劉 嬌

(中國(guó)石油撫順石化公司質(zhì)量安全環(huán)保處)

0 引 言

2014年，我國(guó)先后有多家燃煤電廠宣稱(chēng)實(shí)現(xiàn)了煙氣中SO2、NOX(以NO2計(jì))、煙塵的“近零排放”“超清潔排放”及比天然氣發(fā)電排放還要清潔的“超低排放”[1]。此后，部分省級(jí)政府、國(guó)家有關(guān)部門(mén)通過(guò)“文件”要求新建燃煤機(jī)組和老機(jī)組達(dá)到“超低排放”要求。

1 實(shí)施超低排放的原因

1.1 國(guó)家法律法規(guī)的要求

2014年5月，發(fā)改委、環(huán)保部和國(guó)家能源局聯(lián)合下發(fā)的《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020年)》提出具體目標(biāo)；2015年12月2日，國(guó)務(wù)院總理李克強(qiáng)主持召開(kāi)的國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議，提出東部和中部地區(qū)燃煤機(jī)組超低排放改造時(shí)間提前：由原來(lái)的2020年提前至2017年和2018年底。本工程按照上述煙氣排放要求，在3臺(tái)460 t/h鍋爐(10#、11#、12#)已建煙氣處理設(shè)施基礎(chǔ)上進(jìn)行超低排放改造，要求改造后NOX排放濃度<50 mg/Nm3，SO2排放濃度<35 mg/Nm3，煙塵排放濃度<10 mg/Nm3。

1.2 熱電廠鍋爐現(xiàn)狀分析

撫順石化公司熱電廠為撫順石化公司自備燃煤電廠，現(xiàn)有3臺(tái)高溫高壓煤粉爐，配置水平低氮燃燒器，單臺(tái)額定出力460 t/h，鍋爐形式為單汽包、集中下降管、高溫高壓、燃用煤粉的單爐膛鍋爐，四角切圓燃燒方式、平衡通風(fēng)，固態(tài)排渣的自然循環(huán)汽包爐。通過(guò)母管與汽輪發(fā)電機(jī)組相連。采用石灰石—石膏濕法脫硫、選擇性催化還原(SCR)脫硝工藝、布袋除塵技術(shù)，煙氣排放指標(biāo)滿足GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中新建鍋爐要求，煙氣中污染物排放濃度控制在SO2<100 mg/Nm3，NOX<100 mg/Nm3，煙塵<30 mg/Nm3；煙氣中汞及其化合物濃度均<0.04 μg/m3，滿足GB 13223—2011《火電廠大氣污染排放標(biāo)準(zhǔn)》中汞及其化合物<0.03 mg/m3的要求，故本次改造不涉及脫汞。

2 實(shí)施超低排放改造的內(nèi)容

3臺(tái)鍋爐煙氣脫硫脫硝除塵超低排放改造項(xiàng)目，主要包括：改造低氮燃燒器，優(yōu)化現(xiàn)有SCR反應(yīng)器流場(chǎng)分布及內(nèi)件，配合低氮燃燒改造并增加噴氨量；利舊改造現(xiàn)有布袋除塵器，改造現(xiàn)有脫硫塔除霧區(qū)新增高效除塵裝置；在現(xiàn)有脫硫塔內(nèi)新增持液盤(pán)；更換更高全壓的引風(fēng)機(jī)[2](本次改造電機(jī)利舊)。

2.1 低氮燃燒器改造

1)布置兩層高位分離燃盡風(fēng)系統(tǒng)，燃盡風(fēng)供風(fēng)風(fēng)道由主二次風(fēng)風(fēng)道引出，燃盡風(fēng)噴口能夠垂直和水平方向雙向擺動(dòng)，有效控制汽溫及其偏差；

2)合理布置主燃區(qū)二次風(fēng)噴口，并對(duì)二次風(fēng)噴口的面積進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；

3)采用延遲混合型一次風(fēng)以及周界風(fēng)噴口設(shè)計(jì)，確保NOX大幅度減排；

4)采用先進(jìn)的水平濃淡風(fēng)煤粉燃燒技術(shù)，并采用噴口強(qiáng)化燃燒措施，有效降低NOX排放，強(qiáng)化劣質(zhì)煤的燃燒穩(wěn)定性，保證高效燃燒，并拓寬燃料適應(yīng)性。

2.2 SCR反應(yīng)器改造

現(xiàn)運(yùn)行SCR反應(yīng)器中裝有三層催化劑，上層為板式，中層為蜂窩式，下層為蜂窩板式，其中下層催化劑運(yùn)行已超24 000 h。委托催化劑廠家計(jì)算后，現(xiàn)有催化劑用量實(shí)現(xiàn)超低排放會(huì)嚴(yán)重影響催化劑壽命，且有氨逃逸增加的風(fēng)險(xiǎn)，因此，此次超低排放改造中更換已經(jīng)運(yùn)行超過(guò)24 000 h的催化劑。

1)SCR反應(yīng)器

SCR反應(yīng)器的設(shè)計(jì)需充分考慮與周?chē)O(shè)備布置的協(xié)調(diào)性。反應(yīng)器設(shè)計(jì)成煙氣豎直向下流動(dòng)，反應(yīng)器入口設(shè)氣流均布裝置，反應(yīng)器入口及出口段設(shè)導(dǎo)流板，對(duì)于反應(yīng)器內(nèi)部易于磨損的部位設(shè)計(jì)必要的防磨措施。反應(yīng)器內(nèi)部各類(lèi)加強(qiáng)板、支架設(shè)計(jì)成不易積灰的型式，同時(shí)考慮熱膨脹的補(bǔ)償措施。反應(yīng)器設(shè)置足夠大小和數(shù)量的人孔門(mén)。反應(yīng)器配有可拆卸的催化劑測(cè)試元件。反應(yīng)器設(shè)計(jì)還考慮內(nèi)部催化劑維修及更換所必須的起吊裝置。SCR反應(yīng)器能承受運(yùn)行溫度420 ℃不少于5 h的考驗(yàn)，而不產(chǎn)生任何損壞。

頂層催化劑的迎灰表面直接受到煙氣與飛灰顆粒的沖刷，為減少頂層催化劑的磨損，除加強(qiáng)催化劑本身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度外，還需要改善煙氣的流場(chǎng)分布，使煙氣(飛灰)垂直均勻進(jìn)入催化劑通道(速度偏差小于±15%，角度偏差小于±10%)，且飛灰顆粒集中在截面中央。

現(xiàn)運(yùn)行SCR反應(yīng)器中裝有三層催化劑，上層為板式，中層為蜂窩式，下層為蜂窩板式，其中下層催化劑運(yùn)行已超24 000 h。2013年5月安裝兩層日立造船制造板式催化劑，運(yùn)行達(dá)標(biāo)困難，故與2015年11月在脫硝備用層安裝北京迪諾斯平板式催化劑，安裝后運(yùn)行良好，3臺(tái)鍋爐均達(dá)標(biāo)排放。2016年8月，由于最初安裝的日立造船催化劑到使用壽命，進(jìn)行正常更換，將3臺(tái)鍋爐SCR脫硝反應(yīng)器的中層催化劑更換為江蘇德創(chuàng)蜂窩式催化劑。委托催化劑廠家計(jì)算后，現(xiàn)有催化劑用量實(shí)現(xiàn)超低排放會(huì)嚴(yán)重影響催化劑壽命，且有氨逃逸增加的風(fēng)險(xiǎn)，因此，此次超低排放改造中需要對(duì)10#、11#、12#鍋爐的SCR脫硝反應(yīng)器更換已經(jīng)運(yùn)行超過(guò)24 000 h的催化劑。催化劑增加量為72.26 m3/臺(tái)。

2)CFD(計(jì)算流體力學(xué))數(shù)值模擬

根據(jù)熱電廠現(xiàn)有資料以及10#、11#、12#鍋爐運(yùn)行的現(xiàn)場(chǎng)情況，在SCR煙氣脫硝技術(shù)的實(shí)施過(guò)程中，為了最大限度滿足設(shè)計(jì)要求，保證系統(tǒng)達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，需要采用CFD數(shù)值模擬方法對(duì)整個(gè)SCR系統(tǒng)的流場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算分析，以保證進(jìn)入反應(yīng)器前的NOX和氨氣達(dá)到良好的湍流混合，確保速度分布、煙氣分布以及還原劑濃度分布合理，系統(tǒng)壓力損失最小[3]。

通過(guò)對(duì)新廠10#、11#、12#鍋爐現(xiàn)有SCR脫硝裝置進(jìn)行CFD數(shù)值模擬，模擬范圍從進(jìn)口煙道的噴氨格柵至反應(yīng)器出口導(dǎo)流板煙道系統(tǒng)，其中包括氨噴射裝置、脫硝反應(yīng)器、反應(yīng)器進(jìn)、出口煙風(fēng)道等。反應(yīng)器的尺寸、導(dǎo)流板設(shè)置、噴氨格柵詳細(xì)布置、催化劑的安裝位置和高度等均嚴(yán)格按照現(xiàn)有的實(shí)際值進(jìn)行模擬。SCR反應(yīng)系統(tǒng)全模型速度分布情況見(jiàn)圖1。SCR反應(yīng)器首層催化劑上游1 m處煙氣速度分布情況見(jiàn)圖2。

圖1 SCR反應(yīng)系統(tǒng)全模型速度分布云圖

圖2 SCR反應(yīng)器首層催化劑上游1 m處煙氣速度分布云圖

由圖1可看出，煙氣在SCR反應(yīng)器的流向是不均勻的，入口中心位置存在流速洼區(qū)，后續(xù)的整流格柵未充分發(fā)揮作用。

從圖2 SCR首層催化劑上游1 m處煙氣速度分布云圖可以看出，煙氣流速分布均勻度不高，速度分布的絕對(duì)偏差已經(jīng)超過(guò)超低排放的要求(Cv<10%)。若在此條件下長(zhǎng)期運(yùn)行，不僅對(duì)催化劑帶來(lái)沖刷磨損，降低催化劑的使用壽命，還會(huì)造成氨氣的反應(yīng)不充分，氨逃逸增加，帶來(lái)煙道及后續(xù)設(shè)備堵塞等一系列問(wèn)題。

通過(guò)對(duì)3臺(tái)鍋爐現(xiàn)有SCR脫硝裝置進(jìn)行CFD數(shù)值模擬看出[4]，煙氣在SCR反應(yīng)器的流向是不均勻的，入口中心位置存在流速洼區(qū)，后續(xù)的整流格柵未充分發(fā)揮作用。從新廠SCR反應(yīng)器首層催化劑上游1 m處煙氣速度分布云圖看出，現(xiàn)有SCR反應(yīng)器中導(dǎo)流板、整流格柵、反應(yīng)器倒角等內(nèi)件不適宜超低排放的要求，煙氣分布均勻度偏低，直接影響SCR高效脫硝的效果，為保證進(jìn)入反應(yīng)器前的NOX和氨氣達(dá)到良好的湍流混合，確保速度分布、煙氣分布以及還原劑濃度分布合理，系統(tǒng)壓力損失最小，需對(duì)SCR反應(yīng)器部分導(dǎo)流板、整流格柵、出口煙道等進(jìn)行改造，配合低氮燃燒以及增加噴氨量，實(shí)現(xiàn)超低排放的要求。

2.3 布袋除塵器校核

新廠3臺(tái)鍋爐除塵在2011年改造為布袋除塵器，一爐一布袋，布袋除塵器設(shè)有安全旁路，旁路開(kāi)關(guān)閥為零泄漏設(shè)計(jì)。在正常生產(chǎn)中能滿足出口煙塵小于35 mg/Nm3的要求。但布袋破損或者系統(tǒng)漏煙氣時(shí)很容易造成出口煙塵含量不達(dá)標(biāo)，因此根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際生產(chǎn)，布袋除塵器出口煙塵含量大都在35 mg/Nm3以下，但偶爾會(huì)有超過(guò)35 mg/Nm3達(dá)到45 mg/Nm3的情況，雖然通過(guò)脫硫塔捕集一部分后可以達(dá)標(biāo)排放，但此次超低排放改造需要脫硫塔入口煙塵含量低于35 mg/Nm3以下，因此需要對(duì)新廠的3臺(tái)布袋除塵器進(jìn)行檢查和維護(hù)。

2.4 脫硫改造

新廠3臺(tái)鍋爐尾氣脫硫系統(tǒng)按照SO2濃度從2 757 mg/Nm3脫除至60 mg/Nm3設(shè)計(jì)，目前大都采用撫順煤和阜新煤，其收到基硫含量約在0.89左右，計(jì)算鍋爐煙氣中SO2濃度在1 600～1 956 mg/Nm3。經(jīng)過(guò)核算，在低濃度時(shí)SO2濃度低于1 600 mg/Nm3開(kāi)啟三層噴淋層，即可達(dá)到SO2出口濃度低于35 mg/Nm3以下；當(dāng)SO2濃度接近上限時(shí)，開(kāi)啟4層噴淋層才可達(dá)到出口濃度低于35 mg/Nm3以下?？紤]到此次改造還涉及到煙塵的超低排放，需要脫硫塔對(duì)煙氣中的煙塵增加脫除效果，因此新廠3臺(tái)脫硫改造需要新增持液盤(pán)，既可以提高脫硫塔除塵效率，還可以在處理高含硫量(1 956 mg/Nm3)煙氣時(shí)有備用噴淋循環(huán)泵供檢修用[5]。

3 實(shí)施超低排放改造后效果

3.1 改造后監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

3臺(tái)鍋爐實(shí)施超低排放改造后，對(duì)不同工況下鍋爐排放的煙氣中SO2、NOX、煙塵進(jìn)行監(jiān)測(cè)[1]，監(jiān)測(cè)結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 3臺(tái)鍋爐改造后SO2、NOX監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

改造時(shí)設(shè)計(jì)處入口SO2轉(zhuǎn)換SO3的轉(zhuǎn)換率不高于1%，經(jīng)檢測(cè)：改造后SO3生成濃度不高于18 mg/m3；SCR氨逃逸均不高于1.52 mg/m3；NOX平均去除率為94.71%，SO2平均去除率為99.70%，煙塵平均去除率為99.98%。

3.2 改造后排放績(jī)效

3.2.1 單臺(tái)爐SO2、NOX及煙塵減排情況

超低改造后SO2、NOX及煙塵減排情況見(jiàn)表2。

表2 超低改造后單臺(tái)爐SO2、NOX及煙塵減排情況

注：原煙氣中SO2按照2 000 mg/Nm3，NOX按照510 mg/Nm3，年運(yùn)行時(shí)間按6 500 h計(jì)算。

由表2可以看出，增設(shè)脫硫脫硝裝置后，單臺(tái)爐每年SO2減排量達(dá)198.2 t，NOX減排量達(dá)457.5 t，煙塵減排量達(dá)76 t，3臺(tái)爐全年SO2、NOX煙塵減排量分別為594.6，1 372，228 t。排放指標(biāo)滿足環(huán)境保護(hù)部、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、國(guó)家能源局環(huán)發(fā)[2015]164號(hào)關(guān)于印發(fā)《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》的通知要求。

3.2.2 每度電污染物排放量

3臺(tái)鍋爐2018年污染物排放量見(jiàn)表3。

10#～12#爐對(duì)應(yīng)機(jī)組2018年總發(fā)電量146 071.3萬(wàn)kW·h，折算后，NOX、SO2及煙塵排放量分別為1.41×10-4,0.29×10-4,0.24×10-4kg/(kW·h)[6]。

表3 3臺(tái)鍋爐2018年污染物排放量 t

4 結(jié)束語(yǔ)

綜上，此次改造完全滿足“超低排放”的要求。不僅降低了SO2、NOX排放量，提高了去除率，實(shí)現(xiàn)了熱電廠低碳環(huán)保，還節(jié)省了排污費(fèi)，創(chuàng)造了經(jīng)濟(jì)效益件。煙氣實(shí)施“超低排放”后，能有效改善該地區(qū)環(huán)境質(zhì)量，對(duì)地區(qū)經(jīng)濟(jì)和社會(huì)人居環(huán)境和諧發(fā)展具有積極意義，環(huán)境效益和社會(huì)效益突出。