燃煤火電機(jī)組煙氣污染物超低排放改造探討
——以池州九華電廠1#機(jī)組為例

宋國(guó)明

(池州市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站(池州市輻射環(huán)境監(jiān)督站) ，安徽 池州 247000)

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燃煤火電機(jī)組煙氣污染物超低排放改造探討
——以池州九華電廠1#機(jī)組為例

宋國(guó)明

(池州市環(huán)境保護(hù)監(jiān)測(cè)站(池州市輻射環(huán)境監(jiān)督站) ，安徽 池州 247000)

我國(guó)電源結(jié)構(gòu)以煤電為主的格局長(zhǎng)期不會(huì)改變，為滿足國(guó)家越來(lái)越嚴(yán)格的煤電污染物排放要求，池州九華電廠對(duì)1#燃煤機(jī)組進(jìn)行了全面改造，通過(guò)改造燃燒器，采用濃淡低氮燃燒技術(shù)、氨法脫硝、高效靜電除塵、石灰石-石膏濕法脫硫、濕式除塵等手段，達(dá)到了煙氣污染物超低排放要求。

火電機(jī)組；煙氣污染物；燃煤機(jī)組；超低排放；技術(shù)改造

1 全國(guó)煤電發(fā)展趨勢(shì)及煤耗情況

2014年底，全國(guó)全口徑發(fā)電裝機(jī)容量為13.6億kW，其中非化石能源發(fā)電裝機(jī)容量4.5億kW，占總裝機(jī)容量比重的33.3%。2014年，全國(guó)全口徑發(fā)電量5.55萬(wàn)億kWh，其中火電發(fā)電量4.17萬(wàn)億kWh，同比下降0.7%，受電力消費(fèi)需求放緩、非化石能源發(fā)電量高速增長(zhǎng)等因素影響，火電發(fā)電市場(chǎng)萎縮，火電發(fā)電量自1974年以來(lái)首次出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)。

2015年底，全國(guó)全口徑火電裝機(jī)9.9億kW，其中煤電8.8億kW，占火電比重的89.3%。全口徑發(fā)電量同比下降2.3%，連續(xù)兩年負(fù)增長(zhǎng)?；痣娫O(shè)備利用小時(shí)持續(xù)下降，主要是電力消費(fèi)增速向下?lián)Q擋，煤電機(jī)組投產(chǎn)過(guò)多，煤電機(jī)組承擔(dān)高速增長(zhǎng)的非化石能源發(fā)電深度調(diào)峰和備用功能等原因造成。此外，火電中的氣電裝機(jī)比重逐年提高，也在一定程度上拉低了火電利用小時(shí)。但是從火電占比、機(jī)組出力、負(fù)荷調(diào)節(jié)等特性，以及電價(jià)經(jīng)濟(jì)性等方面綜合評(píng)價(jià)，火電在電力系統(tǒng)中的基礎(chǔ)性地位在短時(shí)期內(nèi)難以改變。

我國(guó)提出了優(yōu)先開(kāi)發(fā)水電，積極有序發(fā)展新能源發(fā)電，安全高效發(fā)展核電，優(yōu)化發(fā)展煤電，高效發(fā)展天然氣發(fā)電的原則。但電源結(jié)構(gòu)以煤電為主的格局長(zhǎng)期不會(huì)改變。全國(guó)煤電裝機(jī)規(guī)劃2020年達(dá)到11億kW，新增煤電基地占55%；2030年達(dá)到13.5億kW，新增裝機(jī)主要在煤電基地；2050年下降到12億kW[1]。

為節(jié)能減排的需要，我國(guó)對(duì)燃煤機(jī)組進(jìn)行節(jié)能改造，2013年全國(guó)6000kW及以上火電機(jī)組供電標(biāo)準(zhǔn)煤耗322g/kWh，2014年為319g/kWh，2015年為315g/kWh，煤電機(jī)組供電煤耗繼續(xù)保持世界先進(jìn)水平。

2 國(guó)家對(duì)煤電機(jī)組的污染物排放要求

2.1 大氣污染聯(lián)防聯(lián)控對(duì)火電煙氣污染物排放的要求

2010年5月11日，國(guó)務(wù)院辦公廳轉(zhuǎn)發(fā)了由環(huán)保部、發(fā)改委、科技部、工信部、財(cái)政部、住建部、交通部、商務(wù)部以及能源局等九部委聯(lián)合制定的《關(guān)于推進(jìn)大氣污染聯(lián)防聯(lián)控工作改造區(qū)域空氣質(zhì)量的指導(dǎo)意見(jiàn)》(國(guó)辦發(fā)[2010]33號(hào)),明確規(guī)定“開(kāi)展大氣污染聯(lián)防聯(lián)控工作的重點(diǎn)區(qū)域是京津冀、長(zhǎng)三角和珠三角地區(qū)”，明確指出“大氣污染聯(lián)防聯(lián)控的重點(diǎn)污染物是二氧化硫、氮氧化物、顆粒物、揮發(fā)性有機(jī)物等，重點(diǎn)行業(yè)是火電、鋼鐵、有色、石化、水泥、化工等，重點(diǎn)企業(yè)是對(duì)區(qū)域空氣質(zhì)量影響較大的企業(yè)”； “提高火電機(jī)組脫硫效率，完善火電廠脫硫設(shè)施特許經(jīng)營(yíng)制度。加大鋼鐵、石化、有色等行業(yè)二氧化硫減排工作力度，推進(jìn)工業(yè)鍋爐脫硫工作”；“新建、擴(kuò)建、改建火電廠應(yīng)根據(jù)排放標(biāo)準(zhǔn)和建設(shè)項(xiàng)目環(huán)境影響報(bào)告書(shū)批復(fù)要求建設(shè)煙氣脫硝設(shè)施，重點(diǎn)區(qū)域內(nèi)的火電廠應(yīng)在“十二五”期間全部安裝脫硝設(shè)施，其他區(qū)域的火電廠應(yīng)預(yù)留煙氣脫硝設(shè)施空間。推廣工業(yè)鍋爐低氮燃燒技術(shù)，重點(diǎn)開(kāi)展鋼鐵、石化、化工等行業(yè)氮氧化物污染防治”；“加大顆粒物污染防治力度。使用工業(yè)鍋爐的企業(yè)以及水泥廠、火電廠應(yīng)采用袋式等高效除塵技術(shù)”[2]。

為了改善大氣環(huán)境質(zhì)量，國(guó)家與部分地方政府針對(duì)火電行業(yè)制定了日趨嚴(yán)厲的排放標(biāo)準(zhǔn)，要求采取措施進(jìn)行污染治理。

2.2 新火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的要求

為進(jìn)一步改善大氣環(huán)境質(zhì)量，保障人體健康，國(guó)家于2011年對(duì)火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂。根據(jù)《GB13223-2011火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的要求，自2014年7月1日起，現(xiàn)有火力發(fā)電鍋爐及燃?xì)廨啓C(jī)組大氣污染物排放一般地區(qū)煙塵含量應(yīng)<30mg/Nm3，重點(diǎn)地區(qū)含塵量應(yīng)<20mg/Nm3。SO2排放濃度應(yīng)<200mg/Nm3，NOx排放濃度應(yīng)<100mg/Nm3[3]。

2.3 煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃中大氣污染物超低排放的要求

國(guó)家發(fā)改委、環(huán)境保護(hù)部、國(guó)家能源局聯(lián)合下發(fā)的“發(fā)改能源[2014]2093號(hào)關(guān)于印發(fā)《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014-2020年)》的通知”明確提出要求“中部地區(qū)(黑龍江、吉林、山西、安徽、湖北、湖南、河南、江西等8省)鼓勵(lì)現(xiàn)役燃煤發(fā)電機(jī)組實(shí)施大氣污染物排放濃度達(dá)到或接近燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值的環(huán)保改造”[4]。安徽省發(fā)改委等三部門聯(lián)合下發(fā)了“皖發(fā)改能源[2015]7號(hào)《關(guān)于印發(fā)安徽省煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2015-2020年)的通知》”，“要求大氣污染物排放濃度原則上接近或達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)排放限值(基準(zhǔn)氧含量6%條件下，煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10、35、50mg/m3)”；“并對(duì)大氣污染物排放濃度接近或達(dá)到燃?xì)鈾C(jī)組排放限值的機(jī)組，適度增加其年度計(jì)劃發(fā)電小時(shí)數(shù)”；“現(xiàn)役燃煤發(fā)電機(jī)組按照接近或達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值實(shí)施環(huán)保改造后，騰出的大氣污染物排放總量指標(biāo)優(yōu)先用于本企業(yè)的新建燃煤發(fā)電項(xiàng)目”[5]。

九華發(fā)電公司位于池州市，地處九華山風(fēng)景區(qū)，池州市政府高度重視九華公司的煙氣排放工作。2012年、2013年公司率先提前完成脫硝及配套設(shè)施改造。為了達(dá)到《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014-2020年)》相關(guān)要求，同時(shí)承擔(dān)更多的減排任務(wù)，池州九華發(fā)電公司加快推進(jìn)超低排放改造力度，創(chuàng)建“綠色環(huán)保電廠”品牌。

3 池州九華電廠1#機(jī)組概況

池州九華發(fā)電有限公司2×320MW貧煤鍋爐于2005年7月投運(yùn)，是哈爾濱鍋爐廠采用美國(guó)燃燒工程公司(CE)的引進(jìn)技術(shù)設(shè)計(jì)和制造的。鍋爐為亞臨界參數(shù)、一次中間再熱、控制循環(huán)汽包爐，采用平衡通風(fēng)、直流式燃燒器、四角切圓燃燒方式，設(shè)計(jì)燃料為淮北混煤。

池州九華電廠300MW汽輪發(fā)電機(jī)組，汽輪機(jī)引進(jìn)美國(guó)西屋公司制造技術(shù)，是哈爾濱汽輪機(jī)制造公司第三步優(yōu)化后再改進(jìn)的機(jī)組，制造型號(hào)為73B，汽輪機(jī)最大保證功率不小于316MW，最大功率335.0MW，主、再熱汽溫538℃/538℃。發(fā)電機(jī)由哈爾濱發(fā)電機(jī)廠制造，型號(hào)QFSN-300-2。冷卻方式水、氫、氫。功率因數(shù)0.85，冷卻器進(jìn)口溫度35℃時(shí)，額定容量353MVA，有功功率300.5MW，額定氫壓0.3MPa(G)，冷卻器進(jìn)口溫度20℃時(shí)，容量390MVA，有功功率331.5MW。電廠由安徽省電力設(shè)計(jì)院設(shè)計(jì)，配套輔助設(shè)備按機(jī)組最大功率332.9MW，蒸氣流量按1025t/h設(shè)計(jì)。機(jī)組設(shè)計(jì)年利用小時(shí)為5500h，單位投資約4500元/kW。

根據(jù)新的燃料供應(yīng)形勢(shì)，九華電廠改用神華煙煤，并對(duì)鍋爐進(jìn)行適應(yīng)性改造。綜合考慮鍋爐節(jié)能和環(huán)保的需要，參照同樣燃用神華煙煤的同類型鍋爐經(jīng)驗(yàn)，設(shè)計(jì)及校核具體煤質(zhì)特性如表1所示。

表1 小斷面貧煤鍋爐100%燃燒神華煙煤設(shè)計(jì)煤質(zhì)特性

4 煙氣污染物超低排放的技術(shù)路線

(1)濃淡低氮燃燒技術(shù)改造，降低氮氧化物的產(chǎn)生濃度

在現(xiàn)有貧煤鍋爐基礎(chǔ)上，增加再熱器、高壓省煤器、低溫省煤器等設(shè)備，解決再熱蒸汽溫度偏低、排煙溫度偏高的問(wèn)題。

一次風(fēng)煤粉氣流通過(guò)煤粉濃縮器進(jìn)行濃淡分離，經(jīng)分流隔板后分別形成濃、淡兩股煤粉氣流。淡煤粉氣流在水冷壁附近形成了比普通燃燒器強(qiáng)得多的氧化性氣氛。濃煤粉布置爐內(nèi)煙氣溫度高的向火側(cè)，濃煤粉具有著火溫度低、火焰溫度高的特點(diǎn)，保證了煤粉火焰的良好穩(wěn)定性。采用水平濃淡煤粉燃燒器可以有效改善著火階段煤粉氣流的供風(fēng)，使煤粉在偏離化學(xué)當(dāng)量比環(huán)境中著火，降低了NOx生成量,可大幅度降低NOx排放水平。同時(shí)采用了爐內(nèi)垂直空氣分級(jí)燃燒技術(shù)，空氣分級(jí)燃燒是目前使用最為普遍的低NOx燃燒技術(shù)之，其基本原理為:將燃燒所需的空氣量分成兩級(jí)送入爐膛，燃料先在富燃料條件下的主燃燒區(qū)域燃燒，使得燃燒速度和溫度降低，延遲了燃燒過(guò)程，在還原性氣氛中大量含氮基團(tuán)與NOx反應(yīng)，提高了NOx向N2的轉(zhuǎn)化率，降低了NOx在這一區(qū)域的生成量。將燃燒所需其余空氣通過(guò)布置在主燃燒器上方的燃盡風(fēng)噴口(OFA)送入爐膛，在供入燃盡風(fēng)以后，成為富氧燃燒區(qū)。此時(shí)空氣量雖多，但因火焰溫度低，且煤中析出的大部分含氮基團(tuán)在主燃區(qū)已反應(yīng)完成，最終NOx生成量不大，同時(shí)空氣的供入使煤粉顆粒中剩余焦炭充分燃盡，保證煤粉的高燃燒效率，最終爐內(nèi)垂直空氣分級(jí)燃燒可使NOx生成量降低30%～40%。在機(jī)組額定負(fù)荷時(shí)，爐膛出口NOx不高于180mg/Nm3。

(2) SCR脫硝措施的實(shí)施，保證了氮氧化物的超低排放

自氨供應(yīng)區(qū)來(lái)的氨氣與稀釋風(fēng)機(jī)來(lái)的空氣在氨/空氣混合器內(nèi)充分混合。稀釋風(fēng)機(jī)流量按100%負(fù)荷時(shí)氨量對(duì)空氣的混合比為5%設(shè)計(jì)。氨的注入量由SCR反應(yīng)器進(jìn)、出口NOx、O2在線監(jiān)視分析儀測(cè)量值來(lái)聯(lián)鎖控制。

氨和空氣混合氣體進(jìn)入位于煙道內(nèi)的氨噴射格柵，噴入煙道后，通過(guò)靜態(tài)混合器再與煙氣充分混合，然后進(jìn)入SCR反應(yīng)器，SCR反應(yīng)器操作溫度一般可在300℃～420℃范圍內(nèi)，SCR反應(yīng)器安裝在省煤器與空預(yù)器之間。溫度測(cè)量點(diǎn)位于SCR反應(yīng)器進(jìn)口，當(dāng)煙氣溫度在300℃～420℃范圍以外時(shí)，溫度信號(hào)將自動(dòng)關(guān)閉氨進(jìn)入氨/空氣混合器的快速切斷閥。

氨與NOx在反應(yīng)器內(nèi)，在催化劑的作用下反應(yīng)生成N2和H2O，N2和H2O隨煙氣進(jìn)入空氣預(yù)熱器，并最后通過(guò)煙囪排出。在SCR進(jìn)、出口設(shè)置NOx、O2在線分析儀及壓力、溫度測(cè)量?jī)x表，自動(dòng)調(diào)節(jié)NH3注入量。

SCR工藝流程：液氨儲(chǔ)存于液氨儲(chǔ)罐，經(jīng)過(guò)蒸發(fā)器蒸發(fā)為氣氨，送到反應(yīng)器區(qū)，與稀釋空氣混合均勻并噴入脫硝系統(tǒng)。充分混合后的還原劑和煙氣在SCR反應(yīng)器中催化劑的作用下發(fā)生反應(yīng)，去除NOx。

通過(guò)雙尺度低氮燃燒器技改后，脫硝系統(tǒng)入口NOx不高于180mg/Nm3，脫硝效率不小于90%。氮氧化物的排放濃度由原來(lái)的79.44mg/Nm3降至40mg/Nm3以下，低于50mg/Nm3的要求。

另一方面，通過(guò)改造后鍋爐的熱力計(jì)算，改造后SCR入口煙溫不降低，即脫硝入口煙溫能夠滿足脫硝系統(tǒng)投運(yùn)300℃以上的需要。

(3) 優(yōu)化煙道，控制煙溫，增設(shè)濕式除塵，保證了煙塵和二氧化硫的超低排放

配備二室四電場(chǎng)靜電除塵器，設(shè)計(jì)煙塵濃度≤4×104mg/Nm3，設(shè)計(jì)除塵效率≥99.5%。脫硝后的煙氣經(jīng)冷卻器處理，將煙溫降到90℃左右后進(jìn)入靜電除塵器除塵，煙氣隨后經(jīng)過(guò)引風(fēng)機(jī)進(jìn)入濕法脫硫系統(tǒng)，脫硫劑為CaO≥53%的石灰石粉。經(jīng)脫硫塔脫硫后煙氣進(jìn)入濕式電除塵器。在原靜電除塵器入口處新增MGGH煙氣冷卻器，在靜電除塵器出口和脫硫吸收塔入口之間煙道上方設(shè)置一套事故噴淋系統(tǒng)，脫硫吸收塔出口通過(guò)聯(lián)絡(luò)煙道與濕式電除塵器相連，濕式電除塵器布置在1號(hào)脫硫吸收塔和煙囪之間，利用原支撐凈煙道及原GGH的水泥框架來(lái)支撐濕式電除塵器，對(duì)于引風(fēng)機(jī)出口到脫硫吸收塔入口的原煙道，由于受場(chǎng)地限制，布置及走向保持原形，在GGH拆除處增加一段4394mm×12014mm的煙道，對(duì)脫硫吸收塔入口處煙道進(jìn)行優(yōu)化，便于冷凝水流入吸收塔內(nèi)，并在拐彎處加設(shè)導(dǎo)流板，使氣流均勻地進(jìn)入吸收塔。事故噴淋噴灌裝置布置在吸收塔入口水平煙道內(nèi)，配煙溫探測(cè)和自動(dòng)控制裝置，事故噴淋水箱可布置在脫硫島工藝水箱邊上，事故噴淋水泵布置在水箱邊上。濕式電除塵器出口通過(guò)二個(gè)90°的彎頭及煙道直管段與MGGH煙氣加熱器相連通，MGGH煙氣加熱器水平布置在濕式電除塵器出口預(yù)留煙道上。凈化后的煙氣通過(guò)煙氣加熱器將煙溫從46℃左右提高到80℃左右排入煙囪。綜合除塵效率由99.96%提升為99.99%，1#機(jī)組的煙塵排放濃度由原來(lái)的16.4mg/Nm3降低為5mg/Nm3，滿足出口處煙塵濃度要求：<10mg/Nm3。

拆除了原有回轉(zhuǎn)式GGH系統(tǒng)，并增設(shè)了MGGH系統(tǒng)，有效改變了原煙氣側(cè)向凈煙氣側(cè)的泄漏問(wèn)題，提高了系統(tǒng)的脫硫效率，同時(shí)系統(tǒng)增設(shè)了濕式電除塵器，布置在脫硫系統(tǒng)的后端，濕式電除塵器中的噴淋堿液也進(jìn)一步降低了SO2排放濃度。脫硫效率由94.91%提升為97.5%，1#機(jī)組的二氧化硫排放濃度由原來(lái)的61.07mg/Nm3降低為30mg/Nm3，滿足出口處二氧化硫濃度<35mg/Nm3的要求。

此外，對(duì)1#機(jī)組CEMS系統(tǒng)升級(jí)改造，采用低量程的煙氣分析儀，提高測(cè)量精度，使改造后的CEMS系統(tǒng)滿足煙氣污染物超低排放濃度檢測(cè)的需求。

5 結(jié)論

安徽池州九華發(fā)電有限公司1#機(jī)組實(shí)施煙氣污染物超低排放一體化改造，主要進(jìn)行了新增MGGH系統(tǒng)、低氮燃燒器改造、脫硫系統(tǒng)改造、新增濕式電除塵器、CEMS系統(tǒng)升級(jí)改造，以及與之相關(guān)的風(fēng)機(jī)改造、煙道改造等。通過(guò)一體化改造后，煙塵排放濃度由原來(lái)的16.4mg/Nm3降低為5mg/Nm3；二氧化硫排放濃度由原來(lái)的61.07mg/Nm3降低為30mg/Nm3；氮氧化物的排放濃度由原來(lái)的79.44mg/Nm3降至40mg/Nm3以下，煙氣污染物實(shí)現(xiàn)了超低排放，滿足了《關(guān)于印發(fā)安徽省煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2015-2020年)的通知》中，大氣污染物排放濃度原則上接近或達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)排放限值(基準(zhǔn)氧含量6%條件下，煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10、35、50mg/Nm3)的要求。

[1]中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì). 中國(guó)電力工業(yè)現(xiàn)狀與展望[M/OL]. http://www.cec.org.cn/yaowenkuaidi/2015-03-10/134972.html.

[2]環(huán)保部.關(guān)于推進(jìn)大氣污染聯(lián)防聯(lián)控工作改造區(qū)域空氣質(zhì)量的指導(dǎo)意見(jiàn)[Z/OL]. http://3y.uu456.com/bp_9btld0b3w102ra61xnbn_1.html 2010.

[3]環(huán)保部.火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)[S/OL]. http://www.cs.com.cn/sylm/jsbd/201109/t20110921_3064739.html.

[4]國(guó)家發(fā)改委.煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014-2020年)[Z/OL]. http://www.sdpc.gov.cn/gzdt/201409/t20140919_626240.html .

[5]安徽省發(fā)改委.安徽省煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2015-2020年)[Z/OL]. http://nyj.ahpc.gov.cn/info.jsp?xxnr_id=10087286.

Ultra-low Emissions of Flue Gas Pollutants through Improving Coal-fired Thermal Power Unit by the Case of the No 1 Unit of Jiuhua Power Plant in Chizhou

SONG Guo-ming

(Chizhou Environmental Protection Monitoring Center, Chizhou Anhui 247000, China)

The No 1 coal-fired unit of ChizhouJiuhua power plant was improved in order to meet the stricter emission discharge standard. The burner was changed to low nitrogen combustion technology. Ammonia process of denitration, efficient electrostatic dust removal devices, limestone-gypsum wet desulfurization, and wet dust removal technologies were adopted as well.

thermal power unit；flue gas pollutants; Coal-fired power unit; ultra-low emission; technological improvement

2016-04-12

宋國(guó)明(1973-)，男，安徽池州人，高級(jí)工程師，從事環(huán)境保護(hù)研究工作。

X701

A

1673-9655(2016)06-0084-04