号机组FGD出口SO2测试平均排放浓度为14.4毫克/标立方米，FGD脱硫效率达99.34%；FGD出口烟尘平均排放浓度7.98毫克/标立方米，满足《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）排放限值要求，各项指标达到工程设计要求；上海上电漕泾发电有限公司2号机组1000兆瓦烟气超洁净排放脱硫增容改造工程，实现中电投集团首台百万机组超低排放。该机组成为在中电投集团内首次采用该新工艺技术的示范工程，经实际运行数据显示，各项性能数据良好，吸收塔入口SO2浓度为1019毫克/标立方米，吸收塔出口SO2浓度为12.23毫克/标立方米，吸收塔脱硫效率为98.799%；吸收塔入口烟尘为23.96毫克/标立方米，吸收塔出口烟尘为3.04毫克/标立方米，脱硫吸收塔除尘效率为87.3%。SO2及烟尘排放值均满足国家环保要求的燃机排放标准，达到近零排放标准。同时该技术也在华能金陵电厂1号机组超低排放改造工程中得到应用，由江苏省环境监测站现场测得烟尘、二氧化硫排放指标分别达到1.7-2.3毫克/标立方米、1-9毫克/标立方米，主要参数全部优于设计值。（主创人员：张金伦、唐小健、聂  华、喻江涛、李紫龙、范振兴、吴其荣）