石灰石—石膏湿法脱硫工艺已广泛应用于燃煤电厂机组烟气脱硫^[1].该工艺的脱硫吸收塔基本采用空塔喷淋式结构,其设计存在一些不足^[2]:① 喷淋层周边与中心区域喷淋液分布密度存在明显偏差,喷淋密度低的周边区域喷淋层阻力较小,烟气容易从该区域逃逸,从而影响系统的脱硫效率^[3].其原因是为了使吸收塔的内壁防腐衬里层不受喷淋液长期过度冲刷而损坏,喷淋层最外层的喷嘴布置密度受到制约,喷淋层周边区域的理论最大喷淋覆盖率只能达到100%,而中心区域的喷嘴布置可以较密,喷淋覆盖率可达200%以上;② 喷淋层最边缘的喷嘴多数处于喷淋组管的末端位置,流道较长,浆液流通的阻力较大,当喷淋组管内的浆液流量或压头出现波动时,喷淋层边缘的喷嘴受影响最大,将进一步削弱喷淋层周边区域的喷淋覆盖率和喷淋密度,增加烟气旁路的可能性,从而降低整套装置的脱硫效率^[4].

随着国家对大气污染物治理要求的日益严格,需要进一步提升现有火电厂脱硫装置的脱硫效率.经常采用的技术手段有增加吸收塔循环泵数量、增加喷淋层等^[5],但往往存在能耗增加、原有吸收塔需进行防腐改造、技术难度大等问题.本文在工程实际运用中开发并设计了一种脱硫吸收塔新型增效装置,有效地解决了相关问题,目前已在实际工程中得到应用,效果良好.

1 新型增效装置简介

脱硫吸收塔新型增效装置主要由布气锥板、环形箍筒、自紧连接装置和软密封组件等构成,可以安装在各类喷淋式脱硫吸收塔内.增效装置结构如图 1所示,图中:α为布气锥板与水平面夹角;L为布气锥板长度.增效装置需安装在喷淋层的下方,通过软密封组件与吸收塔内壁连接并定位.该装置可使吸收塔内周边区域的烟气重新分布,使其向中央区域聚集流动,有效消除塔内烟气旁路现象,提高系统的烟气脱硫效率.

根据吸收塔的内壁规格和现场安装条件,增效装置可分为若干段(一般分为3~5段),各段在塔内进行对接、组装和自紧固定.塔内的装配过程无需动火,增效装置的主要受力元件均采用不锈钢(316L或以上等级)材质.

在具体设计中,增效装置的α、L都可根据烟气流动状况调整,尽可能不增加塔内烟气的流动阻力.布气锥板上需均匀布置一定数量的排液孔,确保贴壁流动的浆液和部分周边区域的喷淋浆液收集后能及时排出,不产生沉积.布气锥板焊接在对应的环形箍筒上,现场安装就位后,各段环形箍筒、各段布气锥板由自紧连接装置连为一体,最终形成一个完整的环状结构.

可根据现场条件和具体要求,通过调节各顶紧螺栓的安装尺寸,调整环形箍筒的安装外径,以充分贴合吸收塔的内壁.顶紧螺栓调节到位后,用扣紧螺母扣紧并定位.

2 主要技术特点 2.1 优化烟气分布,提升装置效率

以典型的一台600 MW燃煤机组对应的湿法脱硫吸收塔为例,塔内烟气量取2 850 000 m³·s^-1,塔内径取16 m,布置3层喷淋层,相邻喷淋层间距为2.2 m.通过烟气流场建模计算和分析,可在吸收塔内第一喷淋层与第二喷淋层之间的某一烟气流场截面安装新型增效装置.与未安装增效装置时相比,安装该装置后塔内沿壁的周边区域的流速降低,烟气有向中心聚集的趋势.对比结果如图 2所示.

流场模拟分析结果表明,新型增效装置可以有效弥补脱硫吸收塔内喷淋层布置缺陷,改善塔内烟气分布,基本消除吸收塔内烟气旁路现象,使烟气都能经过吸收塔内最佳喷淋覆盖区域,改善气液接触效果,从而提升整套装置的烟气脱硫效率.

2.2 安装方便,无需动火

该装置采用分段式组装结构,利用独特的自紧连接装置,可在塔内进行对接和装配.安装过程无需动火,现场装配方便,十分适用于目前各类喷淋式脱硫吸收塔的内部改造.

2.3 可灵活调节,适应性强

通过对自紧连接装置进行现场调节,新型增效装置能够调整自身安装尺寸,有效贴合不同规格的吸收塔内壁,对已有吸收塔的加工制作精度要求不高,具有良好的适应性.

新型增效装置通过软密封组件与塔体内壁的防腐衬层进行接触和贴合,能够保证在安装和使用过程中,防腐衬层不受损坏.这进一步提高了该装置的适应性.

2.4 投资费用少,运行成本低

该装置主要用材均为常规材料,易于采购,有利于降低成本.同时,该装置通过软密封组件进行结构连接,在安装过程中不会对原设备造成损坏,现场安装成本低.

根据流场模拟计算和分析,安装增效装置后,吸收塔的运行阻力增加较少,与增大喷淋流量和增加喷淋层等其他增效方式相比,该技术的应用具有比较突出的投资和运行成本优势.

3 工程应用情况 3.1 设备布置情况

某600 MW燃煤电厂的脱硫吸收塔采用空塔喷淋结构,吸收塔内径为16 m,塔内防腐采用鳞片树脂;一台塔共有3层喷淋层,分别对应三台循环泵,喷淋层下方布置有一层多孔均流板.

该电厂5^#机组吸收塔于2013年3月安装了一套增效装置,其位置在吸收塔均流板与第一层喷淋层之间,距第一层喷淋层0.8~1.0 m.该装置分三段通过吸收塔人孔运至塔内后再进行组装与安装,装置总质量约500 kg.由于该装置安装不破坏原有吸收塔防腐层,无需动火,安装仅需2 d.

3.2 脱硫效率提升情况

当吸收塔在两台循环浆液泵运行,相同机组负荷、pH和入口烟气SO₂质量浓度条件下,对安装增效装置前、后的脱硫效率情况进行了对比分析,具体数据如表 1所示.根据数据对比,在两台浆液循环泵运行的方式下,改造前平均脱硫效率为93.2%;而改造后的脱硫效率有了明显提高,平均脱硫效率为95.7%,提升了约2.3%.

3.3 节能效果

该装置安装后,由于其占吸收塔截面比例很小,因此对吸收塔运行阻力影响很小,增加的阻力在100 Pa以下.

该装置安装前、后电厂CEMS(continuous emission monitoring system)月度报表及厂用电数据对比如表 2所示,其中:1~3月为增效装置未安装月份;3月31日增效装置安装完成并投运.

安装增效装置后,浆液与烟气传质效果增强,在保证脱硫效率的前提下,可以根据情况间歇性停运一台循环泵,以降低系统电耗.从表 2可以看出:厂用电率一季度平均为0.86%;安装增效装置后,在入口平均SO₂质量浓度大幅增加的情况下,出口平均SO₂质量浓度及SO₂排放量显著降低,而脱硫厂用电率为0.79%,比改造前降低了约8%.改造后不仅减排效果提高明显,而且对脱硫系统的节能降耗亦有显著贡献.

3.4 节能减排效果分析

安装增效装置后,可以大幅增加该600 MW机组原有脱硫装置在锅炉燃用劣质煤时的处理能力.在燃煤硫分不变的情况下,由于脱硫效率提升和厂用电率降低,每年可实现节约SO₂排污费和运行电费支出约40万元.考虑到该工程一台吸收塔安装增效总费用约为10万元,因此当年即可收回全部投资.

4 结论及建议

(1) 该新型增效装置可以有效弥补脱硫吸收塔内喷淋层布置缺陷,改善塔内烟气分布和气液传质效果,从而提升吸收塔的烟气脱硫效率.

(2) 该装置结构简单,安装方便,安装过程无需动火,不破坏原有吸收塔防腐层,对不同大小的吸收塔适应性强,较适合于老机组的吸收塔增效改造.

(3) 在600 MW机组吸收塔中的增效改造工程应用表明,该装置增加的运行阻力小,可实现年节约SO₂排污费和运行电费支出约40万元,当年即可收回全部投资,具有较高的推广价值.