660 MW燃煤機(jī)組污染物協(xié)同脫除技術(shù)的應(yīng)用

蔣志浩，杜宇航，邱佳俊，劉向民

(上海發(fā)電設(shè)備成套設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，上海 200240)

火電行業(yè)作為我國電力結(jié)構(gòu)中重要的主導(dǎo)力量，所消耗的煤炭總量占全國煤炭總產(chǎn)量的50%以上[1]。煤燃燒產(chǎn)生的煙塵、二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NOx)及汞(Hg)等氣固態(tài)污染物，是霧霾、酸雨等大氣污染的重要來源[2]。

GB 13223—2011 《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中提出煙塵、SO2、NOx的質(zhì)量濃度排放限值分別為30 mg/m3、200 mg/m3、100 mg/m3，并首次提出Hg及其化合物的排放質(zhì)量濃度低于0.05 mg/m3；京津冀、長三角及珠三角等重點(diǎn)控制區(qū)域內(nèi)的47個(gè)重點(diǎn)城市在役燃煤機(jī)組執(zhí)行大氣污染物特別排放限值，即煙塵、SO2、NOx的質(zhì)量濃度排放限值分別為20 mg/m3、50 mg/m3、100 mg/m3?！睹弘姽?jié)能減排升級與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014年—2020年)》(簡稱《行動(dòng)計(jì)劃》)中指明燃煤機(jī)組煙塵、SO2、NOx的質(zhì)量濃度排放限值分別為10 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3，同時(shí)要求穩(wěn)定推動(dòng)?xùn)|部地區(qū)現(xiàn)役300 MW及以上等級的燃煤機(jī)組煙氣污染物排放指標(biāo)基本達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值，即煙塵、SO2、NOx的質(zhì)量濃度排放限值分別為5 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3。在役燃煤機(jī)組相繼開展了超低排放改造，以滿足燃煤機(jī)組煙氣污染物排放指標(biāo)接近或達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值。傳統(tǒng)的燃煤機(jī)組煙氣污染物脫除治理基本采用一種設(shè)備脫除單一污染物的策略，不僅造成鍋爐尾部煙道增設(shè)的煙氣污染物脫除設(shè)備日益增多、占地空間變大，并且使得環(huán)保設(shè)備投資也越來越高[3]。為降低改造投資及運(yùn)行成本，應(yīng)充分利用現(xiàn)有環(huán)保設(shè)備空間以協(xié)同提高脫除效果。因此，一體化的煙氣污染物協(xié)同脫除技術(shù)路線得到了重視和發(fā)展，現(xiàn)已有多種形式的采用煙氣污染物協(xié)同脫除技術(shù)的改造案例。

針對某660 MW燃煤電廠現(xiàn)有脫硫、脫硝和除塵等環(huán)保設(shè)備無法滿足“近零排放”要求的情況，結(jié)合現(xiàn)有環(huán)保設(shè)備和場地布置條件，采用一體化煙氣污染物協(xié)同脫除技術(shù)對機(jī)組進(jìn)行改造。

1 煙氣污染物協(xié)同脫除

燃煤機(jī)組產(chǎn)生的大氣污染物主要有NOx、SO2、煙塵、三氧化硫(SO3)及Hg，而鍋爐的單個(gè)環(huán)保設(shè)備對不同的污染物都有不同程度的協(xié)同脫除效果[4-5]，設(shè)備的具體布置流程見圖1。

圖1 環(huán)保設(shè)備協(xié)同脫除煙氣污染物的流程

1.1 NOx協(xié)同脫除

燃煤機(jī)組NOx的脫除通常采用爐內(nèi)低氮燃燒技術(shù)與煙氣高效選擇性催化還原(SCR)脫硝技術(shù)的協(xié)同脫除策略。具體為：

(1)低氮燃燒技術(shù)。通過組織不同煤種的低氮燃燒控制方式，從NOx生成機(jī)理控制NOx的生成。利用低氮燃燒器改造、爐膛內(nèi)深度空氣分級及煙氣再循環(huán)等綜合技術(shù)，可以有效降低鍋爐爐膛出口的NOx排放量[6-7]。

(2)高效SCR脫硝技術(shù)。通過計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)對SCR脫硝系統(tǒng)的流場進(jìn)行優(yōu)化，并且采用對原SCR脫硝系統(tǒng)的催化劑進(jìn)行再生或更換、加裝催化劑備用層等綜合手段，可以將脫硝系統(tǒng)的脫硝效率提高至90%[8-9]。

針對燃用褐煤、煙煤及貧煤的機(jī)組，采用低氮燃燒技術(shù)后，爐膛出口NOx質(zhì)量濃度可分別控制在200 mg/m3、300 mg/m3及500 mg/m3以下；再利用SCR脫硝技術(shù)，脫硝系統(tǒng)出口NOx質(zhì)量濃度可控制在50 mg/m3以下[10]。對于燃用無煙煤等難燃燒煤種的鍋爐，可采用將配煤摻燒和低氮燃燒技術(shù)結(jié)合的方式，使?fàn)t膛出口NOx質(zhì)量濃度降低至800 mg/m3以下；再利用選擇性非催化還原(SNCR)脫硝技術(shù)或SCR脫硝技術(shù)，脫硝系統(tǒng)出口NOx質(zhì)量濃度可控制在50 mg/m3以下[10]。

1.2 煙塵協(xié)同脫除

燃煤機(jī)組煙塵的脫除通常采用低低溫高效電(袋)除塵、濕法脫硫除塵及濕式電除塵等綜合手段相結(jié)合的協(xié)同脫除策略。具體為：

(1)低低溫高效電(袋)除塵。通過在原靜電除塵器進(jìn)口增設(shè)低低溫?zé)煔鈸Q熱器，以降低靜電除塵器進(jìn)口煙氣溫度對煙氣進(jìn)行調(diào)質(zhì)(如降低煙塵比電阻及煙氣流速、增加煙塵在靜電除塵器的停留時(shí)間等)，進(jìn)而提高靜電除塵器的除塵效率。通過對原靜電除塵器進(jìn)行提效改造(如采用高頻電源及電場擴(kuò)容)、高效清灰改造等方式改造后，靜電除塵器出口的煙塵質(zhì)量濃度能控制在30 mg/m3以下[11]。此外，通過煙氣流場優(yōu)化與電袋除塵器相結(jié)合的方式，能將靜電除塵器出口的煙塵質(zhì)量濃度控制在15 mg/m3以下。

(2)石灰石-石膏濕法脫硫除塵。脫硫塔內(nèi)循環(huán)漿液對煙氣中的煙塵存在洗滌作用，一定程度上能有效脫除煙氣中的煙塵。通過提高脫硫塔內(nèi)的漿液噴淋量及噴淋覆蓋面積、采用高效除霧器等措施，在脫硫系統(tǒng)進(jìn)口煙塵質(zhì)量濃度在20～30 mg/m3時(shí)，能將脫硫系統(tǒng)出口的煙塵質(zhì)量濃度控制在10 mg/m3以下[12]。

(3)濕式電除塵。通過利用高電壓電離技術(shù)使脫硫系統(tǒng)出口濕煙氣中的煙塵、霧滴、酸霧等極小細(xì)微顆粒帶電，在高電壓電場靜電力的作用下，使這些細(xì)顆粒被吸附至靜電除塵器內(nèi)的陽極板上，以達(dá)到脫除煙塵和霧滴的作用。該技術(shù)一般應(yīng)用于煙塵排放質(zhì)量濃度要求在5 mg/m3以內(nèi)的燃煤機(jī)組，并且要求機(jī)組具有較好的改造投資經(jīng)濟(jì)性[13]。

1.3 SO2和SO3協(xié)同脫除

燃煤機(jī)組SO2和SO3的脫除通常采用塔前深度余熱利用、單塔高效脫硫及雙塔雙循環(huán)脫硫等綜合手段相結(jié)合的協(xié)同脫除策略。具體為：

(1)塔前深度余熱利用。在原脫硫塔前加裝采用防腐性材料的煙氣換熱器，將原煙氣溫度降低至70 ℃左右，不僅可以實(shí)現(xiàn)尾部煙氣的深度余熱利用，降低機(jī)組煤耗，還可以加熱脫硫后的凈煙氣，達(dá)到煙囪煙氣消白的作用。同時(shí)，煙氣溫度的降低會(huì)減少脫硫塔進(jìn)口的原煙氣量，吸收塔內(nèi)液氣比增大能有效增強(qiáng)氣液傳質(zhì)效果，提高SO2的脫除效率。采用塔前深度余熱利用，SO3在煙氣溫度低于其酸露點(diǎn)溫度(約90 ℃)時(shí)，能夠有效被煙氣中的煙塵吸附，此時(shí)可通過后續(xù)的濕式靜電除塵器將其協(xié)同脫除，SO3脫除效率能夠達(dá)到60%以上[11]。

(2)單塔高效脫硫。對于原煙氣SO2質(zhì)量濃度≤4 000 mg/m3的情況，可采用增大液氣比、優(yōu)化噴淋層布置方式、增設(shè)聚氣環(huán)及多級沸騰等方式對原石灰石-石膏濕法脫硫吸收塔進(jìn)行優(yōu)化改造，達(dá)到強(qiáng)化氣液傳質(zhì)效果，提高SO2的脫除效率。

(3)雙塔雙循環(huán)脫硫。對于原煙氣SO2質(zhì)量濃度>4 000 mg/m3的情況，可采用串聯(lián)雙塔脫硫系統(tǒng)，以高、低pH吸收模式提高SO2的脫除效率。一般將一級吸收塔的pH控制在4.5～5.0，二級吸收塔的pH控制在5.5～6.0。雙塔雙循環(huán)脫硫系統(tǒng)一般應(yīng)用在中高硫含量(w(Sar)≥2%)的燃煤機(jī)組，能有效達(dá)到SO2超低排放目標(biāo)，即SO2排放質(zhì)量濃度≤35 mg/m3[10-11]。

1.4 Hg協(xié)同脫除

燃煤中的Hg在鍋爐內(nèi)燃燒后，除少量存在于飛灰、底渣中，大部分Hg(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為56.3%～69.7%)通過氣態(tài)形式分布在鍋爐尾部煙氣中[14]。煙氣中Hg的主要賦存形態(tài)有單質(zhì)汞(Hg0)、二價(jià)汞(Hg2+)及顆粒態(tài)汞(Hgp)。采用專門的脫汞設(shè)備具有投資較高、占地空間大、運(yùn)維成本高等問題，而我國大部分燃煤機(jī)組所燃燒煤的Hg含量普遍較低。因此，通過利用尾部煙道的SCR脫硝裝置、高效電除塵裝置和濕法脫硫裝置可以協(xié)同脫除尾部煙氣中的Hg[15]。具體為：

(1)SCR脫硝裝置。脫硝催化劑能夠?qū)煔庵械腍g0氧化成Hg2+，其對Hg0的氧化效率能夠達(dá)到30%～80%，并且煙氣的氯含量越高，氧化效率越高。Hg2+可被煙氣中的飛灰顆粒吸附，煙氣在流經(jīng)除塵設(shè)備及脫硫系統(tǒng)時(shí)，攜帶Hg2+的煙塵將被脫除，對Hg的脫除效率能夠達(dá)到90%以上[16]。

(2)高效電除塵裝置。飛灰對氣態(tài)Hg有吸附作用，且吸附能力隨飛灰顆粒的比表面積增大而增強(qiáng)，隨吸附溫度的降低而升高。因此，除塵裝置若經(jīng)過低低溫高效電除塵改造，進(jìn)口煙氣溫度降低，將進(jìn)一步促進(jìn)除塵裝置對煙氣中飛灰的捕集，以達(dá)到對煙氣中Hg進(jìn)行協(xié)同脫除的效果。

(3)濕法脫硫裝置。當(dāng)尾部煙氣污染物流經(jīng)石灰石-石膏濕法脫硫系統(tǒng)后，石灰石或石灰作為吸收劑能夠?qū)煔庵?0%～95%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Hg2+有效吸收脫除，并將其留在脫硫產(chǎn)物中[15-16]。

2 協(xié)同脫除技術(shù)路線

依據(jù)燃煤機(jī)組煙氣污染物協(xié)同脫除技術(shù)路線(見圖2)實(shí)施改造，對鍋爐燃燒系統(tǒng)、SCR脫硝系統(tǒng)、煙氣換熱器(包括煙氣冷卻器和煙氣加熱器)、靜電除塵器、脫硫系統(tǒng)及濕式靜電除塵器等環(huán)保設(shè)備進(jìn)行協(xié)同優(yōu)化控制。表1為主要位置污染物含量。

AH—空氣預(yù)熱器；FGC—煙氣冷卻器；ESP—靜電除塵器；FGD—脫硫系統(tǒng)；WESP—濕式靜電除塵器；FGR—煙氣加熱器。

表1 主要位置污染物含量

3 污染物協(xié)同脫除改造應(yīng)用

某電廠有2臺660 MW超超臨界燃煤機(jī)組，機(jī)組原環(huán)保設(shè)備只考慮針對單一煙氣污染物進(jìn)行脫除。原SCR脫硝系統(tǒng)催化劑采用2+1模式(2層運(yùn)行、1層備用)；原靜電除塵器采用2臺雙室四電場臥式除塵系統(tǒng)，設(shè)計(jì)工況進(jìn)口煙塵質(zhì)量濃度為32.75 g/m3時(shí)，出口煙塵質(zhì)量濃度≤65 mg/m3；原脫硫系統(tǒng)采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝，設(shè)計(jì)煤種進(jìn)口SO2質(zhì)量濃度為2 299 mg/m3時(shí)，出口SO2質(zhì)量濃度≤115 mg/m3，出口煙塵質(zhì)量濃度≤30 mg/m3。改造前煙氣污染物排放能滿足GB 13223—2011的要求，但是無法滿足《行動(dòng)計(jì)劃》的要求。

該電廠按照污染物協(xié)同脫除技術(shù)路線實(shí)施超凈排放改造，具體改造方案為：新增備用層催化劑的高效SCR脫硝系統(tǒng)+除塵器進(jìn)口新增煙氣冷卻器+低低溫靜電除塵器+單塔高效石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)+濕式靜電除塵器+煙氣加熱器。

改造前后的煙氣污染物在主要位置的考核指標(biāo)及測試結(jié)果見表2，表格中均已將質(zhì)量濃度修正為O2體積分?jǐn)?shù)為6%、標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的質(zhì)量濃度。

表2 改造前后污染物在主要位置的考核指標(biāo)及測試結(jié)果

圖3為改造前后主要參數(shù)的變化。

圖3 改造前后污染物主要參數(shù)的變化

由圖3可得：按照污染物協(xié)同脫除技術(shù)路線進(jìn)行改造后，機(jī)組的污染物排放指標(biāo)均優(yōu)于超凈排放限值要求，且達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)排放限值，污染物脫除效率均有較大提升。

4 結(jié)語

(1)現(xiàn)有脫硝系統(tǒng)、除塵器、脫硫系統(tǒng)等單個(gè)環(huán)保設(shè)備均有脫除兩種及以上煙氣污染物的作用，即單個(gè)環(huán)保設(shè)備具有對多種污染物一體化協(xié)同脫除的效果。

(2)結(jié)合機(jī)組現(xiàn)有環(huán)保設(shè)備及場地布置空間，以各環(huán)保設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行參數(shù)和指標(biāo)為例，合理利用靜電除塵器、脫硫系統(tǒng)及濕式電除塵器等各相關(guān)設(shè)備對煙塵的脫除控制作用，對當(dāng)前燃煤機(jī)組煙氣污染物協(xié)同脫除技術(shù)路線進(jìn)行分析，獲得了一體化超凈排放改造方案。

(3)通過對該機(jī)組原環(huán)保島設(shè)備實(shí)施煙氣污染物協(xié)同脫除改造及性能考核測試，各污染物排放指標(biāo)均優(yōu)于超凈排放限值要求并達(dá)到了燃?xì)廨啓C(jī)排放限值，可為同類型燃煤機(jī)組超凈排放改造提供參考。