熱電廠環(huán)保超低排放改造及技術(shù)應(yīng)用

瞿國(guó)忠,陳建如,陳杏榮

(江蘇華昌化工股份有限公司熱電廠,江蘇 張家港 215634)

隨著國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的日益苛刻，進(jìn)一步提高燃煤電廠(包括自備電廠)大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)勢(shì)在必然。2015年12月2日,國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議決定，在2020年前對(duì)燃煤機(jī)組全面實(shí)施超低排放和節(jié)能改造，大幅降低發(fā)電煤耗和污染排放。對(duì)于位處長(zhǎng)三角這一特殊區(qū)域的江蘇華昌化工股份有限公司熱電廠(以下簡(jiǎn)稱華昌化工熱電廠)，地方政府已明確要求提前到2018年底實(shí)現(xiàn)超低排放。

所謂燃煤電廠超低排放就是指煙氣污染物排放滿足以下條件：二氧化硫35 mg/m3、氮氧化物50 mg/m3、煙塵10 mg/m3、汞及化合物0.03 mg/m3、煙氣黑度為1(基準(zhǔn)含氧量6%)的限值指標(biāo)。

1 超低改造前環(huán)保流程

熱電廠現(xiàn)有5臺(tái)次高溫次高壓CFB鍋爐，其主要的環(huán)保設(shè)施和系統(tǒng)是經(jīng)過(guò)不同環(huán)保階段，逐步改造至現(xiàn)在，才勉強(qiáng)達(dá)到GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》特別排放標(biāo)準(zhǔn)要求(煙塵20mg/m3、二氧化硫50mg/m3、氮氧化物100mg/m3)。面對(duì)現(xiàn)行更嚴(yán)厲的環(huán)保超低排放要求，環(huán)保系統(tǒng)設(shè)計(jì)裕度已不能滿足要求，必須進(jìn)行改造。環(huán)保系統(tǒng)工藝流程見(jiàn)圖1。

圖1 熱電廠特標(biāo)排放階段環(huán)保工藝流程

2 環(huán)保裝置的制約因素

對(duì)原有環(huán)保裝置進(jìn)行超低排放試探性運(yùn)行，對(duì)系統(tǒng)的工藝流程、結(jié)構(gòu)性能和運(yùn)行效果等多方面進(jìn)行了跟蹤和分析，認(rèn)為裝置存在如下技術(shù)瓶頸和制約因素。

2.1 制約脫硫系統(tǒng)超低排放因素

熱電廠脫硫裝置采用“五爐一塔”的工藝結(jié)構(gòu)形式，原建于2012年的氨法脫硫裝置構(gòu)成相對(duì)簡(jiǎn)單,工藝技術(shù)相對(duì)不完善。通過(guò)對(duì)氨法脫硫裝置進(jìn)行提標(biāo)操作控制，雖短期內(nèi)能達(dá)到超低排放水平，但排放指標(biāo)不可控、系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定，不能長(zhǎng)期維持運(yùn)行。

氨法脫硫超低排放運(yùn)行時(shí)，吸收系統(tǒng)pH值必須控制得很高，才能達(dá)到SO2<35mg/m3的要求，但氨逃逸非常高，氨耗過(guò)高導(dǎo)致運(yùn)行成本大大上升，還形成嚴(yán)重的煙氣拖尾現(xiàn)象，二次視覺(jué)污染又成為環(huán)保關(guān)注焦點(diǎn)；大量攜帶的氣溶膠使煙塵 “抬升”現(xiàn)象明顯，煙塵檢測(cè)時(shí)有不達(dá)標(biāo)現(xiàn)象；雖脫硫效率還能達(dá)到一定要求，但過(guò)多的煙氣量造成脫硫系統(tǒng)壓差大，煙氣并列運(yùn)行后還嚴(yán)重影響小鍋爐出力。

2.2 制約脫硝系統(tǒng)超低排放因素

SNCR脫硝技術(shù)應(yīng)用于CFB鍋爐時(shí)，是基于CFB鍋爐獨(dú)特的燃燒方式和低氮燃燒特性。SNCR脫硝技術(shù)相對(duì)投資少、改造工程量小、運(yùn)行維護(hù)成本低。超低排放運(yùn)行方式下現(xiàn)有SNCR脫硝系統(tǒng)存在較多瓶頸。

(1)脫硝效率偏低。SNCR脫硝效率偏低，最高設(shè)計(jì)效率也只有60%～70%。由于鍋爐結(jié)構(gòu)和使用年限的差異，個(gè)別鍋爐的SNCR脫硝效率有時(shí)差別較大，控制同樣的排放指標(biāo)需要消耗更多的氨水。SNCR脫硝過(guò)程中若不能充分利用還原劑NH3，同樣存在氨逃逸問(wèn)題。逃逸氨易與煙氣中SO3結(jié)合形成硫酸銨鹽黏附在灰塵中，造成鍋爐空預(yù)器堵塞、尾部腐蝕，并對(duì)布袋除塵器本體和布袋都有影響。

(2)鍋爐運(yùn)行穩(wěn)定性要求高。SNCR脫硝反應(yīng)環(huán)境是要保證反應(yīng)處于還原性氣氛，在800～900℃窗口溫度下才可使得氮與氧反應(yīng)生成燃料型NOx；鍋爐運(yùn)行氧量與脫硝效率的關(guān)系尤為密切，對(duì)鍋爐運(yùn)行的穩(wěn)定性和風(fēng)煤比控制操作要求高；鍋爐原始NOx排放隨燃燒工況波動(dòng)較大，特別是氧量的影響,NOx排放最高時(shí)達(dá)到350～400mg/m3，在低負(fù)荷時(shí)脫硝控制更困難，問(wèn)題更為突出。

2.3 制約除塵系統(tǒng)超低排放因素

(1)原有PPS布袋不能滿足要求。原有PPS布袋按30mg/m3設(shè)計(jì)，除塵設(shè)備自身不能滿足超低10mg/m3新的環(huán)保要求。

(2)含濕量影響。由于SNCR脫硝的使用，在爐內(nèi)大量噴入氨水，使鍋爐尾部煙氣中的含濕量大大增加，有時(shí)可達(dá)到10%以上，因結(jié)露而造成布袋“糊袋”現(xiàn)象嚴(yán)重，也使除塵器阻力進(jìn)一步增大。

(3)氨法脫硫抬升煙塵現(xiàn)象。氨法脫硫效果明顯，隨著煙氣量的加大，系統(tǒng)設(shè)計(jì)余量不足有所顯現(xiàn)；因氣液比(G/L)余量偏小造成水洗效果差等原因，導(dǎo)致煙氣攜帶硫酸銨鹽現(xiàn)象及氣溶膠加重，會(huì)使氨法脫硫后的“煙塵”出現(xiàn)不降反升的“抬升”現(xiàn)象，這是所有濕法脫硫的共性。

2.4 新增超低排放檢測(cè)因子

GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定，燃煤電廠大氣污染物控制項(xiàng)目共有煙塵、二氧化硫、氮氧化物、汞及化合物和煙氣黑度等五項(xiàng)，并明確執(zhí)行相關(guān)排放標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行的具體年份。其中的汞及化合物、煙氣黑度等污染物項(xiàng)目，必須在超低排放改造中要有針對(duì)性的防范控制措施。

3 超低排放改造路線

3.1 改造原則

(1)當(dāng)時(shí)因超高壓大鍋爐項(xiàng)目建設(shè)正在審批之中，工程配套了相應(yīng)環(huán)保新設(shè)施，華昌化工熱電廠經(jīng)綜合考慮后,確定了老系統(tǒng)應(yīng)充分挖潛原有環(huán)保設(shè)施潛力，對(duì)瓶頸環(huán)節(jié)充分進(jìn)行利舊改造，以達(dá)到超低排放的改造思路。

(2)由于3臺(tái)75t/h鍋爐已被政府限期停用，此范圍只考慮過(guò)渡期內(nèi)必要的改造，不進(jìn)行長(zhǎng)期性投資改造。

(3)氨法脫硫系統(tǒng)脫硫塔只進(jìn)行舊塔改造，老系統(tǒng)不新增脫硫塔。

(4)挖掘熱電廠環(huán)保裝置潛力，進(jìn)行全廠性環(huán)保協(xié)同脫除綜合治理，形成多種污染物高效集成脫除處理，減輕化工生產(chǎn)環(huán)保負(fù)擔(dān)。

(5)充分調(diào)研新的環(huán)保治理技術(shù)，加強(qiáng)引進(jìn)應(yīng)用，提升環(huán)保治理的技術(shù)實(shí)力。

3.2 改造方案

從2014年9月國(guó)家發(fā)改委發(fā)布超低排放行動(dòng)計(jì)劃以來(lái)，相關(guān)的超低技術(shù)和廠商較多、改造路線多樣，但短短的幾年時(shí)間里，各種環(huán)保治理技術(shù)路線的效果還沒(méi)有得到驗(yàn)證，問(wèn)題也沒(méi)有充分暴露。氨法脫硫工藝在行業(yè)中應(yīng)用范圍相對(duì)狹小(約10%)，這次以老氨法脫硫系統(tǒng)為主體的超低改造確實(shí)是一次技術(shù)考驗(yàn)，華昌化工熱電廠和職能部門根據(jù)系統(tǒng)的瓶頸環(huán)節(jié)和對(duì)超低排放存在影響的因素，進(jìn)行了針對(duì)性的排查、調(diào)研和方案比較，立足自身技術(shù)力量，對(duì)相關(guān)超低技術(shù)方案進(jìn)行了認(rèn)真篩選。

3.2.1超低排放技術(shù)方案和比較

超低排放技術(shù)方案對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 超低排放技術(shù)方案對(duì)比

3.2.2超低排放環(huán)保工藝流程

本著“協(xié)同處置、綜合治理”的原則，經(jīng)職能部門和熱電廠較長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)研和對(duì)比篩選，最后確定出熱電廠環(huán)保超低排放和綜合處理工藝系統(tǒng)流程(見(jiàn)圖2)。

圖2 熱電廠環(huán)保超低排放和綜合處理工藝流程

4 主要改造措施和技術(shù)應(yīng)用

4.1 工藝改造

(1)雙塔多循環(huán)雙氧化設(shè)計(jì)。將單塔單循環(huán)改為雙塔工藝，由單一的脫硫塔改為脫硫塔和水洗塔雙塔結(jié)構(gòu)，將脫硫塔原單塔三段單層循環(huán)改為二塔多層循環(huán)，新建水洗塔進(jìn)行煙塵的組合去除；將脫硫塔內(nèi)氧化工藝改為塔內(nèi)、塔外雙氧化，新增氧化器以實(shí)行主氧化功能，同時(shí)保留性改造脫硫塔內(nèi)漿液原有氧化器，增濃系統(tǒng)只作輔助氧化，改造后整個(gè)系統(tǒng)氧化率大大提高，最大限度地減少了亞硫酸銨的存在。這樣實(shí)現(xiàn)了功能區(qū)明顯區(qū)分又相互補(bǔ)充，形成“雙塔多循環(huán)雙氧化”氨法脫硫主流工藝路線，其與目前氨法脫硫行業(yè)先進(jìn)的工藝已不相上下。

(2)高效多層循環(huán)噴淋工藝設(shè)計(jì)。優(yōu)化對(duì)各功能區(qū)的循環(huán)工藝進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造，采用高效多層循環(huán)噴淋,以提高液氣比(L/G)滿足超低排放要求。脫硫塔結(jié)構(gòu)由氧化段、吸收段、清洗段三段結(jié)構(gòu)改造成的增濃段、吸收段二段布置，增設(shè)出口除霧噴淋系統(tǒng)；吸收段每層對(duì)應(yīng)獨(dú)立的吸收泵；在脫硫塔吸收段新增雙相整流裝置，在噴淋層下方各加裝一層壁環(huán)提高增效作用；在增濃層增加氣體分布器，提高煙氣分布效果；將原脫硫吸收段二層噴淋改為三層噴淋工藝結(jié)構(gòu)，并對(duì)三層噴嘴形式進(jìn)行了優(yōu)選和改型，采用高效多層循環(huán)噴淋設(shè)計(jì)，提高系統(tǒng)液氣比，這樣增加了氣液反應(yīng)路程，因硫酸銨氣溶膠的形成與液氣比關(guān)系密切，從抑制硫酸銨氣溶膠的角度考慮，選擇較大液氣比，可將液相游離氨、氣相中銨鹽、煙氣中煙塵含量控制得很低。

(3)多點(diǎn)加氨工藝。改變?cè)毡贸隹趩吸c(diǎn)加氨設(shè)計(jì)方式，根據(jù)氧化器結(jié)構(gòu)和溶液流向,采用吸收段各層都設(shè)立加氨小流量精確調(diào)節(jié)回路、增濃段增加前置加氨的多點(diǎn)加氨設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)煙氣與氨反應(yīng)進(jìn)行前移，保證氨水充分混合、揮發(fā)的氣氨能充分吸收。多點(diǎn)、定量精確加氨提高氧化器內(nèi)pH值控制精度，保證脫硫區(qū)域氣相游離氨濃度控制得盡量低。在增濃段再增設(shè)輔助加氨系統(tǒng)，使?jié){液中NH4HSO3與NH3充分反應(yīng)，提高系統(tǒng)脫硫效率。改變了原系統(tǒng)只能低指標(biāo)狀態(tài)運(yùn)行、逃逸氨和煙囪拖尾嚴(yán)重的問(wèn)題，使二氧化硫在超低排放運(yùn)行時(shí)能在0～35mg/m3狹小的范圍內(nèi)得到有效控制，同時(shí)充分降低逃逸氨。

4.2 設(shè)施改造

(1)高效除霧器組合的應(yīng)用。對(duì)脫硫塔進(jìn)行加高改造，由原有33m抬高為37m，在此空間加裝三層(見(jiàn)圖4)的屋脊式除霧器；采用升氣帽分層布置的三級(jí)水洗系統(tǒng)中，對(duì)各層間裝有的格柵和填料進(jìn)行優(yōu)選改造，將原有波紋式改為聚乙烯塔式填料(見(jiàn)圖5)；在水洗塔出口增裝旋流式除霧器(見(jiàn)圖6)；通過(guò)采用不同形式的高效組合式除霧器，使各層氣流分布均勻，水洗液梯差濃度得以形成，煙氣溫度得到進(jìn)一步降低，提高了除霧器的汽水、攜帶煙塵和硫化物的分離效率，使煙囪排出的尾氣清晰度得以較大提高。

圖4 脫硫塔出口屋脊式除霧器

圖5 一二級(jí)水洗層塔式填料安裝圖

(2)選用高效螺旋噴嘴。將吸收段和部分水洗段的實(shí)心錐形噴嘴改為新型高效噴嘴，新型噴嘴的最大噴流角度可達(dá)170°。這種結(jié)構(gòu)緊湊的噴嘴有著暢通的流道，可以最大程度地減少液體阻塞，使液體在給定尺寸的管道上達(dá)到最大流量，在0.3MPa壓強(qiáng)下，單個(gè)噴嘴液體流率提高到250 L/min，同時(shí)保證了系統(tǒng)流量泵不做較大的改造。

4.3 技術(shù)應(yīng)用4.3.1 膜法超高效除塵器改造

(1)膜法技術(shù)的應(yīng)用。在130t/h鍋爐除塵器超低改造中，依托南京工業(yè)大學(xué)膜科學(xué)技術(shù)，最終確定了采用校企聯(lián)合方式，引用超高效膜技術(shù)。這一技術(shù)是最新、最前沿的專利技術(shù)，采用的有機(jī)覆膜材料布袋屬專利技術(shù)產(chǎn)品，其原理就是利用表面過(guò)濾的原理，以有效截留微納米粉塵顆粒。

(2)除塵器降壓差改造。保留原袋式除塵器的下部分，除塵器中箱體整體高度增高2m，進(jìn)行上部?jī)魵馐腋脑?，并更換新的膜法技術(shù)長(zhǎng)布袋、袋籠，同步進(jìn)行相關(guān)附屬部件的改造；除塵器不設(shè)置旁通閥,以滿足環(huán)保要求。改造后,除塵器的阻力有較大幅度的下降，形成低壓差高效除塵器。改造后的性能保證值如下：煙塵排放指標(biāo)≤5mg/Nm3,過(guò)濾風(fēng)速≤0.8m/min,濾袋阻力≤800Pa。

4.3.2臭氧脫硝

(1)臭氧脫除原理。與傳統(tǒng)脫硝技術(shù)相比，臭氧脫硝是一種低溫氧化脫硝新環(huán)保工藝，其原理是利用臭氧的強(qiáng)氧化性，將難溶的低價(jià)態(tài)的氮氧化物氧化為可溶的高價(jià)氮氧化物，然后在吸收塔或與濕法脫硫結(jié)合,將氧化物吸收，達(dá)到脫硝的目的。

(2)臭氧脫硝優(yōu)勢(shì)。操作相對(duì)簡(jiǎn)單，能全部實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制調(diào)節(jié)投加量的大??；即能配合傳統(tǒng)的SNCR、SCR傳統(tǒng)工藝使用，不存在氨逃逸對(duì)設(shè)備嚴(yán)重腐蝕等問(wèn)題，運(yùn)行過(guò)程中,過(guò)量的臭氧可以在吸收塔中分解，而不產(chǎn)生二次污染；系統(tǒng)實(shí)施非常簡(jiǎn)便，如在以后的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)提高時(shí)，只需加裝設(shè)備，無(wú)需過(guò)多的改造，建設(shè)快，不影響正常生產(chǎn)；可作為終極脫硝手段，理論上可達(dá)到“近零排放”。

(3)聯(lián)合脫汞。O3同時(shí)可將煙氣中的Hg氧化成Hg2+，也能將SO3進(jìn)行有效聯(lián)合脫除，這對(duì)滿足國(guó)家關(guān)于的SO3脫除、脫汞的要求,可提前做好應(yīng)對(duì)措施，能充分體現(xiàn)出“協(xié)同處理”的優(yōu)勢(shì)。

4.4 優(yōu)化運(yùn)行控制

(1)正交對(duì)比，固化指標(biāo)。影響氨法脫硫工藝的主要指標(biāo)有氧化率(亞硫酸銨濃度的高低)、pH值、溫度、空氣流量和流速等。其中,滿足煙氣分布均勻、與吸收溶液充分接觸、實(shí)現(xiàn)強(qiáng)制混合反應(yīng)，是運(yùn)行操作控制的關(guān)鍵，通過(guò)控制氧化器運(yùn)行液位來(lái)提高氧化效果工作性能；通過(guò)交叉試驗(yàn)，確定吸收液pH值最佳值為5.5～6.5，煙氣拖尾可得到有效控制。

(2)提高氧化風(fēng)風(fēng)壓。選用高風(fēng)壓氧化風(fēng)機(jī)，用羅茨風(fēng)機(jī)分別送入空氣,在氧化器吸收段、脫硫塔增濃段內(nèi)進(jìn)行雙段強(qiáng)制氧化、雙段氧化的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了漿液系統(tǒng)全過(guò)程氧化，抵制其易分解的逆反應(yīng)發(fā)生。運(yùn)行上提高氧化風(fēng)風(fēng)壓，確保氧化風(fēng)壓力控制在75～85kPa，測(cè)定漿液系統(tǒng)氧化率提高到99.9%以上；氧化風(fēng)管上增加沖洗水管路，并定期沖洗防堵塞，從設(shè)計(jì)上就減少了其被煙氣攜帶的量，降低了溶液中的亞硫酸銨組分。

5 超低排放改造后效果

5.1 環(huán)保排放指標(biāo)

超低排放改造全部完成后投入運(yùn)行，經(jīng)試運(yùn)行調(diào)整后，三大重要指標(biāo)運(yùn)行數(shù)據(jù)能在超低排放要求內(nèi)得到有效控制，系統(tǒng)調(diào)節(jié)靈活。環(huán)保監(jiān)督性檢測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 超低排放排放口檢測(cè)數(shù)據(jù)

5.2 主要技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)

環(huán)保改造主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比見(jiàn)表3。

表3 環(huán)保改造主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)對(duì)比

6 結(jié)語(yǔ)

在短短的幾年時(shí)間內(nèi)，國(guó)家環(huán)保政策日趨嚴(yán)厲，熱電廠環(huán)保設(shè)施經(jīng)歷了總量排放、限值排放、特標(biāo)排放、超低排放等提標(biāo)改造階段。熱電廠在超低排放改造中，遵循了“協(xié)同處理、綜合治理”的原則，實(shí)現(xiàn)了熱電廠和公司化工生產(chǎn)的綜合治理，提升了熱電廠環(huán)保處理能力，體現(xiàn)了公司內(nèi)部技術(shù)力量和新技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。熱電廠環(huán)保超低裝置經(jīng)受了“進(jìn)博會(huì)”和當(dāng)?shù)卣笃髽I(yè)“10·30”提前實(shí)施超低排放的嚴(yán)峻政治考驗(yàn)，有力地為裝置滿負(fù)荷生產(chǎn)提供了環(huán)保保障。