燃煤機(jī)組對(duì)SO2排放優(yōu)化改造

折中明，，， ， ，

(1.華能平?jīng)霭l(fā)電有限責(zé)任公司，甘肅 平?jīng)?744032;2.甘肅省電力公司電力科學(xué)院，甘肅 蘭州 730050)

中國(guó)是世界上第一大燃煤機(jī)組國(guó)家，伴隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展也將火電帶入全新的發(fā)展階段。在煤中占據(jù)絕大多數(shù)的元素為C元素，不同的煤種所含相應(yīng)的其他元素各有差異，但基本上以H、N、S、O以及一些有毒的重金屬為主。而這些元素在爐內(nèi)經(jīng)過(guò)劇烈的氧化反應(yīng)后的生成物一部分在裝備中形成了PM10、PM2.5、PM0.38等為主的細(xì)微顆粒物及含有石膏液滴、酸霧等有毒有害的霧狀物(以硫氧化物為主)。其中SO2是形成酸雨的主要物質(zhì)，也是涉煤企業(yè)如鋼鐵、電力、化工、礦業(yè)、石油及煉焦等工業(yè)重點(diǎn)控制的參數(shù)之一。中國(guó)的SO2國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)[1]已低于美國(guó)、德國(guó)、日本和澳大利亞等發(fā)達(dá)國(guó)家SO2的排放標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)行的美國(guó)[2](2011年5月3日及以后的新建、擴(kuò)建電廠)為136.1 mg/m3，而德國(guó)、日本及澳大利亞的標(biāo)準(zhǔn)為200 mg/m3。國(guó)家新規(guī)中煙氣脫硫系統(tǒng)入口及出口SO2質(zhì)量濃度國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)及企業(yè)運(yùn)營(yíng)脫硫效率見(jiàn)表1所示。

表1 燃煤與脫硫系統(tǒng)入口及出口SO2質(zhì)量濃度數(shù)值

在華能平?jīng)霭l(fā)電有限責(zé)任公司，我們采用以濕法脫硫進(jìn)行SO2的深度治理，也是國(guó)際上目前最為普遍的一種技術(shù)。我們對(duì)WFGD的改造，從改造設(shè)計(jì)、設(shè)備選型、設(shè)備管理及運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定等多方綜合治理。

1 設(shè)備概況

華能平?jīng)鲭姀S現(xiàn)有6臺(tái)燃煤機(jī)組，#1～#4為325 MW汽輪發(fā)電機(jī)組，#5、#6為600 MW汽輪發(fā)電機(jī)組。#5機(jī)組于2010年2月7日投產(chǎn)，超臨界燃煤機(jī)組，配套哈爾濱鍋爐廠制造的HG-2072/25.4-YM12型鍋爐。鍋爐為超臨界壓力、循環(huán)泵式啟動(dòng)系統(tǒng)、前后墻對(duì)沖低NOx軸向旋流燃燒器、一次中間再熱、單爐膛平衡通風(fēng)、固態(tài)排渣、全鋼架的變壓本生直流爐。

#5機(jī)組煙氣脫硫裝置采用石灰石-石膏濕法脫硫，采用一爐一塔系統(tǒng)布置。單臺(tái)鍋爐100%BMCR工況時(shí)WFGD系統(tǒng)全煙氣脫硫率不小于95%，WFGD入口煙氣量2 136 713 m3/h(標(biāo)態(tài)、干基、6%O2以下同)，入口煙氣含硫量小于2 000 mg/m3；脫硫后的凈煙氣直接進(jìn)入煙囪排放，脫硫裝置年利用率不低于98%。2012年12月7日，#5機(jī)組脫硫系統(tǒng)旁路拆除，脫硫設(shè)施投運(yùn)率達(dá)100%。

2 脫硫系統(tǒng)超低排放改造

2.1 WFGD系統(tǒng)狀況及存在的問(wèn)題

WFGD原設(shè)計(jì)參數(shù)為：在鍋爐100% BMCR工況燃用設(shè)計(jì)煤種產(chǎn)生的煙氣量為基準(zhǔn)(燃用煤種設(shè)計(jì)硫份Sar為0.54%～0.4%之間)；WFGD入口SO2濃度2 000 mg/m3，WFGD出口SO2濃度小于200 mg/m3，脫硫效率不小于95%。

原WFGD系統(tǒng)主要問(wèn)題有：脫硫效率較為低下；供漿管路損壞部分需進(jìn)行修復(fù)或更換；濾布沖洗水系統(tǒng)需要進(jìn)行優(yōu)化，脫硫系統(tǒng)水耗大，需對(duì)沖洗噴嘴進(jìn)行改造；需要更換2臺(tái)性能可靠的離心脫水機(jī)及控制系統(tǒng)，更換兩臺(tái)污泥輸送泵(原泵為變頻)，對(duì)各加藥箱、加藥泵進(jìn)行優(yōu)化或更換。原脫硫區(qū)域的系統(tǒng)腐蝕、電纜老化等較多，需要進(jìn)行修復(fù)或更換。

2.2 WFGD系統(tǒng)技改方案設(shè)計(jì)

(1)對(duì)SO2排放優(yōu)化改造設(shè)計(jì)依據(jù)的主參數(shù)以煤種含硫量為基準(zhǔn)，對(duì)脫硫設(shè)備選用采取“低耗、高效、利舊、易調(diào)”的原則。

針對(duì)采用以低硫煤Sar在0.4%～0.6%為主的動(dòng)力用煤，摻燒煤種Sar在0.29%～0.38%為輔，以及擬采購(gòu)的周邊礦高硫煤Sar在1.0%～1.6%作為公司經(jīng)濟(jì)煤種的經(jīng)營(yíng)用煤方式。綜合上述三種用煤，核定此次設(shè)計(jì)煤種Sar為1.0%。

對(duì)于燃用低硫煤[5]的電廠，WFGD采用方式主要是增效法，提高吸收塔的SO2脫除效率為主，增加漿液循環(huán)泵及反應(yīng)空間內(nèi)的噴淋層、持液層及聚氣環(huán)等措施。對(duì)于燃用高硫煤[6]電廠，在WFGD的改造主要涉及擴(kuò)容法，增設(shè)一級(jí)吸收塔的兩級(jí)串塔式，該方法有利于煙氣在不同脫硫塔的分級(jí)分階段pH值處理，可顯著降低設(shè)備的腐蝕程度提高脫硫效率。

(2)WFGD技改優(yōu)化設(shè)計(jì)方案遴選：燃煤電廠解決環(huán)境問(wèn)題的負(fù)面效應(yīng)時(shí)，研究改造經(jīng)濟(jì)性解決設(shè)備改造經(jīng)費(fèi)問(wèn)題。

在本次改造方案設(shè)計(jì)時(shí)，以除脫硫效率及脫硫工程量為主參數(shù)的設(shè)計(jì)考量，更多的方案遴選集中在脫硫改造工程的SO2吸收效率、除塵效率及改造完成投資費(fèi)用、設(shè)備維護(hù)費(fèi)用等方面，以設(shè)備的全生命周期管理為基本衡量目標(biāo)。表2中就是選自本次技改兩種方案主參數(shù)對(duì)比。

如表2所示，其一：在方案一中，增加一層合金持液層、兩層噴淋層，一臺(tái)漿液循環(huán)泵及相應(yīng)的支持層、防腐費(fèi)用共計(jì)約100萬(wàn)；方案二中，增加噴淋層及兩臺(tái)漿液循環(huán)泵、支持層、噴嘴、防腐及電氣系統(tǒng)等，總費(fèi)用約250萬(wàn)；方案一的工程量與耗材量較方案二低，并且總設(shè)備投資也比方案二低203萬(wàn)元，維護(hù)費(fèi)用低8萬(wàn)元/年，故在設(shè)備經(jīng)濟(jì)性方面選擇方案一為技改方案。其二：在脫硫協(xié)同脫除煙氣微粒方面，方案一中的持液層具有重塑吸收塔能煙氣流場(chǎng)的作用，對(duì)通過(guò)煙氣中顆粒物的“洗塵”效應(yīng)明顯。

表2 兩種技改方案的主參數(shù)對(duì)比

綜合脫硫能力、除塵能力及改造的經(jīng)濟(jì)性，方案一成為本次技改工程選擇方案。目前燃煤機(jī)組基本成本約0.28元/kWh左右，考慮到國(guó)家對(duì)火電機(jī)組設(shè)備環(huán)保電價(jià)加成及設(shè)備排污費(fèi)，該技改方案經(jīng)濟(jì)性明顯優(yōu)于水電、風(fēng)電、太陽(yáng)能及燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電機(jī)組。

2.3 WFGD技改主要措施

本次改造以充分利用原設(shè)備為原則，“增加一層噴淋層，兩層合金持液層”的方案。并采用脫硫塔增容逆流式改造方案，減少技改過(guò)程中的實(shí)際環(huán)保投資支出。

(1)設(shè)計(jì)方案主要的集中在擴(kuò)大SO2反應(yīng)空間及提高反應(yīng)器效率兩方面，具體措施如下：

(a)本次改造增設(shè)一臺(tái)漿液循環(huán)泵，形成3×8 700 m3/h與12 000 m3/h的4臺(tái)漿液循環(huán)泵的新系統(tǒng)。

(b)吸收塔抬升兩次，其中一次抬升：漿池區(qū)抬升3 m。擴(kuò)大漿池容積，原漿池容積由1 833 m3增加到2 540 m3。 二次抬升：除霧器下部切割抬升8.0 m。在新增空間除霧器下部加裝一層合金托盤(pán)及新增噴淋層。

(c)為提高SO2吸收效率，在最下層噴淋層與進(jìn)氣口之間增加一層合金持液層；除最下層噴淋層外，每層噴淋層下方1.0 m處放置聚氣環(huán)。

(d)采用3級(jí)高效屋脊式除霧器：將原吸收塔進(jìn)行改造設(shè)置2級(jí)屋脊式除霧器，使除霧器出口霧滴濃度降至20 mg/m3。

通過(guò)持液層洗塵，提高噴嘴噴淋的霧滴洗塵及高效降低除霧器霧滴攜帶，吸收塔出口凈煙氣中煙塵含量低至5 mg/m3。

(2)主要更改的設(shè)備：新增噴淋層布置220個(gè)新型空心錐噴嘴，將原3層噴淋層的每層160個(gè)噴嘴更換為新型單向噴嘴，并根據(jù)設(shè)備改造需要預(yù)留一層噴淋層空間。新增一臺(tái)攪拌器，更換原有4臺(tái)攪拌機(jī)，成為5臺(tái)側(cè)進(jìn)式系統(tǒng)。更換了氧化風(fēng)機(jī)、石膏排出泵、除氧器沖洗水泵，相應(yīng)的管道修舊利用以達(dá)到節(jié)省耗材的目的。

2.4 WFGD系統(tǒng)技改后效果

WFGD經(jīng)過(guò)以上改造，脫硫吸收塔液汽比達(dá)到19.8 m3,石膏漿液停留時(shí)間由改造前的2.9 min提升至4.0 min。實(shí)際運(yùn)行中吸收塔處理能力：使原煙氣中SO2從2 500 mg/m3脫除至28 mg/m3，WFGD設(shè)備裝置脫硫效率從改造前(93%～95%)整體提升至98.88%，WFGD裝置可用率100%。

3 WFGD廢水排放和處理系統(tǒng)

石灰石-石膏濕法是現(xiàn)有脫硫中效率最高且應(yīng)用最廣的工業(yè)用法。因水是工藝流程的主要生產(chǎn)介質(zhì)，設(shè)備運(yùn)行中普遍存在管路及設(shè)備腐蝕嚴(yán)重、運(yùn)行維護(hù)量大和廢水處理量大的問(wèn)題。

3.1 WFGD系統(tǒng)水處理系統(tǒng)水量平衡

由于在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)于含高污染物的脫硫廢水處理量較大，在改造設(shè)計(jì)過(guò)程中充分考量實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中的耗水問(wèn)題，對(duì)WFGD生產(chǎn)過(guò)程中的工藝耗水量進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)以單元工藝水的水平衡。圖1為WFGD系統(tǒng)改造后工業(yè)用水及用量，82.8%的總工藝水量的隨煙氣蒸發(fā)排入大氣，煙氣所含的污廢均溶解于不足0.1%的脫硫廢水或吸附在石膏排出物。

圖1 WFGD系統(tǒng)改造后工藝用水及用量圖

通過(guò)濾液水制漿、優(yōu)化除霧器沖洗[7](在沖洗程序中可以調(diào)整沖洗水量及沖洗頻率)等措施可實(shí)現(xiàn)脫硫水量平衡，并控制WFGD系統(tǒng)的總體水耗量。若水平衡破壞，在運(yùn)行中會(huì)出現(xiàn)工藝水箱溢流，石灰石漿液外溢或者吸收物中毒的事件。

3.2 WFGD對(duì)重金屬等污染物的協(xié)同處理功能

在平?jīng)鲭姀SWFGD系統(tǒng)中排出的產(chǎn)物石膏中石膏含量大于90%，半水硫酸鈣含量小于1%，以減少脫硫設(shè)備裝置的結(jié)垢率為主要目的；并通過(guò)調(diào)整石膏中的溶解物來(lái)控制WFGD工業(yè)廢水中的含鹽量，并達(dá)到減少工業(yè)廢水中有毒物質(zhì)的排放問(wèn)題。在設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中，出現(xiàn)在變工況及低負(fù)荷工況下的參數(shù)波動(dòng)問(wèn)題，實(shí)測(cè)石膏含量82.4%，半水石膏含量2.78%，Cl-含量0.62%，石膏含水量12.86%的脫硫塔低效運(yùn)行；針對(duì)這種工況，我們采用參數(shù)控制指標(biāo)調(diào)整(如表3所示)，重點(diǎn)解決設(shè)備的結(jié)垢及低效問(wèn)題。

表3 WFGD系統(tǒng)排出石膏固形物控制指標(biāo)

由于WFGD的工業(yè)水采用城市中水和電廠生產(chǎn)過(guò)程中廢水轉(zhuǎn)化為工藝水的生產(chǎn)流程；而城市中水的氯根、硬度和堿性較高，工藝廢水含鹽高。在中水系統(tǒng)采用超濾、反滲透處理以達(dá)到脫硫系統(tǒng)的使用標(biāo)準(zhǔn)。而脫硫廢水[8]，主要成分SS-懸浮物，F(xiàn)-以及重金屬；其中重金屬元素主要有Hg、Cr、Ni、Pb、Zn、Cu、Po等，與燃燒物相應(yīng)變化部分含有氟化物、砷和硒等。在生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)于影響脫硫塔運(yùn)行效率的pH值、重金屬離子的含量以及氧化風(fēng)機(jī)的投用同期進(jìn)行調(diào)整，以合理控制脫硫塔的反應(yīng)時(shí)間、脫硫效率及氧化效率等關(guān)鍵參數(shù)，具體措施實(shí)現(xiàn)重金屬離子與高濃度鈉鹽排出。

WFGD廢水排除物控制指標(biāo)：COD含量150 mg/l，pH值6～9，Cl-離子含量小于20 000 mg/l，F(xiàn)-含量10 mg/l，懸浮物20 mg/l。以降低漿液中的Cl-離子濃度、飛灰濃度及其他惰性物質(zhì)的顆粒濃度。相關(guān)研究表明，在噴淋塔中的重金屬離子充分吸附在石膏結(jié)晶體表面，其中約80%～90%的重金屬離子被結(jié)晶體吸收；因此，殘留在脫硫廢水中的重金屬離子濃度大為降低。這也同樣反映在石膏排出物控制指標(biāo)狀況(見(jiàn)表3)。本次改造的脫硫系統(tǒng)廢水通過(guò)三連箱、澄清池及加藥系統(tǒng)的處理，之后用于灰場(chǎng)噴灑抑塵。

脫硫廢水的外觀為黃濁液體，實(shí)測(cè)中的樣本指標(biāo)如表4所示。

脫硫外排水質(zhì)明顯優(yōu)于國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)，部分指標(biāo)接近國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)Diana、Adrian等學(xué)者[9]對(duì)大氣中微量金屬的研究表明，包括Pb、Cd、Cr、Ni等在內(nèi)的11種重金屬會(huì)對(duì)人體健康造成隱患，脫硫廢水尚需深度處理，以降低重金屬對(duì)環(huán)境的污染。

表4 脫硫廢水排放標(biāo)準(zhǔn)及實(shí)檢測(cè)數(shù)值

4 FGD技改方案取得成效

燃煤電廠的超凈排放改造，在漸進(jìn)式排放治理的基礎(chǔ)上，依靠存量治理實(shí)現(xiàn)總量減排的總體規(guī)劃，取得了相應(yīng)階段性的減排效果。華能平?jīng)鲭姀S改造后的WFGD高效地實(shí)現(xiàn)了SO2的超低排放，相應(yīng)的數(shù)據(jù)如圖2所示，凈煙氣SO2質(zhì)量濃度小于35 mg/m3，優(yōu)于國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 改造后主工況凈煙氣SO2質(zhì)量濃度

5 結(jié)論

燃煤機(jī)組WFGD的SO2排放優(yōu)化治理是緩解大氣污染的有效途徑之一，而在機(jī)組改造過(guò)程顯現(xiàn)出特有的經(jīng)濟(jì)性，設(shè)備運(yùn)行過(guò)程中的高效性，具體以煙氣洗塵、污染物低排及系統(tǒng)水平衡為主的三方面。

(1) 在主力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行的技術(shù)改造可實(shí)現(xiàn)燃煤機(jī)組的排放治理，相應(yīng)的技術(shù)改造處于逐步嘗試階段，設(shè)備投產(chǎn)后的調(diào)試運(yùn)行更為重要。FGD設(shè)備選型不僅僅在于對(duì)SO2的脫除效率與經(jīng)濟(jì)性方面，更在于濕法脫硫工藝特點(diǎn)——噴淋塔逆向布置對(duì)煙氣的“洗塵”功能，在此階段煙氣中大量的顆粒物被吸附與石膏一同排出，并有效捕捉煙氣中的氨逃逸。

(2)對(duì)SO2的減排控制環(huán)節(jié)，體現(xiàn)在整個(gè)工藝過(guò)程的脫硫廢水控制與石膏產(chǎn)出物的處理，其中半水硫酸鈣的含量小于1%是關(guān)鍵控制參數(shù)。石膏中重金屬的攜帶功能有效降低了脫硫廢水中重金屬離子的排出，間接減少了重金屬污染。

(3)西北區(qū)域的火電機(jī)組，需要建立與西北區(qū)域相適應(yīng)的排放標(biāo)準(zhǔn)，有利于燃煤機(jī)組改造從試點(diǎn)到區(qū)域的全面鋪開(kāi)的過(guò)程管理。對(duì)火電機(jī)組的排放治理，火電機(jī)組環(huán)保參數(shù)向世界發(fā)達(dá)國(guó)家靠攏，對(duì)于提高中國(guó)火電整體裝備制造水平，實(shí)現(xiàn)火電機(jī)組裝備創(chuàng)新，參與國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)具有較高的社會(huì)意義與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

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