寶山礦業(yè)熱電環(huán)保設(shè)施超低排放改造可行性研究

孫曉軍 白 偉 宋玉國 王新建

(包鋼集團寶山礦業(yè)有限公司，內(nèi)蒙古 包頭 014010)

0 引言

為加強環(huán)境保護、進一步實現(xiàn)減排目標，生態(tài)環(huán)境部等五部委于2015年12月11日聯(lián)合發(fā)布了關(guān)于印發(fā)《全面實施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》(環(huán)發(fā)〔2015〕164號)的通知。文件明確到2020年，全國所有具備改造條件的燃煤電廠力爭實現(xiàn)超低排放，即在基準氧含量6%條件下，煙塵、SO、NO排放濃度分別不高于10、35、50 mg/Nm3。

1 運行現(xiàn)狀分析

包鋼集團寶山礦業(yè)有限公司熱電站現(xiàn)有兩臺130 t/h中溫中壓煤粉鍋爐，兩臺12 MW汽輪發(fā)電機組(一臺C12-3.43/0.98抽凝式汽輪發(fā)電機組及一臺B12-3.43/0.98背壓式汽輪發(fā)電機組)，配發(fā)電機型號為QFW-15-2，額定功率15 MW，無刷勵磁，出口電壓為10.5 kV。鍋爐的中溫中壓蒸汽汽輪機作功發(fā)電與汽輪發(fā)電機組的抽汽和背壓蒸汽，實現(xiàn)“熱電聯(lián)產(chǎn)”。

現(xiàn)有兩臺鍋爐各有高溫SCR脫硝系統(tǒng)和布袋除塵系統(tǒng)各一套，石灰石濕法脫硫系統(tǒng)及煙囪共用一套(兩爐一塔)，煙囪出口直徑4 m，高度120 m。

現(xiàn)有除塵脫硫脫硝工藝流程為：

鍋爐煙氣→高溫SCR脫硝→布袋除塵器→引風機→石灰石/石膏濕法脫硫→煙囪排放

當前煙氣污染物排放能夠達到煙塵排放濃度<30 mg/Nm3,SO2排放濃度<100 mg/Nm3,NOX排放濃度<100 mg/Nm3不符合國家超低排放要求。

2 改造原則及改造方案

2.1 改造原則

改造后煙氣排放標準滿足:在基礎(chǔ)氧含量6%條件下，煙塵排放濃度<10 mg/Nm3、SO2排放濃度<35 mg/Nm3，NOX排放濃度<50 mg/Nm3。

堅持生產(chǎn)可靠、技術(shù)先進、節(jié)約投資、提高經(jīng)濟效益的原則。

2.2 主要改造方案

脫硝系統(tǒng)改造、脫硫系統(tǒng)改造、除塵系統(tǒng)改造。

3 改造措施

3.1 工程條件

鍋爐及煙氣主要技術(shù)參數(shù)如表1。

表1 鍋爐及煙氣主要技術(shù)參數(shù)表

續(xù)表

3.2 原料及能源介質(zhì)參數(shù)

供電：高壓10 kV，交流50±0.2 Hz，原引風機為690 V，本次改造引風機更換為10 kV。低壓：0.38/0.22 kV，3PH+N+PE，TN-S接地系統(tǒng)。

供水：系統(tǒng)用水主要為制漿用水，除霧器、濕電及管道沖洗用水，泵的冷卻密封用水，吸收塔及工藝水補水等。壓力：0.4 MPa，溫度：常溫。

壓縮空氣：主要為除塵脈沖清灰用氣和儀表用氣。壓力：0.4～0.8 MPa,無油無水壓縮空氣。

石灰石：外購石灰石品質(zhì)要求：CaCO3含量≥90%，不溶物含量≤3%，MgO含量≤1.5%，粒徑目數(shù)≥325(篩余量≤10%)。

3.3 脫硝系統(tǒng)改造

3.3.1 脫硝系統(tǒng)超低排放改造主要設(shè)備校核計算

現(xiàn)有脫硝系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 脫硝系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)表(單臺)

該項目兩臺130 t/h鍋爐現(xiàn)有SCR 脫硝系統(tǒng)，催化劑布置采用“2+1”布置形式，即兩層使用一層備用，但由于未進行低氮燃燒和SNCR改造(鍋爐使用的低氮燃燒器是2012年以前的產(chǎn)品，與2015年之后的同類產(chǎn)品相比降低氮氧化物的效果相差較大)，同時由于鍋爐運行過程中的燃燒溫度較高，熱力型氮氧化物產(chǎn)生量較大，故SCR脫硝裝置入口氮氧化物濃度較同類型鍋爐的氮氧化物濃度較高，目前已將備用層啟用。

通過對現(xiàn)有脫硝系統(tǒng)主要設(shè)備進行校核計算，目前三層催化劑全部運行，僅可以滿足入口NOX最大濃度490 mg/Nm3，出口排放濃度<100 mg/Nm3的要求，無法滿足NO排放濃度<50 mg/Nm3的超低排放要求。針對鍋爐運行實際情況，結(jié)合目前使用的稀土催化劑性能參數(shù)進行校核計算,為滿足超低排放要求，需增加一層催化劑。

3.3.2 脫硝系統(tǒng)超低排放改造工藝內(nèi)容

目前鍋爐煙氣已經(jīng)建設(shè)了SCR脫硝系統(tǒng)，針對該工程為滿足SCR出口NOX濃度<50 mg/Nm3的超低排放改造要求，采用對“對現(xiàn)有SCR脫硝系統(tǒng)優(yōu)化改造”的建設(shè)方案，建設(shè)工期短，改造的初投資較小。

在現(xiàn)有三層催化劑上方增加一層催化劑及其相應(yīng)吹灰裝置，由現(xiàn)有三層布置改為四層布置。配套改造 1#、2#SCR反應(yīng)器本體增高3.7 m改造相應(yīng)平臺爬梯及內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)，校核并加固SCR反應(yīng)器基礎(chǔ)、混凝土柱、鋼結(jié)構(gòu)柱。后期運行時，根據(jù)出口排放濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)及催化劑使用時間，定時檢測催化劑失效情況，從首層開始逐年逐層更換?，F(xiàn)有三層催化劑為2018年更換，2021年已到再生壽命，需由催化劑供應(yīng)廠家對現(xiàn)有脫硝催化劑進行活性、機械強度等性能檢測，確定需要更換的層數(shù)與體積。本次改造擬進行首層更換。

脫硝反應(yīng)器本體加高，配套對1#、2#脫硝反應(yīng)器外保溫改造，脫硝系統(tǒng)改造采用的主要設(shè)備/材料清單詳見附表：設(shè)備/材料訂貨明細表中脫硝部分內(nèi)容。

3.4 脫硫系統(tǒng)改造

3.4.1 脫硫系統(tǒng)超低排放改造主要設(shè)備校核計算

現(xiàn)有脫硫系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)見表3。

表3 脫硫系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)

通過對現(xiàn)有脫硫系統(tǒng)主要設(shè)備進行校核計算，其相應(yīng)的漿液制備系統(tǒng)SO2吸收系統(tǒng)均按照入口SO2最大濃度3 625 mg/Nm3出口100 mg/Nm3設(shè)計?？紤]到摻混煤的使用情況，本工程按入口SO2最大濃度 4 000 mg/Nm3設(shè)計，要滿足出口SO2排放濃度<35 mg/Nm3的標準，計算結(jié)論如下：現(xiàn)有 SO2吸收系統(tǒng)的液氣比為13.5，僅能滿足原設(shè)計SO2排放濃度<100 mg/Nm3的設(shè)計標準，本次改造為滿足超低排放要求，需提高液氣比；現(xiàn)有兩臺氧化風機已同時運行僅能滿足原設(shè)計SO2排放濃度<100 mg/Nm3的設(shè)計標準，此次改造為滿足超低排放要求，需增大氧化風量；現(xiàn)有脫硫系統(tǒng)的漿液輸送泵、石膏排出泵、皮帶脫水機等設(shè)備參數(shù)能滿足超低排放要求。

3.4.2 脫硫系統(tǒng)超低排放改造工藝內(nèi)容

現(xiàn)有脫硫系統(tǒng)超低排放改造盡可能利用現(xiàn)有系統(tǒng)和設(shè)備，不作大的調(diào)整。改造工作在對現(xiàn)有各相關(guān)工藝系統(tǒng)評估、核算的前提下，為滿足SO2排放濃度<35 mg/Nm3的超低排放標準，改造主要內(nèi)容為：“增設(shè)高效傳質(zhì)單元+提高液氣比增設(shè)噴淋層+除霧器提效改造+增大氧化風量”。

以下就原設(shè)計條件和本次提效改造條件，對SO2吸收氧化系統(tǒng)、煙氣系統(tǒng)等改造方案進行詳細論述。

吸收塔是整個脫硫裝置的核心。根據(jù)新的脫硫效率要求，原吸收塔已不能適應(yīng)變化后的運行工況，需要對吸收系統(tǒng)進行提效改造。排放要求提高后，脫硫效率由95%調(diào)整到99%以上，脫硫裝置需通過增加液氣比、增強氧化等措施，才能較好地保證吸收效果和脫硫效率。

本次吸收系統(tǒng)改造擬將系統(tǒng)液氣比提高至18～20，原三層噴淋層及配套循環(huán)泵利舊,在原第三層噴淋層上部增加一層噴淋層，配套增設(shè)循環(huán)泵一臺。將現(xiàn)有除塵脫硝脫硫綜合樓一層內(nèi)工藝水箱西側(cè)兩臺工藝水泵移至工藝水箱北側(cè)，新增循環(huán)泵布置于工藝水箱西側(cè)位置。 將原噴淋層上方除霧器拆除，改造為二級屋脊式高效除霧器。在吸收塔內(nèi)增設(shè)增效傳質(zhì)單元。配套吸收塔加高7 m，改造吸收塔相應(yīng)平臺爬梯及內(nèi)部鋼結(jié)構(gòu)，并校核吸收塔基礎(chǔ)承載能力。

高效傳質(zhì)單元的開孔率在25%～45%，單元上的小孔起到限流的作用，可以使高效傳質(zhì)單元上形成一層持液層；煙氣在高效傳質(zhì)單元下方穿過持液層，在此過程中，煙氣在持液層中形成小的密集氣泡，增加了氣液傳質(zhì)面積和接觸時間，提高了脫硫效率。

吸收塔原設(shè)計氧化風機兩臺(一運一備)，流量36.4 m3/min，壓力90 KPa，功率為90 kW，目前實際運行情況為兩臺同時運行。按超低排放標準重新核算后，本次改造擬新增一臺氧化風機與現(xiàn)有氧化風機型號相同，兩用一備運行，流量裕量為10%，壓頭裕量為20%，配套改造氧化風管道。新增氧化風機布置于現(xiàn)有除塵脫硝脫硫綜合樓一層兩臺氧化風機東側(cè)。

3.5 煙氣系統(tǒng)改造

3.5.1 引風機改造

煙氣系統(tǒng)布袋除塵器后設(shè)有4臺ST3200-31.5F引風機，參數(shù)為全壓10 000 Pa，流量194 000 m3/h，電機型號YPTQ500-6，功率900 kW，電壓690 V。本次超低排放改造工作，改造前后鍋爐燃料沒有變化，引風機入口的體積流量沒有變化，對引風機的運行、影響引風機選型的主要因素是系統(tǒng)阻力，分析如下：

脫硝改造后，SCR反應(yīng)器裝置催化劑層由原來的三層運行，改為四層運行，增加催化劑層阻力約200 Pa。脫硫除塵改造后，增加高效傳質(zhì)單元和噴淋層阻力約400 Pa，脫硫塔后濕式電除塵器阻力約400 Pa。因此,經(jīng)本次超低排放改造后，煙氣凈化系統(tǒng)的阻力總的增加值為：200(催化劑層)+400(高效傳質(zhì)單元+高效噴淋層)+400(濕式電除塵器)=1 000 Pa，系統(tǒng)的總阻力增加約1 000 Pa。

根據(jù)現(xiàn)場實際運行情況反饋，風機壓頭近滿負荷運轉(zhuǎn)，風機全壓在設(shè)計工況的選型裕度通常為20%。原有風機為690 V直流變頻電機，在變頻電機出現(xiàn)故障時無法切換為工頻狀態(tài)。因此，本次超低排放改造除考慮系統(tǒng)增加阻力外，擬將1#、2#鍋爐引風機改為10 kV變頻控制，同時更換4臺引風機及風機進出口調(diào)節(jié)閥。擬定引風機參數(shù)為全壓：12 000 Pa，流量：194 000m3/h，功率1 120 kW，10 kV變頻，引風機機殼采用耐磨結(jié)構(gòu)。

3.5.2 煙道改造

現(xiàn)有脫硫塔出口西側(cè)垂直煙道改造，脫硫塔出口增設(shè)濕電，需將原有脫硫塔西側(cè)出口煙道從彎頭后垂直段截斷并連接進入濕式電除塵器入口，煙氣經(jīng)濕式電除塵器進行深度處理達標后從下部排出進入水平煙道最終從煙囪排出。

脫硫旁路煙道竄氣嚴重，此次改造對旁路煙道進行混凝土封堵后拆除，配套改造防腐。

原脫硫系統(tǒng)煙氣閘板、除塵系統(tǒng)旁通閥密閉性差，為保證脫硫效率，本次進行嚴密性改造。

原水平煙道與大煙囪凝液較多已超出現(xiàn)有沉淀池處理能力，造成現(xiàn)場衛(wèi)生極差，本次改造擬擴建凝液沉淀池增加水處理能力，同時重新鋪設(shè)一條新生產(chǎn)廢水管以保證現(xiàn)場排水順暢。

3.5.3 脫硫劑儲存系統(tǒng)

此次改造按超低排放標準對脫硫劑儲存系統(tǒng)(粉倉)重新核算后，脫硫劑用量較改造前增加，現(xiàn)有粉倉容積為182 m3，僅可以滿足最大4天的石灰石粉儲存量?？紤]到白云地區(qū)冬季室外氣溫低，遇雪封山封路等特殊情況，擬在脫硫綜合樓外現(xiàn)有石灰石粉倉西側(cè)，新建一座粉倉有效容積182 m3。這樣兩座粉倉可以滿足兩臺鍋爐脫硫系統(tǒng)在最大工況運行8天的石灰石粉耗量要求。

新建石灰石粉倉包括倉頂除塵器、下部設(shè)氣力輸送倉泵、配套檢修鋼梯和平臺等。新建石灰石粉倉布置于現(xiàn)有除塵脫硝脫硫綜合樓西側(cè)與現(xiàn)有粉倉隔墻相鄰，新建粉倉內(nèi)的石灰石由氣力輸送倉泵送至原粉倉中。

粉倉錐體至地面部分沿粉倉鋼結(jié)構(gòu)支腿采用彩板保溫封閉，設(shè)檢修門及照明。

3.6 除塵系統(tǒng)改造

3.6.1 現(xiàn)有布袋除塵器主要技術(shù)參數(shù)

現(xiàn)有布袋除塵器主要技術(shù)參數(shù)見表4。

表4 布袋除塵器主要技術(shù)參數(shù)

此次煙塵改造主要內(nèi)容為“在現(xiàn)有脫硫塔后增設(shè)一臺全新的立式濕式電除塵器+現(xiàn)有布袋提效改造”，濕式電除塵器采用煙氣上進下出結(jié)構(gòu)布置。新增濕式電除塵器布置于現(xiàn)有脫硫塔出口西側(cè)垂直煙道處，需將原有脫硫塔西側(cè)出口煙道從彎頭后垂直段截斷并連接進入濕式電除塵器入口，煙氣經(jīng)濕式電除塵器進行深度處理達標后從下部排出進入水平煙道最終從煙囪排出。濕式電除塵器排水最終排入脫硫系統(tǒng)地坑，返回脫硫系統(tǒng)與副產(chǎn)物一同排出。濕式電除塵器應(yīng)能適應(yīng)脫硫裝置0%～110%之間的任何負荷，最后通過混凝土煙囪達標排放。濕式電除塵器采用立式結(jié)構(gòu)，整體布置緊湊，節(jié)約建設(shè)用地。

3.6.2 布袋除塵器

為保證布袋除塵器出口煙囪排放濃度<10 mg/Nm3,本次改造對除塵器進行維護處理：

1)此次改造更換2#除塵器布袋(1#布袋除塵器布袋已于2019年更換完畢)；

2)現(xiàn)有1#、2#布袋除塵器脈沖閥堵塞、損壞嚴重，為保證布袋除塵器清灰效果，改造1#、2#布袋除塵器脈沖閥；

3)目前現(xiàn)場壓縮空氣壓力不足，用量不足，原設(shè)計兩用一備，目前三臺已全部使用。本次改造擬增設(shè)兩臺200 kW空壓機及一個容積10 m3儲氣罐,儲氣罐工作壓力0.8 MPa。以滿足脫硫區(qū)域粉倉倉頂?shù)某龎m器清灰、CEMS用氣及布袋除塵器清灰用氣等需求?，F(xiàn)有空壓站北側(cè)新擴建空壓站一間，新增兩臺空壓機及其干燥、過濾等附屬設(shè)施布置于內(nèi)，儲氣罐與原有儲氣罐并排布置于空壓站外。

3.6.3 濕式電除塵器

濕式電除塵器在現(xiàn)有脫硫塔后獨立安裝，用來分離脫硫后煙氣夾帶的粉塵、霧滴和其它微顆粒。濕式靜電除霧除塵器除霧除塵效率不低于90%。

選用設(shè)備應(yīng)具備功能：1)具有較高的可利用性和良好的去除粉塵、液滴效果；2)考慮電場內(nèi)煙氣高流速下，確保其除霧效率的應(yīng)對措施，如陰極系統(tǒng)的固定措施、高效電暈極線型式的選用等，避免電暈極線因高流速情況下出現(xiàn)擺動，導(dǎo)致其運行的二次電壓電流出現(xiàn)波動， 影響其除塵除霧效率；3)需在正壓下運行，設(shè)計時須考慮絕緣箱系統(tǒng)的絕緣保護措施，避免出現(xiàn)“污閃”現(xiàn)象，使絕緣子炸裂或產(chǎn)生裂紋，導(dǎo)致濕式電除塵器出現(xiàn)故障停運；4)特別要注意濕式電除塵器裝置進口霧、粉塵、石膏的濃度。沖洗系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)﹃枠O管進行單管全面沖洗，不能有未沖洗到的表面。沖洗水的壓力應(yīng)進行監(jiān)視和控制，沖洗水母管的布置應(yīng)能使每個噴嘴基本運行在平均水壓；5)濕式電除塵器內(nèi)部通道的布置應(yīng)適于維修時內(nèi)部組件的安裝和拆卸；6)控制柜采用PLC程序控制，并能與DCS進行通訊，重要檢測信號進脫硫DCS系統(tǒng)。

濕式電除塵器主要性能參數(shù)如表5。

表5 濕式電除塵器主要性能參數(shù)表

4 排放對比

寶山礦業(yè)熱電作業(yè)部環(huán)保設(shè)施超低排放改造工程實施后，按兩臺爐同時工作，年工作時間7 920小時計算。預(yù)計鍋爐粉塵、二氧化硫、氮氧化物的減排量如下表6所示。

表6 超低排放改造后污染物排放對比表

5 結(jié)語

改造后的粉塵、二氧化硫和氮氧化物排放量急劇減少，對當?shù)氐沫h(huán)境改善具有重要的意義，滿足國家超低排放的要求，可以實施改造。