单塔协同超净脱硫除尘技术的研究与应用

在实现燃煤电厂烟气中的粉尘和SO2超低排放和超超低排放的技术中，单塔协同超净脱硫除尘技术是一种成功研发、应用并有推广前景的技术。介绍了上海龙净环保公司研发和应用推广的本项技术原理、技术工艺和技术创新以及工程应用。本技术具有自主知识产权和良好的工程应用效果，具有协同、高效、超低和超超低排放净化效果、经济、节能、节地、节水、废水零排放、深度环保和不产生二次污染的技术优点，并可向更新和宽谱的技术方向发展延伸，是实现燃煤烟气超低和超超低排放的有效利器，具有重要的应用推广价值。

在“十三五”时期，燃煤电厂开展烟气的超低脱硫除尘工程建设，成为企业开展清洁生产的必然需求，也是在电力行业实现可持续发展和建设生态文明社会的重要方面。在近年的工程技术发展中，有几种工艺路线实现了超低排放和协同治理的需求[1-3]，其中，单塔协同超净脱硫除尘技术取得了瞩目的成就，在技术研发、工艺路线、工程应用和治理效果方面走在了前列[3]，成为本领域内的技术主流和发展方向。上海龙净环保研发和应用推广的单塔协同超净脱硫除尘技术，技术先进，节省投资和运行费用，节能节地节水，治理效果优异，成为引领我国大气环境脱硫除尘领域发展的新标杆。

1技术原理

燃煤电厂的烟气中含有颗粒物、SO2、NOx和汞等多种污染物，通过协同净化的单塔脱除，是一种节能、节地和经济的治理方法。烟气经过单塔结构的湿式协同超净塔，主要通过吸收、化学反应和惯性拦截的协同作用脱除多种污染物，实现硫尘汞协同脱除。烟气中的SO2通过溶于水与钙基吸收剂反应，并在两个不同的PH区域实现吸收和氧化，顺利氧化使化学平衡持续向右移动，反应持续推进，在优化的流场、喷嘴布置、高覆盖率等的多重因素下[3-7]，实现了脱硫效率99.7%以上的高效脱硫。在烟气经过脱硫塔时，烟气中的粉尘会部分被吸收液洗涤脱除，烟气中的二价汞也被吸收液吸收脱除一部分。为了进一步脱除烟气中的粉尘，在传统的脱硫塔除雾器上方布机械除雾器或湿式电除尘器或者直接改造原除雾器为管式和屋脊式的组合，并在超净协同塔入口和出口设置新型构件提高效率，采用这几种方法的一种实现单塔协同，进一步脱除粉尘浓度到5mg/Nm3以下，甚至达到粉尘浓度到1mg/Nm3以下，单塔内实现协同脱硫除尘的超低排放。

2技术工艺与创新

单塔协同超净脱硫除尘技术主要采用一个高效协同超净塔为核心设备[3-15]，连接多个辅助设备和管路的工艺，以石灰石/石灰-石膏法（钙基）脱硫、组合式机械除雾器或湿式电除尘器[10,14,16]进行内（顶）置式单塔协同，作为研发的新技术工艺，实现燃煤火电机组的硫尘超低排放。

2.1技术工艺

在研发和成果转化及工程应用中，形成了两种典型的工艺：“203”单塔协同超低脱硫除尘技术工艺和超超低单塔协同脱硫除尘技术工艺，分别如图1和图2所示。

203超低技术与超超低技术，主要区别在于第三区是采用组合式高效机械除雾器还是湿式电除尘器，并因此达到不同的脱除效果。在脱硫塔顶部不采用湿式电除尘器的情况下，只采用脱硫塔与高效机械除雾器，能实现超低排放，形成“203”超低脱硫除尘技术；即实现SO2排放浓度≤35mg/Nm3、脱硫效率≥99.5%，粉尘入口含量≤20mg/Nm3，保证出口≤3mg/Nm3。在加装顶置式湿式电除尘器的情况下，可以形成超超低单塔协同脱硫除尘技术，并且能协同脱除SO3和汞，实现更清洁的烟气排放。

2.2技术创新

本技术在研发和成果转化过程中，开展了多项技术创新，取得了多项发明专利授权和科技成果，并在不同的阶段和组合中形成了具有自主知识产权的技术。组合集成的脱硫除尘协同超净塔具有“单塔三区”的技术特色，是在“单塔双区”高效脱硫技术[3-7]、组合式机械除雾技术、高效垂直流湿式电除尘器技术[10,14,16]、多孔分布板技术、流场均布优化技术[5]、提效环技术[4,13]、高效氧化技术、高效水循环零补水技术[9]和脱硫废水零排放[11]技术的基础上集成实现的，具有协同、高效、超低排放、节能、节水、节地、深度环保和不产生二次污染的技术优点。在以上主要创新的基础上，上海龙净协同超净塔技术还向湿法协同脱硫、脱硝、除尘、脱汞的方向[7-8]延伸、干法集成净化[17-20]和脱硫废水零排放[11]技术方向延伸，并取得了理论和技术工艺突破。

其中，“单塔双区”高效脱硫技术、关键内构件、组合式机械除雾器技术[21]、垂直流湿式电除尘器技术[10,14,16,22]、流场优化技术和“单塔三区“技术[13-15,22]是本集成技术的关键组成部分。

2.2.1单塔双区技术

单塔双区技术[3-4,22]是利用研发新型内构件把吸收塔的浆池区分成两个不同PH值范围的区域，以在适宜的PH范围内促进SO2的吸收和亚硫酸及亚硫酸盐的氧化，如图3所示。

从图3可以看出，在不同的PH区的浆液池内还与氧化、反应物外排等功能的装置构件连接，并且在PH高值区还布置射流管架，实现浆液混合和促进亚硫酸盐的氧化，提高脱硫效率。本技术的“单塔双区”模块具有高效率、低阻、节地和易维护等多种优点，是单塔协同超净脱硫除尘技术的核心组成部分。

2.2.2关键内构件

在脱硫塔内，采用提效环[4,6,13]、高效组合式机械除雾器[21]和多孔分布板结构，提高了烟气中污染物的脱除效率，并优化了脱硫塔内的流场结构。其中，一种提效环的构件如图4所示。

在协同超净塔内，还在塔的烟气入口处设置了喷雾内构件，组成入口喷雾系统，通过喷雾增加湿度，并利用蒸汽相变技术，促进微细颗粒的凝并长大，提高塔内除尘效率。在塔出口有时也可设置蒸汽相变强化结构[15,21]，提高颗粒物的脱除效率，实现超超低脱硫除尘。在塔内有效设置喷淋层数，加大喷淋覆盖率，设置实心锥喷嘴或其它适合的喷嘴，合理设置射流搅拌结构，也会提高脱硫除尘效率。

2.2.3组合式机械除雾器

高效除雾（尘）器的设置是实现硫尘协同脱除，塔出口粉尘超低和超超低排放的重要措施。其中，组合式机械除雾器是高效除雾器的一种，可以是两个或多个屋脊式除雾器组合，两层管式除雾器组合，屋脊式除雾器与管式除雾器组合，或者旋流式以及离心式除雾器的组合。图5列出了高效除雾器的示意图和图片。

在工程实践中，可在高效除雾器中采用带孔钩型式叶片，变间距设计，非象限布置；设置成圆弧模块布置，提高覆盖率；采用变径喷淋冲洗水管。通过协同脱硫除尘超净塔内的高效除雾器设置，实现除雾器出口液滴含量≤20mg/Nm3或更低的指标，在不加装湿式电除尘器的工况下，实现出口粉尘的超低甚至超超低排放。

2.2.4垂直流湿式电除尘技术

经过研发，成功开发了垂直流湿式电除尘器技术[10,14,16,22]，并在后续与高效脱硫塔耦合在一个协同塔内，形成超超低协同脱硫除尘技术。本技术采用板线式、金属材质、间歇冲洗与连续喷雾、导流阻流耦合、螺栓连接和顶置式等关键技术，具有自主知识产权，具有良好的性能。

本技术经过了实验室小试、模型试验、工业示范装置和工业推广应用的过程，已成功实现了成果转化和工业应用。本技术的模试平台如图2所示。在模型试验中，在入口粉尘浓度279.5mg/Nm3的工况下，实现了出口粉尘排放浓度小于5mg/Nm3的指标。

经过研究，开发了顶置式湿式电除尘耦合脱硫塔的结构，并设计了方圆节过度；采用了2205高强度双相不锈钢合金作为阳极和阴极，如图7所示。所用的阳极板和阴极线金属材质导电性能良好，不易变形，收尘与放电性能优良，耐腐蚀，运行寿命长。

研究开发的垂直流湿式电除尘器,具有高通量、强耦合、多区域和超净化的特点，并可顶置布置在高效脱硫塔顶部，形成超超低净化效果的协同超净单一塔。目前，上海龙净研发的垂直流湿式静电除尘器已与高效脱硫塔耦合协同运行，在多个项目中应用，实现了燃煤烟气的超低排放和超超低排放。

2.2.5流场优化技术

超低脱硫除尘协同超净塔经过内构件的导流、均流和出口设置[4-6,13,21]，实现了流场的均匀和优化，为气液有效接触和反应传质提供了有利的条件，大幅提高了脱硫除尘效率，有效的实现了烟气净化的超低和超超低排放。图8列出了协同超净塔内的流场经过内构件优化前后的对比效果，分析发现，加装内构件后的流场明显得到了优化，流场在塔内主体区更加均匀。图9列出了超净协同塔内通过内构件优化后的流场。从图9可以看出，通过布置内构件和均布、导流装置，在超净塔内的烟气流场得以均匀和优化，为气液接触和传质反应提供了良好的条件。通过模拟，发现一般情况下烟气顶出时塔内的流场效果好，如果设置为烟气侧出，一般需要设置导流内构件，以优化流场。

对垂直流湿式静电除尘器，通过CFD数值模拟，得到了湿式电除尘器内优化后的流场，如图10所示。这反映了通过设置导流和阻流等内构件，使流场均布，提高除尘效率，并利于湿电与脱硫塔的耦合。通过图10还可以看到，通过在垂直流湿式电除尘器内设置导流板、阻流板和烟气均布板，减少了漏风率，提高了流场均布效果。

2.2.6单塔三区技术

将组合式机械除雾器或垂直流湿式电除尘器置于脱硫塔上部，开发了单塔三区技术[13-14,22]，实现了对燃煤烟气的超低净化或超超低净化。由于前面已介绍了组合式高效机械除雾器，本节主要介绍顶置式垂直流湿式静电除尘器与脱硫塔耦合形成的三区协同超净塔（单塔三区技术）。在研发过程中，开发了圆形截面与矩形截面的两种湿式静电除尘器，并在与脱硫塔耦合时呈现出不同的特点和优势。圆形截面与矩形截面的垂直流湿电顶置在脱硫塔上，所形成的单塔三区技术的协同塔如图11所示。

圆形截面的垂直流湿电顶置于脱硫塔时，湿电的圆心与脱硫塔的圆心（几何中心）高度重合，两者连接之处采用变径段（扩径段），在力学和结构上高度对称；但是，由于内部圆弧和圆内不同的弦处布置收尘集与放电极时考虑安全距离以及收尘性能，这种圆形结构的湿电给内部安装带来了一定复杂性，需要宏观尺度上多种规格的构件拼接。上海龙净环保在大型燃煤火电机组上率先实现了具有自主知识产权专利产品的顶置式圆形截面垂直流湿电与双区脱硫塔的耦合，并取得了硫尘超低排放的效果，成为我国电力环保超低排放领域精美的标杆式杰作，反映了上龙领先的创新、高超的技术、精湛的安装与卓越的协同能力。

矩形截面的垂直流湿式静电除尘器，可以顶置在脱硫塔上部，也可以与脱硫塔分体布置。为节省占地面积，并实现单一塔内的烟气协同超超低排放效果，矩形截面的垂直流湿电通过方圆节连接，顶置在双区脱硫塔顶，并主要以正方形截面的结构布置。正方形截面的湿电虽然在支撑补强和方圆节连接方面增加了局部复杂度，但是却在内部极配构件的布置时规格统一，易于制作和安装，在工程中得到了更多的应用。目前，顶置式矩形截面的湿电与双区脱硫塔耦合的单塔三区超净塔也已投运，并取得了良好的超超低排放效果。

3工程应用

单塔协同超净脱硫除尘技术在燃煤电厂得到了较为广泛的应用，取得了超低排放和超超低排放的效果。目前，上海龙净环保公司开发的本项技术，实现了在单塔协同净化中，脱硫效率大于99.76%，出口SO2浓度低于10mg/Nm3，出口粉尘浓度低于2mg/Nm3，引领了单塔协同脱硫除尘超低技术和超超低技术的发展。

图12列出了上海龙净开发的单塔协同超净脱硫除尘技术在燃煤电厂超低排放中的典型应用。表1列出了单塔协同超净脱硫除尘技术的典型工程应用项目与净化效果。通过表1

可以看到，本技术在单塔内协同脱硫除尘的效果显著，成功实现了火电机组和燃煤锅炉的燃煤烟气中高效协同脱除SO2和粉尘，实现了燃煤烟气中污染物的超低排放，甚至超超低排放。本技术已在数十家燃煤火电机组的超低和超超低排放改造的工程中得到应用，并将在更广的范围内获得推广，为我国燃煤火电行业的清洁化、洁净煤技术和大气污染治理做出更多贡献。

4结论：

单塔协同超净脱硫除尘技术是实现燃煤烟气高效脱硫除尘、超低排放和超超低排放的有效技术。本技术通过在“单塔双区”高效脱硫技术的基础上，将高效脱硫塔与组合式机械除雾器（高效除雾器）或垂直流湿式电除尘器耦合在一起，并通过设置或优化多种内构件，包括多孔性分布板、高效喷嘴、提效环、导流板，并优化喷淋密度和喷淋层，形成具有自主知识产权的硫尘协同超净塔技术。本技术由上海龙净环保公司研究开发，成功实现了成果转化，并在多个工业项目中得到了应用，效果良好，实现了火电厂燃煤烟气脱硫除尘的超超低排放和工业燃煤锅炉烟气脱硫除尘的超低排放，具有优良的性能和广阔的应用前景。

编辑：张伟