燃煤鍋爐超低排放改造技術(shù)實(shí)踐

羅 新

(中國(guó)石化集團(tuán)重慶川維化工有限公司,重慶 401254)

隨著國(guó)家環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高,現(xiàn)有熱電聯(lián)產(chǎn)燃煤鍋爐均逐步實(shí)施了超低排放改造。燃煤鍋爐超低排放改造的工藝路線較多,為避免重復(fù)投資、降低工程造價(jià)、減少改造對(duì)主裝置的影響,電廠需要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的工藝路線進(jìn)行改造。

某公司*號(hào)鍋爐于2012年建成投產(chǎn),鍋爐型號(hào)為NG-460/9.8-M,額定蒸發(fā)量為460 t/h的高溫高壓煤粉鍋爐,為單鍋筒,自然循環(huán),集中下降管,單爐體負(fù)壓爐膛,“∏”型布置的固態(tài)排渣煤粉爐。*號(hào)鍋爐煙氣處理采用選擇性催化還原技術(shù)(SCR)脫硝,電袋除塵,石灰石-石膏濕法脫硫工藝。該鍋爐改造前污染物排放濃度:煙塵≤30 mg/Nm3,NOx≤100 mg/Nm3,SO2≤200 mg/Nm3(標(biāo)態(tài)、干基,6%O2),未滿足超低排放的要求。因此,需要對(duì)該鍋爐實(shí)施煙氣超低排放改造,改造后污染物排放濃度:煙塵≤10 mg/Nm3,NOx≤50 mg/Nm3,SO2≤35 mg/Nm3(標(biāo)態(tài)、干基,6%O2),如圖1所示。

圖1 現(xiàn)狀及超低排放要求

要實(shí)現(xiàn)超低排放改造,需要對(duì)鍋爐煙氣脫硝、除塵、脫硫裝置分別實(shí)施改造,按照煤炭燃燒產(chǎn)生的煙氣流向(如圖2所示),按上下游關(guān)系依次從脫硝—除塵—脫硫的先后順序探討相應(yīng)的改造方案。

圖2 *號(hào)鍋爐煙氣流向

1 脫硝改造

1.1 脫硝裝置現(xiàn)狀及問(wèn)題

*號(hào)鍋爐2012年底進(jìn)行了脫硝改造,采用了SCR技術(shù),設(shè)計(jì)SCR 反應(yīng)器入口NOx濃度為600 mg/Nm3(干基、6% O2),煙氣量為551 251 Nm3/h,反應(yīng)器出口NOx濃度為80 mg/Nm3,催化劑體積為155 m3,要達(dá)到超潔凈排放標(biāo)準(zhǔn),出口NOx濃度要小于50 mg/m3,需要提高脫硝效率,并重新核算催化劑體積[1]。

1)計(jì)算脫硝效率

(1)

式中:NOxin為反應(yīng)器入口處NOx的濃度,標(biāo)態(tài),mg/Nm3;NOxout為反應(yīng)器出口處NOx的濃度,標(biāo)態(tài),mg/Nm3;ηNOx為脫硝效率;NOxout考慮10 mg/Nm3的余量,按照40 mg/Nm3進(jìn)行核算。

2)計(jì)算氨氮摩爾比

(2)

式中:CNO為反應(yīng)器入口處NO的濃度,標(biāo)態(tài),mg/Nm3;CNO2為反應(yīng)器入口處NO2的濃度,標(biāo)態(tài), mg/Nm3;rn為氨逃逸濃度,標(biāo)態(tài), mg/Nm3;M為氨氮摩爾比。

3)估算催化劑體積

(3)

式中:M為氨氮摩爾比;ηNOx為脫硝效率,%;qvfluegas為鍋爐煙氣量, Nm3/h;kcatalyst為催化劑活性常數(shù),kcatalyst=36.3由廠家提供;βspecific為催化劑比表面積,m2/m3;廠家提供的數(shù)據(jù)為426 m2/m3;Vcatalyst為催化劑估算體積,m3。

現(xiàn)有催化劑只有155 m3,小于最低要求176.76 m3,無(wú)法滿足超潔凈排放要求,因此需要對(duì)脫硝裝置進(jìn)行改造。原脫硝煙道采用了側(cè)出側(cè)進(jìn)的方式,脫硝煙道轉(zhuǎn)向較多,局部區(qū)域煙道磨損嚴(yán)重。為了避免煙道在運(yùn)行中磨損,需要重新對(duì)煙道布置進(jìn)行調(diào)整,強(qiáng)化脫硝流場(chǎng)設(shè)計(jì),對(duì)SCR脫硝進(jìn)行全面升級(jí)改造,使脫硝設(shè)計(jì)滿足運(yùn)行要求。

1.2 脫硝改造的主要內(nèi)容

原脫硝裝置的進(jìn)出口煙道為爐左進(jìn)、爐右出,本次改造將改為鍋爐尾部煙道引出后爐上進(jìn)、爐下出。為保證噴氨效果,將同步改造進(jìn)出口煙道內(nèi)噴射格柵,增設(shè)煙氣靜態(tài)混合器,同時(shí)改造噴氨閥門組,并更換原氨氣氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥。對(duì)改造后的進(jìn)出口煙道和反應(yīng)器內(nèi)流場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬實(shí)驗(yàn),以優(yōu)化流場(chǎng)。

為保證脫硝系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行,脫硝裝置采用蒸汽吹灰+聲波吹灰系統(tǒng),即除原脫硝裝置設(shè)置的蒸汽吹灰系統(tǒng)外,本次在反應(yīng)器的爐左側(cè)增設(shè)了聲波吹灰器[2]。

改造主要包括以下幾個(gè)方面:①增加第三層催化劑;②調(diào)整原脫硝煙道布置方式,由原來(lái)的側(cè)出側(cè)進(jìn)變更為后出后進(jìn),使煙氣更加流暢;③依托先進(jìn)流場(chǎng)模擬技術(shù),設(shè)置新的導(dǎo)流裝置,使煙氣流場(chǎng)更加均勻,以降低煙氣磨損煙道風(fēng)險(xiǎn);④采用先進(jìn)氨噴射系統(tǒng),包括氨注射柵格和氨/煙氣混合器,優(yōu)化氨氣分布。如圖3所示。

圖3 脫硝改造示意圖

2 除塵改造

2.1 除塵現(xiàn)狀及問(wèn)題

煙氣除塵器采用的是電袋復(fù)合除塵器,除塵器入口正常煙氣溫度為139 ℃,除塵器入口含塵濃度為35.7 g/Nm3。除塵器前部電區(qū)為雙室一電場(chǎng)電除塵器,后部袋區(qū)為低壓行噴吹脈沖袋式除塵器,濾袋規(guī)格為Φ165 mm×8 550 mm,布置濾袋2 880條,過(guò)濾風(fēng)速為1.09 m/min,濾袋材質(zhì)為50%PPS+50%PTFE混紡+PTFE基布。除塵器部分雖然能夠維持運(yùn)行,但監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示,除塵器出口濃度C在30～50 mg/Nm3范圍內(nèi)波動(dòng)。按照超潔凈排放標(biāo)準(zhǔn),核算除塵器出口粉塵濃度需要達(dá)到的要求為

(4)

式中:C′為除塵器出口粉塵濃度,標(biāo)態(tài), mg/Nm3;C″為脫硫塔出口處粉塵的濃度,標(biāo)態(tài), mg/Nm3;η′為脫硫塔效率,典型石灰石-石膏濕法脫硫效率按照75%計(jì)算。NOxout考慮2.5 mg/Nm3的余量,按照7.5 mg/Nm3進(jìn)行核算。

要保證超潔凈排放標(biāo)準(zhǔn),除塵器出口粉塵濃度必須小于30 mg/Nm3,而當(dāng)前C>C′,因此現(xiàn)有除塵器不能滿足超低排放要求,需要進(jìn)行改造。另外,*號(hào)鍋爐除塵器在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中,電除塵器部分運(yùn)行時(shí)電壓始終處于較低水平,未達(dá)到額定要求。袋式除塵器部分除塵效果差,布袋阻力大,布袋糊袋易堵塞積灰;布袋破損率高,布袋更換作業(yè)困難,更換時(shí)間長(zhǎng);設(shè)備可靠性較差,故障率高,經(jīng)常停運(yùn)檢修,無(wú)法滿足鍋爐安全穩(wěn)定長(zhǎng)期運(yùn)行的要求;布袋漏灰,影響煙塵達(dá)標(biāo)排放。

2.2 除塵方案的比較及選擇

2.2.1 方案一:電+袋除塵改造方案

拆除原有電袋除塵器、輸灰系統(tǒng),在原有場(chǎng)地新建1臺(tái)兩電兩袋的復(fù)合除塵器。新建雙室兩電場(chǎng)除塵器采用高頻電源,其除塵效率不低于83%;新建雙室兩袋袋式除塵器采用豎式布袋布置,其濾袋采用PPS+PTFE浸漬,總過(guò)濾面積為113 000 m2,除塵器出口粉塵濃度小于30 mg/Nm3。

1)改造方案數(shù)據(jù)表

方案一采用兩電兩袋除塵器方案,電除塵器部分配備高頻電源,其主要改造參數(shù)如表1所示。

表1 兩電兩袋除塵器改造參數(shù)

2)改造方案及影響:

增加靜電除塵器的集塵面積,同時(shí)增大布袋除塵器的過(guò)濾面積,有效提高了除塵器的除塵效率,且有效保證了出口濃度為25 mg/Nm3。校核靜電除塵器的振打力,確保能有效地清除粉塵。風(fēng)機(jī)的負(fù)荷可以滿足改造的要求,不需要對(duì)風(fēng)機(jī)進(jìn)行改造。配合布袋除塵器,能有效保證除塵器的除塵效率。

2.2.2 方案二:純靜電除塵改造方案

為保證改造后穩(wěn)定、高效的運(yùn)行,結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,以方案可行、技術(shù)可靠、經(jīng)濟(jì)性好的原則,將原電袋除塵器改造成1臺(tái)爐配置1臺(tái)雙室五電場(chǎng)板臥式電除塵器。改造參數(shù)如表2所示。

表2 雙室五電場(chǎng)除塵器改造參數(shù)

采用雙室五電場(chǎng),并采用合適的極配形式,前3個(gè)電場(chǎng)為RSB芒刺線并配以高頻電源,后2個(gè)電場(chǎng)為RS小刺線并配以脈沖電源。電除塵器的使用減少了運(yùn)行和維護(hù)成本,對(duì)原風(fēng)機(jī)不需要進(jìn)行改造。校核靜電除塵器的振打力,確保能有效地清除粉塵。

2.2.3 兩種方案對(duì)比

兩種方案內(nèi)容及特點(diǎn)對(duì)比如表3所示。

表3 方案內(nèi)容及特點(diǎn)對(duì)比

2.2.4 除塵方案的選擇

電袋復(fù)合除塵器存在壓力損失大、應(yīng)用時(shí)間短、濾袋使用壽命短、使用不當(dāng)時(shí)易發(fā)生破袋、廢棄濾袋無(wú)法實(shí)現(xiàn)資源化利用等無(wú)法解決的問(wèn)題。純靜電除塵器滿足操作簡(jiǎn)單、維護(hù)量少、使用壽命長(zhǎng)、安全可靠的使用要求。因此,結(jié)合本項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)條件、技術(shù)特點(diǎn)、設(shè)備及年運(yùn)行費(fèi)用(見表4),方案二純靜電除塵綜合效益更好,可采用方案二純靜電除塵改造方案。

表4 設(shè)備費(fèi)用及年運(yùn)行費(fèi)用比較

3 脫硫改造

3.1 脫硫裝置現(xiàn)狀及問(wèn)題

*號(hào)爐煙氣脫硫裝置建設(shè)時(shí)采用石灰石-石膏濕法工藝,“一爐一塔”,原煙氣中SO2濃度為5 842 mg/Nm3,粉塵濃度為50 mg/Nm3(平均值)。在BMCR工況下,凈煙氣SO2排放濃度為100～200 mg/Nm3,煙塵排放濃度為10～30 mg/Nm3(標(biāo)態(tài)、干基,6%O2),無(wú)法滿足超凈排放SO2濃度小于35 mg/Nm3、煙塵濃度小于10 mg/Nm3的要求。

3.2 脫硫技術(shù)路線的選擇

目前國(guó)內(nèi)常用的吸收塔超低排放技術(shù),主要有雙塔雙循環(huán)技術(shù)、單塔雙循環(huán)技術(shù)、高效噴淋空塔技術(shù)、單塔一體化脫硫除塵深度凈化技術(shù)、托盤加高效除霧器的高效脫硫協(xié)同除塵技術(shù)等。由于場(chǎng)地原因限制,雙塔雙循環(huán)和單塔雙循環(huán)技術(shù)不適合本項(xiàng)目,故不做論述。結(jié)合本項(xiàng)目具體情況,對(duì)高效空塔噴淋技術(shù)、單塔一體化脫硫除塵深度凈化技術(shù)、托盤加高效除霧器的高效脫硫協(xié)同除塵3種技術(shù)進(jìn)行技術(shù)比選[3],具體見表5。

表5 3種吸收塔超低排放技術(shù)

經(jīng)過(guò)詳細(xì)技術(shù)指標(biāo)的比較,并結(jié)合本工程技術(shù)改造的具體情況,綜合考慮各方面的因素,在滿足技術(shù)指標(biāo)、降低改造投資費(fèi)用、降低運(yùn)行費(fèi)用等情況下,決定采用高效空塔噴淋技術(shù)路線。

3.3 *號(hào)鍋爐脫硫改造內(nèi)容

改造原有吸收塔,漿池區(qū)(直徑為11.2 m)利舊,液位高度(10.8 m)不變;吸收區(qū)增加1層噴淋層;拆除原除霧器,改造為1級(jí)管式+3級(jí)屋脊式高效除霧器,且?guī)?層自動(dòng)沖洗;為提高氧化及脫硫效率,將原氧化空氣管網(wǎng)拆除,更換為4根氧槍,氧槍采用2205材質(zhì),并同時(shí)更換原4臺(tái)側(cè)進(jìn)式攪拌器。原4臺(tái)循環(huán)泵利舊,并新增1臺(tái)循環(huán)泵,流量為3 400 m3/h,揚(yáng)程為24.0 m。*號(hào)吸收塔總循環(huán)漿液量為17 000 m3/h。氧化方式更換為氧槍式后,原有氧化風(fēng)機(jī)升壓不滿足要求,因此拆除原有2臺(tái)羅茨式氧化風(fēng)機(jī),更換為2臺(tái)多級(jí)離心風(fēng)機(jī),其風(fēng)量為5 700 Nm3/h,升壓為115 kPa。石膏排出泵移位至吸收塔與脫水樓之間、塔區(qū)地坑旁邊。其余設(shè)備利舊。

4 引風(fēng)機(jī)出力核算

*號(hào)鍋爐配置2臺(tái)引風(fēng)機(jī),引風(fēng)機(jī)出力需要滿足機(jī)組脫硝改造、脫硫改造、除塵改造前后煙氣系統(tǒng)的運(yùn)行要求。本次超低排放改造,需對(duì)*號(hào)脫硫塔本體進(jìn)行改造,塔內(nèi)新增1層噴淋層,更換原有除霧器。*號(hào)鍋爐脫硝的改造內(nèi)容包括SCR改造,即增加一層催化劑,*號(hào)爐除塵的改造內(nèi)容包括新建靜電除塵器。

計(jì)算改造后*號(hào)鍋爐引風(fēng)機(jī)進(jìn)、出口壓升P=2 081+2 883+200+600+1 250+350+280=7 644 Pa,風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)工況的靜壓升為10 560 Pa,滿足《大中型火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)規(guī)范》中引風(fēng)機(jī)的壓頭裕量不宜低于20%的要求,因此引風(fēng)機(jī)不需要改造,具體數(shù)據(jù)見表6。

表6 改造后各設(shè)備阻力核算 Pa

5 改造后運(yùn)行情況

5.1 電除塵空載通電升壓試驗(yàn)

電除塵施工安裝完成后,2021年1月10日對(duì)電除塵送電調(diào)試,隨后進(jìn)行了電除塵空載試驗(yàn),試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表7所示。由表7可知,空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)達(dá)到要求。

表7 電除塵空載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

5.2 電除塵氣流均布試驗(yàn)

2021年1月12日對(duì)電除塵進(jìn)行氣流均布測(cè)試,測(cè)試儀表為Testo405-V1風(fēng)速儀。鍋爐運(yùn)行工況如下所示。

1)風(fēng)場(chǎng)測(cè)試期間甲側(cè)引風(fēng)機(jī)電流為47.7 A,額定電流為112.8 A。

2)風(fēng)場(chǎng)測(cè)試期間乙側(cè)引風(fēng)機(jī)電流為46.5 A,額定電流為112.8 A。

3)風(fēng)場(chǎng)測(cè)試期間甲側(cè)送風(fēng)機(jī)電流為69.8 A,額定電流為 77.1 A。

4)風(fēng)場(chǎng)測(cè)試期間乙側(cè)送風(fēng)機(jī)電流為67.2 A,額定電流為 77.1 A。

5)風(fēng)場(chǎng)測(cè)試期間鍋爐總風(fēng)量為42萬(wàn)m3/h,除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)總風(fēng)量為78.48萬(wàn)m3/h,設(shè)計(jì)煙氣流速為0.897 m/s。檢測(cè)結(jié)果如表8所示。

表8 電除塵風(fēng)速測(cè)試分布情況 m/s

電場(chǎng)氣流分布相對(duì)均方根值[4]的計(jì)算公式為

(5)

由表8所示,數(shù)據(jù)計(jì)算電場(chǎng)氣流分布相對(duì)均方根值,如表9所示。

表9 計(jì)算的電除塵相對(duì)均方根值數(shù)據(jù)

由表9可知,*號(hào)鍋爐電除塵區(qū)入口斷面氣流均勻性達(dá)到設(shè)計(jì)σ≤0.2的要求。

5.3 熱態(tài)試運(yùn)行

某公司于2021年1月20日至1月27日對(duì)*號(hào)鍋爐整套裝置進(jìn)行熱態(tài)試運(yùn)行(見表10),試運(yùn)行期間鍋爐負(fù)荷為405～450 t/h,脫硫入口SO2濃度為2 400～4 000 mg/Nm3,脫硫入口粉塵濃度為3.6～15 mg/Nm3,原煙氣溫度為130 ℃左右。期間1臺(tái)氧化風(fēng)機(jī)運(yùn)行,5臺(tái)漿液循環(huán)泵運(yùn)行,吸收塔pH為5.2～5.8,吸收塔液位為9.5～10.5 m,吸收塔漿液密度為1 090～1 150 kg/m3。平均脫硫效率為99.3%,出口SO2濃度為9～30 mg/Nm3,脫硫出口煙塵濃度為0.4～1.2 mg/Nm3,吸收塔出口煙氣溫度為52 ℃左右。脫硝入口NOx濃度為520～705 mg/Nm3,入口煙氣溫度為380 ℃左右,脫硝出口NOx濃度為10～40 mg/Nm3,脫硝效率為94%～97%,噴氨量為65～120 kg/h,氨逃逸為0.1～0.9 mg/Nm3。電除塵五電場(chǎng)均投運(yùn)后,出口粉塵濃度為0.4～15 mg/Nm3。

表10 試運(yùn)行數(shù)據(jù)

試運(yùn)行期間,脫硝、除塵、脫硫系統(tǒng)設(shè)備完好率為100%,電氣熱控保護(hù)投入率為100%,設(shè)備運(yùn)行正常,工藝參數(shù)運(yùn)行穩(wěn)定。

6 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)過(guò)*號(hào)鍋爐脫硫、脫硝及除塵系統(tǒng)的整套啟動(dòng)及試運(yùn)行,對(duì)比改造前后排放數(shù)據(jù),如圖4所示。

圖4 超低排放改造前后對(duì)比數(shù)據(jù)

由圖6可得,某公司*號(hào)鍋爐脫硝、除塵、脫硫系統(tǒng)超凈排放改造后運(yùn)行可靠、穩(wěn)定,在現(xiàn)有負(fù)荷、煤種條件下,脫硝、除塵、脫硫效率、出口SO2/NOx/粉塵濃度等重要指標(biāo)均滿足超低排放運(yùn)行生產(chǎn)要求,實(shí)現(xiàn)了超低排放改造目標(biāo)。