新型煙氣超低排放技術(shù)研究與應用

張建通，王佃昌，王繼倫

(華電國際山東信息管理有限公司，濟南 250014)

1 研究背景

當前，我國環(huán)境污染形勢十分嚴峻，環(huán)境治理需求迫切，因此，對燃煤電廠煙氣超低排放、廢水零排放、節(jié)能降耗等方面均提出了更加嚴格的要求。

2014年國家發(fā)改委、環(huán)保部、能源局聯(lián)合下發(fā)了《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》(以下簡稱《行動計劃》)，明確提出需全面落實“節(jié)約、清潔、安全”的能源戰(zhàn)略方針，加快燃煤發(fā)電升級與改造，努力實現(xiàn)供電煤耗、污染排放、煤炭占能源消費比重“三降低”?！缎袆佑媱潯愤M一步指出，新建燃煤發(fā)電機組應同步建設(shè)先進高效的脫硫、脫硝和除塵設(shè)施，同時不得設(shè)置煙氣旁路通道，以實現(xiàn)對大氣污染物排放的嚴格控制。同年，山東省發(fā)改委、環(huán)保廳印發(fā)《關(guān)于盡快制定現(xiàn)役燃煤機組節(jié)能減排升級與改造計劃的通知》，明確要求山東省現(xiàn)役300 MW及以上公用燃煤發(fā)電機組、100 MW及以上自備燃煤發(fā)電機組以及其他有條件的燃煤發(fā)電機組，經(jīng)改造后的大氣污染物排放質(zhì)量濃度需達到燃氣機組排放限值，即在基準氧體積分數(shù)為6%的條件下，煙塵、SO2、NOx排放質(zhì)量濃度分別不高于5，35，50 mg/m3(標態(tài)，下同)。

2 研究意義

在煙氣超低排放方面，傳統(tǒng)的燃煤電廠基本還未擺脫濕式除塵器的技術(shù)桎梏。在保證煙氣超低排放的前提下，盡可能降低投資、減少設(shè)備運行維護成本、減少廢水排放、降低廠用電是目前燃煤電廠選擇爐后環(huán)保設(shè)施時主要考慮的因素。對國內(nèi)外技術(shù)路線進行充分調(diào)研后可以發(fā)現(xiàn)：與傳統(tǒng)的采用濕式除塵器的煙氣超低排放方案相比，不采用濕式除塵器不僅可以優(yōu)化設(shè)備布置、減少設(shè)備投資和后續(xù)設(shè)備運行維護、實現(xiàn)節(jié)能降耗，而且可以杜絕脫硫廢水產(chǎn)生、減少廢水治理成本。在滿足煙氣超低排放的前提下，不采用濕式除塵器的方案在環(huán)保和節(jié)能2個方面均具有較大的優(yōu)越性[1]。目前，國內(nèi)外低低溫靜電除塵器、高效脫硫協(xié)同除塵、煙氣脫硫(FGD)Plus等煙氣超低排放新技術(shù)逐步成熟，多項新技術(shù)聯(lián)合應用就可以擺脫傳統(tǒng)濕式除塵器的技術(shù)限制，同時實現(xiàn)煙氣超低排放的目標。

3 研究路線

2015年，華電國際十里泉發(fā)電廠“上大壓小”2×660 MW超超臨界機組工程設(shè)計執(zhí)行燃氣機組超低排放標準。該工程建設(shè)的總目標是探索并應用一種新型煙氣超低排放技術(shù)路線，建設(shè)節(jié)能、環(huán)保、高效機組。

煙氣超低排放的關(guān)鍵和難點在于高效脫硫協(xié)同除塵系統(tǒng)與高效除塵措施的有效結(jié)合，以及爐后設(shè)備間的合理配合[2]。該工程借鑒日本燃煤電廠提出的“環(huán)保島”概念[3-4]，引入全負荷選擇性催化還原(SCR)脫硝、煙氣余熱利用、低低溫靜電除塵器(ESP)、高效脫硫協(xié)同除塵FGDPlus等先進技術(shù)，經(jīng)過合理融合和充分論證，最終確定執(zhí)行技術(shù)路線為：全負荷SCR脫硝技術(shù)+低低溫靜電除塵器+高效脫硫協(xié)同除塵FGDPlus+管束式煙氣換熱器(MGGH)，取消濕式除塵器方案。此技術(shù)路線在同類型機組中屬于領(lǐng)先水平。超低排放技術(shù)路線如圖1所示。

圖1 超低排放技術(shù)路線Fig.1 Ultra-low emission technology roadmap

3.1 全負荷SCR脫硝技術(shù)

全負荷SCR脫硝技術(shù)是在高含塵區(qū)鍋爐省煤器和空氣預熱器之間設(shè)置反應器，省煤器出口的煙氣垂直進入反應器，經(jīng)過各層催化劑模塊作用后，將NOx還原為無害的氮氣和水。這一化學反應的允許溫度為300～400 ℃，與省煤器與空氣預熱器之間的煙氣溫度相當[5-6]。SCR技術(shù)的鍋爐實際運行脫硝效率可達70%～90%。

該工程脫硝系統(tǒng)采用SCR脫硝裝置，在設(shè)計煤種及校核煤種、鍋爐最大連續(xù)蒸發(fā)量(BMCR)工況、處理100%煙氣量條件下，這一脫硝裝置的脫硝效率不低于86%，可以滿足國家環(huán)保煙氣排放要求。脫硝催化劑層數(shù)按2+2選型布置安裝；脫硝裝置可用率不小于98%；脫硝系統(tǒng)配備尿素熱解制氨系統(tǒng)；在鍋爐后豎煙井內(nèi)布置氣氣管式換熱器，利用鍋爐高溫煙氣將引入的冷一次風(壓力為12.5 kPa，溫度為30 ℃)加熱到450～650 ℃，作為脫硝尿素熱解的熱源?？紤]到機組低負荷運行時較低溫度煙氣的影響，該工程同時預留了電加熱器裝置(每臺鍋爐按300 kW預留)。

3.2 低低溫靜電除塵器

根據(jù)靜電除塵器供貨廠家提供的多個運行項目資料，煙氣溫度與粉塵電阻率的關(guān)系曲線基本呈現(xiàn)為拋物線，如圖2所示。

圖2 煙氣溫度與煙塵電阻率的關(guān)系曲線Fig.2 Relationship between flue gas temperature and soot resistivity

由圖2可以看出：在低溫區(qū)(低于100 ℃)，粉塵導電主要依靠層粒表面吸附的水分或其他化學物質(zhì)的離子進行，這種表面導電占優(yōu)勢的粉塵導電率稱為表面電阻率，電阻率隨著煙氣溫度的降低而降低；在高溫區(qū)(大于200 ℃)，粉塵層的導電主要依靠粉塵本體內(nèi)部的離子或電子進行，這種本體導電占優(yōu)勢的粉塵電阻率稱為體積電阻率，電阻率隨著煙氣溫度的升高而降低；溫度介于兩者之間時，則表面電阻率和體積電阻率同時發(fā)揮作用，且電阻率處于拋物線的頂點區(qū)域，屬于電阻率高點[7-9]。據(jù)此，一般燃煤電廠電除塵器設(shè)計選型時，工作溫度要盡量避開電阻率較高的拋物線頂點區(qū)域。

試驗研究證明了煙氣溫度與電阻率密切相關(guān)，并直接影響電除塵效率[10]。分析認為，高溫煙氣經(jīng)過換熱降溫后，體積流量降低，電場煙氣通道內(nèi)的低溫煙氣流速也相應降低；同時，煙溫降低會導致煙氣中的SO3發(fā)生冷凝，形成液態(tài)粒子混合在煙氣中形成氣溶膠，酸性氣溶膠具有極強的浸潤性，在較高灰分的煙氣環(huán)境中會快速與粉塵顆粒之間發(fā)生物理吸附和化學吸附，提高粉塵顆粒表面的電導率，進而降低其電阻率[11]。根據(jù)實測數(shù)據(jù)，煙氣溫度從100 ℃降至80 ℃的過程中，電阻率最大降幅可達1個數(shù)量級以上，可以使電除塵效率得到大幅提高，以滿足更加嚴格的煙氣排放標準。

該工程采用“煙氣余熱利用+低低溫靜電除塵”相結(jié)合的技術(shù)路線，建設(shè)獨具特色的低低溫靜電除塵器，使電除塵器穩(wěn)定運行在設(shè)計的90～110 ℃煙溫區(qū)間，大幅降低電阻率，降低煙氣量，提高運行電壓，從而提高電除塵效率[12]。該工程實現(xiàn)了煙溫調(diào)節(jié)、工況自動分析、反電暈自動檢測控制及減功率振打等機電一體化協(xié)同控制，達到了系統(tǒng)運行最優(yōu)、節(jié)能最佳的控制效果，低低溫靜電除塵器出口煙塵質(zhì)量濃度低于15 mg/m3。

采用合理的余熱利用裝置降低靜電除塵器里的煙氣溫度，主要有以下4方面的優(yōu)勢。

(1)提高電除塵效率。降低煙塵電阻率，降低處理煙氣量(即增加電除塵器的比積塵面積)，提高電除塵器運行電壓。

(2)節(jié)能。低低溫電除塵器系統(tǒng)中的余熱利用換熱裝置可節(jié)省引風機電耗。

(3)節(jié)水。節(jié)省脫硫工藝水約30%。

(4)SO3去除率高。SO3去除率達70%～95%，可大幅減少下游金屬設(shè)備的低溫腐蝕。

3.3 高效脫硫協(xié)同除塵

該工程高效脫硫協(xié)同除塵系統(tǒng)按1爐2塔、3層噴淋層、雙塔雙循環(huán)的方案設(shè)計建設(shè)。設(shè)計脫硫效率不低于99.37%，一級吸收塔脫硫效率為85.00%，二級吸收塔脫硫效率為96.00%，吸收塔除塵效率為70.00%，出口煙氣中SO2質(zhì)量濃度小于35 mg/m3，粉塵排放質(zhì)量濃度小于5 mg/m3。

在脫硫吸收塔入口和噴淋層之間增加一層FGDPlus，并通過計算流體動力學(CFD)模擬，對吸收塔尺寸、FGDPlus設(shè)計參數(shù)以及噴淋層及噴嘴的布置進行了優(yōu)化，大幅提高了脫硫效率，與空塔噴淋相比實現(xiàn)了較低的運行電耗。該工程的FGDPlus經(jīng)奧地利能源與環(huán)境公司(AEE)計算選型后建設(shè)，管徑為80 mm，管凈間距為60 mm。FGDPlus技術(shù)特點如下。

(1)形成持液層，強化煙氣與漿液的接觸，提高脫硫和除塵能力。在傳統(tǒng)的空塔噴淋中，煙氣和漿液接觸是通過吸收塔漿液噴霧來完成的，噴霧液滴的表面和煙氣接觸，去除煙氣中的SO2。將FGDPlus安裝在煙氣入口和第1層噴淋層之間，大量的循環(huán)漿液會在FGDPlus上形成一個穩(wěn)定的持液層，為煙氣和漿液提供了最為緊密的接觸環(huán)境，降低了氣液兩相的反應阻力，增加了傳質(zhì)面積；同時，煙氣穿過持液層，增加了煙氣和漿液接觸反應的時間。漿液穿過FGDPlus，可以使脫硫能力增強20%～30%，煙氣中夾帶的大部分粉塵通過FGDPlus表面形成的持液層后得以去除，提高了除塵能力[13-17]。

(2)對進入吸收塔的煙氣進行整流。在傳統(tǒng)的空塔噴淋中，煙氣靠每次穿過噴霧層實現(xiàn)整流，即通過連續(xù)噴淋漿液阻力來重新分布煙氣。但實際運行中，連續(xù)噴淋漿液時煙氣已經(jīng)通過了大部分吸收區(qū)，未能充分利用所提供的液氣比。不均衡的氣體分布導致吸收塔截面上液氣比不均勻，液氣比高的區(qū)域SO2和粉塵的去除效率高，而液氣比低的區(qū)域SO2和粉塵的去除效率低。吸收塔內(nèi)原本分布不均勻的煙氣在穿過FGDPlus上形成的持液層后，會盡量均勻地分布在吸收塔截面。FGDPlus產(chǎn)生的阻力在氣體和漿液剛接觸時形成，并可以惠及吸收區(qū)。因此，漿液和煙氣的接觸在整個吸收區(qū)域都實現(xiàn)了優(yōu)化[18-19]。

為進一步降低粉塵排放質(zhì)量濃度，該項目采取了以下技術(shù)措施。

(1)根據(jù)CFD流場模擬結(jié)果，煙氣在經(jīng)過FGDPlus后、噴淋層之間、除霧器入口的速度分布偏差應不大于15%，通過增加FGDPlus，可使煙氣在吸收塔內(nèi)的分布滿足以上要求。流場分布均勻程度的改善，有效提高了噴嘴出口液滴與粉塵顆粒的碰撞幾率，從而提高了吸收塔內(nèi)噴淋漿液對粉塵的脫除效率。

(2)優(yōu)化噴淋層布置，提高覆蓋率。噴淋層間距由1.8 m提高到2.0 m，延長煙氣的停留時間，提高粉塵在吸收塔內(nèi)的脫除效率。根據(jù)CFD流場模擬結(jié)果對噴淋層布置及噴嘴分布進行優(yōu)化，改善漿液在塔截面分布的均勻性，單層噴淋層噴嘴的覆蓋率可達200%以上。

(3)優(yōu)化噴嘴選型，降低液滴粒徑，提高效率。噴嘴采用高效同向雙頭噴嘴，即同一方向上有2個噴嘴，2個噴嘴噴出來的噴霧方向相反。采用此噴嘴可以產(chǎn)生粒徑更小的霧滴(由常規(guī)的2 200 μm降低到1 600 μm)，有效增大氣液接觸面積。雙頭噴嘴噴出的漿液反方向旋轉(zhuǎn)，在旋轉(zhuǎn)的過程中發(fā)生碰撞，能夠產(chǎn)生二次霧化，進一步增加液滴與煙氣接觸的表面積，使得原本不能接觸煙氣的液滴內(nèi)部轉(zhuǎn)化為表面與煙氣接觸并反應，從而提高粉塵脫除效率。

(4)降低塔內(nèi)煙氣流速，提高粉塵捕捉幾率。該項目吸收塔內(nèi)煙氣流速為3.46 m/s，延長了煙氣在吸收塔內(nèi)的停留時間，進而增強了液滴捕捉粉塵顆粒的幾率。

(5)降低除霧器出口煙氣中液滴的質(zhì)量濃度，減少液滴漿液顆粒夾帶。除霧器出口煙氣液滴中夾帶的漿液顆粒是吸收塔出口粉塵的重要組成部分，尤其是針對粉塵排放質(zhì)量濃度要求高的機組，此部分漿液顆粒能占吸收塔出口粉塵排放的40%～80%。因此，有效降低吸收塔出口煙氣中液滴的質(zhì)量濃度可以顯著減少吸收塔出口的粉塵排放。

該工程脫硫吸收塔采用FGDPlus技術(shù)及相關(guān)措施后，脫硫效率可達99.60%，除塵效率提高至85%以上，吸收塔出口煙氣中SO2質(zhì)量濃度小于35 mg/m3，煙囪入口處煙塵質(zhì)量濃度可降至5 mg/m3以下。

3.4 MGGH

設(shè)置2級換熱器：在除塵器前設(shè)低低溫省煤器，利用煙氣余熱加熱凝結(jié)水，回收熱量；在煙囪入口設(shè)煙氣加熱器，以循環(huán)水為媒介，吸收電除塵前的煙氣熱量，提高排煙溫度至75 ℃，消除或減輕煙囪出口“白煙”現(xiàn)象。

MGGH裝置水側(cè)系統(tǒng)如圖3所示。

圖3 MGGH裝置水側(cè)系統(tǒng)Fig.3 MGGH water-side system

4 應用效果

該工程機組投產(chǎn)后，2臺機組于2017年先后順利通過環(huán)保驗收，煙塵、SO2和NOx等排放質(zhì)量濃度均達到并優(yōu)于國家最新標準，同時優(yōu)于設(shè)計值，真正實現(xiàn)了不上濕式除塵器的同時超低排放。采用低低溫靜電除塵器，保證出口煙塵質(zhì)量濃度為6～15 mg/m3，降低了進入脫硫系統(tǒng)煙塵的質(zhì)量濃度。二級吸收塔入口和噴淋層之間增加一層FGDPlus，改善了煙氣分布的均勻度，延長了煙氣與漿液的接觸時間，顯著改善了脫硫效率及除塵效率。余熱利用換熱裝置節(jié)省脫硫工藝水約30%，投運余熱利用裝置時，SO3脫除率達到70%以上，電除塵器出口煙氣中SO3質(zhì)量濃度大幅降低。由于不采用濕式除塵器，減少投資約4 000萬元。

5 結(jié)束語

本文介紹的超低排放技術(shù)路線真正實現(xiàn)了不上濕式除塵器的同時超低排放，可為后續(xù)新建火電機組或爐后超低排放改造提供參考。截至目前，新建機組已運行2年多，爐后煙氣排放各項指標依然滿足并優(yōu)于國家超低排放要求，證明該項技術(shù)可以真正經(jīng)受時間檢驗，應用前景廣闊，社會效益顯著。