600 MW燃煤電廠超低排放技改方案及應用

程永新

（中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071）

600 MW燃煤電廠超低排放技改方案及應用

程永新

（中國電力工程顧問集團中南電力設計院有限公司，湖北 武漢 430071）

為實現(xiàn)某600 MW燃煤電廠煙氣污染物排放達到超低排放的目標，結合技改前煙氣系統(tǒng)配置及布置情況，采用以低低溫為核心的煙氣協(xié)同治理技術路線，提出了 “鍋爐燃燒器低氮改造+脫硝裝置（備用層加裝催化劑）+煙氣冷卻器+低低溫靜電除塵器+脫硫裝置（交互式噴淋及托盤）+濕式電除塵器+煙氣再熱器+干煙囪”的技改方案。通過提效改造后，煙氣氮氧化物、二氧化硫、煙塵排放濃度分別為36.8mg/Nm3、21.6mg/Nm3、1.7mg/Nm3，性能指標優(yōu)于燃機排放限值。利用低低溫煙氣余熱系統(tǒng)中多余的熱量加熱凝結水，由此可節(jié)約標煤耗0.59 g/kW·h。該項目超低排放技改方案的成功應用，可為后續(xù)類似工程技改時設計參考。

燃煤電廠；超低排放；協(xié)同治理；低低溫靜電除塵器；濕式靜電除塵器；低氮燃燒器

0　引言

針對燃煤電廠煙氣污染物高效脫除技術，德國諾爾公司和美國巴威公司分別開發(fā)了雙循環(huán)和托盤技術，脫硫效率均可達98%以上。對于脫硫塔協(xié)同除塵能力的研究，日本已較早應用于Haramachi、碧南等電廠，其濕法脫硫塔出口煙塵濃度可控制在5 mg/m3以下。美國是率先對燃煤電站提出控制PM2.5排放的國家，主要通過在脫硫塔后設置濕式電除塵器來脫除PM2.5。國內燃煤電廠煙氣污染物治理常規(guī)技術路線主要側重于單一設備脫除單一污染物，沒有考慮各設備間的協(xié)同脫除效應，導致脫除效果難以滿足現(xiàn)行超低排放標準的要求。近年來，國內相關企業(yè)自主研發(fā)或采用引進技術，已提出了多種超低排放技術路線。其中以低低溫為核心的煙氣協(xié)同治理技術路線，成為當前國內新（改）建工程中超低排放的主要技術方案［1，2］。以某600 MW超超臨界燃煤機組超低排放改造為例，分別對脫硝、除塵、脫硫系統(tǒng)的改造方案進行闡述及分析，采用煙氣協(xié)同治理技術實現(xiàn)超低排放的同時，還可利用低低溫煙氣余熱系統(tǒng)中多余的熱量加熱凝結水以節(jié)約煤耗，真正實現(xiàn)了燃煤電廠節(jié)能減排的雙重目標。

1　改造前煙氣系統(tǒng)主要配置簡介

1.1鍋爐

鍋爐為哈爾濱鍋爐廠提供的超超臨界變壓運行直流鍋爐，型號為HG-1795/26.15-YM1，П型布置、單爐膛、改進型低氮 PM（Pllution-Minimum）主燃燒器和分級送風燃燒系統(tǒng)、墻式切圓燃燒方式，一次中間再熱、平衡通風、固態(tài)排渣、全鋼架懸吊結構。

1.2脫硝系統(tǒng)

脫硝系統(tǒng)采用選擇性催化還原SCR（Selective Catalytic Reduction）技術，還原劑選用液氨。在設計煤種、600 MW工況、入口NOx濃度≤450 mg/Nm3條件下，催化劑采用2+1模式設置（運行初期安裝2層催化劑，預留第3層催化劑空間），脫硝效率不小于80%。脫硝系統(tǒng)采用雙反應器，布置在省煤器與空氣預熱器之間的高含塵區(qū)域。

1.3靜電除塵器

每臺鍋爐配置2臺雙室四電場靜電除塵器，型號為:2BEL459/2-4。除塵器進口煙氣溫度120℃，入口煙塵濃度為29.5 g/m3，保證除塵效率≥99.7%。該廠于2011年對第一電場原工頻電源進行了高頻電源（GGYAJ-1.8A/72KV）及相關控制系統(tǒng)升級改造。

1.4脫硫系統(tǒng)

脫硫系統(tǒng)采用石灰石一石膏濕法工藝，一爐一塔，設置有脫硫增壓風機及回轉式GGH（Gas-Gas Heater），吸收塔采用噴淋塔，配備3臺漿液循環(huán)泵及3層噴淋層，無托盤，設置2層屋脊式除霧器。在燃用設計煤種（S=1.0%），脫硫效率按不小于95%設計。

2　超低排放改造設計邊界條件及技術路線選取原則

2.1超低排放改造設計邊界條件

對于改造工程而言，煤質資料的分析及確定是重要的設計邊界條件之一。本案例原設計煤種為淮南煙煤，校核煤種為晉北煙煤。但電廠實際運行燃煤來源不定，煤種較多且變化較大，因此環(huán)保技改工程需結合實際燃用的煤質資料、灰分成份及煤炭摻燒情況確定技改煤質資料，見表1所示（部分內容）。

表1　技改煤質資料

2.2超低排放改造技術路線選取原則

超低排放改造在充分利用現(xiàn)有設備的基礎上應盡可能降低能耗和成本。目前各種超低排放技術路線方案中，利用煙氣協(xié)同治理技術是當前應用較多的方案之一。所謂煙氣協(xié)同治理技術是指在同一設備內實現(xiàn)兩種及以上的煙氣污染物的同時脫除，或為下一流程設備的污染物脫除創(chuàng)造有利條件，以及某種煙氣污染物在多個設備間高效聯(lián)合脫除的技術［3，4］。該技術路線以低低溫電除塵器為核心要素，根據(jù)相關研究成果［5］，適用于煙氣灰硫比CD/S大于100的燃煤電廠。

根據(jù)技改煤質資料計算，灰硫比為334（設計煤質）、248（校核煤質），滿足煙氣協(xié)同治理技術路線中以低低溫為核心要素的應用條件。綜合考慮現(xiàn)有系統(tǒng)配置及遠期減排目標，提出了如下超低排放技術路線，其基本藝流程如圖1所示。

圖1　煙氣超低排放技術路線工藝流程圖

3　脫硝系統(tǒng)

3.1脫硝系統(tǒng)運行情況

鍋爐原設計采用的是由哈爾濱鍋爐廠配備的PM主燃燒器+分級送風燃燒系統(tǒng)。最低穩(wěn)燃負荷到滿負荷運行中省煤器出口處NOx的排放濃度維持在300～600 mg/m3之間，偏離設計值保證值≤450 mg/m3范圍。2013年，該廠對兩臺機組進行了加裝脫硝系統(tǒng)的改造，采用2+1層蜂窩式催化劑，鍋爐整體NOx排放水平基本控制在45～80 mg/m3左右。

3.2脫硝系統(tǒng)改造技術方案

（1）鍋爐低氮燃燒器改造

主燃燒器保持原有標高不變，將現(xiàn)有的PM燃燒器全部更換為新型 M-PM（Mitsubishi Pllution-Minimum）燃燒器［6］，每墻更換5個，共20個。新增二次風噴口每墻5個，共20個。煤粉管道由PM分離器至燃燒器入口段更換直管段，包括三維膨脹節(jié)20只。附加燃燼風A-A（Additional Air）燃燒器保持原有標高更換噴口，每角8個，共32個。通過低氮燃燒器改造后，在40% ～100%BMCR工況下省煤器出口（即SCR進口）NOx排放≤260 mg/Nm3。

（2）SCR脫硝裝置提效方案

脫硝裝置原設計初裝兩層催化劑，設計脫硝效率80%，預留第三層催化劑安裝空間。脫硝提效需增加催化劑體積，可采用在預留層增加催化劑方案，即3層催化劑均投運，脫硝入口濃度按照300 mg/Nm3、脫硝效率85%進行設計，改造后SCR出口NOx濃度降低到45 mg/Nm3以下。經核算，燃燒控制優(yōu)化后脫硝系統(tǒng)需氨量小于原設計值，因此氨區(qū)所有設備均不需要重新選型，只需在預留層新增催化劑及聲波吹灰器，更換SCR氨氣調節(jié)閥即可。

在鍋爐實施低氮燃燒改造的基礎上，通過SCR脫硝裝置利用備用層催化劑等措施，該廠機組煙氣的NOx排放可滿足超低排放要求，但改造后SCR系統(tǒng)阻力略增加約200 Pa，引風機運行電耗約增加2%，同時由于SCR入口NOx濃度由450 mg/Nm3降低到260 mg/Nm3，SCR液氨耗量降低，單臺鍋爐每年可節(jié)省液氨費用約189萬元。

4　除塵系統(tǒng)

4.1除塵器系統(tǒng)運行情況

由于實際運行燃煤來源不穩(wěn)定，尤其在滿負荷運行時，除塵器出口平均煙塵排放濃度約35 mg/Nm3。

4.2除塵系統(tǒng)改造技術方案

（1）管式煙氣加熱器 MGGH（Mitsubishi Gas-Gas heater）+低低溫靜電除塵器

由于機組實際運行排煙溫度最高達到150℃以上，為了充分利用煙氣余熱及提高除塵效率，采用了低低溫電除塵技術，將電除塵器入口煙氣溫度降至酸露點以下，從而降低煙塵比電阻及煙氣體積流量，提高除塵性能及效率［7，8］。煙氣余熱系統(tǒng)采用兩級煙氣換熱器，第一級煙氣冷卻器設置在除塵器入口，將煙氣溫度從150℃降至85℃；第二級煙氣再熱器設置在濕式電除塵器出口，拆除原有回轉式GGH，將脫硫凈煙氣溫度從46℃升至72℃，此系統(tǒng)采用閉式循環(huán)水作為媒介，與煙氣進行熱交換，圖2為管式MGGH系統(tǒng)示意流程。

圖2　管式MGGH系統(tǒng)示意流程圖

另外，在除塵器一電場配置高頻電源的基礎上對最后兩電場設置脈沖電源，單臺爐共計8臺脈沖電源。在除塵器入口煙塵濃度為17g/Nm3（技改設計煤質）時，除塵效率提升至99.89%，除塵器出口煙塵含量控制在15mg/Nm3。并且將原除塵器灰斗、灰斗氣化風、瓷軸絕緣子等整套低壓電加熱改造成蒸汽加熱［9，10］，即利用輔助蒸汽對除塵器灰斗進行加熱，使灰斗溫度達到100 ～120℃，其凝結水為高溫飽和水，再分別通入瓷套瓷軸熱風加熱器和灰斗氣化風加熱器，將瓷套瓷軸風加熱到110～120℃，灰斗氣化風加熱到120～150℃，最后成為60～70℃的過冷水排放至疏水擴容器水箱，全系統(tǒng)蒸汽熱利用效率接近90%。此系統(tǒng)方案以適應低低溫除塵技術，滿足節(jié)能、除塵和輸灰通暢的要求。圖3為改造后的低低溫靜電除塵器入口煙氣冷卻器平面布置。

（2）濕式靜電除塵器

濕式靜電除塵器與干式電除塵器除塵原理基本相同，都要經歷氣體電離、粉塵荷電、收集和清灰四個階段。與干式電除塵器振打清灰不同的是，濕式電除塵器采用自沖刷、噴霧沖刷和液膜沖刷等方式來進行清灰。目前國內外濕式電除塵器技術主要差別在于陽極板材質的選取，主要有柔性電極、金屬電極和導電玻璃鋼電極三種形式［11］。

圖3　低低溫靜電除塵器入口煙氣冷卻器平面布置

根據(jù)相關文獻表明［12］，金屬板式濕式靜電除塵器不僅對微細顆粒物PM2.5具有較高的脫除效率，而且對含濕氣體中的SO3酸霧、重金屬等具有良好的協(xié)同脫除效果。故本工程在脫硫吸收塔后加裝2臺雙室兩電場金屬板式濕式靜電除塵器，同極距為300 mm，陽極板板長為11 m，煙氣流速為2.3 m/s。濕式靜電除塵器的煙氣處理能力可滿足各種工況的煙氣量，顆粒物脫除效率按入口最大20 mg/Nm3、出口3 mg/Nm3時設計，去除率不小于85%。圖4為改造后的濕式靜電除塵器及煙氣再熱器平面布置。

圖4　濕式靜電除塵器及煙氣再熱器平面布置

5　脫硫改造技術方案

5.1脫硫系統(tǒng)運行情況

自脫硫系統(tǒng)投產后其脫硫效率等性能參數(shù)在達到峰值之后呈下降趨勢，主要原因有回轉式GGH漏風增加、漿液循環(huán)泵出力不夠、噴淋層堵塞等。在平均含硫量為0.55%時，對應的煙囪出口SO2排放濃度約為75 mg/Nm3。同時考慮到本項目回轉式GGH漏風現(xiàn)象較為嚴重，為保證脫硫效率，故將回轉式GGH拆除并在此基礎上進行脫硫提效改造。

5.2脫硫系統(tǒng)改造技術方案

綜合考慮原有脫硫系統(tǒng)的配置情況以及現(xiàn)場場地條件等因素，脫硫提效采用 “托盤+兩層標準噴淋層+一層交互式噴淋層”方案。通過吸收塔內設置托盤，保持有一定高度的液膜，增加煙氣在吸收塔中的停留時間；對噴淋層進行增容改造提高液汽比，改善塔內氣流分布，強化脫硫傳質效果來實現(xiàn)脫硫增效。同時為降低吸收塔出口霧滴含量，增加一層管式除霧器。

（1）吸收塔本體改造

保持原下層與中層噴淋層不改動，將原上層標準噴淋層改為交互式噴淋層，改造后的交互式噴淋層對應2臺吸收塔循環(huán)泵。并在吸收塔入口與下層噴淋層之間增加一層托盤，材質采用1.452 9雙相不銹鋼，開孔率為35%，厚度為3 mm。原兩層屋脊式除霧器底部增加一層管式除塵器，為配合濕式電除塵器的布置，吸收塔本體凈煙氣出口向鍋爐側旋轉90°。改造后，在燃煤含硫量0.7%和600 MW工況下吸收塔運行阻力為1 811 Pa，在燃煤含硫量1.08%和600 MW工況下吸收塔運行阻力為2 537 Pa。

（2）吸收塔漿液循環(huán)系統(tǒng)改造

采用增加噴淋層漿液循環(huán)量來增加吸收塔的液氣比和噴淋循環(huán)量，需提高漿液循環(huán)泵出力。脫硫吸收塔原有配置三臺循環(huán)泵，流量均為9 800 m3/h，揚程分別為20.6 m/22.4 m/24.2 m，額定功率分別為900 kW/900 kW/1 000 kW。保持原有三臺循環(huán)泵不變，新增一臺循環(huán)泵流量為7 100 m3/h，揚程為24.0 m，額定功率為800 kW，新增循環(huán)泵與原有的24.2 m揚程循泵組成最上層交互式噴淋層。根據(jù)現(xiàn)場情況重新合理布置交互式噴淋層循環(huán)管道及增加的漿液循環(huán)泵，改造后塔內漿液循環(huán)時間為3.6 min。

（3）脫硫輔助系統(tǒng)及水量平衡核算

脫硫輔助系統(tǒng)主要包括石灰石漿液系統(tǒng)、氧化風系統(tǒng)、石膏脫水系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)等。經過核算后，原系統(tǒng)設計裕量可滿足技改后的脫硫系統(tǒng)設計出力要求。

由于采用低低溫除塵器后，進入吸收塔入口煙氣溫度約為95℃，可大幅降低脫硫系統(tǒng)蒸發(fā)水耗［13］。此時脫硫系統(tǒng)在脫硫設計煤種工況下，單臺機組工藝水耗量為73 t/h。每臺機組濕式電除塵器的廢水排放量約為22 t/h，此部分廢水含固量約為2 000～3 000 mg/L，廢水經過預澄清器固液分離后，上部清水約20 t/h（含固量小于500 mg/L）自流入除霧器清洗水箱，用于除霧器沖洗，預澄清器底部濃縮液約2 t/h，直接補充到吸收塔，單臺組脫硫提效改造后的廢水排放量為5.2 t/h。

在四臺漿液循環(huán)泵同時運行時，在燃煤含硫量1.08%和600 MW工況下，煙囪出口SO2排放濃度≤35 mg/Nm3。

與其他脫硫提效改造技術（單塔雙循環(huán)、串聯(lián)雙塔等方案）相比［14］，該方案具有如下技術特點:（a）充分利用原有脫硫設備和系統(tǒng)，改造量少、系統(tǒng)簡單、工程投資低；（b）改造期間停機時間短；（c）技術成熟、可靠性高；（d）脫硫效率高。

6　超低排放改造效果及經濟性分析

該項目對脫硝、除塵、脫硫環(huán)保設施改造投入運行后，通過當?shù)丨h(huán)保保護檢測中心檢測，600 MW 工況時，煙氣 NOx排放濃度為 36.8 mg/Nm3、SO2排放濃度為21.6 mg/Nm3、煙塵排放濃度為1.7 mg/Nm3，性能指標均優(yōu)于設計值，實現(xiàn)了超低排放的目標。

本技改方案工程靜態(tài)投資單臺機組約增加0.99億元，發(fā)電單位成本增加3.3分/kW·h。與超低排放技改前相比，煙塵、SO2、NOx年排放量分別約減少162 t、550 t、548 t，環(huán)境效益改善較明顯。同時，由于設置了MGGH方案，優(yōu)先保證煙氣再熱器出口煙溫滿足72℃的條件下，多余的熱量通過布置在煙氣再熱器后的管殼式水水換熱器，實現(xiàn)對凝結水加熱系統(tǒng)的輔助加熱，由此可節(jié)約標煤耗0.59 g/kW·h。

7　結論

根據(jù)煤質情況、現(xiàn)有環(huán)保設施排放狀況，以安全、經濟、環(huán)保為原則確定合適的技術路線是實現(xiàn)超低排放關鍵因素。借鑒國內外成功運行經驗，該電廠國產600 MW超臨界燃煤機組通過鍋爐燃燒器低氮改造、脫硝裝置備用層加裝催化劑、低低溫電除塵系統(tǒng)改造、吸收塔交互式噴淋及托盤改造、拆除回轉式GGH、設置濕式電除塵器及MGGH等多項技術措施后，實現(xiàn)燃煤電廠煙氣超低排放技改目標，可供類似工程技改時設計參考。

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Ultra-low Emission Technological Scheme and Application for 600 MW Coal-fired Power Plant

CHENG Yongxin
（Central Southern China Electric Power Design Institute of China Power Engineering Consulting Group Corporation，Wuhan 430071，China）

To achieve ultra low emission targets of a 600 MW coal-fired power plant flue gas emissions combined with technological transformation of flue gas system configuration and layout，usedlow-low temperature as the core of the flue gas synergistic control technology route，proposes the technology scheme.The scheme comproses of boiler burner of low nitrogen transformation，removal of denitration device（reserve layer added catalyst），flue gas cooler，low-low temperature electrostatic precipitator（ESP），desulfurization device（interactive spray and tray），wet electrostatic precipitator，flue gas reheater and dry chimney.After transformation flue gas nitrogen oxides，sulfur dioxide，dust emission concentration are 36.8mg/Nm3、21.6mg/Nm3、1.7mg/Nm3，and the performance is better than that of gas turbine generator’s fuel gas emission limits.Used low-low temperature flue gas excess heat system to heat condensation water，which can save standard coal consumption 0.59g/kWh.The successful application of the scheme can be used as a reference for the design of similar projects in the future.

coal-fired power plant；ultra-low emission；synergistic control technology；low-low temperature ESP；wet ESP；low nitrogen burner

TK09

A DOI：10.3969/j.issn.1672-0792.2016.07.013

2016-05-05。

程永新（1981-），男，高級工程師，主要從事火力發(fā)電廠熱機設計工作，E-mail:chengyongxin@csepdi.com。