苗 博,吳東垠,牛國(guó)棟

(1.華能銅川照金電廠,陜西 銅川 727100; 2.西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710049)

某燃煤電廠煙氣協(xié)同凈化技術(shù)集成和運(yùn)行效果分析

苗 博1,吳東垠2,牛國(guó)棟1

(1.華能銅川照金電廠,陜西 銅川 727100; 2.西安交通大學(xué)動(dòng)力工程多相流國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710049)

根據(jù)某600 MW燃煤機(jī)組的煙氣凈化設(shè)計(jì)及運(yùn)行特點(diǎn)，對(duì)改造方案的可行性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析，并開(kāi)展了工藝及設(shè)備的改造：脫硫系統(tǒng)采用串聯(lián)雙塔循環(huán)方式，脫硝系統(tǒng)采用低氮燃燒與SCR協(xié)同作用的方式，采用MGGH技術(shù)提高煙氣上升高度，合并引風(fēng)機(jī)和增壓風(fēng)機(jī)，增大引風(fēng)機(jī)出力。從改造結(jié)果看出，干濕煙囪設(shè)備改造后，整體系統(tǒng)成本增加值分別為10.23元/(MW·h)和9.79元/(MW·h)。根據(jù)所選優(yōu)化方案對(duì)該燃煤機(jī)組進(jìn)行改造后，排放煙氣能夠滿足國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，可為其他燃煤電廠的相關(guān)改造提供了參考和依據(jù)。

燃煤機(jī)組；超凈排放；脫硫脫硝；濕式除塵

煤炭以直接燃燒發(fā)電的方式加以利用會(huì)產(chǎn)生大量的氣固態(tài)污染物，由此導(dǎo)致的酸雨、光化學(xué)煙霧和霧霾始終是我國(guó)面臨的環(huán)境問(wèn)題。因此，若不有效地對(duì)燃煤煙氣中的污染物進(jìn)行預(yù)防、控制和治理，由污染物排放引起的環(huán)境污染問(wèn)題將更為嚴(yán)重。隨著燃煤機(jī)組煙氣凈化技術(shù)的發(fā)展，人們已經(jīng)意識(shí)到分別使用脫硫和脫硝技術(shù)，并不能達(dá)到很好的污染物脫除效率，而且脫除設(shè)備龐大，占地空間大，初投資和運(yùn)行費(fèi)用昂貴。為了解決此類問(wèn)題，各種煙氣凈化綜合利用技術(shù)得到了重視和發(fā)展，一體化的脫硫脫硝工藝結(jié)構(gòu)緊湊，煙氣凈化設(shè)備初投資和運(yùn)行費(fèi)用低，滿足了大容量機(jī)組的需要。因此，開(kāi)發(fā)煙氣綜合凈化技術(shù)已成為煙氣凈化的發(fā)展趨勢(shì)。

目前，國(guó)外主要采用的脫硫技術(shù)包括循環(huán)流化床、濕法脫硫、噴霧脫硫等，脫硝技術(shù)包括選擇性催化還原技術(shù)(SCR)和選擇性非催化還原技術(shù)(SNCR)。煙塵脫除技術(shù)普遍采用電除塵器，在北美、歐盟、日本等國(guó)家，電除電器的覆蓋面積所占除塵設(shè)備的份額比較大。隨著國(guó)內(nèi)對(duì)于環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，國(guó)內(nèi)已開(kāi)展了超潔凈排放環(huán)保協(xié)同改造。現(xiàn)有的燃煤機(jī)組采用了不同的脫硫、脫硝、除塵等超凈排放技術(shù)，脫硫技術(shù)因各電廠的實(shí)際情況而異；脫硝超低排放技術(shù)基本相似，以優(yōu)化低氮燃燒、增加SCR催化劑為主；除塵超低排放技術(shù)多選用加裝低溫省煤器和濕式除塵器，同時(shí)結(jié)合電除塵高頻電源改造、電場(chǎng)布置優(yōu)化等技術(shù)。因此，在保證我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速穩(wěn)定增長(zhǎng)的前提下，開(kāi)展燃煤機(jī)組煙氣污染物超凈排放技術(shù)顯得尤為重要，而且由于國(guó)家對(duì)環(huán)境污染物的排放及治理要求更加苛刻，尋求高效價(jià)廉的煙氣超凈排放技術(shù)更加具有發(fā)展前景。

1 鍋爐布置

某600 MW機(jī)組為亞臨界自然循環(huán)鍋爐，汽水系統(tǒng)為強(qiáng)制循環(huán)，四角切圓燃燒，固態(tài)排渣，制粉系統(tǒng)采用中速磨正壓直吹制粉系統(tǒng)。

1)脫硫系統(tǒng)機(jī)組采用濕式石灰石—石膏濕法煙氣脫硫工藝系統(tǒng)。每臺(tái)爐配備一套煙氣脫硫(FGD)濕法脫硫裝置。脫硫劑采用白泥和石灰石粉原料，采購(gòu)的石灰石粉以氣力輸送的方式送入石灰石粉倉(cāng)，再通過(guò)給料裝備送至漿液攪拌箱制成石灰石漿液，由漿液泵送至吸收塔。

2)脫硝系統(tǒng)

脫硝系統(tǒng)首先進(jìn)行了低氮燃燒器的改造，目前主要是針對(duì)SCR的裝置及工藝進(jìn)行改造。實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，NOX入口濃度為200～250 mg/m3，出口實(shí)際運(yùn)行值已低于50 mg/m3。

3)除塵系統(tǒng)

機(jī)組原采用電袋組合式除塵器，布置在鍋爐空預(yù)器之后和引風(fēng)機(jī)之前。在除塵器進(jìn)口前增加煙氣凝聚器，原電除塵器進(jìn)行小分區(qū)和高效電源改造，同時(shí)進(jìn)行除霧器提效改造以進(jìn)一步提高脫硫系統(tǒng)除塵效果。鍋爐配置有雙室電場(chǎng)和電除塵器，采用露天臥式布置方式。

2 改造方案設(shè)計(jì)

燃煤電廠煙氣中污染物(SO2、NOX、粉塵等)的控制受多種因素影響，特別是在目前極嚴(yán)格的環(huán)保要求下，已不是煙氣凈化設(shè)備能夠獨(dú)立解決的問(wèn)題。鍋爐燃燒、脫硫設(shè)備、脫硝設(shè)備、煙氣換熱器等都直接影響機(jī)組煙氣中污染物的排放。因此，需要采用協(xié)同控制技術(shù)，建立整個(gè)機(jī)組煙氣超凈排放系統(tǒng)，對(duì)鍋爐燃燒、脫硫、脫硝、高效除塵器、濕式電除塵器、煙氣換熱器等進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化控制。

根據(jù)現(xiàn)在運(yùn)行機(jī)組的實(shí)際情況，通過(guò)對(duì)各個(gè)煙氣凈化系統(tǒng)的分析，設(shè)計(jì)了研究路線，擬通過(guò)計(jì)算與分析，得到一種優(yōu)化的電廠煙氣超凈排放改造方案，其研究路線如圖1所示。

圖1 改造方案研究路線

經(jīng)過(guò)全面的理論分析和論證，盡可能保證原有設(shè)備不進(jìn)行大范圍改動(dòng)的情況下，結(jié)合現(xiàn)有環(huán)保設(shè)備和場(chǎng)地，可考慮采用如下改造方案：

1)脫硫改造：在現(xiàn)有吸收塔位置與引風(fēng)機(jī)混合煙道之間，新建1級(jí)吸收塔作為一級(jí)吸收塔，原吸收塔改造作為二級(jí)串聯(lián)塔。通過(guò)新加裝一套脫硫預(yù)洗塔，將現(xiàn)有吸收塔作為深度處理塔。

2)脫硝改造：由于已經(jīng)安裝了低氮燃燒器(LNB)，運(yùn)行中SCR催化劑入口的NOX濃度均在350 mg/m3以下，煙囪出口NOX濃度在100 mg/m3以下。原有SCR脫硝系統(tǒng)采用兩層催化劑加1層催化劑預(yù)留層布置形式，即采用的是“LNB+SCR”方案。

3)濕式除塵改造：管式濕式除塵在化工行業(yè)應(yīng)用較多，板式濕電除塵在國(guó)內(nèi)燃煤電廠中得到了廣泛應(yīng)用。濕式電除塵器性能主要的影響因素包括運(yùn)行控制方式、電場(chǎng)參數(shù)、入口粉塵濃度、電場(chǎng)風(fēng)速選取等。煙塵控制系統(tǒng)根據(jù)不同的機(jī)組配置可有多種系統(tǒng)組成，根據(jù)目前國(guó)內(nèi)的煙塵控制狀況，主要有以下兩種系統(tǒng)：

系統(tǒng)1：鍋爐+脫硝+高效除塵器+濕法脫硫+濕式電除塵器；

系統(tǒng)2：鍋爐+脫硝+高效除塵器+濕法脫硫；

當(dāng)需要達(dá)到超凈排放時(shí)多采用系統(tǒng)1的方案，需要高效除塵器、濕法脫硫和濕式電除塵器各自承擔(dān)部分減排任務(wù)。

4)MGGH改造：低溫?zé)煔馓幚硐到y(tǒng)(MGGH)是管式煙氣—煙氣熱交換器。該煙氣系統(tǒng)由兩部分組成：①煙氣冷卻器(FGC)布置在引風(fēng)機(jī)之后、脫硫吸收塔之前的水平煙道，利用凝結(jié)水降低煙氣溫度；②煙氣再熱器(FGR)布置在濕式除塵器和

煙囪之間的水平煙道上，利用加熱后的凝結(jié)水再去加熱脫硫后的凈煙氣，提升煙氣的溫度。MGGH利用鍋爐尾部煙氣的余熱來(lái)加熱煙囪入口煙氣，相對(duì)SGH更有利于能源綜合利用，并且由于MGGH使用的是管式加熱，不會(huì)存在回轉(zhuǎn)式GGH漏煙氣的缺點(diǎn)。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 煙氣中污染物年減排量計(jì)算

1)SO2年減排量

設(shè)備改造后，SO2脫除量及脫硫效率如圖2所示。由圖2可以看出，脫硫系統(tǒng)經(jīng)過(guò)改造之后，1#機(jī)組兩級(jí)脫硫塔的脫硫量分別為1 103.01 mg/m3和287.34 mg/m3，脫硫效率分別為78.5%和20.5%，SO2的脫除過(guò)程主要在一級(jí)脫硫塔中進(jìn)行。2#機(jī)組兩級(jí)脫硫塔的脫硫量分別為1 261.14 mg/m3和199.4 mg/m3，脫硫效率分別為85.5%和13.5%。

圖2 改造后SO2脫除量及脫硫效率

2)NOX年減排量

原有脫硝系統(tǒng)經(jīng)過(guò)低氮燃燒后，脫硝系統(tǒng)NOX入口濃度從300 mg/m3減小到100 mg/m3。經(jīng)過(guò)煙氣超凈排放改造之后，機(jī)組NOX排放濃度小于50 mg/m3，兩臺(tái)機(jī)組每年可以進(jìn)一步減少NOX排放量1 150 t。

3)煙塵年減排量

電除塵器原有實(shí)際除塵效率為99.6%，經(jīng)過(guò)電除塵器提效改造之后，煙塵濃度低于30 mg/m3，該鍋爐產(chǎn)生的煙塵年排放量為798 t，兩臺(tái)機(jī)組每年可減少煙塵排放量2 918 t。通過(guò)超凈排放改造后，機(jī)組煙塵排放濃度小于5 mg/m3，兩臺(tái)機(jī)組鍋爐煙塵年排放量為138 t，兩臺(tái)機(jī)組每年可進(jìn)一步減少煙塵排放量689 t。

4)污染物年減排量總計(jì)

經(jīng)過(guò)脫硫、脫硝及除塵等煙氣協(xié)同技術(shù)改造之后，脫硫、脫硝及除塵效果均有明顯提高。圖3顯示了SO2、NOX和煙塵的排放濃度及脫除率。煙氣凈化設(shè)備改造之前，SO2排放濃度為195.42 mg/m3，經(jīng)過(guò)改造之后，SO2排放濃度達(dá)到14.33 mg/m3，脫硫效率從95.9%上升到99.1%；設(shè)備改造之前，NOX排放濃度為98.22 mg/m3，經(jīng)過(guò)改造之后，NOX排放濃度達(dá)到32.05 mg/m3，脫硝效率得到了明顯的提高，從66.6%上升到89.3%；設(shè)備改造之前，煙塵排放濃度為27.32 mg/m3，經(jīng)過(guò)改造之后，煙塵排放濃度達(dá)到4.23 mg/m3，除塵效率有所提高。

圖3 各污染物排放濃度及脫除率

按照年利用5 000 h計(jì)算，表1給出了各污染物的年減排量。如表1所示，原SO2、NOX、煙塵的減排量分別為107 900 t/年、4 600 t/年、2 918 t/年，經(jīng)過(guò)煙氣凈化設(shè)備協(xié)同改造之后，SO2、NOX、煙塵的減排量又分別增加了3 795 t/年、1 150 t/年、689 t/年。

表1 煙氣年減排結(jié)果

3.2 通過(guò)改造解決的設(shè)備問(wèn)題

某燃煤機(jī)組的設(shè)備改造不僅使污染物達(dá)到了環(huán)保指標(biāo)的排放標(biāo)準(zhǔn)，而且還解決了設(shè)備長(zhǎng)期運(yùn)行存在的問(wèn)題，并對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行了完善和優(yōu)化，保證了各類凈化設(shè)備能夠長(zhǎng)期穩(wěn)定安全的運(yùn)行。

1)脫硫系統(tǒng)

由于煙氣入口處于煙氣和漿液干濕交界面上，容易發(fā)生入口煙道搭橋堵塞，造成脫硫塔入口煙氣壓力增大和脫硫塔內(nèi)部煙氣流場(chǎng)分布不均勻，甚至引起除霧器堵塞，改造前脫硫塔入口煙道堵塞發(fā)展如圖4所示。改造后安裝有擋水板，可以有效地防止?jié){液進(jìn)入煙道。脫硫塔運(yùn)行時(shí)，上方擋水板形成的水簾可以有效地吸收SO2并且有利于氣流均勻分布，兩側(cè)擋水板可防止塔內(nèi)空氣旋流將漿液帶入煙道。通過(guò)對(duì)脫硫塔入口的改造，既保證了入口煙道的強(qiáng)度，又達(dá)到了防止煙道搭墻堵塞，同時(shí)上部擋水板形成的水簾還能夠起到吸收SO2和均勻分布煙氣的目的。

圖4 改造前脫硫塔煙道堵塞發(fā)展

2)脫硝系統(tǒng)

由于原系統(tǒng)設(shè)計(jì)缺陷，脫硝反應(yīng)器煙道入口的排灰管受空間限制，坡度較緩無(wú)法正常排灰，長(zhǎng)期運(yùn)行容易造成積灰堵塞。在原積灰部位附近接入吹灰壓縮空氣，壓縮空氣取自于公用壓縮空氣系統(tǒng)，運(yùn)行中定期對(duì)該部位進(jìn)行吹掃，將煙道底部的積灰吹入脫硝反應(yīng)入口，隨煙氣進(jìn)入電除塵排出。改造完成后，積灰現(xiàn)象明顯消除，較之于改造前催化劑層壓差增加不明顯，達(dá)到了預(yù)期目的。

3.3 經(jīng)濟(jì)性分析

煙氣綜合凈化設(shè)備改造成本主要包括變動(dòng)成本、固定成本、財(cái)務(wù)費(fèi)用等，其中變動(dòng)成本包括尿素、水電、石灰石、石膏、年均折算更換催化劑等；固定成本包括資產(chǎn)折舊、運(yùn)行管理人員工資、設(shè)備檢修費(fèi)等。在干濕煙囪方案中，各煙氣凈化系統(tǒng)的運(yùn)行費(fèi)用如表2所示。干煙囪方案是當(dāng)不加裝濕法脫硫裝置時(shí)，煙氣出口溫度在120 ℃左右，煙氣中水蒸汽含量較低，煙氣對(duì)煙囪的腐蝕不嚴(yán)重；濕煙囪方案是當(dāng)加裝濕法脫硫裝置，經(jīng)過(guò)濕法脫硫及煙氣升溫之后，煙氣中水蒸汽含量要高，煙氣中生成的H2SO3和H2SO4會(huì)加重對(duì)煙囪的腐蝕。

通過(guò)對(duì)比分析看出，干煙囪方案和濕煙囪方案中，設(shè)備改造后整體系統(tǒng)單位成本增加值分別為10.23元/(MW·h)和9.79元/(MW·h)，濕煙囪方案的成本增加值略小于干煙囪方案。因此，在滿足我國(guó)大氣環(huán)境污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的前提下，推薦選用濕煙囪方案作為煙氣凈化設(shè)備改造的首選方案。

表2 干濕煙囪方案的經(jīng)濟(jì)性分析 元/(MW·h)

4 結(jié) 論

1)根據(jù)某600 MW燃煤電廠煙氣凈化的設(shè)計(jì)方式和實(shí)際運(yùn)行情況，對(duì)該燃煤電廠進(jìn)行方案設(shè)計(jì)與經(jīng)濟(jì)性分析，最終獲得優(yōu)化方案。通過(guò)對(duì)煙氣超凈排放設(shè)備的改造及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，各污染物排物均達(dá)到國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明改造方案是高效可行的；

2)采用成熟的石灰石—石膏濕法脫硫技術(shù)，新建一級(jí)脫硫塔，與原脫硫塔組成串聯(lián)雙塔循環(huán)方式。采用高效的SCR脫硝裝置，盡量降低煙囪出口NOX排放濃度。通過(guò)重新進(jìn)行流場(chǎng)模擬、優(yōu)化調(diào)整，加裝備用層催化劑，通過(guò)合理分配各相關(guān)設(shè)備的除塵效率和煙塵控制，結(jié)合該燃煤電廠實(shí)際運(yùn)行情況，推薦采用在濕法脫硫后增加濕式電除塵器的改造方案；

3)煙氣超凈排放設(shè)備改造之后，煙氣脫硫效率從95.9%提高到99.1%，脫硝效率從66.7%上升到89.3%，除塵效率達(dá)到99.9%，煙氣各類污染物的年減排量均有明顯的提高；

4)從煙氣超凈排放設(shè)備改造成本的分析看出，干煙囪方案和濕煙囪方案中設(shè)備改造后整體系統(tǒng)單位成本增加值分別為10.23元/(MW·h)和9.79元/(MW·h)，濕煙囪方案的成本增加值小于干煙囪方案。因此，推薦選用濕煙囪方案作為煙氣凈化設(shè)備改造的首選方案。

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(責(zé)任編輯 張 凱 校對(duì) 佟金鍇)

Study on Hybrid Purification Technology of Flue Gas in a 600 MW Coal-fired Power Plant

MIAO Bo1,WU Dong-yin2,NIU Guo-dong1

(1.China Huaneng Tongchuan Zhaojin Power Plant,Tongchuan 727100; 2.State Key Laboratory of Multiphase Flow in Power Engineering,Xi′an Jiaotong University,Xi′an 710049,Shanxi Province)

In this paper,the feasible and economic analysis of the unit reconfigurations were performed in a 600 MW coal-fired power plant.The total flow process of fuel gas purification system was designed and every reconfiguration part was introduced in detail.Desulfurization system was designed by parallel-cycled towers,NOXconcentration was further decreased through the vertical SCR denitrification system.With the application of MGGH technology,fuel gas of inlet chimney was heated and uplifted height of fuel gas was elevated to reduce the ground level concentration of the pollutant.In addition,the effective integration of draft and booster fans could enhance fan output power to overcome the added resistance of facility reconfiguration.From the calculated analysis of reconfiguration cost of fuel gas purification facility,the cost increment per unit of overall improved system was 10.23 Yuan/(MW·h) and 9.79 Yuan/(MW·h) for dry-chimney and wet-chimney scheme,respectively.The discharged pollutant can meet the standard of pollutant discharge through unit reconfigurations,and the study can be the guidance for other unit reconfigurations.

Coal-fired power plant; Hybrid purification technology; Desulfurization and denitrification; Wet-dedusting

2016-11-25

苗 博(1983-)，男，陜西咸陽(yáng)人，工程師，碩士。

10.13888/j.cnki.jsie(ns).2017.01.005

X701

A

1673-1603(2017)01-0020-06