燃煤機(jī)組超低排放環(huán)保設(shè)施控制及儀表綜述

倪新宇

（望亭發(fā)電廠，江蘇蘇州 215155）

燃煤機(jī)組超低排放環(huán)保設(shè)施控制及儀表綜述

倪新宇

（望亭發(fā)電廠，江蘇蘇州 215155）

燃煤發(fā)電機(jī)組煙氣超低排放標(biāo)準(zhǔn)及改造計(jì)劃已在國家“十三五”計(jì)劃中明確，在加快推進(jìn)環(huán)保改造的大背景下，在已經(jīng)取得成功的基礎(chǔ)上，總結(jié)介紹了脫硝、除塵、脫硫設(shè)施的綜合治理、控制策略、煙氣污染物濃度的測量技術(shù)。

超低排放；環(huán)保設(shè)施；煙氣污染物測量

1 火電機(jī)組超低環(huán)保形勢

自2016年1月1日起，施行新的《中華人民共和國大氣污染防治法》，國家發(fā)展改革委、環(huán)境保護(hù)部、國家能源局貫徹落實(shí)2015年《政府工作報(bào)告》關(guān)于“推動燃煤電廠超低排放改造”的要求，推進(jìn)煤炭清潔高效利用，促進(jìn)節(jié)能減排和大氣污染治理，決定實(shí)行燃煤電廠超低排放電價(jià)支持政策?！痘舅悸贰诽岢?，全國其他地區(qū)以控制PM10為重點(diǎn)，省會及計(jì)劃單列市等中心城市兼顧PM2.5和O3的控制。根據(jù)城市污染程度和改善的不同，對接近標(biāo)準(zhǔn)的城市提出達(dá)標(biāo)時間要求，對超標(biāo)嚴(yán)重的城市提出濃度下降比例要求。燃煤電廠PM2.5污染物78%屬于可冷凝顆粒物，只有22%屬于可過濾的顆粒物，燃煤電廠PM2.5的控制主要是酸霧（SO3mist）的控制。SO3mist是煙氣中的SO3蒸汽在降到酸露點(diǎn)后冷凝成超細(xì)顆粒的物質(zhì)，美國已將其歸入總粉塵排放的計(jì)算值［1］。

2 環(huán)保設(shè)施的作用

以某煙煤煤粉鍋爐為例，來認(rèn)識燃煤鍋爐出口未經(jīng)環(huán)保設(shè)施處理的煙氣成分，其中主要污染物見表1（標(biāo)態(tài)，下同）。

表1中“其他”主要成分的煙塵（顆粒物）、SO2、NOx為煙氣環(huán)保考核的污染物。經(jīng)過脫硝、除塵、脫硫等一系列環(huán)保設(shè)施來綜合凈化，使煙氣中的主要污染物大幅降低，達(dá)到排放限值，見表2。

表1 煙氣成分

發(fā)電機(jī)組在達(dá)到煙氣超低排放指標(biāo)時，一共可以得到0.037元/（kW·h）的電價(jià)補(bǔ)貼。

3 環(huán)保設(shè)施控制

一種超低環(huán)保設(shè)施配置如圖1所示，包含脫硝（SCR）、空氣預(yù)熱器（RH）、電除塵器（ESP）、引風(fēng)機(jī)（FAN）、煙加熱水換熱器（GMH）、濕法脫硫（FGD）、水加熱煙換熱器（MGH）、煙囪。電除塵也可以是布袋或電袋復(fù)合除塵器。利用熱媒水將煙氣排放溫度加熱到露點(diǎn)以上。

近零（近燃機(jī)排放）環(huán)保設(shè)施配置如圖2所示，增加了濕式電除塵器（WESP），并且GMH布置在電除塵之前，造就了低低溫除塵技術(shù)的應(yīng)用。

控制分配原則：鍋爐的分散控制系統(tǒng)（DCS）負(fù)責(zé)SCR，AH，F(xiàn)AN；脫硫的分散控制系統(tǒng)（FGD-DCS）負(fù)責(zé)FGD，WESP，GMH，MGH；EPS以及WESP的靜電場控制系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)可以通信給FGDDCS。當(dāng)鍋爐DCS與脫硫DCS采用同一型號時，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電與環(huán)保大集控，有利于環(huán)保數(shù)據(jù)的存儲和上傳；有利于環(huán)保設(shè)施的運(yùn)行監(jiān)控，以及煙氣的余熱利用、協(xié)同治理顆粒物，還有SO3和氨鹽等全治理，甚至全負(fù)荷脫硝。

表2 凈化后的污染物排放限值

圖1 一種超低環(huán)保設(shè)施流程

圖2 一種近零排放環(huán)保設(shè)施流程

有必要在各運(yùn)行崗位的DCS界面設(shè)置排放口數(shù)據(jù)的熱工信號報(bào)警，當(dāng)躍限或數(shù)據(jù)失效時皆能發(fā)出報(bào)警，以便及時處理。

3.1 脫硝SCR的工作原理和控制原理

選擇性催化還原法（SCR）是指在催化劑的作用下，以NH3作為還原劑，有選擇性地與煙氣中的NOx反應(yīng)并生成無毒無污染的N2和H2O。氨氣先與20倍自己體積的空氣混合，再與320～360℃煙氣混合，迅速進(jìn)入催化劑層。氨氣擴(kuò)散到催化劑的微孔中，并被該活性區(qū)域所吸收，NOx便與被吸收的NH3完成脫硝反應(yīng)。脫硝過程發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)式為：

式（1）表明去除NO所需要的NH3的分子個數(shù)相當(dāng)，煙氣中的含氧量也能滿足反應(yīng)的需求。

脫硝的噴氨量控制策略為：在催化劑合理工作溫度范圍內(nèi)，采用多種優(yōu)化控制方案，克服鍋爐燃燒及測量產(chǎn)生的各種擾動，穩(wěn)定調(diào)整氨氣量，將SCR后的NOx質(zhì)量濃度作為被調(diào)量，將其控制在合理區(qū)域，如25～40mg/m3（標(biāo)態(tài)，下同），同時需要兼顧氨氣逃逸不超標(biāo)，通常煙氣中氨氣質(zhì)量濃度不大于2.28mg/m3?？刂破焚|(zhì)越好，氨逃逸量就越少，空預(yù)器阻力增加越慢，廠用電越?。?］。

脫硝的煙氣連續(xù)在線測量系統(tǒng)（CEMS）配置，主要測量SCR前后NO及氧量，以及氨逃逸濃度，也可以設(shè)置煙氣流速等輔助參數(shù)測量。由于CEMS為點(diǎn)式抽取采樣測量，單測點(diǎn)盡可能布置在最佳代表點(diǎn)位置附近。

脫硝控制一般由鍋爐側(cè)DCS的MCS，SCS或SCR控制器完成，脫硝設(shè)施運(yùn)行數(shù)據(jù)通過電廠實(shí)時數(shù)據(jù)系統(tǒng)（SIS）向上級監(jiān)管部門傳送環(huán)保數(shù)據(jù)。

3.2 除塵的工作原理和控制原理

靜電除塵器是利用高壓電場使煙氣發(fā)生電離，氣流中的粉塵荷電在電場作用下與氣流分離。靜電除塵器的性能受3大類因素影響：第1類工況條件包括煤質(zhì)、飛灰成分、飛灰物理性質(zhì)及煙氣條件；第2類是電除塵器的技術(shù)狀況，包括極配形式、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、振打特性、流場均勻性以及電場劃分情況、電氣控制特性等；第3類是運(yùn)行條件，包括二次電流、電壓［3］。近年來，國內(nèi)環(huán)保企業(yè)通過一系列技術(shù)手段，靜電除塵器已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)除塵器出口的煙塵質(zhì)量濃度不超過20mg/m3；采用電袋復(fù)合或全濾袋除塵器，已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)不超過10mg/m3的要求。

除塵器的控制根據(jù)除塵設(shè)施采用不同的控制設(shè)備，如靜電除塵的靜電場的高頻電源控制裝置及連續(xù)振打裝置；濾袋除塵主要是相對簡單的脈沖閥控制。

輸灰系統(tǒng)包括灰斗蓄灰和倉泵輸灰系統(tǒng)。

濾袋除塵、輸灰系統(tǒng)的程控通常由PLC實(shí)現(xiàn)，然后與DCS通信實(shí)現(xiàn)凈煙集控，也可以直接由DCS實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。高頻電源控制裝置與PLC或DCS通信，除塵設(shè)施運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)一通信至脫硫DCS，包括靜電場、脈沖閥、輸灰系統(tǒng)等數(shù)據(jù)，統(tǒng)一由DCS-SIS向上級監(jiān)管平臺傳送。

CEMS儀表主要為除塵器出口煙塵儀表，通常布置在引風(fēng)機(jī)進(jìn)口或出口的垂直煙道上，選擇激光散射型儀表。

停機(jī)以后的一段時間內(nèi)，由于爐內(nèi)、煙道內(nèi)的粉塵還較多，有角落里堆積的，也有懸浮在煙氣中的，應(yīng)該盡量延長除塵器的運(yùn)行時間，避免將粉塵污染到除塵器后的干凈煙道以及MGH換熱器鰭片上，同時也為了減少粉塵排入大氣中。

輸灰系統(tǒng)在運(yùn)行中，尤其在輸灰設(shè)備故障時要做好防止二次揚(yáng)塵的措施，保證超低排放的實(shí)現(xiàn)。

3.3 FGD的工作原理和控制原理

濕法脫硫原理：當(dāng)吸收液通過噴嘴噴淋煙氣流，被分散成細(xì)小的液滴并覆蓋吸收塔的整個斷面，液滴與煙氣逆流時吸收了SO2，從而脫除煙氣中的SO2。同時吸收了SO2的吸收液滴回到漿液池中，加氧并攪拌，完成氧化反應(yīng)和中和反應(yīng)。生成副產(chǎn)品石膏CaSO4，濾液水可以反復(fù)使用。

在漿液噴淋吸收的過程中，還附帶洗滌了煙氣中的顆粒物及Cl-，F(xiàn)-。吸收塔的上部還安裝了除霧器，去除煙氣中攜帶的吸收液滴，其洗塵和除霧作用將是脫硫設(shè)施協(xié)同除塵的兩個重要性能。尤其在超低排放要求下，當(dāng)FGD入口煙塵稍大時，通過增加漿液循環(huán)泵的運(yùn)行，達(dá)到一定的液氣比，來保證FGD出口煙氣的顆粒物濃度。

采用高效優(yōu)質(zhì)除霧器產(chǎn)品，確保吸收塔出口霧滴質(zhì)量濃度不高于20mg/m3，即顆粒物攜帶5mg/m3。

脫硫工藝主要控制是吸收塔出口煙氣中SO2的濃度，包含吸收塔漿池漿液pH值、進(jìn)漿密度與流量、石膏排漿密度等子控制，當(dāng)有增壓風(fēng)機(jī)的系統(tǒng)還包含煙氣壓力控制。

定性分析脫硫控制過程，首先保證漿液循環(huán)噴淋流量與煙氣中SO2流量相適應(yīng)。煙氣中SO2流量可以通過DCS計(jì)算出，漿液噴淋流量可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)采用不同的循環(huán)泵運(yùn)行組合來實(shí)現(xiàn)調(diào)整。在石灰石-石膏法脫硫過程中，一個十分重要的運(yùn)行參數(shù)就是吸收塔漿液的pH值。從實(shí)際的使用過程中可知，pH值的高低，對于SO2的吸收程度有著直接的影響，漿液pH值高，傳質(zhì)系數(shù)就會增加，對SO2的吸收速度就會加快。但太高的pH值會造成石灰石的溶解困難，加重系統(tǒng)結(jié)垢，影響設(shè)備整體的運(yùn)轉(zhuǎn)效率。太低的pH值有利于石灰石的溶解，但是會降低SO2吸收的效果。根據(jù)各系統(tǒng)不斷積累的經(jīng)驗(yàn)，吸收塔的漿液pH值選擇在5.2～5.8是比較合適的。

在石膏漿液pH值控制中，一般通過DCS人工操作在保證漿池液位在合理范圍內(nèi)，排出pH值低的石膏漿液、加入pH值較高的石灰石漿液，實(shí)現(xiàn)控制pH值在合理范圍內(nèi)。如果需要實(shí)現(xiàn)自動調(diào)節(jié)，可以采用串級調(diào)節(jié)、前饋控制、速率限制、閥門開度限制、變比例、變設(shè)定參數(shù)等手段來優(yōu)化控制邏輯。

控制石膏漿液pH值的同時控制密度在1 170 kg/m3，注意吸收塔漿池的水平衡。石灰石漿液的密度控制在1240 kg/m3。

吸收塔漿達(dá)到攪拌器運(yùn)行液位以上時保持連續(xù)運(yùn)行。氧化風(fēng)流量由風(fēng)機(jī)運(yùn)行數(shù)量確定，一般人工控制。

脫硫設(shè)施熱工保護(hù)的主要功能是：防止高溫?zé)煔饬魅雽?dǎo)致吸收塔及煙道防腐材料過熱脫落以及除霧器變形。

運(yùn)行溫度一般超溫時采取事故噴淋降溫的保護(hù)措施，控制邏輯如下：

（1）自啟動條件（與）：吸收塔進(jìn)口煙氣溫度（3取2）＞140℃，吸收塔出口煙氣溫度＞60℃，延時5 s。

（2）自動停條件（或）：吸收塔進(jìn)口煙氣溫度（3取2）＜130℃，延時30 s，噴淋啟動后15min。

運(yùn)行溫度緊急超溫時停用FGD且切斷脫硫煙氣通道，同時機(jī)組跳閘停運(yùn)，其邏輯為下列3個條件之1：條件1，吸收塔進(jìn)口溫度≥150℃（3取2），且吸收塔出口煙氣溫度＞75℃，延時5 s動作；條件2，吸收塔進(jìn)口溫度≥180℃（3取2），延時10 s；條件3，F(xiàn)GD循環(huán)泵全停。

如有增壓風(fēng)機(jī)，作為發(fā)電機(jī)組的第一重要輔機(jī)，其保護(hù)程控和煙氣壓力控制是極其重要的，熱控裝置配置參照主機(jī)保護(hù)與控制，在此不作累述。

脫硫工藝輔助控制包括除霧器沖洗間斷運(yùn)行的順控，輔機(jī)的聯(lián)鎖與保護(hù)程控包括漿液循環(huán)泵系統(tǒng)、氧化系統(tǒng)、攪拌器、石膏脫水系統(tǒng)、排水坑系統(tǒng)等。

3.4 煙煙換熱環(huán)保設(shè)施的工作和控制原理

由于回轉(zhuǎn)式GGH的漏煙造成排放污染物濃度持續(xù)較高，超低排放環(huán)保設(shè)施就必須擯棄GGH。根據(jù)煙囪的設(shè)計(jì)煙溫，如超過漿液吸收塔后煙溫50℃，就需要將煙氣再加熱，即改造成管式熱媒水換熱器（GMGH）。為了實(shí)現(xiàn)超低排放，電除塵的除塵效率需由99.75%提高到99.94%，電除塵出口顆粒物質(zhì)量濃度由81mg/m3降到20mg/m3。綜合以上因素，將電除塵前的煙氣熱量通過熱媒水GMGH系統(tǒng)傳遞到煙囪前的煙氣中。這時設(shè)計(jì)的電除塵器即為低低溫電除塵器。降溫段（煙氣加熱水GMH）出口煙氣溫度的設(shè)定值主要從低溫腐蝕、工程經(jīng)濟(jì)性和電除塵器效率3個方面進(jìn)行綜合考慮。升溫段（水加熱煙氣MGH）煙氣溫度主要是從煙囪防腐、消除白煙、有利煙氣抬升高度等角度考慮，如圖3所示。

GMGH系統(tǒng)的控制要點(diǎn)是保持降溫器出口煙氣溫度在煙氣酸露點(diǎn)以上，保證換熱管材的腐蝕速度在合理范圍內(nèi)：

（1）循環(huán)泵變頻調(diào)速改變循環(huán)水流量，控制降溫器出口總平均煙溫在95℃；

（2）n個調(diào)節(jié)閥，控制n個降溫器的出口煙溫在95℃，避免煙氣流量不平衡而個別煙溫下降太低；

（3）旁路調(diào)節(jié)閥控制降溫器出口平均煙溫在95℃，在循環(huán)泵較低轉(zhuǎn)速下才自動投入；

如果煙囪可以接受48℃的煙溫，則換熱器可以作為低溫省煤器進(jìn)行預(yù)熱回收使用。

如果采用電袋復(fù)合除塵，布袋運(yùn)行煙溫下限是105℃，以及布置場地等因素的限制，GMGH的降溫段布置在除塵器到吸收塔之間的煙道中，GMGH的升溫段盡量布置靠近煙囪排放口。

降溫器冷段金屬防酸腐蝕要求降溫段熱媒水溫度控制在70℃，通過啟動輔助加熱器控制升溫器出口溫度。

3.5 濕法電除塵器環(huán)保設(shè)施的工作及控制原理

根據(jù)顆粒物排放指標(biāo)，在5mg/m3時需采用濕除來保證。依靠靜電捕捉細(xì)小顆粒物和水霧，并周期性用水沖洗集塵電極板，不僅脫除PM2.5，PM10的煙塵、石膏，還能脫除一定的SO3和Hg，對減少霧霾起到一定的作用。

高壓高頻除塵系統(tǒng)的放電電流控制是1個獨(dú)立的控制系統(tǒng)，由高壓高頻電源控制柜中的PLC控制，可根據(jù)運(yùn)行方式的需要由手動、自動及PLC遠(yuǎn)程和顯示控制，高壓（輸出）低壓（輸入）系統(tǒng)的電源工作電流、開關(guān)狀態(tài)、儀表信號及其他信號均在控制室HMI上顯示，高低壓控制系統(tǒng)可根據(jù)工藝運(yùn)行要求設(shè)置自動控制。

濕除高壓高頻電源PLC與濕除DCS之間通信，并在脫硫DCS操作員站上實(shí)現(xiàn)高壓高頻電源的自動程控功能，包括電源的啟停程控、參數(shù)設(shè)置、查看運(yùn)行曲線及報(bào)表、故障報(bào)警等。

直接由DCS實(shí)現(xiàn)監(jiān)控的部分包括：煙氣系統(tǒng)、水沖洗系統(tǒng)、電場絕緣箱密封風(fēng)及加熱器系統(tǒng)、陰極熱風(fēng)吹掃系統(tǒng)。

當(dāng)濕除阻力增大時要適當(dāng)增加沖洗頻次，減少極板結(jié)垢。在運(yùn)行中，還要注意根據(jù)高頻電源的功率及時調(diào)整電壓，避免超限跳閘。

4 儀表選型

煙氣污染物濃度分析儀表選型的主要參數(shù)是儀表的最小量程（在滿足精度條件下）。最小量程是分析儀的物理量程，反映了儀表最小檢出值、靈敏度、精度、零飄、量飄等綜合性能。使用量程可以是最小量程的1～4倍。

4.1 排放口氣態(tài)污染物的測量原理

常見的非分散紅外吸收（NDIR）法和紫外差分吸收光譜（DOAS）法相比，DOAS的物理量程比NDIR小。在超低排放測量中選型合適，兩者皆可運(yùn)用。超低排放測量預(yù)處理要有更強(qiáng)的除水率，可采用多級高效冷凝器，或采用滲透膜材料制成的干燥管技術(shù)，干燥管的SO2丟失濃度更低。

圖3 GMGH過程系統(tǒng)

SO2紫外熒光法紫外光線激發(fā)SO2發(fā)出一定波長的紫外光；NOx化學(xué)發(fā)光法，亞穩(wěn)態(tài)的NO與來自臭氧發(fā)生器的O3氣體發(fā)生反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為激發(fā)態(tài)的NO2*。當(dāng)激發(fā)態(tài)的NO2*躍遷到基態(tài)時發(fā)射出光子，光信號由光電倍增管按特定波長檢測接收。由于這兩種方法測量濃度較低，煙氣預(yù)處理適合采用稀釋法處理。

4.2 煙塵（顆粒物）測量原理

根據(jù)測量煙塵濃度大小范圍來選擇測量原理，由大到小的排列次序?yàn)椋航佑|靜電法、光透射法、激光后散色法、激光前散色法、β射線吸收法。當(dāng)煙氣溫度接近露點(diǎn)時，為了避免霧滴的干擾，需要增加煙氣預(yù)處理裝置，用加熱方法蒸發(fā)并氣化水霧。

4.3 CEMS的注意事項(xiàng)

測點(diǎn)的布置要綜合考慮CEMS測點(diǎn)與比對監(jiān)測測點(diǎn)以及環(huán)保設(shè)施性能；CEMS的系統(tǒng)響應(yīng)時間標(biāo)準(zhǔn)要求小于200 s；煙塵做到等速采樣；儀表的線性誤差、零點(diǎn)漂移、量程漂移指標(biāo)也要符合標(biāo)準(zhǔn)。

排放口的最終NOx要反映煙氣中NO和NO2的總和，CEMS選型要注意產(chǎn)品的環(huán)保認(rèn)證有效，考慮煙氣的溫度、壓力、流速是否滿足儀表工作條件，以及周圍環(huán)境的要求。

布置在高塵、高流速區(qū)的熱工采樣探頭、測溫袋需要考慮其耐磨性，采取有效措施延長使用壽命。采樣探頭插入深度最好在1.2m以上。除了采樣探頭以外的其他測量探頭也需要采取防止低溫結(jié)露腐蝕的措施，比如電加熱、保溫包裹法蘭管。超低排放環(huán)保設(shè)施監(jiān)控及自行監(jiān)測CEMS的儀表選型見表3。

表3 CEMS儀表選型

5 結(jié)束語

今后還需進(jìn)一步總結(jié)與超低排放技術(shù)相適應(yīng)的控制與測量經(jīng)驗(yàn)，研究SO3、氧化汞、氣溶膠的脫除控制與測量技術(shù)，在今后的工程或運(yùn)行中，將環(huán)保設(shè)施的效率、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、自動化水平、測量的準(zhǔn)確性都得到提高。

［1］張孔瑜，曾之俊.燃煤電廠PM2.5污染物控制方案［C］.2015年電力行業(yè)節(jié)能環(huán)保論壇暨技術(shù)應(yīng)用交流會論文集.北京：中國電力企業(yè)聯(lián)合會，2015.

［2］倪新宇.火電廠脫硝系統(tǒng)控制分析及優(yōu)化［J］.華電技術(shù)，2015，37（2）：65-67.

［3］酈建國，林澄波，沈志昂.全國環(huán)保產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.電除塵器［M］.北京：中國電力出版社，2011.

（本文責(zé)編：齊琳）

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1674-1951（2016）11-0055-05

倪新宇（1970—），男，江蘇蘇州人，工程師，從事火電廠熱工控制方面的工作（E-mail：chdwdnxy＠163.com）。

2016-05-04；

2016-09-01