节省投资的利用水膜式除尘器文丘里凝聚器降低电厂锅炉SOx排放技术

1　引言
　　当今，我国的能源结构以煤为主，全国燃煤电厂的用煤量占煤炭总产量的30％以上，我国煤的一个重要特性是含硫量在1％以上的高硫煤占75％以上，全国20％以上发电厂燃用的煤是高硫煤，燃煤电厂锅炉的污染排放物是硫氧化物SOx（SO₂为主），氮氧化物NOx和粉尘。高硫煤燃烧生成大量SO₂， SO₂为大气污染的重要组份，危害人们的生产和生活。随着我国国民经济的持续、快速发展，煤的大量开发利用带来严重的环境污染。煤的洁净利用已成为世界范围内不容忽视的重要问题。政府对全国主要污染排放总量实行严格控制，对先行的电力行业之环保将提出更高要求，加强洁净煤发电技术的开发和应用势在必行。
　　为了改进生态环境，世界各国都对燃煤电厂锅炉的SO₂和NOx 排放制订了严格的限定。我国制定的SO₂现行排放标准是1200mg/Nm³，这和发达国家相比要求相差甚远，与发展中国家相比也是处于低水平的。宗旨是引导和促使目前运行的燃煤电厂，多数经过设备改进可以达标。锅炉烟气脱硫工艺多种多样，根据工艺流程的不同，它们的设备投资，运行费用，脱硫效率，适用规模各具特色，差异极大，国内炉内喷钙脱硫效率不高（Ca/S=2～3.5时，约为50％）；工业应用还存在一些技术问题。把尾部烟气用化学法吸收SO₂的尾部烟气脱硫，在发达国家已广泛应用，国内有关单位也作过一些试点论证，但其设备投资大，运行费用高，从我国当今国情看，恐还难以大范围推广应用。增设专用设备的湿法脱硫，效率高，可将SO₂放排降至200mg/Nm³以下，鉴于投资巨大，近期也难以普遍实施。本文介绍近年俄国全俄热工研究院（BTИ）和“俄罗斯统一电力系统”（PAO“EЭC POCИИ”)试验成利用简易的与现有锅炉工艺系统设备构件结合的省投资烟气脱硫法，使硫化物排放达标［1］。
　　省投资烟气脱硫法之一是利用应用广的水膜式除尘器文丘里凝聚器直接注碱液。它对季节性改烧高硫重油的电厂尤为合适。

2　利用水膜式除尘器文丘里凝聚器的烟气脱硫装置
　　该项技术在沙拉瓦特斯克热电厂的一台TП -230-2型煤粉炉上进行试验，额定负荷230t/h，过热汽压为Po=100kgf/cm²(9.80MPa);过热汽温t=510℃, 装用四台带竖直文丘里凝聚器的水膜式除尘器，文氏管喉部直径800mm；捕滴器直径3000mm，用管道水压力4.0kgf/cm²(0.39MPa)的稳定工艺用水作除尘器喷淋用水。当锅炉改烧高硫重油时，仍用原水膜除尘器除尘。
　　原除尘器以“开式”喷淋水运作，使用的反应剂烧碱（NaOH)不予变更也不重复利用，试验时用浓度为43％的NaOH水溶液通过喷咀混合槽直接输入喷淋水管内，不另配备制喷淋用碱液的容箱，以尽可能节省投资。反应剂的需用量由容积为4m³的流量计量箱径H-1000/10型定量泵打入混合槽，泵流量为1000l/h，压力10kgf/cm²(0.98MPa)。试验装置的系统简图示于图1。

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图1　把碱液输入文丘里凝聚器喷淋水内系统简图

1-文丘里凝聚器；2-捕滴器；3-喷淋喷咀;4-工艺水管道；5-反应剂与水的混合槽；6-输送反应剂的管道;7-定量输送泵;8－反应剂的流量计量箱

3　文丘里凝聚器的脱硫效果
　　在锅炉燃料烧硫份S^y＝2.92%的重油份额占50%时进行试验，油量根据锅炉热平衡及油枪雾化喷咀的流量特性计测。注入喷淋水的碱液量根据反应剂流量计测箱单位时间内液位变化计测。用德国“TESTO”公司制的“电化学”型便携式气体分析仪；英国“QUINTO”公司产的带快速烟气冷却器气体分析仪分析除尘器进、出口烟道断面的烟气成份。
　　计算脱硫效率时，考虑冷风漏入烟气和水在文氏管内蒸发引起气体成份稀释影响脱硫效率计算精度的误差，对试样作专门采集和处理。主要试验结果示于表1和图1。

表1　文丘里凝聚器喷淋碱液时的烟气脱硫主要试验结果

项　目　参　数	文丘里凝聚器的烟气脱硫效率
项　目　参　数	1	2	3	4	5
锅炉负荷，t/h	165	200	180	180	180
重油流量（硫份S^y=2.92%),t/h	6.14	7.43	7.05	7.05	7.05
40%的烧碱（NaOH)流量，l/h	40	326	330	651	450
喷淋水的碱性，毫克当量/升	31	252	256	504	348
脱硫烟气初始的SO₂浓度（折算为 α=1.4时），mg/m³	1760	1820	1880	1880	1880
SO₂重量，kg/h:
除尘器进口	359	434	423	423	423
除尘器出口	340	274	268	237	241
烟气脱效率η_SO₂	0.053	0.368	0.366	0.439	0.431

　　锅炉负荷在165t/h至200t/h范围内变动时，文氏管喉部烟速57m/s；单位喷淋水的喷淋强度0.07kg/Nm³～0.11kg/Nm³。烟气经水膜除尘器洗涤冷却引起温降，经文氏管后温降50℃～60℃，即随锅炉负荷的改变，烟温由160℃～180 ℃下降到106℃～125℃。根据锅炉热平衡计算，水在文氏管内的蒸发量为6.2t/h～8.1t/h，由于水蒸发使烟气体积扩大1.054～1.067倍。烧重油量份额占总燃料量的50％时，烟气脱硫前的SO₂浓度为1.76g/m～31.88g/m³（折算为过量空气系数α=1.4时），经文氏管后下降到1.0g/m³（折算为α=1.4），试验中喷淋水碱度从39毫克当量／升至500毫克当量/升范围内变动。
　　根据脱硫前、后SO₂重量改变并考虑冷风由沿程烟道漏入和水在文氏管内蒸发影响计算烟气脱硫效率。使用常规工艺纯水作文氏管的喷淋时，烟气脱硫效率仅3％～4％，用碱性30毫克当量/升的弱碱水喷淋，脱硫效率一般为5.2％，当碱性提高到250毫克当量/升至500毫克当量/升时，脱硫效率明显提高，达到36％～44％。试验表明：捕滴器内的水膜对烟气脱硫实际不起作用，因烟气和水液相互作用主要在文氏管内发生，故以后只作文氏管喷液对烟气脱硫作用试验。
　　分析试验结果得：对烟气起脱硫作用的关键是文氏管内“反应剂／二氧化硫”（NaOH/SO₂)重量比，kg/kg。
　　试验的脱硫效率η_SO₂与NaOH/SO₂,kg/kg关系曲线示于图2。图2所示的关系和以往巴什基电力股份公司（AO“Башкирэнерго”）与BTИ合作的装在诺沃斯捷里塔姆斯克热电厂使用同一反应剂在雾化碱吸收器工业试验性脱硫（“湿法”）装置上得到的试验结果一致。当NaOH/SO₂小于0.4时，文氏管的烟气脱硫效率和专门设置的吸收器脱硫效率相同。在高NaOH/SO₂值时，前者的脱硫效率不及后者。灰浆分析证实吸收器烟气脱硫效率达70％～87％。文氏管的脱硫效率低于吸收器原因在于文氏管喉部烟速极高并且烟气与水在此相触的时间过短所致。该项脱硫技术虽达不到高效，然而，在工业条件下能达到中等脱硫水平还是有实用价值的,而且在多数情况下富有成效。尤其是对于季节性改烧高硫重油的电厂。它具有投资省、设备简单，可用标准设备配套，运行维护便易，适用性强等优点。脱硫系统投、停延续时间只需15～20分钟。

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图2　脱硫效率η_SO₂与
“反应剂／二氧化硫”重量比关系曲线
1-文丘里凝聚器喷注碱液（沙拉瓦特斯克热电厂）；
2－工业试验性雾化碱液吸收器（诺沃斯捷里塔姆斯克热电厂）

　　水膜除尘器以“开式”系统运行工况进行烟气脱硫会影响电厂排污水品质。根据灰浆化学分析：灰浆内的硫份达83％，主要成份为硫酸盐类，试验除尘器的灰浆硫酸盐浓度超过污水允许排放标准九倍之多。然而，和电厂的其它排水相混后，该厂实际排向堆灰池的污水硫酸盐浓度只增大1.5倍而未超标。文氏管以“开式”系统运作能稳定脱硫，但喷淋碱液不作重复使用从保护生态环境和节约高价反应剂（烧碱、苏打）经济观点看还有待改进。

4　结语
4.1　省投资的简易碱液输送系统所构成的烟气脱硫技术，试验证明：以 “反应剂／二氧化硫” （NaOH / SO₂) 重量比为 0.5～0.6 喷注碱液，文氏管能脱除烟气中的SO₂达 40％。
4.2　在现有水膜除尘器运行工况（文氏管喉部烟速60m/s～70m/s，单位喷淋水强度0.11kg/m³)，把（NaOH/SO₂)提高到0.6以上，对提高脱硫效率作用不大，反而会降低反应剂的利用率。
4.3　利用水膜除尘器文丘里凝聚器（文氏管）进行烟气脱硫，投资省，运行维护简便，适用性强。

作者简介：黄少鹗，福建省电力试验研究院教授级高级工程师，中国电机工程学会高级会员。

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