近年來，我國霧霾天氣頻發(fā)，對公眾健康和生活造成了嚴重影響，國家和地方政府為此加大火電廠污染物排放濃度的控制力度，提出了一系列史上嚴格的排放標準，要求燃煤電廠實現(xiàn)煙氣污染物“超低排放”。
2011年7月，發(fā)布的《火電廠大氣污染物排放標準》，要求現(xiàn)役機組自2014年7月1日必須達到新的排放限值。該標準進一步降低了燃煤發(fā)電廠煙塵排放限值，提出了重點地區(qū)的排放標準，其中要求重點地區(qū)煙塵≤20mg/Nm3、SO2≤50mg/Nm3、NOx≤100mg/Nm3。新的排放標準出臺后，各地也出臺了相應(yīng)的政策，并加大技改投入。
2013年12月，《浙江省大氣污染防治行動計劃(2013年-2017年)》要求60萬千瓦以上火電機組達到燃氣機組排放標準，即煙塵≤5mg/Nm3、SO2≤35mg/Nm3、NOx≤50mg/Nm3。2014年2月，《廣州市燃煤電廠“超潔凈排放”改造工作方案》也要求廣州市燃煤電廠實現(xiàn)燃氣排放標準。
2014年9月，國家環(huán)保部為降低燃煤發(fā)電機組污染物排放量，聯(lián)合發(fā)改委、國家能源局下發(fā)了關(guān)于印發(fā)《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014-2020年)》的通知，文件要求到2020年，現(xiàn)役60萬千瓦及以上燃煤機組、東部地區(qū)30萬千瓦及以上公用燃煤發(fā)電機組、10萬千瓦級以上自備燃煤發(fā)電機組及其他有條件的燃煤發(fā)電機組，改造后大氣污染物排放濃度基本達到或接近燃氣輪機組排放限值，煙塵≤10mg/Nm3，SO2≤35mg/Nm3、NOx≤50mg/Nm3。
超低排放兩技術(shù)路線對比
燃煤電廠煙氣污染物“超低排放”主要涉及煙塵、SO2和NOx的排放，其現(xiàn)階段的難點是如何實現(xiàn)高效除塵。針對燃煤電廠排放污染物中粉塵濃度小于5mg/Nm3標準，目前國內(nèi)產(chǎn)生了兩種具有代表性的技術(shù)路線。一種是煙氣末端治理技術(shù)路線，即采用濕式電除塵器技術(shù);另一種則是煙氣協(xié)同治理技術(shù)路線。
煙氣末端治理技術(shù)路線以濕式電除塵器技術(shù)為核心，即在現(xiàn)有的常規(guī)煙氣治理技術(shù)的末端增加濕式電除塵器，以達到超低粉塵排放的控制。該技術(shù)實施內(nèi)容單一，但存在初期投資費用高、運行維護費用高以及長期運行易造成設(shè)備腐蝕、沖洗液二次污染等問題。
煙氣協(xié)同治理技術(shù)是將煙氣中原來各自獨立的脫除凈化系統(tǒng)相融合，在單一系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)多種污染物的脫除，以及實現(xiàn)單一污染物在多個系統(tǒng)同時脫除。典型的技術(shù)路線為：煙氣脫硝(SCR)+煙氣冷卻器(FGC)+低低溫電除塵(ESP)+高效除塵的濕法脫硫裝置(WFGD)。
現(xiàn)有技術(shù)忽視各設(shè)備對污染物的協(xié)同脫除
我國早在90年代就引進了濕法脫硫技術(shù)，通過多年消化吸收，已全面掌握，與國外先進技術(shù)相比沒有本質(zhì)上的差異，沒能做到高效除塵，實現(xiàn)超低排放，其關(guān)鍵在于理念上的差異，忽視了系統(tǒng)中各設(shè)備對污染物的協(xié)同脫除作用。
脫硫塔除塵性能：
濕法脫硫裝置主要功能為脫除煙氣中的二氧化硫，同時兼有脫除煙塵和其它污染物的作用，但國內(nèi)的脫硫裝置在設(shè)計時往往忽視了脫硫塔的協(xié)同除塵能力。國家權(quán)威機構(gòu)結(jié)合大多數(shù)脫硫裝置，包括空塔、托盤塔得出的經(jīng)驗值，認為濕法脫硫的除塵效率僅為50%左右，該觀念廣泛地被環(huán)保企業(yè)和燃煤電廠所接受。
產(chǎn)生這種觀念的主要原因在于：
一方面，原有環(huán)保標準尚不能促使企業(yè)關(guān)注濕法脫硫的脫硫效率之外的除塵效率，即采用常規(guī)的濕法脫硫系統(tǒng)就能滿足現(xiàn)有的二氧化硫和煙塵的排放限值;
另一方面，濕法脫硫的除塵機理復(fù)雜尚無成熟理論可循，攜帶煙塵的煙氣進入吸收塔后，與噴淋層噴出的漿液發(fā)生一些列復(fù)雜的碰撞、攔截等物理過程，鮮有成熟的機理研究案例和工業(yè)示范應(yīng)用為濕法脫硫的除塵效率提供明確的理論依據(jù)。
石膏雨：
“石膏雨”是指由于脫硫存在系統(tǒng)問題，導(dǎo)致脫硫后煙氣在排放過程中“落雨”，并攜帶石膏的現(xiàn)象。“石膏雨”頻發(fā)的原因在于石灰石/石膏濕法脫硫工藝中，經(jīng)過噴淋層漿液洗滌后的煙氣會攜帶大量細小的液滴到達除霧器，這些液滴中包含著固形物或可溶物，主要是石灰石漿液吸收SO2后的生成物、過剩的脫硫劑以及未被捕集的粉塵。如果煙氣在除霧器處的流速超過設(shè)計值，除霧性能將大大降低，甚至失效，除霧器也會在高速的煙氣下發(fā)生二次攜帶現(xiàn)象，大量的石膏漿液將會隨煙氣被帶入煙囪，出現(xiàn)“石膏雨”現(xiàn)象。
“石膏雨”的產(chǎn)生主要與脫硫系統(tǒng)的設(shè)計及操作、維護有關(guān)。以除霧器為例，當吸收塔設(shè)計不恰當、除霧器選型不合適時，會引起煙囪周圍會降落大量的石膏雨，其對煙塵的貢獻值可高達20mg/Nm3[2]。
系統(tǒng)偏流影響：
濕法脫硫系統(tǒng)的煙氣偏流是導(dǎo)致粉塵排放濃度高的重要因素之一。
一方面，由于我國燃煤電廠污染物治理起步較晚，在燃煤電廠建設(shè)中未給污染治理設(shè)備預(yù)留充足的空間，導(dǎo)致新建或改造的濕法脫硫設(shè)備煙道布置不合理，煙道布置難以滿足流場設(shè)計基本要求，煙氣經(jīng)過煙道進入吸收塔前偏流嚴重。
另一方面，濕法脫硫裝置普遍采用單側(cè)入口進氣方式，該方式會造成煙氣沿塔截面的流場不均，在入口對側(cè)形成高速煙氣流場，致使煙氣到達首層噴淋層入口處流場分布偏流嚴重：遠離吸收塔入口區(qū)域的液氣比較低，而靠近吸收塔入口區(qū)域的液氣比較高，這是引起近塔壁煙氣逃逸，脫除效率偏離設(shè)計值的原因之一。超低排放對SO2、塵等主要污染物的排放濃度要求極低，煙氣偏流的影響更是不可忽視。
高效脫硫除塵托盤塔技術(shù)助力超低排放
煙氣進入吸收塔后，依次通過托盤、噴淋層及除霧器。噴嘴噴出的漿液由塔上部噴入落到托盤上，與煙氣接觸，部分SO2、粉塵和其它污染物被托盤篩孔流下來的液滴所捕獲，或由于氣流在改變方向時的慣性力作用，部分較粗的塵粒沉降到塔的底部被底部液膜捕集;而大部分SO2、微細粉塵與煙氣一起通過小孔進入托盤上部的液膜層，煙氣高速進入液膜層激起大量的液泡，形成的液膜能有效增大煙氣與漿液的傳質(zhì)表面積，煙氣在慣性、擴散作用的同時又不斷地受到液泡的擾動，而改變方向，增加了SO2、粉塵與液體的接觸機會，氣體得到良好凈化。
脫硫效率：
托盤上的液膜增加了煙氣在吸收塔中的停留時間，氣液得到充分接觸，從而提高脫硫效率，有效降低液氣比，降低循環(huán)漿液泵的流量和功耗。另一方面，石灰石的溶解速率與漿液內(nèi)水合氫離子的濃度[H+]成正比，而托盤上漿液的pH比反應(yīng)池漿液的pH低，這可以大大加速石灰石的溶解，從而提高脫硫效率。例如：如果反應(yīng)池內(nèi)的pH為5.5，那么托盤上漿液的pH將約為4.0，pH為4.0條件下石灰石的溶解速率是pH為5.5條件下的30倍以上。
除塵效率：
脫硫塔入口煙氣中粉塵粒徑的大小直接影響脫硫塔的除塵效率，而對細小顆粒的捕集效率是體現(xiàn)脫硫塔除塵性能的關(guān)鍵。
圖1為空塔對煙塵粒徑的分級去除效率，由圖可知：空塔噴淋對于1～2.5μm粉塵的脫除，分級除塵效率較小，粉塵去除效率變化不明顯;對于3～5μm的粉塵，分級除塵效率較大，粉塵去除效率變化明顯;對于大于5μm的粉塵，分級除塵效率區(qū)趨于穩(wěn)定接近100%。
圖2為托盤對煙塵粒徑的分級去除效率，由圖可知：托盤對不小于2μm的粉塵具有較高的捕集效率，對于0.1～1μm的粉塵，有10%～30%的捕集效率;對于1～2μm的粉塵，有30%～40%的捕集效率。由此可見，托盤塔對PM2.5的粉塵具有較為顯著的脫除性能優(yōu)勢，其總除塵效率也遠高于空塔。
流場均布效果：
托盤還能提供良好均布煙氣的效果，圖3左側(cè)圖片為空塔中煙氣進入吸收塔后達到噴淋層時的流場分布圖，可以發(fā)現(xiàn)偏流很嚴重;圖3右側(cè)圖片為托盤塔中煙氣進入吸收塔后達到噴淋層時的流場分布圖，煙氣經(jīng)過托盤后得到了強制均布，能較好的與噴淋層漿液分布匹配。
雙頭噴嘴技術(shù)對除塵效率的影響
噴嘴噴出的液滴直徑越小，霧滴與粉塵接觸的可能性越大，除塵效率越高。因此，采用霧滴直徑小的噴嘴，有利于提高除塵效率。提高噴嘴壓力，霧滴直徑減小，但運行能耗增大。如果采用雙頭噴嘴，同等能耗下，就能獲得更小的霧滴直徑。
雙頭噴嘴是一個噴嘴有兩個出口，兩個出口噴出來的噴霧方向是相反的。噴嘴外形如下：
相對傳統(tǒng)噴嘴，采用雙頭噴嘴不僅可以提高單個噴嘴的霧化效果，可以明顯獲得密集的二次霧化效果，煙氣均勻分布、最佳的脫硫吸收效率，從而實現(xiàn)提高脫硫效率的同時節(jié)省漿液循環(huán)量，減少噴淋層數(shù)量，節(jié)能降耗的目的。
同時，雙噴噴嘴(雙向或同向)與其它標準噴嘴的最大區(qū)別是兩個噴射錐體的切向旋轉(zhuǎn)方向相反，不同的旋向不僅使相鄰的錐體碰撞速度提高，確保了二次霧化的效果，更主要的是避免了塔內(nèi)煙氣同向旋轉(zhuǎn)后煙氣富集在塔壁的分布不均問題。
防泄漏技術(shù)
相對于中部噴嘴覆蓋密度，吸收塔周邊噴嘴覆蓋密度要小，導(dǎo)致塔周邊阻力小，煙氣大量從周邊上升，煙氣和漿液分布不均，脫硫和除塵效率下降。高效脫硫除塵托盤塔技術(shù)，在塔周邊采用實心錐噴嘴，漿液能更好的覆蓋吸收塔壁部分，有效將煙氣驅(qū)趕至塔中部，增加煙氣與霧滴的接觸，提高脫硫和除塵效率。
高效脫硫除塵托盤塔技術(shù)還在噴淋層之間增設(shè)氣液傳質(zhì)增效環(huán)，將靠近塔壁的煙氣驅(qū)趕到吸收塔中間區(qū)域，使各個區(qū)域的液氣比盡可能接近平均液氣比，徹底解決邊壁效應(yīng)，從而增加煙氣與液滴的接觸，提高脫硫和除塵效率。
高效脫硫除塵托盤塔技術(shù)采用高性能屋脊式除霧器，確保液滴攜帶量不大于20mg/Nm3，其結(jié)構(gòu)示意圖見圖6、7。
技術(shù)應(yīng)用效果明顯
可見，煙氣協(xié)同治理技術(shù)將煙氣中原來各自獨立的脫除凈化系統(tǒng)相融合，實現(xiàn)了單一系統(tǒng)內(nèi)實現(xiàn)多種污染物的脫除，以及實現(xiàn)單一污染物在多個系統(tǒng)同時脫除，末端高效除塵的濕法脫硫起著關(guān)鍵控制作用;對于高效脫硫除塵托盤塔技術(shù)，托盤上的液膜增加了煙氣在吸收塔中的停留時間，大大提高脫硫效率，有效降低液氣比，降低循環(huán)漿液泵的流量和功耗。
同時托盤對PM2.5的粉塵具有較為顯著的脫除性能優(yōu)勢，其總除塵效率也遠高于空塔;高效脫硫除塵托盤塔技術(shù)在長興電廠、玉環(huán)電廠的實際應(yīng)用結(jié)果顯示：排放煙氣中SO2濃度≤20mg/Nm3，煙塵濃度≤3mg/Nm3，表明該技術(shù)在超低排放上取得了突破，實現(xiàn)了燃煤機組“超低排放”。
