邵旻

(山東電力工程咨詢院有限公司，濟南　250013)

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超低排放對煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計的影響

邵旻

(山東電力工程咨詢院有限公司，濟南250013)

摘要：近年來，國家對燃煤電廠污染物排放的監(jiān)管越來越嚴格，電廠為達到超低排放而采用的技術(shù)會引起煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)設(shè)計方案發(fā)生變化。介紹了CEMS工作原理，結(jié)合雙塔串聯(lián)、雙塔雙循環(huán)、雙塔并聯(lián)等不同超低排放技術(shù)，分析了其對CEMS設(shè)計方案的影響，并對比了不同超低排放技術(shù)對CEMS儀表選型的影響。

關(guān)鍵詞：燃煤機組；超低排放；煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)；高精度；濕式靜電除塵器

0引言

我國以煤為主的能源結(jié)構(gòu)短時間內(nèi)無法根本改變，加之天然氣氣源短缺、大氣治理迫在眉睫的現(xiàn)實情況，作為燃煤大戶的火力發(fā)電廠，污染物排放水平是我國大氣污染控制的重點。燃煤電廠超低排放是指排放的SO2，NOx及煙塵質(zhì)量濃度達到或接近GB13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》中規(guī)定的以天然氣為燃料的燃氣輪機機組的大氣污染物排放限值。2014年9月12日，國家發(fā)展改革委員會、環(huán)保部和能源局聯(lián)合印發(fā)了《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》(發(fā)改能源﹝2014﹞2093號)，明確指出新建燃煤發(fā)電機組應(yīng)基本達到燃氣輪機組排放限值，即在基準含氧量為6%的條件下，SO2，NOx及煙塵排放質(zhì)量濃度分別不高于35，50，10mg/m3(標準狀態(tài)，下同)，東部部分地區(qū)新建或改造機組排放煙塵質(zhì)量濃度甚至要求達到5mg/m3以下。

1煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)簡介

CEMS作為燃煤電廠煙氣排放連續(xù)監(jiān)測裝置，是監(jiān)測環(huán)保排放和檢測工藝過程的重要設(shè)備。CEMS由顆粒物監(jiān)測子系統(tǒng)、氣態(tài)污染物監(jiān)測子系統(tǒng)、煙氣排放參數(shù)測量子系統(tǒng)及數(shù)據(jù)采集、傳輸與處理子系統(tǒng)等組成，通過采樣和非采樣方式，測定煙氣中污染物的質(zhì)量濃度，同時測定煙氣溫度、壓力、流速或流量、含濕量、含氧量或CO2含量等參數(shù)，計算煙氣污染物質(zhì)量濃度、排放率和排放量，顯示和打印各種參數(shù)、圖表，并通過數(shù)據(jù)、圖文傳輸系統(tǒng)傳輸至固定污染源監(jiān)控系統(tǒng)[1]。

2超低排放技術(shù)

目前我國采用的超低排放技術(shù)主要有以下幾種：(1)鍋爐本體低NOx排放控制技術(shù)，如控制鍋爐燃燒方式、配風(fēng)方式、爐膛設(shè)計、采用高效低氮燃燒器等；(2)選擇性摧毀還原法(SCR)工藝控制NOx超低排放，如老機組的催化劑增效改造；(3)脫硫吸收塔工藝系統(tǒng)改造，有單塔雙循環(huán)、單塔托盤增效、單塔旋匯耦合+管束除塵、單塔雙區(qū)、沸騰式泡沫塔、雙塔雙循環(huán)、雙塔串聯(lián)、U型液柱塔等技術(shù)；(4)低低溫電除塵器技術(shù)；(5)超精細除霧器技術(shù)；(6)三級屋脊式除霧器技術(shù)；(7)濕式靜電除塵器技術(shù)。

技術(shù)(1)，(2)主要用來降低排放物中NOx的質(zhì)量濃度，技術(shù)(3)主要用來降低排放物中SO2的質(zhì)量濃度，技術(shù)(4)，(5)主要用來降低排放物中粉塵的質(zhì)量濃度。燃煤電廠根據(jù)燃燒煤種煤質(zhì)情況選用上述某一種或幾種技術(shù)的結(jié)合，實現(xiàn)超低排放。

3超低排放技術(shù)對CEMS設(shè)計方案的影響

上述降低NOx排放質(zhì)量濃度的技術(shù)對CEMS的設(shè)計方案無影響，部分降低煙塵、SO2排放質(zhì)量濃度技術(shù)由于工藝系統(tǒng)流程的改變，會引起CEMS設(shè)計方案的變化。以下分析幾種典型的設(shè)計方案。

3.1雙塔串聯(lián)技術(shù)

雙塔串聯(lián)技術(shù)是近幾年在脫硫增容改造及超低排放技術(shù)研究過程中提出的一種新技術(shù)，典型工藝流程如圖1所示。大唐桂冠合山發(fā)電有限公司的#1，#2機組脫硫增容改造為國內(nèi)首次采用此技術(shù)，其設(shè)計及運行方式相對不成熟，一級吸收塔出口未設(shè)計CEMS監(jiān)測儀表，運行過程中出現(xiàn)了一級吸收塔漿液氧化不足、無法脫水、脫硫效率降低、二級吸收塔液位不平衡及產(chǎn)出的石膏鈣硫比過高等問題[2]。

圖1　雙塔串聯(lián)技術(shù)典型工藝流程

由圖1可知，煙氣經(jīng)過了2級吸收塔，一級吸收塔出來的煙氣，其溫度、壓力、SO2和煙塵質(zhì)量濃度等參數(shù)與原煙氣相比均發(fā)生了變化。由于2級吸收塔的主要功能有差別，需要分別控制每級吸收塔的脫硫效率，所以必須在2級吸收塔之間的煙道上設(shè)置1套CEMS，其測量參數(shù)既是一級吸收塔的出口參數(shù)，又是二級吸收塔的入口參數(shù)，用于吸收塔脫硫效率的計算。該方案與常規(guī)單塔單循環(huán)方案相比，每臺鍋爐需增加1套預(yù)處理CEMS。

3.2雙塔雙循環(huán)技術(shù)

雙塔雙循環(huán)技術(shù)[3]是雙塔串聯(lián)技術(shù)的一種優(yōu)化方案，解決了雙塔串聯(lián)技術(shù)中出現(xiàn)的物料不平衡的問題，典型工藝流程如圖2所示。國電永福發(fā)電有限公司#3，#4機組脫硫提效改造以及華電國際十里泉發(fā)電廠“上大壓小”2×600MW機組脫硫系統(tǒng)均采用此技術(shù)。

圖2　雙塔雙循環(huán)技術(shù)典型工藝流程

由圖2可知，雙塔雙循環(huán)主要工藝流程與雙塔串聯(lián)相似，只是在兩級吸收塔之間增加了石膏漿液返回泵及吸收段加料槽(AFT)旋流器至兩級吸收塔的漿液管道，實現(xiàn)了兩級吸收塔的液位平衡和漿液密度平衡控制，確保了石膏產(chǎn)品的品質(zhì)。該技術(shù)方案CEMS的設(shè)置與雙塔串聯(lián)技術(shù)方案相同，與常規(guī)單塔單循環(huán)方案相比，每臺鍋爐需增加1套預(yù)處理CEMS。

3.3雙塔并聯(lián)技術(shù)

雙塔并聯(lián)技術(shù)是在超低排放技術(shù)研究過程中提出的一種提高脫硫效率的新技術(shù)，典型工藝流程如圖3所示。勝電三期熱電工程和茌平信源鋁業(yè)有限公司700MW機組工程的脫硫系統(tǒng)均采用此技術(shù)。

圖3　雙塔并聯(lián)技術(shù)典型工藝流程

由圖3可知，鍋爐2臺引風(fēng)機來的煙氣分別進入了A吸收塔和B吸收塔，2個吸收塔處理后的凈煙氣合并成1路進入煙囪。由于原煙氣為獨立的2路，所以需要設(shè)置2套原煙氣CEMS。凈煙氣CEMS的設(shè)置在不同工程中有所不同，茌平信源工程設(shè)置在合并后的凈煙道上，勝電三期工程除了在合并后的凈煙道上設(shè)置1套外(向環(huán)保局傳送數(shù)據(jù)用)，還在圖3中的2處云線位置分別設(shè)置了1套。

根據(jù)上述2個工程現(xiàn)場運行數(shù)據(jù)分析，并聯(lián)的2個吸收塔煙氣進口參數(shù)基本相同，吸收塔本體結(jié)構(gòu)及配置的漿液循環(huán)泵、石膏漿液排出泵、氧化風(fēng)量等相同，故2個吸收塔的脫硫效率及吸收塔出口煙氣參數(shù)也基本一致，另外，2個吸收塔并列運行，不必單獨計算控制每個吸收塔的脫硫效率。從工程優(yōu)化及節(jié)約投資角度考慮，可只在合并后的凈煙道上設(shè)置1套凈煙氣CEMS，此套CEMS數(shù)據(jù)既作為脫硫效率計算控制用，又作為向環(huán)保局傳送排放監(jiān)測數(shù)據(jù)用。此種方案與常規(guī)單塔單循環(huán)方案相比，每臺鍋爐增加1套原煙氣CEMS。

3.4濕式靜電除塵器技術(shù)

為了達到煙塵質(zhì)量濃度排放值小于10mg/m3或5mg/m3的目標，研究并提出了多種深度除塵技術(shù)方案，在脫硫吸收塔后設(shè)置濕式靜電除塵器(以下簡稱濕除)是一種常用方案。該方案在吸收塔出口和煙囪之間加裝濕除，進一步除去煙氣中的粉塵，典型工藝流程(吸收塔為單塔)如圖4所示。

表1　某公司提供的測塵儀參數(shù)

圖4　濕式靜電除塵器技術(shù)典型工藝流程

圖4所示濕除之前煙道上的云線位置是否需要設(shè)置1套CEMS，是工程中經(jīng)常討論的問題。根據(jù)濕除的工作原理，其功能主要為脫除粉塵，可以兼顧去除煙氣中的霧滴和SO3氣溶膠微液滴[4-5]，對SO2和NOx等污染物無脫除作用。脫硫系統(tǒng)的脫硫效率是通過SO2參數(shù)計算反映的，濕除前、后SO2參數(shù)無變化，故脫硫效率計算使用濕除后的SO2參數(shù)即可，無需在吸收塔出口設(shè)置SO2分析儀表。對于濕除前是否設(shè)置測塵儀而言，首先，環(huán)評只關(guān)注對空排放的粉塵質(zhì)量濃度是否達標，所指的除塵效率為綜合效率，而非單個設(shè)備，如濕除的除塵效率；其次，濕除除塵效率的考核一般通過性能試驗進行，留有性能試驗測點接口即可；另外，濕除進、出口煙塵質(zhì)量濃度參數(shù)不參與濕除系統(tǒng)任何控制調(diào)節(jié)。綜上所述，無需在濕除進、出口設(shè)置在線測塵儀，只需設(shè)置煙氣溫度、壓力測點。故設(shè)置濕除方案與無濕除方案相比，CEMS設(shè)置數(shù)量相同。

4超低排放技術(shù)對CEMS儀表選型的影響

從超低排放定義的目標值可知，煙塵、SO2及NOx排放質(zhì)量濃度均比GB13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》中規(guī)定的燃煤鍋爐排放限值30，100，100mg/m3低很多。HJ/T76—2007《固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測方法(試行)》規(guī)定顆粒物CEMS的測定范圍為:當只設(shè)置1個測量擋時，最大測量值設(shè)置為高于排放源最大排放質(zhì)量濃度的1～2倍；當設(shè)置多個測量擋時，最低擋測定范圍的上限應(yīng)不超過500mg/m3；當ρB≤50mg/m3時，-15mg/m3≤δ≤15mg/m3；50mg/m3<ρB≤100mg/m3時，-25%≤ξ≤25%；100mg/m3<ρB≤200mg/m3時，-20%≤ξ≤20%；200mg/m3<ρB時，-15%≤ξ≤15%(ρB為顆粒物排放質(zhì)量濃度；δ為CEMS法與參比方法測定結(jié)果平均值的絕對誤差；ξ為CEMS法與參比方法測定結(jié)果平均值的相對誤差)。

4.1對煙塵質(zhì)量濃度分析儀選型的影響

(1)分析儀的量程上限需要由原來的100mg/m3或更高縮小為20mg/m3或15mg/m3甚至更低。

(2)分析儀的準確度應(yīng)提高。雖然超低排放實施前、后煙塵質(zhì)量濃度限值均為ρB≤50mg/m3，準確度均為-15mg/m3≤δ≤15mg/m3，但由于超低排放目標值為≤10mg/m3或≤5mg/m3，所以其對應(yīng)的δ應(yīng)≤5mg/m3。HJ/T76—2007《固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測方法(試行)》也正在修訂并公開征求意見，要求改為ρB≤20mg/m3時，-5mg/m3≤δ≤5mg/m3。

(3)采用濕除的工程，經(jīng)過濕除后的煙氣處于低溫高濕狀態(tài)，粉塵含量又極低，水汽對粉塵質(zhì)量濃度的測量干擾很大，誤差會導(dǎo)致測量結(jié)果超過10mg/m3或5mg/m3的限值，普通測塵儀無法滿足測量要求，需要選擇抽取加熱式測塵儀。

以國投新集電力利辛板集電廠(以下簡稱板集電廠)一期2×1 000MW工程為例對比測塵儀選型的不同，其脫硫工藝為單塔單循環(huán)，吸收塔后設(shè)置濕除，不同品牌配置的測塵儀參數(shù)見表1、表2。

4.2對氣體污染物分析儀選型的影響

HJ/T76—2007《固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)要求及檢測方法(試行)》對氣態(tài)污染物CEMS的主要技術(shù)指標，如線性誤差、相對準確度等做了規(guī)定，但規(guī)定的指標對超低排放技術(shù)實施前、后氣體分析儀表的選型無影響。

板集電廠CEMS招標過程中，根據(jù)產(chǎn)品供應(yīng)商提供的信息，不同品牌的氣體分析儀產(chǎn)品受超低排放參數(shù)的影響不同。德國SICK產(chǎn)品在非超低排放參數(shù)下，可做成SO2/CO/NOx/O24組分分析儀，在超低排放參數(shù)下，只能做成2組分分析儀，而ABB公司的產(chǎn)品不論是否在超低排放下，均可以做成SO2/CO/NOx/O24組分分析儀。

表2　某公司提供的測塵儀參數(shù)

5結(jié)束語

不論新建還是現(xiàn)有的燃煤機組，最終均要實現(xiàn)大氣污染物超低排放。CEMS作為電廠污染物排放監(jiān)測系統(tǒng)，合理的設(shè)計方案及分析儀表選型，對有效控制脫硫、脫硝效率具有舉足輕重的作用，確保向環(huán)保監(jiān)測站傳送排放監(jiān)測數(shù)據(jù)的準確性。CEMS設(shè)計方案及分析儀表選型是否合理需要通過工程實踐來檢驗，并在工程應(yīng)用中不斷進行優(yōu)化。

參考文獻：

[1]固定污染源煙氣排放連續(xù)監(jiān)測技術(shù)規(guī)范(試行)：HJ/T75—2007[S].

[2]林朝扶,蘭建輝,梁國柱,等.串聯(lián)吸收塔脫硫技術(shù)在燃超高硫煤火電廠的應(yīng)用[J].廣西電力,2013,36(5):11-15.

[3]劉鶴忠,陶秋根.濕式電除塵器在工程中的應(yīng)用[J].電力勘測設(shè)計,2012(3):43-47.

[4]趙鵬,陳勇,蹇浪.濕式靜電除塵器在火電廠中的應(yīng)用探討[J].能源與環(huán)境,2013(6):95-96,99.

(本文責(zé)編：弋洋)

收稿日期:2016-03-11；修回日期:2016-04-21

中圖分類號：X773

文獻標志碼：B

文章編號：1674-1951(2016)05-0064-04

作者簡介：

邵旻(1981—)，女，山東菏澤人，工程師，理學(xué)碩士，從事發(fā)電廠熱工儀表及控制系統(tǒng)設(shè)計方面的工作(E-mail:shaomin@sdepci.com)。