600 MW級燃褐煤直流鍋爐超低排放技術(shù)路線分析

李翠翠，鄭國寬，陳廣林

(中國神華能源股份有限公司勝利能源分公司，內(nèi)蒙古錫林浩特026000)

600 MW級燃褐煤直流鍋爐超低排放技術(shù)路線分析

李翠翠，鄭國寬，陳廣林

(中國神華能源股份有限公司勝利能源分公司，內(nèi)蒙古錫林浩特026000)

國內(nèi)褐煤儲量豐富，高水份、高揮發(fā)份、中硫、低灰的低熱值褐煤不適合長途運(yùn)輸，適合就地轉(zhuǎn)換發(fā)電。研究高水、中硫、低灰褐煤的超低排放技術(shù)路線對該類型機(jī)組的超低排放具有重大意義。以3臺600 MW級燃褐煤空冷機(jī)組為模型，對3臺機(jī)組的超低排放技術(shù)路線、實(shí)際運(yùn)行情況及綜合經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行分析。結(jié)果表明，3臺機(jī)組的NOX、煙塵、SO2排放濃度均能達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)，經(jīng)濟(jì)性比較可知A機(jī)組的綜合經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)越，并對燃該煤種機(jī)組的超低排放技術(shù)路線的選擇提出建議。

超低排放；直流鍋爐；褐煤；脫硝；除塵；脫硫；經(jīng)濟(jì)性分析

0 引言

超低排放是指在基準(zhǔn)氧含量6%條件下，不包含CO2和其它污染物，煙塵、SO2、NOX的排放濃度不高于5 mg/m3、35 mg/m3和50 mg/m3[1]。燃煤電廠實(shí)現(xiàn)超低排放是煤炭清潔利用的重要途徑，自《煤電節(jié)能減排升級與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014-2020年)》實(shí)施以來，針對燃煤機(jī)組的超低排放技術(shù)開展科研攻關(guān)，在役機(jī)組通過技術(shù)改造，實(shí)現(xiàn)了污染物的超低排放[2]。

新建600 MW及以上超(超)臨界燃低水、低灰、低硫、高發(fā)熱量煙煤機(jī)組，污染物超低排放的各項(xiàng)指標(biāo)均能實(shí)現(xiàn)，然而對于燃用高水、低灰、中硫、低發(fā)熱量褐煤機(jī)組，污染物實(shí)現(xiàn)超低排放卻鮮有報(bào)道。本文以3臺燃錫林浩特地區(qū)褐煤的600 MW級空冷機(jī)組為研究對象，對3臺機(jī)組超低排放的技術(shù)路線進(jìn)行分析、比較、討論，以期為燃該煤種的同類型機(jī)組在選擇超低排放技術(shù)路線方面提供參考。

1 鍋爐設(shè)備及燃煤概況

本文分析的3臺鍋爐均為單爐膛、一次中間再熱、平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)、緊身封閉布置、變壓運(yùn)行直流鍋爐，A爐、B爐Π型鍋爐，C爐為塔式鍋爐。A爐采用四角切圓燃燒，B爐采用前后墻對沖燃燒，C爐采用八角切圓燃燒。3臺鍋爐的燃燒器均采用分級燃燒技術(shù)，燃燒器均為低NOX燃燒器，NOX排放濃度的設(shè)計(jì)值均不超過200 mg/m3(O2=6%)。

3臺鍋爐的燃煤均為錫林浩特地區(qū)生產(chǎn)的褐煤，煤質(zhì)工業(yè)分析及元素見表1。從表1可以看出，3臺鍋爐燃煤的全水分大于20%，屬于高水分煤，干燥無灰基揮發(fā)分Vdaf大于37%，屬于高揮發(fā)份煤。A爐、B爐、C爐燃煤的收到基灰分Aar相近，分別為16.86%、19.09%、16.86%，為低等灰分煤。從收到基全硫分St.ar來看，在A爐、B爐、C爐燃煤的收到基全硫分St.ar在1%左右，屬中硫份煤。綜上所述，3臺鍋爐的燃煤均屬于高水份、高揮發(fā)份、中硫、低灰的低熱值褐煤。

表1 煤質(zhì)工業(yè)分析與元素分析對比表

2 超低排放技術(shù)路線概況

2.1A機(jī)組超低排放技術(shù)路線

A機(jī)組采用SCR+前置換熱器+干式電除塵器+零補(bǔ)水石灰石-石膏濕法脫硫工藝的超低排放技術(shù)路線。工藝流程圖見圖1。

圖1 A機(jī)組超低排放技術(shù)路線工藝流程圖

脫硝系統(tǒng)采用尿素?zé)峤夥?，催化劑?+1層設(shè)置，煙氣脫硝效率保證值為90%，脫硝后的煙氣NOX的排放值不高于40 mg/m3。

除塵系統(tǒng)采用雙室五電場靜電除塵器，每臺鍋爐配置2臺除塵器，燃用設(shè)計(jì)煤種時(shí)停1個(gè)供電單元后除塵效率大于99.9%，除塵器出口含塵濃度小于30 mg/m3。

脫硫系統(tǒng)采用零補(bǔ)水石灰石-石膏濕法脫硫工藝，脫硫效率大于99.5%，SO2排放濃度小于10 mg/m3，脫硫塔出口煙塵濃度小于3 mg/m3。

2.2B機(jī)組超低排放技術(shù)路線

B機(jī)組采用SCR+袋式除塵器+單塔雙循環(huán)脫硫吸收塔+濕式電除塵器的超低排放技術(shù)路線。工藝流程圖見圖2。

圖2 B機(jī)組超低排放技術(shù)路線工藝流程圖

脫硝系統(tǒng)采用液氨法，催化劑按“2+1”布置，預(yù)留1層催化劑的空間，脫硝效率保證值為80%，脫硝裝置出口NOX濃度不高于50 mg/Nm3。

除塵系統(tǒng)采用干式除塵器+濕法脫硫塔內(nèi)洗塵+濕式除塵器的組合方案。干式除塵器效率99.2%，出口煙塵濃度不高于40 mg/m3；脫硫裝置煙塵洗滌效率50%，脫硫裝置出口液滴濃度不高于50 mg/m3，脫硫裝置出口煙塵排放濃度不高于30 mg/m3；濕式除塵器效率85%，出口煙塵排放濃度不高于5 mg/m3。

脫硫系統(tǒng)采用單塔雙循環(huán)技術(shù)，脫硫裝置出口SO2排放濃度不超過35 mg/m3，脫硫效率不低于99.4%。

2.3C機(jī)組超低排放技術(shù)路線

C機(jī)組采用SCR+高效低低溫靜電除塵器+單塔雙托盤脫硫吸收塔的超低排放技術(shù)路線。工藝流程圖見圖3。

圖3 C機(jī)組超低排放技術(shù)路線工藝流程圖

脫硝系統(tǒng)采用液氨法，脫硝效率為85%，NOX排放濃度低于30 mg/m3。

除塵系統(tǒng)采用高效低低溫靜電除塵器，并配置高頻電源。每臺爐設(shè)置2臺三室五電場的低低溫靜電除塵器，5個(gè)電場均采用高頻電源，除塵效率大于99.9%，除塵器出口煙塵排放濃度小于5 mg/m3。

脫硫系統(tǒng)采用石灰石-石膏濕法脫硫裝置，SO2排放濃度低于35 mg/m3，脫硫效率為99.4%。

3 超低排放技術(shù)路線分析

3臺機(jī)組的排放指標(biāo)對比見表2。從表2可以看出，3臺機(jī)組污染物的脫除效率較高，排放濃度符合國家規(guī)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。

表2 脫除效率與排放濃度對比表

3.1 脫硝技術(shù)路線分析

3臺鍋爐的燃燒器均采用低氮燃燒器和分級燃燒技術(shù)，A機(jī)組脫硝采用尿素?zé)峤夥ǎ珺機(jī)組和C機(jī)組脫硝采用液氨法，NOX的脫除效率為80%～90%，排放濃度在30 mg/m3～50 mg/m3。

液氨法和尿素?zé)峤夥撓跫夹g(shù)都比較成熟，液氨法在初始投資、運(yùn)行費(fèi)用方面較低，但與尿素?zé)峤夥ㄏ啾?，液氨法存在一定的危險(xiǎn)性，在實(shí)際運(yùn)行中需加強(qiáng)安全管理。

3.2 除塵技術(shù)路線分析

A機(jī)組將汽輪機(jī)空冷塔、輔機(jī)空冷塔、脫硫塔、褐煤煙氣提水冷卻塔和煙囪相結(jié)合采用五塔合一、兩機(jī)一塔的形式，除塵系統(tǒng)采用干式靜電除塵結(jié)合脫硫塔和冷凝塔內(nèi)的“旋匯耦合”洗塵的協(xié)同脫除技術(shù)[3-4]。煙氣經(jīng)雙室五電場靜電除塵器除塵后，除塵器出口煙塵濃度小于30 mg/m3，此時(shí)脫硫塔和冷凝塔的協(xié)同效應(yīng)顯現(xiàn)出來，經(jīng)脫硫塔旋流洗塵后，脫硫塔出口煙塵濃度低至3 mg/m3。經(jīng)冷凝塔“旋匯耦合”脫除后，煙囪出口煙塵的排放濃度為1 mg/m3。

B機(jī)組干式除塵器采用高效電源控制技術(shù)，除塵器出口煙塵濃度控制在40 mg/m3以內(nèi)，煙氣經(jīng)脫硫塔洗塵和濕式除塵器除塵后，煙囪出口煙塵的濃度為3 mg/m3。

C機(jī)組采用低低溫省煤靜電除塵器結(jié)合單塔雙循環(huán)托盤脫硫吸收塔高效除塵，煙塵的排放濃度達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)。

從煙塵的排放濃度比較來看，3臺機(jī)組的煙塵排放濃度均能達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)，A機(jī)組的除塵效率高于B機(jī)組和C機(jī)組。

3.3 脫硫路線分析

由于A機(jī)組燃煤的硫分較高，A機(jī)組脫硫系統(tǒng)采用零補(bǔ)水石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)，工藝流程圖見圖4。高溫原煙氣首先經(jīng)過低溫升溫器降溫至90℃后進(jìn)入脫硫吸收塔，脫硫吸收塔應(yīng)用“旋匯耦合”技術(shù)，旋流子高效脫硫后的凈煙氣經(jīng)過管束式除塵器脫除凈煙氣夾帶的塵和石膏液滴，保證吸收塔出口50℃飽和凈煙氣中的SO2含量低于30 mg/m3、塵含量低于5 mg/m3。吸收塔排出的飽和凈煙氣進(jìn)入冷卻凝結(jié)塔，經(jīng)湍流器層與噴淋下來的40 ℃冷卻循環(huán)水進(jìn)行劇烈的汽水混合，實(shí)現(xiàn)換熱降溫冷凝，冷凝生成的細(xì)小霧滴大部分被冷卻循環(huán)水捕悉，一部分隨著降溫后溫度約為45 ℃的凈煙氣與噴淋層的液滴接觸被捕悉與噴淋液一起落下，其余的細(xì)小液滴在上部的管束除塵器層被捕悉，極少部分隨煙氣排放。

圖4 零補(bǔ)水石灰石-石膏濕法脫硫工藝流程圖

B機(jī)組脫硫系統(tǒng)采用單塔雙循環(huán)技術(shù)，工藝流程圖見圖5。煙氣首先在冷凝區(qū)進(jìn)行一級循環(huán)，該循環(huán)確保亞硫酸鈣氧化和石膏結(jié)晶，SO2脫除率30%～90%，然后在吸收區(qū)發(fā)生二級循環(huán)，進(jìn)行脫硫洗滌，兩次循環(huán)后凈煙氣中SO2的排放濃度低于35 mg/m3。

C機(jī)組脫硫系統(tǒng)采用石灰石-石膏濕法脫硫裝置，吸收塔采用單塔、塔內(nèi)分區(qū)、雙托盤、4層噴淋層、加裝增效環(huán)、三層除霧器，SO2排放濃度低于35 mg/m3，脫硫效率99.4%，從目前應(yīng)用來看，該技術(shù)多應(yīng)用于低硫分煤種[5]。

綜上所述，A機(jī)組SO2的排放濃度低于B機(jī)組和C機(jī)組。

圖5 單塔雙循環(huán)脫硫吸收塔工藝流程圖

4 超低排放技術(shù)路線應(yīng)用情況

168 h試運(yùn)期間及正式投運(yùn)后，機(jī)組負(fù)荷為660 MW和330 MW時(shí)，3臺機(jī)組燃煤量相近的情況下，對煙氣進(jìn)行取樣分析，測量結(jié)果見表3。

表3 污染物排放測量結(jié)果 mg/m3

3臺機(jī)組污染物排放實(shí)測數(shù)據(jù)一般平均計(jì)算結(jié)果見表4。由表2和表4對比來看，污染物實(shí)際排放濃度值低于設(shè)備的設(shè)計(jì)值，表明3臺機(jī)組的超低排放技術(shù)路線適合燃高水份、高揮發(fā)份、中硫、低灰的低熱值褐煤直流鍋爐污染物超低排放。

表4 污染物排放一般平均計(jì)算結(jié)果 mg/m3

在計(jì)算污染物年排放量方面，3臺機(jī)組的年利用小時(shí)數(shù)以5 500 h/a，A機(jī)組、B機(jī)組、C機(jī)組煙氣流量(660 MW、BMR工況、吸收塔前總煙道)設(shè)計(jì)值分別為1 018.56 m3/s、1 007.34 m3/s、1 021.42 m3/s計(jì)算，3臺機(jī)組NOX、煙塵、SO2的年排放量計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 污染物年排放量計(jì)算結(jié)果 t/a

由表5可以看出，在NOX排放控制方面，C機(jī)組的年排放量為497.5 t/a，為3臺機(jī)組中NOX的排放量最少，比A機(jī)組少排放71.2 t/a，比B機(jī)組少排放298.3 t/a。在煙塵排放的控制方面，A機(jī)組的年排放量為20.2 t/a，遠(yuǎn)低于B機(jī)組和C機(jī)組，比B機(jī)組少排放29.7 t/a，比C機(jī)組少排放68.8 t/a。在SO2排放量控制方面，A機(jī)組的年排放量為338.8 t/a，低于其他2臺機(jī)組，比B機(jī)組少排放199.7 t/a，比C機(jī)組少排放292.1 t/a?？傮w來看，3臺機(jī)組NOX、煙塵、SO2年排放量均符合我國超低排放指標(biāo)，在NOX排放控制方面，C機(jī)組優(yōu)于A機(jī)組和B機(jī)組，在煙塵和SO2排放控制方面，A機(jī)組優(yōu)于B機(jī)組和C機(jī)組。

5 技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析

5.1 邊界條件

對3臺機(jī)組超低排放技術(shù)進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性比較時(shí)，以機(jī)組負(fù)荷660 MW、汽輪機(jī)THA工況、機(jī)組年利用小時(shí)數(shù)5 500 h/a、機(jī)組年發(fā)電收入差值為0元/a、標(biāo)煤價(jià)213.9元/t(錫林浩特地區(qū)生產(chǎn)的褐煤折算后的標(biāo)準(zhǔn)煤價(jià)格)、上網(wǎng)電價(jià)為 314.5 元·MW-1/h、水價(jià)13元/t、貸款利率5.9%等作為邊界條件，進(jìn)行分析[5-6]。

5.2 初投資比較

從初投資方面來看，脫硝系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)在設(shè)備本體、水工設(shè)備、電氣設(shè)備、主廠房結(jié)構(gòu)、土建費(fèi)用、安裝費(fèi)用等方面存在較大差異，3臺機(jī)組脫硝系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)的初設(shè)收口投資比較見表6。由表6可以看出，A機(jī)組初投資最大，為37 305萬元，比B機(jī)組和C機(jī)組分別多投資517萬元、914萬元，B機(jī)組、C機(jī)組在初投資方面具有明顯優(yōu)勢。

表6 初投資比較表 臺/萬元

5.3 運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用比較

設(shè)備的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用是考核機(jī)組盈利能力的一項(xiàng)重要指標(biāo)，表7給出3臺機(jī)組超低排放設(shè)備的各項(xiàng)費(fèi)用，并以A機(jī)組的的各項(xiàng)費(fèi)用為基準(zhǔn)值進(jìn)行差額比較。

從表7可以看出，3臺機(jī)組超低排放設(shè)備在電費(fèi)和人工費(fèi)用方面相近；在耗材方面，A機(jī)組比B、C機(jī)組分別高出107萬元/a、99萬元/a；在水費(fèi)方面，A機(jī)組具有相當(dāng)優(yōu)勢，比B機(jī)組、C機(jī)組低943萬元/a、1 069萬元/a。綜合比較，A機(jī)組的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用較低，比B機(jī)組、C機(jī)組低837.5萬元/a、968.7萬元/a。

表7 運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用比較 萬元/a

注：以A機(jī)組的費(fèi)用為基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，+ 表示差值大于基準(zhǔn)值，- 表示差值小于基準(zhǔn)值。

5.4 綜合性技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

采用費(fèi)用現(xiàn)值比較法對3臺機(jī)組超低排放設(shè)備進(jìn)行綜合性技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析[7-10]，比較條件?。簷C(jī)組經(jīng)濟(jì)運(yùn)行年限20 a，現(xiàn)金折現(xiàn)率為0.07，20 a年現(xiàn)金值系數(shù)10.594，計(jì)算結(jié)果見表8。

由計(jì)算結(jié)果可知，對B機(jī)組和C機(jī)組來說，20年累計(jì)節(jié)約的運(yùn)行費(fèi)用不足回收機(jī)組增加的初投資，A機(jī)組的綜合經(jīng)濟(jì)性要優(yōu)于B機(jī)組和C機(jī)組，B機(jī)組的綜合經(jīng)濟(jì)性居中，C機(jī)組的綜合經(jīng)濟(jì)性最差。

表8 綜合性技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較表

注：(1) 以A機(jī)組的費(fèi)用為基準(zhǔn)值進(jìn)行比較，+ 表示差值大于基準(zhǔn)值，- 表示差值小于基準(zhǔn)值；(2) 綜合經(jīng)濟(jì)性差額=初投資差額- (年凈收入差額×20a年現(xiàn)金值系數(shù))。

6 結(jié)論

對采用不同超低排放技術(shù)路線的3臺燃高水份、高揮發(fā)份、中硫、低灰的低熱值褐煤機(jī)組分析可知，3臺機(jī)組污染物的脫除效率較高，污染物排放濃度符合國家規(guī)定的超低排放標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)際運(yùn)行測量可知，在NOX排放控制方面，C機(jī)組優(yōu)于A機(jī)組和B機(jī)組。在煙塵和SO2排放的控制方面，A機(jī)組優(yōu)于B機(jī)組和C機(jī)組。綜合經(jīng)濟(jì)性分析可知，A機(jī)組的綜合經(jīng)濟(jì)性要優(yōu)于B機(jī)組和C機(jī)組，B機(jī)組的綜合經(jīng)濟(jì)性居中，C機(jī)組的綜合經(jīng)濟(jì)性最差。

燃用高水、中硫、低灰的低熱值褐煤選擇適當(dāng)?shù)某团欧偶夹g(shù)路線，可以滿足超低排放的要求。在脫硝方面，建議采用尿素?zé)峤夥ń档瓦\(yùn)行中的安全風(fēng)險(xiǎn)，催化劑采用3層或3+1層的SCR裝置。在除塵方面，建議采用干式靜電除塵結(jié)合脫硫塔和冷凝塔內(nèi)的“旋匯耦合”洗塵的協(xié)同脫除技術(shù)，將煙氣出口煙塵濃度降至最低。在脫硫方面，建議采用零補(bǔ)水石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)，降低脫硫耗水量，實(shí)現(xiàn)脫硫零補(bǔ)水。

對于高硫分、高灰分、低發(fā)熱量的褐煤，考慮運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和安全性的前提下，即使采用超低排放技術(shù)仍難達(dá)到超低排放標(biāo)準(zhǔn)，建議對入爐煤進(jìn)行洗煤，降低入爐煤的含硫量和含灰量，根據(jù)實(shí)際入爐煤的煤質(zhì)分析情況選擇合適的超低排放路線。

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Analysis of Ultra Low Emission Technological Schemes for 600 MW Units Lignite Fired Once-through Boiler

LI Cuicui, ZHENG Guokuan, CHEN Guanglin

(China Shenhua Energy Co. Ltd., Shengli Energy Branch Company, Xilinhaote 026000, China)

Lignite reserves are rich in China. However, in view of its own properties of low calorific value lignite with high water content, high volatile matter, medium sulfur and low ash, it is not suitable for the long distance transportation, but suitable for in situ conversion of power generation. It is of great significance to study the ultra-low emission technology of high water, medium sulfur and low ash lignite. The model is based on 3 units of 600 MW lignite fired units, and the ultra-low emission technology, practical operation situation, and comprehensive economy of the 3 units, are analyzed. The results show that the emission concentration of the NOX, soot, SO2emissions for the 3 units can reach the ultra-low emission standards. Economy comparison shows that the economic performance of A unit is the best. Suggestions are put forward on the selection of ultra-low emission technology route for these types of units.

ultra low emission; once-through boiler; lignite; denitrification; precipitator; desulphurizatio; economic analysis

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.03.012

2016-10-17。

TK09

A

1672-0792(2017)03-0068-06

李翠翠(1982-)，女，工程師，從事大型電站節(jié)能減排技術(shù)研究工作。