作者：李斌
国内火电机组烟气脱硫多采用石灰石一石膏湿法工艺，目前主流的脱硫改造中多采用单塔技术（包括喷淋空塔、托盘塔、单塔双循环等技术）和串联塔技术，本文结合实际工程案例，对其进行了分析研究，为需要实施超低排放改造的机组提供参考。
1 单塔技术
单塔技术包括单塔单循环技术和单塔双循环技术，单塔单循环技术根据吸收塔型式的不同又包括喷淋空塔、托盘塔、填料塔等，其中喷淋空塔是应用最普遍的吸收塔型式。
对于燃用中低硫煤的火电机组．通过优化吸收塔设计，提高吸收塔液气比（增设喷淋层，提高浆液循环泵流量）或者采取增强气液传质措施（增设托盘持液层、湍流层、聚气环等），可大幅提高吸收塔的脱硫效率，满足超低排放要求。
1.1 喷淋空塔技术
影响烟气脱硫系统脱硫效率的因素很多，包括烟气参数、吸收塔结构设计、运行参数控制、吸收剂品质等。在吸收塔结构设计上影响脱硫效率的因素主要包括塔内烟气流速、炯气停留时间、液气比、喷嘴雾化效果、喷淋覆盖率等。通过优化吸收塔设计．如适当降低塔内烟气流速．延长塔内烟气停留时间，增加循环浆液流量，提高液气比，增加喷淋覆盖率等手段，可以提高吸收塔脱硫效率，满足超低排放要求。
工程案例：河北某电厂300 MW燃煤机组新建烟气脱硫装置采用石灰石一石膏湿法工艺．1炉1塔配置，无烟气换热器(GGH)，吸收塔为逆流喷淋空塔。锅炉最大连续蒸发量(BMCR)工况下设计炯气量为133.6x104 m3/h（标准状态，湿基，实际含氧量），设计入口SO2质量浓度5 000 mg/m3，设计脱硫效率97%。设计吸收塔尺寸13.5 m(直径)x39.2 m（高度），塔内烟气流速3.29 m/s，吸收塔出口液(L)气(m3)比为25.8 L/m3，浆池容积3 896 m3，浆液循环停留时间4 min。喷淋层为5层，层间距2m，每层喷淋层安装110个喷嘴。
该脱硫装置为新建工程，从设计参数分析，该工程吸收塔整体设计裕量较大．塔内流速仅为3.29 m/s．远远低于一般常规设计(3.8-4 m/s)，且液气比、喷淋层间距及喷淋覆盖率均处在相对较高值。2012年该脱硫装置投运，在满负荷工况下，人口SO24 000 mg/m3左右时，脱硫效率达99%以上，净烟气SO2排放质量浓度低于35 mg/m3，满足超低排放要求。
1.2托盘塔技术
托盘塔为美国巴威公司技术，在吸收塔内最下层喷淋层和吸收塔入口炯道上沿之间设置1层或2层合金托盘。合金托盘能有效改善吸收塔内烟气分布，而烟气和浆液的流场分布直接决定着吸收塔内的传质、传热和反应进行程度。有无托盘时吸收塔截面流速分布如图1所示。由图l可见．设置托盘后，进入吸收塔的气体流速得到很好的均布，大部分气体流速处在平均流速范同内；而没有托盘时，气体的流速分布范围较宽。托盘上的持液层使烟气在吸收塔内的停留时间增加，当烟气通过托盘时，气液充分接触，强化了气液传质．从而可有效降低液气比，提高脱硫效率。
工程案例：河北某电厂600 MW超临界机组脱硫装置采用石灰石一石膏湿法技术，1炉l塔配置。改造前设计煤质硫分1.21%．吸收塔为逆流喷淋空塔，设置4层喷淋层（每层喷淋层对应浆液循环泵流量8 375m3/h）。因实际燃用煤质变化，对该机组脱硫装置进行了增容提效改造。改造后设计参数：煤质收到基硫分Sar为2.1%．入口SO2质量浓度5 500 mg/m3，烟气流量233.0x104 m3/h．脱硫效率97.27%。因改造设计对入口SO2浓度及脱硫效率均增加较多．吸收塔系统更换了4台大容量浆液循环泵( 12 500 m3/h)，改造后液气比（以吸收塔出口标准状态湿基烟气量计）增加至19.9L／m3．更换了4层喷淋层及喷嘴，优化喷嘴布置，提高喷淋覆盖率。同时在吸收塔入口烟道顶部至最底层喷淋层间增加1层合金托盘持液层。因浆液循环量增加．相应抬高了吸收塔浆池液位，增加了浆池容积。同时对氧化风系统、除雾器及石膏排出系统等进行了相应改造。
增加合金托盘时吸收塔改造剖面如图2所示。目前该脱硫增容改造工程已完成性能验收试验，各项性能指标满足设计要求。在吸收塔入口SO2质量浓度为3 300 mg/m3左右时，脱硫效率达99%以上，净烟气SO2排放质量浓度低于35 mg/m3，满足超低排放要求。硫装置原采用循环流化床半干法脱硫工艺．因实际燃用煤质及环保标准变化．采用单塔双循环技术对该机组进行了石灰石一石膏湿法脱硫改造。改造后设计参数：煤质收到基硫分Sar为1.5%，入口SO2质量浓度3 846 mg/m3，烟气流量114.lx104 m3/h．脱硫效率不低于98.7%．净炯气中SO2质量浓度≤50 mg／m3。吸收塔直径13.1 m，高度42.5 m，二级循环浆液箱直径8.5 m，高度22 m。吸收塔共设置5层喷淋层，对应5台流量为5 000 m3/h的浆液循环泵，其中一级循环设置2层喷淋层．二级循环设置3层喷淋层。吸收塔配套设置除雾器及氧化空气系统。
2台机组分别于2013年5月和2014年4月完成168 h试运行，试运期间SO2质量浓度为设计值，净烟气SO2质量浓度低于35 mg/m3，达到超低排放要求。
2串塔技术
串塔技术是将2座吸收塔串联运行．中间通过联络烟道连接。根据现场位置及现有吸收塔设计参数，改造方案有2种：(1)现有吸收塔作为一级吸收塔，新建二级吸收塔串联运行；(2)现有吸收塔作为二级吸收塔，新建一级吸收塔串联运行。串塔改造方案可以通过控制一、二级吸收塔的pH值实现分区控制，一级吸收塔低pH值运行，利于石膏氧化结晶，二级吸收塔高pH值运行，利于高效脱硫。一般一级吸收塔设计脱硫效率80%-90%．控制一级吸收塔出口SO2质量浓度500-700mg/m3；二级吸收塔设计脱硫效率93%-95%，通过两级吸收塔脱硫后，控制净烟气SO2排放质量浓度在35 mg/m3以下，达到超低排放要求。典型的串塔技术工艺流程如图4所示。
改造案例：山东某电厂300 MW机组采用湿式石灰石一石膏法烟气脱硫技术，1炉1塔配置，引风机和增压风机合并设置，无GGH．吸收塔为逆流喷淋空塔，设置4层喷淋层。改造前设计参数：煤质收到基硫分Sar为2.2%，吸收塔入口SO2质量浓度5 547 mg/m3，脱硫效率大于97%，出口SO2质量浓度小于166 mg/m3。为达到超低排放要求，电厂对现有装置进行了超低排放提效改造。改造后设计参数：入口与出口SO2质量浓度分别为5 750和32 mg/m3（干基，O2体积分数6%），脱硫效率达到了99.44%。改造方案本着充分利用旧有设备原则，将现有吸收塔作为一级吸收塔．新建1座吸收塔作为二级吸收塔。新建二级吸收塔直径12.5 m．高29 m，吸收塔内烟气流速3.5 m/s，设置3层喷淋层，层间距2m。新建二级吸收塔配套设置除雾器和氧化空气系统。
目前该脱硫增容改造工程已通过168 h试运．投入运行，在人口SO2质量浓度5 000 mg/m3左右时，净烟气SO2排放质量浓度低于30 mg/m3，满足超低排放要求。
3改造方案对比分析
单塔单循环改造方案工艺成熟．主要改造手段为增加喷淋层，加大循环浆液量，或增设托盘持液层等强化气液接触传质，提高脱硫效率。然而，单塔单循环改造方案受现有吸收塔设计塔径、基础荷载等条件限制，对入口条件有要求．原则上建议吸收塔设计入口SO2质量浓度不超过3 500mg/m3时采用单塔单循环技术方案。
单塔双循环技术是在l座吸收塔内完成了2次脱硫，达到了双塔串联效果，其主要特点与双塔双循环类似。两级循环分别设有独立的循环浆池和喷淋层，根据不同的功能，每级循环具有不同运行参数，可以分别控制不同的pH值运行范围，可以满足不同工艺阶段对浆液性质的要求．更加精细地控制了工艺反应过程．因而可有效提托盘塔是目前某火电集团脱硫改造采用较多的技术方案。相对于喷淋空塔，增加l层合金托盘后，可有效降低浆液循环量和液气比，可不增加或较少增加浆池容积。同时，合金托盘可以作为喷淋层检修平台，在塔内进行检修时，不需将塔内浆液全部排空搭设临时检修平台，运行维护人员站在合金托盘上就可对塔内部件进行维护和更换，减少运行时系统维护的时间。
1.3单塔双循环技术
单塔双循环技术是在l座吸收塔内完成了2次脱硫过程，达到了双塔串联效果，其主要特点与双塔双循环类似．两级循环分别没有独立的循环浆池和喷淋层，根据不同的功能，每级循环具有不同运行参数，可以分区控制浆液的pH值。单塔双循环工艺流程如图3所示，烟气首先经过一级循环（见图3下部），一级循环pH值控制在4.5-5.3．有利于石灰石的溶解和石膏的结晶，能够得到品质很高的石膏。经过一级循环的烟气直接进入二级循环（见图3上部）．二级循环主要为脱硫洗涤过程，二级循环pH值控制在5.8-6.4。相对单塔单循环，单塔双循环可在一定程度上降低所需液气比，减少需要的浆液循环量，并能够得到较高的脱硫效率：此外，每个循环独立控制，易于优化和快速调整，能适应燃煤硫分和负荷的大幅变化。
工程案例：广州某电厂2台300 MW机组脱硫装置原采用循环流化床半干法脱硫工艺．因实际燃用煤质及环保标准变化．采用单塔双循环技术对该机组进行了石灰石一石膏湿法脱硫改造。改造后设计参数：煤质收到基硫分Sar为1.5%，入口SO2质量浓度3 846 mg/m3，烟气流量114.lx104 m3/h．脱硫效率不低于98.7%．净炯气中SO2质量浓度≤50 mg／m3。吸收塔直径13.1 m，高度42.5 m，二级循环浆液箱直径8.5 m，高度22 m。吸收塔共设置5层喷淋层，对应5台流量为5 000 m3/h的浆液循环泵，其中一级循环设置2层喷淋层．二级循环设置3层喷淋层。吸收塔配套设置除雾器及氧化空气系统。
2台机组分别于2013年5月和2014年4月完成168 h试运行，试运期间SO2质量浓度为设计值，净烟气SO2质量浓度低于35 mg/m3，达到超低排放要求。
2串塔技术
串塔技术是将2座吸收塔串联运行．中间通过联络烟道连接。根据现场位置及现有吸收塔设计参数，改造方案有2种：(1)现有吸收塔作为一级吸收塔，新建二级吸收塔串联运行；(2)现有吸收塔作为二级吸收塔，新建一级吸收塔串联运行。串塔改造方案可以通过控制一、二级吸收塔的pH值实现分区控制，一级吸收塔低pH值运行，利于石膏氧化结晶，二级吸收塔高pH值运行，利于高效脱硫。一般一级吸收塔设计脱硫效率80%-90%．控制一级吸收塔出口SO2质量浓度500-700mg/m3；二级吸收塔设计脱硫效率93%-95%，通过两级吸收塔脱硫后，控制净烟气SO2排放质量浓度在35 mg/m3以下，达到超低排放要求。典型的串塔技术工艺流程如图4所示。
改造案例：山东某电厂300 MW机组采用湿式石灰石一石膏法烟气脱硫技术，1炉1塔配置，引风机和增压风机合并设置，无GGH．吸收塔为逆流喷淋空塔，设置4层喷淋层。改造前设计参数：煤质收到基硫分Sar为2.2%，吸收塔入口SO2质量浓度5 547 mg/m3，脱硫效率大于97%，出口SO2质量浓度小于166 mg/m3。为达到超低排放要求，电厂对现有装置进行了超低排放提效改造。改造后设计参数：入口与出口SO2质量浓度分别为5 750和32 mg/m3（干基，O2体积分数6%），脱硫效率达到了99.44%。改造方案本着充分利用旧有设备原则，将现有吸收塔作为一级吸收塔．新建1座吸收塔作为二级吸收塔。新建二级吸收塔直径12.5 m．高29 m，吸收塔内烟气流速3.5 m/s，设置3层喷淋层，层间距2m。新建二级吸收塔配套设置除雾器和氧化空气系统。
目前该脱硫增容改造工程已通过168 h试运投入运行，在人口SO2质量浓度5 000 mg/m3左右时，净烟气SO2排放质量浓度低于30 mg/m3，满足超低排放要求。
3改造方案对比分析
单塔单循环改造方案工艺成熟．主要改造手段为增加喷淋层，加大循环浆液量，或增设托盘持液层等强化气液接触传质，提高脱硫效率。然而，单塔单循环改造方案受现有吸收塔设计塔径、基础荷载等条件限制，对入口条件有要求．原则上建议吸收塔设计入口SO2质量浓度不超过3 500mg/m3时采用单塔单循环技术方案。
单塔双循环技术是在l座吸收塔内完成了2次脱硫，达到了双塔串联效果，其主要特点与双塔双循环类似。两级循环分别设有独立的循环浆池和喷淋层，根据不同的功能，每级循环具有不同运行参数，可以分别控制不同的pH值运行范围，可以满足不同工艺阶段对浆液性质的要求．更加精细地控制了工艺反应过程．因而可有效提高石膏品质和脱硫效率。然而，该改造方案对现场布置要求较高．二级循环浆液箱必须布置在吸收塔就近位置。
串塔技术是将2座吸收塔串联运行．工艺成熟，可以通过控制一、二级吸收塔的pH值实现分区控制，一级吸收塔低pH值运行，利于石膏氧化结晶，二级吸收塔高pH值运行，利于高效脱硫，对燃煤硫分有较高的适应性，适用于燃用中、高硫煤的机组改造。串塔方案是目前炯气SO2超低排放主流改造方案，其可充分利用现有设备，新建吸收塔可以异地建设，有利于控制改造工期，减少停机时间；2级吸收塔脱硫，增加了烟气停留时间，且pH值可分区控制，有效降低了总的液气比，因而可降低循环泵能耗，运行调节手段灵活，是目前烟气SO2超低排放主流改造方案。
4建议
根据实际工程案例及各改造方案工艺技术特点，综合考虑技术可行性、运行可靠性、投资经济性及改造工期等因素，对石灰石一石膏湿法脱硫装置S0，超低排放的原则性建议如下：
(1)考虑回转式GGH漏风率的影响，执行超低排放标准的脱硫装置不建议设置回转式GGH：原脱硫装置设置有回转式GGH的．建议予以取消，可以用无泄漏GGH替代，或进行湿烟囱防腐改造。
(2)原烟气SO2质量浓度长期稳定且小于3 500 mg/m3时，建议采用单塔单循环技术改造方案。
(3)原烟气SO2质量浓度长期稳定，且大于4 000 mg/m3时，建议采用单塔双循环技术或串塔技术改造方案。
5结语
由本文分析可知，火电厂采取相应改造措施，可使烟气中SO2超低排放。受原脱硫塔设计参数、基础荷载、现场空间位置等具体条件限制，具体项目实施时则需根据实际情况选择合适的设计煤种及边界条件，进行必要的技术经济分析，经详细论证、充分比选后方可确定改造方案。
6摘 要：
国家对环保要求日趋严格，部分大气污染防治重点控制区域省份及部分发电集团已启动火电厂烟气超低排放技术改造试点，要求主要污染物排放指标达到GB13223-2011《火电厂大气污染物排放标准》天然气燃气轮机组排放限值，其巾S02（标准状态）为35 mg/m3。根据目前脱硫技术发展现状，通过对燃煤火电机组石灰石一石膏湿法烟气脱硫装置s0，超低排放改造案例的分析研究，给出了不同方案的成功应用结果，对燃用不同硫分的燃煤机组提出了原则性的SO2超低排放改造方案和建议。
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