煙氣協(xié)同治理超低排放系統(tǒng)的設計及運行實踐

黃國新，白玉峰，馬巧春，沈紅林，方埭，沈強

(華能長興電廠，浙江湖州313105)

煙氣協(xié)同治理超低排放系統(tǒng)的設計及運行實踐

黃國新，白玉峰，馬巧春，沈紅林，方埭，沈強

(華能長興電廠，浙江湖州313105)

為適應國家日益嚴格的環(huán)保要求，響應大氣污染防治行動計劃，長興電廠按照煙氣協(xié)同治理技術路線進行超低排放改造，使機組投產(chǎn)后大氣污染物排放水平達到燃氣輪機組的排放限值要求，實現(xiàn)煙氣超低排放的目標。

煙氣協(xié)同治理;超低排放;燃氣輪機組的排放限值

0 引言

華能長興電廠“上大壓小”工程原大氣污染物設計執(zhí)行《火電廠大氣污染物排放標準》(GB 13223－2011)中特別排放限值的要求，因此原大氣污染物設計排放指標:煙塵≤20mg/m3，SO2≤50mg/m3，NOx≤70mg/m3。2013年12月，浙江省首度發(fā)布《大氣污染防治行動計劃(2013年－2017年)》，廣東、江蘇、山東、山西、陜西、四川等地陸續(xù)出臺發(fā)布“燃煤電廠超低排放”相關文件，機組排放指標為:煙塵＜5mg/m3，SO2＜35mg/m3，NOx＜50mg/m3; 2014年9月三部委發(fā)布《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014－2020年)》要求機組排放指標:煙塵＜10mg/m3，SO2＜35mg/m3、NOx＜50mg/m3。

1 煙氣協(xié)同治理超低排放系統(tǒng)設計簡介

煙氣協(xié)同治理技術路線是在對日本、歐洲發(fā)電企業(yè)調(diào)研基礎上提出的，技術路線主要是基于燃煤電廠現(xiàn)有煙氣污染物治理設備之間存在一定的協(xié)同治理關系，即各煙氣污染物脫除設備在進行主脫除物的同時，具有協(xié)助脫除其他煙氣污染物的能力，或則為下一級污染物脫除創(chuàng)造條件。煙氣協(xié)同治理技術路線具體流程為:煙氣脫硝裝置(SCR，裝設高效汞氧化催化劑，可選擇安裝)→煙氣冷卻器(FGC)→低低溫電除塵器(ESP)→高效除塵的石灰石－石膏濕法煙氣脫硫裝置(FGD)→煙氣再熱器(FGR，可選擇安裝)→煙囪。

按照煙氣協(xié)同治理技術路線的華能長興電廠超低排放工藝流程及各系統(tǒng)間的關鍵控制指標如下:

鍋爐出口NOx≤200mg/m3;煙氣脫硝SCR裝置出口NOx≤50mg/m3;低低溫除塵器出口煙塵≤15mg/m3;SO2≤2690mg/m3;高效除塵FGD裝置出口SO2≤35mg/m3;煙塵≤5mg/m3;煙囪出口煙塵≤5mg/m3;SO2≤35mg/m3，NOx≤50mg/m3。

2 煙氣協(xié)同治理系統(tǒng)設計及工程實踐

2.1 SCR系統(tǒng)

采用水平濃淡低NOx燃燒器、空氣分級燃燒及選擇性催化還原脫硝裝置協(xié)同脫除NOx。

2.1.1 低氮燃燒技術措施

采用水平濃淡煤粉燃燒器的應用，燃燒器上部設高位燃燼風噴嘴，燃燒器相對分組可降低爐內(nèi)溫度水平，減少熱力型NOx的生成量;選取28%的燃燼風率，設置6層可調(diào)擺動式燃燼風，使燃燼風在風率、角度和投運高度上可調(diào)，增加調(diào)節(jié)手段。

2.1.2 SCR系統(tǒng)設計

SCR催化劑采用2+1層設置，鍋爐燃燒器采用低NOx的水平濃淡燃燒器及SOFA燃盡風，降低爐膛出口NOx濃度，燃用設計煤種，鍋爐負荷在BRL工況時鍋爐出口NOx排放不超過200mg/m3(以NO2計，O2=6%)，三年催化劑壽命周期內(nèi)脫硝效率不低于80%。

2.1.3 低氮+SCR協(xié)同脫除NOx

(1)SCR反應器進口NOx濃度＜200mg/m3時，控制噴氨流量，保證煙囪出口NOx濃度瞬時不大于50mg/m3，時均煙囪出口NOx濃度＜50mg/m3;

(2)SCR反應器進口NOx濃度大于200mg/m3、小于250mg/m3時，適當增加噴氨流量，保證煙囪出口NOx濃度瞬時和時均值不大于50mg/m3，注意鍋爐燃燒調(diào)整;

(3)SCR反應器進口NOx濃度較長時間大于250mg/m3時，增加噴氨流量至最大值，同時保證氨逃逸不大于3μL/L，鍋爐按空氣分級燃燒，確保時均煙囪出口NOx濃度＜50mg/m3。

2.1.4 低氮+SCR投運效果

工程投運后，鍋爐燃燒系統(tǒng)表現(xiàn)出了良好的低氮性能，經(jīng)過系統(tǒng)的降NOx調(diào)整(在保證風壓足夠的基礎上氧量維持3.0%左右，全開兩層以上SOFA風門擋板)，脫硝入口NOx可以穩(wěn)定達到200mg/m3以下，最低可達150mg/m3，且NOx排放值隨SOFA風開度開大而下降的線性十分明顯。

低氮燃燒配合SCR運行NOx排放值可以穩(wěn)定的達到50mg/m3以下且還有較多裕量。

2.2 低低溫省煤器系統(tǒng)

低低溫省煤器是保證煙氣協(xié)同治理系統(tǒng)達到協(xié)同效果的關鍵設備之一。煙氣經(jīng)過低低溫省煤器，煙氣溫度降低，導致煙塵比電阻降低，從而可以提高除塵效率，同時還可脫除吸附在灰塵中的SO3和汞。煙塵在低低溫條件下，煙塵粒徑加大，而濕法脫硫對大粒徑粉的脫除效果更為顯著。低低溫省煤器采用螺旋鰭片管，豎向布置，換熱元件采用模塊化結構，提高了換熱效率。

低低溫省煤器投運后，煙氣溫度的調(diào)節(jié)性能良好，能保證煙氣溫度在酸露點以下運行。通過對調(diào)節(jié)閥組與煙溫進行聯(lián)動控制，使得兩側煙氣均能以90±1℃度的煙溫狀態(tài)進入低低溫電除塵，該系統(tǒng)能以最優(yōu)方式配合其他煙氣協(xié)同治理設備運行。

2.3 低低溫電除塵器

煙氣經(jīng)過低低溫省煤器，煙氣溫度降至90℃左右，煙塵比電阻降低，從而提高除塵效率，同時還可脫除吸附在灰塵中的SO3和汞。為應對低低溫狀態(tài)下的可能低溫腐蝕和灰的流動性變差，需要對低低溫電除塵采用特殊設計。

2.3.1 低低溫電除塵器的設計參數(shù)

電除塵采用雙室五電場;五電場全采用高頻電源;比集塵面積為162m2/m3/s。要求出口排放在入口煙溫90℃±1℃情況下、鍋爐燃用設計煤種、校核1煤種時，煙塵含量不高于15mg/m3。

2.3.2 針對低低溫特點采取的特殊設計

(1)對灰斗采用ND鋼材質(zhì)。在人孔門內(nèi)、人孔門周圍1m范圍內(nèi)的煙氣接觸面采用ND鋼，防止低低溫狀態(tài)下的腐蝕;

(2)前三電場陰極芒刺線采用304不銹鋼，后二電場陰極螺旋線采用316L高鎳不銹鋼;

(3)每臺爐增設4套熱風強制吹掃裝置，確保絕緣子在煙氣露點溫度以上安全可靠運行;

(4)增設氣流分布板振打裝置，保證氣流分布板在低低溫環(huán)境造成粉塵粘性大的條件下始終處于清潔狀態(tài);

(5)增加灰的流動性?；叶穬A角由常規(guī)的60°增加到65°，灰斗加熱面積由灰斗口以上1/3增加到2/3，并且采用蒸汽加熱。

2.3.3 低低溫電除塵器的投運情況

低低溫電除塵器投運后，除部分電場由于輸灰不暢引起電場升壓困難外，大部分電場升壓正常，現(xiàn)場應用稱重法對1號機電除塵器4個出口粉塵排放檢測值分別為:7.9mg/m3、10.2mg/m3、9.8mg/m3、11.3mg/m3。

低低溫電除塵器需要引起重視的問題是低低溫狀態(tài)下灰的流動性變差，容易引起下灰不暢，以及一電場的灰量顯著增加。因此，保證蒸汽加熱系統(tǒng)的正常投運以及一電場輸灰設計裕度非常重要。

2.4 高效除塵脫硫系統(tǒng)

FGD系統(tǒng)是煙氣協(xié)同治理系統(tǒng)的最后一級污染物脫除設備，是實現(xiàn)高效除塵和深度脫硫保證超低排放目標的關鍵環(huán)節(jié)，這其中吸收塔高效除塵也是整個煙氣協(xié)同治理系統(tǒng)的難點、核心所在。

FGD出口煙塵濃度是由三部分組成:首先是由脫硫裝置前端電除塵帶入的，經(jīng)過吸收塔洗滌、吸收后殘余的煙塵;第二部分是煙氣流經(jīng)除霧器后帶出的漿液液滴，液滴中所含的石膏、石灰石等固體顆粒被計入到煙塵濃度中;另一部分是漿液中的可溶性鹽，因此，要控制脫硫裝置出口煙塵濃度，達到高效除塵的目的，必須從上述幾方面進行綜合考慮。需要說明的是:高效除塵設計中大部分對煙塵排放控制措施也能帶來脫硫效率的進一步提高。

2.4.1 提高前端煙塵脫除能力的技術措施

(1)托盤設計。吸收塔入口煙道與噴淋層之間共設置2層托盤，改善吸收塔內(nèi)流場均勻度，提高煙氣與漿液的接觸機率，增大持液層高度，提高微細粉塵的捕集效率。由于托盤的除塵包括氣泡、液膜對煙塵的捕集作用，一般的泡沫除塵器的除塵效果比噴霧塔除塵器的除塵效率高，因此托盤的除塵性能可相當于噴淋層的除塵效率甚至更高。同時，托盤還能起到均布氣流的作用，可提高后續(xù)噴淋層漿液的除塵效果和除霧器的除霧效果。

(2)噴嘴設計。噴嘴形式由90°單頭噴嘴改為120°高效雙頭噴嘴，噴淋覆蓋率有3倍以上提高，單層覆蓋率達到840%。與傳統(tǒng)噴嘴相比，雙頭噴嘴通過二次霧化增加了液滴與煙氣接觸的比表面積，強化了傳質(zhì)效果，在同等壓力條件下使用雙頭噴嘴可以提高脫硫效率和除塵效率。

(3)噴淋層設計。為保證噴淋層噴淋效果，提高噴嘴安裝精度，F(xiàn)RP噴淋層采用工廠化預組裝方式進行施工，噴淋與支管之間設計為法蘭連接。

(4)增效環(huán)設計。增加周邊噴嘴流量和設置增效環(huán)的方式，防止塔壁煙氣逃逸，提高脫硫和除塵效率;除了通過噴淋層布置和噴嘴選型的優(yōu)化，可以提高氣液分布的均勻性和增大氣液接觸面積，采用塔壁增效環(huán)措施，也可以有效減少煙氣的邊緣效應，從而提高脫硫除塵效率。

2.4.2 降低液滴攜帶和漿液中可溶性鹽的措施

采用進口高效三級屋脊式除霧器，除霧器出口霧滴含量小于20mg/m3，以減少霧滴攜帶粉塵量。采用原裝進口除霧器是因其設計水平、制造精度、材料選擇、安裝精度均大大高于國產(chǎn)品牌，且部分進口除霧器完整的水力模型試驗數(shù)據(jù)能夠幫助我們更好的分析和控制除霧器的分離效率。

通過計算分析，當煙塵排放小于5mg/m3時，除霧器的液滴攜帶產(chǎn)生的煙塵已大大超過殘余煙塵，因此，為了降低吸收塔總的煙塵排放濃度，采用高性能、屋脊式除霧器是一個必要的選項。

2.4.3 精細化的全過程控制

(1)CFD設計。從引風機出口至煙囪入口全程進行高密度網(wǎng)格CFD模擬，通過增加導流板、調(diào)整噴嘴布置等措施確保吸收塔各截面速度偏差在規(guī)定范圍內(nèi)。

(2)物理模型試驗。委托加拿大NELS公司建設一套針對本工程的FGD物理模型，根據(jù)物理模型的模擬結果，對上述CFD數(shù)字模擬邊界條件進行修正，從而指導設計方案的調(diào)整，確保吸收塔出口粉塵排放達標。

(3)精細化的安裝質(zhì)量控制。由于噴嘴的安裝角度、安裝位置以及除霧器的安裝質(zhì)量是否達標，將直接影響到除塵效率，因此，在安裝過程中必須嚴格控制各道工序，嚴格按照安裝圖紙和廠家指導文件進行安裝，安裝完畢后施工單位應派遣專職質(zhì)量控制人員進行100%檢查，確保安裝質(zhì)量。

2.4.4 高效除塵脫硫系統(tǒng)投運情況

FGD投運后，在原煙氣入口SO2濃度在800～1100mg/m3、粉塵濃度在10～15mg/m3之間時，采用稱重法手工測試出口粉塵濃度在2～3.5mg/m3之間、出口SO2濃度基本維持在10mg/m3以下。

2.5 消除煙囪“石膏雨”的設計措施

在對FGD采用高效除霧器的基礎上，通過對煙囪進行了設計優(yōu)化。將最大流速控制在最佳流速以下，并通過加大煙囪內(nèi)筒直徑，在煙囪頂部采用收口設計降低內(nèi)筒筒壁冷凝液被煙氣攜帶的可能等方式控制“石膏雨”的產(chǎn)生。事實證明，除在風速較小的狀況下，煙囪有不含石膏的水滴飄落以外，沒有“石膏雨”的產(chǎn)生，避免了大部分濕煙氣煙囪的“石膏雨”問題。

3 煙氣協(xié)同治理系統(tǒng)的運行實踐

3.1 運行控制規(guī)程化

煙氣協(xié)同治理系統(tǒng)同樣需要精細化的運行控制水平來保證系統(tǒng)運行效果。為此電廠編制了系統(tǒng)內(nèi)第一本《煙氣協(xié)同治理運行規(guī)程》?！兑?guī)程》按照煙氣協(xié)同治理的技術特點，確定了運行的關鍵控制參數(shù)，確定了單項污染物出現(xiàn)偏差時，各系統(tǒng)的調(diào)節(jié)方向和調(diào)節(jié)目標。

3.2 煙溫聯(lián)動控制

低低溫省煤器煙氣溫度的調(diào)節(jié)性能良好，能夠保證煙氣溫度在酸露點以下運行。通過對調(diào)節(jié)閥組與煙溫進行聯(lián)動控制，使得兩側煙氣均能以90± 1℃的煙溫狀態(tài)進入低低溫電除塵，使得系統(tǒng)能夠以最優(yōu)方式配合其他煙氣協(xié)同治理設備運行。

3.3 提升輸灰系統(tǒng)裕度

針對低低溫電除塵器需要引起重視的問題是低低溫狀態(tài)下灰的流動性變差，容易引起下灰不暢，以及一電場的灰量顯著增加的情況。運行中在保證蒸汽加熱系統(tǒng)的正常投運，加強運行監(jiān)視。針對低低溫狀況下需要顯著提高輸灰系統(tǒng)裕度的問題，正在組織對輸灰系統(tǒng)進行必要的優(yōu)化改造，使得輸灰系統(tǒng)能夠更加適應低低溫工況下的運行。

3.4 FGD系統(tǒng)精細化控制

針對FGD系統(tǒng)，嚴格除霧器的沖洗，保證除霧器的清潔運行，根據(jù)進口除霧器的特點，適當提高沖洗水壓力，提高沖洗效率，F(xiàn)GD系統(tǒng)的補水不再通過除霧器沖洗水以外的方式提供。嚴格FGD運行參數(shù)控制，保證吸收塔的PH值控制在合理的范圍內(nèi)，只有在PH值控制在合理范圍內(nèi)的前提下才允許采用停漿液循環(huán)泵的節(jié)能運行的方式，通過諸如此類的參數(shù)控制措施，保證SO2的吸收效率，并控制煙塵排放。

4 技術經(jīng)濟比較

華能長興工程是國內(nèi)首套基于煙氣協(xié)同治理技術路線的超低排放系統(tǒng)，工程投運至今，污染物排放水平穩(wěn)定的控制在超低排放限值以下。浙江省環(huán)境監(jiān)測中心對該機組滿負荷試運期間的污染物排放進行了同步監(jiān)測?？偱欧趴诒O(jiān)測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 總放口排監(jiān)測數(shù)據(jù)mg/m3

與同地區(qū)、同時期、同容量建設機組采用濕式電除塵器實現(xiàn)超低排放技術路線超低排放系統(tǒng)的技術經(jīng)濟性對比如表2所示。

對比數(shù)據(jù)表明，采用煙氣協(xié)同治理技術與在設備投資和運行費用上具有明顯優(yōu)勢。

表2 不同技術路線超低排放技術經(jīng)濟對比

5 結語

通過華能國際電力股份有限公司為期3年的科學研究、現(xiàn)場試驗測試以及長興等電廠投運1年多的運行結果表明，燃煤電廠煙氣協(xié)同治理路線是一條理論先進、技術可靠、經(jīng)濟性良好的超低排放路線，可以進行大規(guī)模推廣和工程應用。燃煤電廠超低排放也只有結合政府的鼓勵政策，通過選擇合適的技術路線，控制建設和運營成本，這種經(jīng)濟行為的結果才是最有效率和持續(xù)的。

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Design and operation practice of the ultra－low pollutant emission system with flue gas co－benefit control

In order to meet the increasingly stringent environmental requirements and respond to the action plan of air pollution control，the pollutant emission system of Changxing Power Plant has been improved in accordance with the flue gas co－benefit control technical route.During the operation of the units，the pollutant emissions reached the emission limit requirements of gas turbine units，which achieves the goal of ultra－low pollutant emission.

flue gas co－benefit control;ultra－low pollutant emission;emission limit requirements of gas turbines units

X701.7

B

1674－8069(2016)03－024－04

2016-01-04

黃國新(1973-)，男，浙江湖州人，本科，從事煙氣協(xié)同治理技術管理工作。E－mail:huang_guoxin@sina.com