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[摘 要]山西大唐国际云冈热电有限责任公司对环保工作一直非常重视，特别是SO2、NOx、烟尘的污染问题，主机同时配置建设脱硫、脱硝和除尘装置。为了更好的积极履行和承担社会责任，拓展燃煤机组发展的新空间，推进燃煤发电的产业升级，云冈热电公司积极响应“燃煤机组烟气超洁净排放”要求，对一期2x220MW机组，二期2x300MW机组脱硫、脱硝和除尘系统进行升级改造，使燃煤电厂烟气主要污染物的排放水平达到天然气燃气轮机组的排放标准。改造后烟气污染物排放浓度达到现有燃用天然气机组的排放标准。本文主要介绍了单塔一体化技术在云冈热电公司的应用推广，为其他相同类型机组的超低排放改造提供了宝贵经验。
[关键词]超低排放 单塔一体化
中图分类号：TM75 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）28-0144-02
前言
1.项目实施背景及国内现状
我国的环保标准高，尤其在电力行业对主要污染物SO2、NOX的控制指标已是全世界最严格的标准，同时对其他污染物，比如尘污染的控制指标也日趋严格。最近環保部门也多次强调对尘污染的控制，其中一项就是火电厂湿法脱硫净烟气夹带石膏造成“石膏雨”污染的问题。由于我国在国标制定中并未区分“石膏雨”和“粉煤灰尘”，因此目前均以“尘”计量，因此湿法脱硫净烟气的尘污染控制目前常规的除雾器、除尘器就无法进行有效的控制了。
国内最近应用的部分高效除雾器利用差异化布置、优化气态分布等措施已经简单消除石膏雨现象，但除雾器仅对15μm以上的较大液滴有较好的去除效果，因此并不能用于尘的控制。目前常规的除尘控制策略为除雾器+湿式电除尘器技术方案，此方案可将尘污染控制在5mg/Nm3以下，但设备沉重、巨大，且造价高，运行费用较高，尤其是对于改造项目的尘控制改造，采用此方案时除了设备成本外，还需要增加大量的土建、设备加固，运行阻力增加等附加成本，经济性不佳。
2.单塔一体化技术原理
单塔一体化技术是清新环境自主研发的集高效旋汇耦合脱硫装置、高效节能喷淋技术、管束式除尘装置为一体的烟气超净脱除技术。
单塔一体化技术原理是基于旋流和汇流形成湍流的多相紊流掺混的强传质吸收机理，通过特制的旋汇耦合装置产生气液旋转翻覆湍流空间，气液固三相充分接触，迅速完成传质和吸收过程，从而达到气体净化的目的。
2.1 旋汇耦合技术的理论依据
吸收传质过程可分三个步骤：溶质由气相主体扩散到气液两相界面、穿过相界面、由液相界面扩散到液相主体，见图1。
旋汇耦合装置的气液固产生的旋转翻腾状态使气相的平衡分压增大，促进反应介质向液膜溶解，二氧化硫一旦到达界面，就在界面与液体反应达到平衡，快速完成吸收反应，在液相中某一点化学反应达到了平衡状态，但由于反应是可逆的，界面必有平衡分压，在界面由于有大量的反应发生，其液相吸收剂的活性组分浓度相应减少，而反应物浓度相应增加。因此，界面二氧化硫的平衡分压必较液流主体要高一些，推动气相二氧化硫组分介质不断溶入液膜并在相界面处迅速完成反应且使反应物向液流主体扩散并持续推动反应进行。
取单位面积的微元液膜进行考察，其离界面深度为x，微元液膜厚度为dx，（见下图）。
从界面情况来分析，被吸收组分二氧化硫一达界面，一部分立即被反应成平衡状态，在界面上，由于活性组分碳酸钙浓度较低，而产物亚硫酸钙浓度较高，因此界面处二氧化硫组分必向平衡分压较低的液流主体方向扩散，同时，界面上已经反应了的二氧化硫组分将以生成物亚硫酸钙的形式向液体主体扩散，而未反应的二氧化硫则以溶解态的二氧化硫继续向液体主体方向扩散，二氧化硫的吸收速率等于已反应了的二氧化硫组分与未反应的二氧化硫组分向液膜扩散速度之和，因此增加气液湍流状态，增加搅动强度，则会大大提高吸收速率。
2.2 旋汇耦合技术的关键部件——旋汇耦合脱硫装置
工作原理：旋汇耦合脱硫装置基于多相紊流掺混的强传质机理，利用气体动力学原理，通过特制的旋汇耦合装置产生气液旋转翻腾的湍流空间，气液固三相充分接触，大大降低了气液膜传质阻力，大大提高传质速率，迅速完成传质过程，从而达到提高脫硫效率的目的，该技术与同类脱硫技术相比，除具有空塔喷淋的防堵、维修简单等优点外，由于增加了气体的漩流速度，还具有脱硫效率高和除尘效率高的优点。
2.3 旋汇耦合技术的关键部件——管束式除尘装置
管束式除尘装置是在旋汇耦合装置的基础上，对旋汇耦合理论进行深入研究，并结合旋风除尘装置离心分离理论研制而成的高效旋汇除尘装置。主要由管束筒体 、增速器 、分离器 、汇流环 、导流环等结构组成，装置适用于含有大量液滴的～50℃饱和净烟气的微小颗粒的脱除。大量的细小液滴与颗粒在高速运动条件下碰撞机率大幅增加，易于凝聚、聚集成为大颗粒，从而实现从气相的分离。
管束式除尘装置实现了大液滴和液膜的捕悉。除尘装置筒壁面的液膜会捕悉接触到其表面的细小液滴，尤其是在增速器和分离器叶片的表面的过厚液膜，会在高速气流的作用下发生“散水”现象，大量的大液滴从叶片表面被抛洒出来，在叶片上部形成了大液滴组成的液滴层，穿过液滴层的细小液滴被捕悉，大液滴变大后跌落回叶片表面，重新变成大液滴，实现对细小雾滴的捕悉。湮灭过程中颗粒物与旋转的液膜层相对运动速度较少，液膜层又有效的避免了细小雾滴和颗粒物直接撞击筒壁形成更细小的二次雾滴或颗粒物。
经过加速器加速后的气流高速旋转向上运动，气流中的细小雾滴、尘颗粒在离心力作用下与气体分离，向筒体表面方向运动。而高速旋转运动的气流迫使被截留的液滴在筒体壁面形成一个旋转运动的液膜层。从气体分离的细小雾滴、微尘颗粒在与液膜层接触后被捕悉，实现细小雾滴与微尘颗粒从烟气中的脱除。 气体旋转流速越大，离心分离效果越佳，捕悉液滴量越大，形成的液膜厚度越大，运行阻力越大，越容易发生二次雾滴的生成;因此采用多级分离器，分别在不同流速下对雾滴进行脱除，保证较低运行阻力下的高效除尘效果。
2.4 高效节能喷淋装置
优化的喷淋布置方式，打造合理的覆盖率;高效的喷嘴组合，在提升自身雾化效果的同时提高了二次碰撞的效果;设计的防壁流装置，避免气液短路;
3.超低排放的具体技术方案
本次3#300MW机组的脱硫除尘超低排放升级改造是在原吸收塔区进行，采用清新环境脱硫除尘超低排放一体化技术，通过更换二代高效湍流器，增加喷淋层，将除雾器升级为管束式除尘装置来完成。
3.1 根据现场情况，拆除现有3层喷淋层和喷嘴，并更换新的喷淋层和喷嘴，其中喷嘴采用小流量空心锥形式，增加浆液覆盖率;
3.2 湍流器往下移～500mm，在湍流器上面再新增1层喷淋层，距离上层喷淋层的距离为1600mm，流量5600m3/h（与其他三层相同），原有三台循环泵分别对应下面三层喷淋层，新增的循环泵对应最高的喷淋层;四层喷嘴压力从上到下分别为5m，6m，6m和7m;
液气比（出口工况）5600×4×1000/1938858=11.55 L/m3
3.3新增喷淋层采用吊架形式，吊在上面一层喷淋层的支撑梁上，支撑梁是否加固需要设备专业核算后决定;
3.4吸收塔运行液位从9.1m（目前最高运行液位）提高到10m，浆池容积1450m3，石膏结晶时间15.3h，塔浆液停留时间5min;
3.5吸收塔溢流液位调整到11.5m，吸收塔入口烟道增加冲洗水;
3.6石膏排出泵原有2台75m3/h，增容后流量偏小，为了利用原有石膏排放泵，现再增加1台30m3/h的浆液泵，同时增加变频器，保证石膏排放量在100m3/h左右;
3.7氧化空气量不用调整，在冬季供热期间负荷最大时启动备用风机;
3.8拆除除雾器板后，将管束式除尘器安装在原有除雾器支撑梁上;
3.9拆除二层除雾器冲洗水管，并对吸收塔接管法兰进行封堵，利旧原2层冲洗水管做为管束式除尘器的冲洗水管。
3.10对管束式除尘器与塔壁接触处进行密封处理。
4.本项目主要创新点
本项目的技术研发的创新点主要体现在以下几个方面：
4.1一种SPC超净脱硫除尘一体化解决方案及工艺路线的适用范围是含有大量二氧化硫和尘等微颗粒物的燃煤机组的烟气污染控制，控制指标达到燃低标准，即装置出口SO2排放浓度≤35mg/Nm3，尘排放浓度≤5mg/Nm3，雾滴浓度≤20mg/Nm3。
4.2一种燃煤机组烟气脱硫除尘一体化超净排放控制装置，即高效旋汇耦合脱硫除尘装置技术与高效节能喷淋装置、管束式除尘器，在同一脱硫吸收塔内的集成。
4.3一种燃煤机组烟气脱硫除尘一体化装置内构件为多个同一规格的模块化组件。
4.4一种燃煤烟气超净排放一体化装置可在原有任一相同脱硫吸收塔裝置内完成改造为本技术工艺，达到超低浓度排放要求，不占用吸收塔外场地空间，不提高原有吸收塔高度。
4.5一种燃煤烟气高效节能喷淋即喷淋分区布置，可调节每个分区运行的启停。
4.6一种比常规“湿法喷淋+湿式电除尘”解决方案的投资和运行成本均低三分之一的超净排放解决工艺路线。
5、结论
本项目由山西大唐国际云冈热电有限责任公司与北京清新环境环保技术股份有限公司合作，大唐國际云冈热电有限公司为主持单位，协调研发项目进度控制与实施时间节点工作。北京清新环境为项目合作单位，负责提供研发技术相关的人员、资金等支持，并负责具体的技术研发和工业化示范工程建设的开展工作。
该项目由清新环境自主研发，在一个塔内实现了以较低能耗完成燃煤烟气SO2和粉尘的超低排放。在工程实践和应用过程中，进行了多项技术创新与研究，达到了国内领先水平。未来技术推广后可大规模应用于湿法脱硫系统的脱尘除雾工序，可替代常规的“除雾器+湿式电除尘”工艺，具有建设投资成本低，运行费用低等优点。在大型烟气湿法脱硫系统的技术改造提效方面具有巨大的市场前景和经济效益。
[关键词]超低排放 单塔一体化
中图分类号：TM75 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）28-0144-02
前言
1.项目实施背景及国内现状
我国的环保标准高，尤其在电力行业对主要污染物SO2、NOX的控制指标已是全世界最严格的标准，同时对其他污染物，比如尘污染的控制指标也日趋严格。最近環保部门也多次强调对尘污染的控制，其中一项就是火电厂湿法脱硫净烟气夹带石膏造成“石膏雨”污染的问题。由于我国在国标制定中并未区分“石膏雨”和“粉煤灰尘”，因此目前均以“尘”计量，因此湿法脱硫净烟气的尘污染控制目前常规的除雾器、除尘器就无法进行有效的控制了。
国内最近应用的部分高效除雾器利用差异化布置、优化气态分布等措施已经简单消除石膏雨现象，但除雾器仅对15μm以上的较大液滴有较好的去除效果，因此并不能用于尘的控制。目前常规的除尘控制策略为除雾器+湿式电除尘器技术方案，此方案可将尘污染控制在5mg/Nm3以下，但设备沉重、巨大，且造价高，运行费用较高，尤其是对于改造项目的尘控制改造，采用此方案时除了设备成本外，还需要增加大量的土建、设备加固，运行阻力增加等附加成本，经济性不佳。
2.单塔一体化技术原理
单塔一体化技术是清新环境自主研发的集高效旋汇耦合脱硫装置、高效节能喷淋技术、管束式除尘装置为一体的烟气超净脱除技术。
单塔一体化技术原理是基于旋流和汇流形成湍流的多相紊流掺混的强传质吸收机理，通过特制的旋汇耦合装置产生气液旋转翻覆湍流空间，气液固三相充分接触，迅速完成传质和吸收过程，从而达到气体净化的目的。
2.1 旋汇耦合技术的理论依据
吸收传质过程可分三个步骤：溶质由气相主体扩散到气液两相界面、穿过相界面、由液相界面扩散到液相主体，见图1。
旋汇耦合装置的气液固产生的旋转翻腾状态使气相的平衡分压增大，促进反应介质向液膜溶解，二氧化硫一旦到达界面，就在界面与液体反应达到平衡，快速完成吸收反应，在液相中某一点化学反应达到了平衡状态，但由于反应是可逆的，界面必有平衡分压，在界面由于有大量的反应发生，其液相吸收剂的活性组分浓度相应减少，而反应物浓度相应增加。因此，界面二氧化硫的平衡分压必较液流主体要高一些，推动气相二氧化硫组分介质不断溶入液膜并在相界面处迅速完成反应且使反应物向液流主体扩散并持续推动反应进行。
取单位面积的微元液膜进行考察，其离界面深度为x，微元液膜厚度为dx，（见下图）。
从界面情况来分析，被吸收组分二氧化硫一达界面，一部分立即被反应成平衡状态，在界面上，由于活性组分碳酸钙浓度较低，而产物亚硫酸钙浓度较高，因此界面处二氧化硫组分必向平衡分压较低的液流主体方向扩散，同时，界面上已经反应了的二氧化硫组分将以生成物亚硫酸钙的形式向液体主体扩散，而未反应的二氧化硫则以溶解态的二氧化硫继续向液体主体方向扩散，二氧化硫的吸收速率等于已反应了的二氧化硫组分与未反应的二氧化硫组分向液膜扩散速度之和，因此增加气液湍流状态，增加搅动强度，则会大大提高吸收速率。
2.2 旋汇耦合技术的关键部件——旋汇耦合脱硫装置
工作原理：旋汇耦合脱硫装置基于多相紊流掺混的强传质机理，利用气体动力学原理，通过特制的旋汇耦合装置产生气液旋转翻腾的湍流空间，气液固三相充分接触，大大降低了气液膜传质阻力，大大提高传质速率，迅速完成传质过程，从而达到提高脫硫效率的目的，该技术与同类脱硫技术相比，除具有空塔喷淋的防堵、维修简单等优点外，由于增加了气体的漩流速度，还具有脱硫效率高和除尘效率高的优点。
2.3 旋汇耦合技术的关键部件——管束式除尘装置
管束式除尘装置是在旋汇耦合装置的基础上，对旋汇耦合理论进行深入研究，并结合旋风除尘装置离心分离理论研制而成的高效旋汇除尘装置。主要由管束筒体 、增速器 、分离器 、汇流环 、导流环等结构组成，装置适用于含有大量液滴的～50℃饱和净烟气的微小颗粒的脱除。大量的细小液滴与颗粒在高速运动条件下碰撞机率大幅增加，易于凝聚、聚集成为大颗粒，从而实现从气相的分离。
管束式除尘装置实现了大液滴和液膜的捕悉。除尘装置筒壁面的液膜会捕悉接触到其表面的细小液滴，尤其是在增速器和分离器叶片的表面的过厚液膜，会在高速气流的作用下发生“散水”现象，大量的大液滴从叶片表面被抛洒出来，在叶片上部形成了大液滴组成的液滴层，穿过液滴层的细小液滴被捕悉，大液滴变大后跌落回叶片表面，重新变成大液滴，实现对细小雾滴的捕悉。湮灭过程中颗粒物与旋转的液膜层相对运动速度较少，液膜层又有效的避免了细小雾滴和颗粒物直接撞击筒壁形成更细小的二次雾滴或颗粒物。
经过加速器加速后的气流高速旋转向上运动，气流中的细小雾滴、尘颗粒在离心力作用下与气体分离，向筒体表面方向运动。而高速旋转运动的气流迫使被截留的液滴在筒体壁面形成一个旋转运动的液膜层。从气体分离的细小雾滴、微尘颗粒在与液膜层接触后被捕悉，实现细小雾滴与微尘颗粒从烟气中的脱除。 气体旋转流速越大，离心分离效果越佳，捕悉液滴量越大，形成的液膜厚度越大，运行阻力越大，越容易发生二次雾滴的生成;因此采用多级分离器，分别在不同流速下对雾滴进行脱除，保证较低运行阻力下的高效除尘效果。
2.4 高效节能喷淋装置
优化的喷淋布置方式，打造合理的覆盖率;高效的喷嘴组合，在提升自身雾化效果的同时提高了二次碰撞的效果;设计的防壁流装置，避免气液短路;
3.超低排放的具体技术方案
本次3#300MW机组的脱硫除尘超低排放升级改造是在原吸收塔区进行，采用清新环境脱硫除尘超低排放一体化技术，通过更换二代高效湍流器，增加喷淋层，将除雾器升级为管束式除尘装置来完成。
3.1 根据现场情况，拆除现有3层喷淋层和喷嘴，并更换新的喷淋层和喷嘴，其中喷嘴采用小流量空心锥形式，增加浆液覆盖率;
3.2 湍流器往下移～500mm，在湍流器上面再新增1层喷淋层，距离上层喷淋层的距离为1600mm，流量5600m3/h（与其他三层相同），原有三台循环泵分别对应下面三层喷淋层，新增的循环泵对应最高的喷淋层;四层喷嘴压力从上到下分别为5m，6m，6m和7m;
液气比（出口工况）5600×4×1000/1938858=11.55 L/m3
3.3新增喷淋层采用吊架形式，吊在上面一层喷淋层的支撑梁上，支撑梁是否加固需要设备专业核算后决定;
3.4吸收塔运行液位从9.1m（目前最高运行液位）提高到10m，浆池容积1450m3，石膏结晶时间15.3h，塔浆液停留时间5min;
3.5吸收塔溢流液位调整到11.5m，吸收塔入口烟道增加冲洗水;
3.6石膏排出泵原有2台75m3/h，增容后流量偏小，为了利用原有石膏排放泵，现再增加1台30m3/h的浆液泵，同时增加变频器，保证石膏排放量在100m3/h左右;
3.7氧化空气量不用调整，在冬季供热期间负荷最大时启动备用风机;
3.8拆除除雾器板后，将管束式除尘器安装在原有除雾器支撑梁上;
3.9拆除二层除雾器冲洗水管，并对吸收塔接管法兰进行封堵，利旧原2层冲洗水管做为管束式除尘器的冲洗水管。
3.10对管束式除尘器与塔壁接触处进行密封处理。
4.本项目主要创新点
本项目的技术研发的创新点主要体现在以下几个方面：
4.1一种SPC超净脱硫除尘一体化解决方案及工艺路线的适用范围是含有大量二氧化硫和尘等微颗粒物的燃煤机组的烟气污染控制，控制指标达到燃低标准，即装置出口SO2排放浓度≤35mg/Nm3，尘排放浓度≤5mg/Nm3，雾滴浓度≤20mg/Nm3。
4.2一种燃煤机组烟气脱硫除尘一体化超净排放控制装置，即高效旋汇耦合脱硫除尘装置技术与高效节能喷淋装置、管束式除尘器，在同一脱硫吸收塔内的集成。
4.3一种燃煤机组烟气脱硫除尘一体化装置内构件为多个同一规格的模块化组件。
4.4一种燃煤烟气超净排放一体化装置可在原有任一相同脱硫吸收塔裝置内完成改造为本技术工艺，达到超低浓度排放要求，不占用吸收塔外场地空间，不提高原有吸收塔高度。
4.5一种燃煤烟气高效节能喷淋即喷淋分区布置，可调节每个分区运行的启停。
4.6一种比常规“湿法喷淋+湿式电除尘”解决方案的投资和运行成本均低三分之一的超净排放解决工艺路线。
5、结论
本项目由山西大唐国际云冈热电有限责任公司与北京清新环境环保技术股份有限公司合作，大唐國际云冈热电有限公司为主持单位，协调研发项目进度控制与实施时间节点工作。北京清新环境为项目合作单位，负责提供研发技术相关的人员、资金等支持，并负责具体的技术研发和工业化示范工程建设的开展工作。
该项目由清新环境自主研发，在一个塔内实现了以较低能耗完成燃煤烟气SO2和粉尘的超低排放。在工程实践和应用过程中，进行了多项技术创新与研究，达到了国内领先水平。未来技术推广后可大规模应用于湿法脱硫系统的脱尘除雾工序，可替代常规的“除雾器+湿式电除尘”工艺，具有建设投资成本低，运行费用低等优点。在大型烟气湿法脱硫系统的技术改造提效方面具有巨大的市场前景和经济效益。