淺談1000MW超超臨界鍋爐超低排放改造

　　摘 要：長(zhǎng)期以來(lái)，由于我國(guó)的能源結(jié)構(gòu)以煤為主，以PM2.5為主導(dǎo)因素的區(qū)域灰霾現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，近兩年引起了公眾越來(lái)越廣泛的關(guān)注。在這種社會(huì)大環(huán)境下，“超低排放”技術(shù)近期在火電行業(yè)得到了快速推廣。本文就本項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中超低排放改造的問(wèn)題及方法進(jìn)行探討。

　　0 引言

　　自2013 年以來(lái)，我國(guó)中東部地區(qū)出現(xiàn)持續(xù)霧霾天氣，給人民群眾的生產(chǎn)生活和身體健康造成了嚴(yán)重影響，火電廠煙氣污染物排放的治理也更加引起了國(guó)家發(fā)改委、環(huán)保部等國(guó)家部委的高度重視。2014年09月12日，國(guó)家環(huán)保部、發(fā)改委、國(guó)家能源局下發(fā)了“關(guān)于印發(fā) 《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014-2020 年)》的通知”。國(guó)家電投積極響應(yīng)國(guó)家號(hào)召，并部署集團(tuán)公司燃煤機(jī)組有序進(jìn)行超低排放改造。以下就國(guó)家電投河南電力有限公司平頂山發(fā)電分公司#1、#2機(jī)組超低排放改造過(guò)程進(jìn)行簡(jiǎn)單探討。

　　1.改造前現(xiàn)狀

　　國(guó)家電投平頂山發(fā)電分公司1000MW燃煤機(jī)組的鍋爐為東方鍋爐(集團(tuán))股份有限公司生產(chǎn)的DG-3000/26.15-Ⅱl型、超超臨界、變壓直流、單爐膛、一次再熱、平衡通風(fēng)、露天島式布置、固態(tài)排渣、全鋼構(gòu)架、全懸吊結(jié)構(gòu)、對(duì)沖燃燒、π型鍋爐。

　　脫硝系統(tǒng)：由東方鍋爐(集團(tuán))股份有限公司設(shè)計(jì)制造，采取SCR法來(lái)達(dá)到去除煙氣中NOx的目的。設(shè)計(jì)效率為：2層催化劑脫硝效率可達(dá)72%，3層催化劑脫硝效率可達(dá)80%以上，目前電廠安裝2層催化劑。SCR脫硝反應(yīng)器布置于鍋爐省煤器與空氣預(yù)熱器之間，為高溫高塵布置。每臺(tái)鍋爐機(jī)組配2臺(tái)SCR脫硝反應(yīng)器，2臺(tái)機(jī)組的SCR脫硝反應(yīng)器共用1套氨氣供應(yīng)系統(tǒng)，脫硝工藝采用選擇性催化還原法。

　　脫硫系統(tǒng)：平頂山分公司2臺(tái)1030MW超超臨界汽輪發(fā)電機(jī)組煙氣脫硫工程采用濕法石灰石-石膏脫硫工藝技術(shù)，一爐一塔配置，脫離設(shè)計(jì)效率大于95%，由中電投遠(yuǎn)達(dá)環(huán)保工程有限公司建設(shè)完成，于2010年中投產(chǎn)運(yùn)行。原脫硫裝置配置增壓風(fēng)機(jī)、100%旁路煙道系統(tǒng)。2014年完成了取消旁路和增壓風(fēng)機(jī)改造。

　　除塵系統(tǒng)：平頂山分公司原靜電除塵器配置五個(gè)電場(chǎng)，隨著除塵設(shè)備年限的增加，除塵效率逐步下降，在煤種灰分波動(dòng)的情況下，除塵器出口煙塵濃度在70～100mg/Nm3，有時(shí)甚至高達(dá)140 mg/Nm3，脫硫出口煙塵排放濃度也大幅超過(guò)新標(biāo)準(zhǔn)的排放限值。為達(dá)到環(huán)保排放要求及維護(hù)本身設(shè)備的需求，進(jìn)而進(jìn)行除塵設(shè)備的改造。

　　2.改造后排放目標(biāo)及具體改造措施

　　2.1改造后排放目標(biāo)：

　　(1)氮氧化物質(zhì)量濃度:NOx<50mg/Nm3

　　(2)硫氧化物質(zhì)量濃度:SO2<35mg/Nm3

　　(3)固體煙塵質(zhì)量濃度:SD<5mg/Nm3

　　2.2具體改造措施

　　(1)降低氮氧化物排放質(zhì)量濃度的改造措施：改造爐內(nèi)氮氧化物燃燒器，確保鍋爐出口NOx 質(zhì)量濃度全工況小于350mg/Nm3 ;改造爐外脫硝選擇性催化還原技術(shù)，確保煙囪出口氮氧化物排放質(zhì)量濃度小于50mg/Nm3;改造空氣預(yù)熱器，滿(mǎn)足抗堵塞、抗腐蝕的要求，并削弱SCR 脫硝改造對(duì)下游空氣預(yù)熱器的影響。

　　(2)降低SO2排放質(zhì)量濃度的改造措施：對(duì)煙氣系統(tǒng)和吸收系統(tǒng)進(jìn)行改造，將SO2 排放質(zhì)量濃度控制在35mg/Nm3以下，同時(shí)將脫硫效率由原來(lái)的95%提高到98%以上;引風(fēng)機(jī)和增風(fēng)機(jī)合一改造，滿(mǎn)足機(jī)組風(fēng)煙系統(tǒng)以及脫硫、脫硝系統(tǒng)的出力要求。

　　(3)降低煙塵排放質(zhì)量濃度的改造措施：電場(chǎng)除塵+布袋除塵改造，確保煙囪出口煙塵排放質(zhì)量濃度在5mg/Nm3以下。

　　3.存在問(wèn)題及改造方案

　　3.1 脫硝系統(tǒng)

　　#1、#2機(jī)組的SCR脫硝系統(tǒng)出現(xiàn)的主要問(wèn)題如下：

　　(1)脫硝系統(tǒng)出口NOx含量偏高，環(huán)保指標(biāo)不達(dá)標(biāo)。

　　(2)SCR出口與煙囪排煙出口NOx偏差大。

　　(3)脫硝氨站的設(shè)計(jì)出力不能滿(mǎn)足特殊工況下低NOx排放要求，影響機(jī)組脫硝效率。

　　(4)脫硝系統(tǒng)積灰嚴(yán)重，催化劑大面積磨損，大大降低了脫銷(xiāo)效率。

　　(5)由于脫硝系統(tǒng)的引起空氣預(yù)熱器腐蝕、積灰嚴(yán)重。

　　針對(duì)脫銷(xiāo)系統(tǒng)出現(xiàn)的以上問(wèn)題，解決方案如下：

　　(1)優(yōu)化燃燒調(diào)整：正常運(yùn)行中在保證燃燒的前提下適當(dāng)降低氧量運(yùn)行，保持整個(gè)系統(tǒng)的低氧狀況。精準(zhǔn)控制風(fēng)煤比例，調(diào)整制粉系統(tǒng)風(fēng)量，在滿(mǎn)足要求的情況下盡量降低一次風(fēng)量，同時(shí)適當(dāng)調(diào)整燃盡風(fēng)，保證控制燃燒末端風(fēng)量。

　　改進(jìn)氨噴射系統(tǒng)及導(dǎo)流板：

　　調(diào)整噴嘴的噴氨量，使氨量與對(duì)應(yīng)的NOx濃度相匹配。通過(guò)流體模型試驗(yàn)，重新對(duì)煙道導(dǎo)流板、氨噴射系統(tǒng)靜態(tài)混合器、催化劑層上部整流板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并對(duì)導(dǎo)流板、整流板進(jìn)行更換，使煙氣分布的均勻性偏差在合理范圍內(nèi)，以提高脫銷(xiāo)效率。

　　通過(guò)以上調(diào)整控制脫硝系統(tǒng)的入口NOx含量在350mg/Nm3以下。

　　(2) 系統(tǒng)運(yùn)行發(fā)現(xiàn)SCR出口NOx平均值與煙囪出口排煙NOx偏差較大(圖2-1)。

　　原設(shè)計(jì)SCR進(jìn)、出口脫硝采樣探頭安裝在相應(yīng)煙道中部，取樣代表性較差，為了掌握SCR反應(yīng)器進(jìn)、出口NOx濃度分布情況，通過(guò)網(wǎng)格法進(jìn)行試驗(yàn)，SCR反應(yīng)器人口NOx濃度分布比較均勻，偏差較小。SCR反應(yīng)器出口NOx濃度分布均勻性較差，出口NOx濃度延寬度和深度方向有較大變化，且局部存在NOx濃度較低的點(diǎn)。出口濃度分布均勻性差，除了煙氣流場(chǎng)不穩(wěn)定外，噴氨的不均勻性是主要原因。為了解決這一問(wèn)題，通過(guò)采用插入式的旁路取樣管方式實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)取樣。從SCR出口煙道分別引出兩路旁路取樣管至空氣預(yù)熱器出口煙道，利用煙道之間的差壓實(shí)現(xiàn)旁路管道的煙氣流動(dòng)，將煙氣分析系統(tǒng)的取樣探頭測(cè)點(diǎn)布置在煙道外部的旁路取樣管上。旁路管插人煙道部分，貫穿整個(gè)煙道截面，在管道上每隔一段距離開(kāi)取樣孔，在煙道壁處匯成一路，以求在一定程度上保證煙氣的混合均勻，提高代表性，保證了SCR出口NOx與煙囪排煙NOx趨勢(shì)的一致性。圖2-2為改造后曲線。

　　(3) 2臺(tái)機(jī)組脫硝系統(tǒng)共用l套氨氣系統(tǒng)，脫硝氨站液氨蒸發(fā)器型號(hào)為SWP-NH3-1100，，蒸發(fā)能力1100Nm3/h，共配置2臺(tái)，l臺(tái)運(yùn)行，1臺(tái)備用。蒸發(fā)器為蒸汽加熱水浴式氣化器。實(shí)際運(yùn)行中，在2臺(tái)機(jī)組滿(mǎn)負(fù)荷時(shí)段，如果脫硝入口NOx含量超過(guò)450mg/Nm3，將造成液氨蒸發(fā)器水溫達(dá)不到設(shè)計(jì)值80℃，2臺(tái)爐SCR脫硝系統(tǒng)入口供氨管道壓力偏低，影響機(jī)組的脫硝效率。為解決此問(wèn)題，將2臺(tái)液氨蒸發(fā)器更換為VSWP-NH3-1500型，蒸發(fā)能力1500NNm3/h。滿(mǎn)足了各種工況下2臺(tái)爐脫硝系統(tǒng)的供氨需求。

　　(4) 針對(duì)催化劑磨損嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)整塊脫落的情況(圖 2-3)，在2014年初機(jī)組進(jìn)行等級(jí)檢修時(shí)，更換了全部脫硝催化劑，并重新設(shè)計(jì)催化劑，增大了催化劑層的體積，在原有備用層增加第三層催化劑，將每層催化劑高度由1606mm增加到1906mm。同時(shí)，對(duì)煙道流場(chǎng)也進(jìn)行模擬試驗(yàn)及優(yōu)化設(shè)計(jì)，對(duì)各導(dǎo)流板、整流板進(jìn)行更換，組織煙氣有序流動(dòng)，最大程度地減少流動(dòng)阻力。對(duì)吹灰系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)改造，在每層催化劑的上方裝有4臺(tái)耙式吹灰器的基礎(chǔ)上，又加裝了7臺(tái)聲波清灰器。聲波清灰器發(fā)出的高能聲波能引起粉塵共振，使其處于游離狀態(tài)，防止灰塵粘合、累積在催化劑和SCR反應(yīng)器內(nèi)的表面上。運(yùn)行中，聲波吹灰器投連續(xù)工作，耙式蒸汽吹灰器吹灰頻率由每班1次改為每班2次，有效避免了催化劑積灰的不利狀況。

　　(5) 針對(duì)空氣預(yù)熱器的腐蝕、堵灰問(wèn)題采取以下措施：

　?、偃扛鼡Q脫硝催化劑后，可以控制氨逃逸率在正常范圍內(nèi)，降低NH3HSO4的生成量，減少空氣預(yù)熱器堵塞粘灰的隱患。

　?、谠跈C(jī)組進(jìn)行等級(jí)檢修期間，對(duì)空氣預(yù)熱器蓄熱片進(jìn)行改造，將冷端蓄熱片全部更換為搪瓷元件，降低NH3HSO4在蓄熱片上的沉積量，有利于積灰的清除，并對(duì)熱端損壞蓄熱片進(jìn)行修復(fù)，徹底沖洗蓄熱片上的積灰。

　?、墼诒Ａ粽羝祷业那疤嵯拢诳諝忸A(yù)熱器受熱面增加聲波吹灰器，以提高對(duì)空氣預(yù)熱器的吹灰強(qiáng)度。

　　通過(guò)對(duì)#1、#2機(jī)組的SCR脫硝系統(tǒng)的改造，兩臺(tái)機(jī)組脫銷(xiāo)系統(tǒng)出口NOx排量分別達(dá)到了22.4mg/Nm3和25.84mg/Nm3，NH3的逃逸率也大大降低，空氣預(yù)熱器腐蝕堵灰狀況及煙氣側(cè)差壓也大大改善，爐膛負(fù)壓穩(wěn)定在-30～-50Pa，各參數(shù)均達(dá)到了預(yù)期效果。

　　3.2 脫硫系統(tǒng)

　　#1、#2機(jī)組的SCR脫硫系統(tǒng)出現(xiàn)的主要問(wèn)題如下：

　　(1)石灰石石膏系統(tǒng)吸收塔結(jié)垢。

　　(2)脫硫系統(tǒng)腐蝕。

　　(3)磨機(jī)系統(tǒng)效率低。

　　(4)脫硫系統(tǒng)阻力大。

　　(5)除霧器部分沉積結(jié)垢。

　　針對(duì)以上問(wèn)題采取以下改造方案：改造采用引增合一方式(本方案不包含引風(fēng)機(jī)改造)，拆除原有4臺(tái)增壓風(fēng)機(jī)及其基礎(chǔ)。脫硫原煙道重新優(yōu)化設(shè)計(jì)，由主煙道直接接入吸收塔入口，實(shí)現(xiàn)大漿液量循環(huán)五層噴淋三層除霧深度脫硫。具體方案如下：

　?、贋閷?shí)現(xiàn)SO2排放濃度≤35 mg/Nm3，脫硫效率由原有的95.1%提高到98.1%以上，根據(jù)計(jì)算，考慮采用增加雙相整流裝置后，保留現(xiàn)有4臺(tái)8600m3/h的循環(huán)泵及最下方三層噴淋層，更換最上層噴淋層，再新增加一層噴淋層及循環(huán)泵，總共五層噴淋層。

　?、趯⒃卸?jí)屋脊式除霧器及頂部塔體保留并向上頂升，在原有二級(jí)屋脊式除霧器下方新增加一級(jí)屋脊式除霧器，原有一級(jí)管式除霧器移位安裝到新增噴淋層上方位置。除霧器高度由原有2.5m增加到5m。為減少石膏雨發(fā)生的可能性，最上一層噴淋層到除霧器的距離從1.8m提高到2.5m。吸收塔塔徑不變，循環(huán)停留時(shí)間3.8分鐘，根據(jù)計(jì)算需增高吸收塔漿液池高度2m。吸收塔本體總高度由原有的29m增加到36.6m，共7.6m，其中漿液池高度提高2m，噴淋層及除霧器段提高5.6m。

　　2015年12月，經(jīng)河南省電力試驗(yàn)院測(cè)試，#1、#2爐排放濃度分別為3.99 mg/Nm3、2.94mg/Nm3，提效顯著，實(shí)現(xiàn)了排放濃度小于5mg/Nm3的超低排放。

　　改造后經(jīng)過(guò)168小時(shí)試運(yùn)行，經(jīng)河南省電力試驗(yàn)院測(cè)試，#1、#2爐SO2排放濃度分別為8.6 mg/Nm3、15.1mg/Nm3，提效顯著，實(shí)現(xiàn)了排放濃度小于35mg/Nm3的超低排放目標(biāo)，脫硫效率由原有的95.1%提高到98.1%以上的改造目標(biāo)。

　　3.3 除塵系統(tǒng)

　　#1、#2機(jī)組的電除塵系統(tǒng)出現(xiàn)的主要問(wèn)題如下：

　　(1)整流器變壓器燒壞可控硅被擊穿。

　　(2)除塵效率低。

　　(3)極板積灰嚴(yán)重，振打裝置清灰效果不佳。

　　(4)煙氣粉塵濃度變化極易影響除塵效率。

　　針對(duì)以上問(wèn)題對(duì)電除塵器進(jìn)行電袋復(fù)合

　　除塵器改造：

　　電袋復(fù)合除塵器是指在一個(gè)箱體內(nèi)緊湊安裝電場(chǎng)區(qū)和濾袋區(qū)，有機(jī)結(jié)合靜電除塵和過(guò)濾出塵兩種機(jī)理的一種新型除塵器(圖3-1)。龍凈FE型電袋復(fù)合除塵器工作時(shí)高速含塵煙氣流入進(jìn)口喇叭，在內(nèi)部得到緩沖、擴(kuò)散、均衡后低速進(jìn)入電場(chǎng)區(qū)，在高壓電暈作用下大部分煙塵被電場(chǎng)收集，已荷電的少量煙塵隨氣流繼續(xù)流向?yàn)V袋區(qū)被過(guò)濾攔截，干凈的煙氣通過(guò)凈氣室、提升閥、出風(fēng)煙箱排出而實(shí)現(xiàn)了煙氣≤10mg/Nm3的凈化目標(biāo)。為保證除塵器持續(xù)正常運(yùn)行，振打裝置和清灰系統(tǒng)按設(shè)定的程序間歇性工作，使依附于極板和濾袋表面的粉塵層剝離并落入灰斗過(guò)渡倉(cāng)儲(chǔ)。由于電場(chǎng)區(qū)在除塵過(guò)程中發(fā)揮了極大作用，因而他成為電袋技術(shù)的核心機(jī)理(圖3-2)。

　　改造方案:

　　該方案采用電袋復(fù)合除塵器對(duì)原有電除塵器進(jìn)行改造，不加長(zhǎng)柱距，不加寬跨距，保留原支架、殼體、灰斗、進(jìn)口喇叭等。第一、二電場(chǎng)保持原樣，第三、四、五電場(chǎng)及后部空間改造為長(zhǎng)袋中壓脈沖行噴吹袋式除塵區(qū)。改造范圍包括前至電除塵器進(jìn)口喇叭前煙道直段(包含煙氣隔離門(mén)及預(yù)涂灰系統(tǒng))，后至出口水平煙道末端(與垂直段交界處)，上至頂部起吊設(shè)備，下至灰斗下法蘭手動(dòng)卸灰閥，配套電氣控制及相應(yīng)土建工程。改造后的布袋除塵器主要參數(shù)如表一所示。

　　改造為電袋復(fù)合除塵器后，除塵器運(yùn)行至

　　今在各種工況下，壓損穩(wěn)定，煙囪長(zhǎng)期保持明

　　凈。2015年12月，經(jīng)河南省電力試驗(yàn)院現(xiàn)場(chǎng)測(cè)

　　試#1#2爐煙塵排放濃度分別為3.99 mg/Nm3、2.94 mg/Nm3,提效顯著，實(shí)現(xiàn)了排放濃度小于5mg/Nm3的超低排放。

　　4.成本核算及經(jīng)濟(jì)效益分析

　　4.1成本核算

　　#1、#2機(jī)組超低排放改造總體費(fèi)用如下：

　　總投資增加2.5億元，其中設(shè)備購(gòu)置增加1.5億元、建筑安裝增加3000萬(wàn)元，年運(yùn)行費(fèi)用增加7000萬(wàn)元。

　　4.2經(jīng)濟(jì)效益估算

　　(1) 脫硝系統(tǒng)改造后有效實(shí)現(xiàn)NOx質(zhì)量濃度小于50mg/Nm3的控制目標(biāo)，脫硝效率達(dá)87.5%。改造后每年可減排NOx約1600t，每年節(jié)約排污費(fèi)約628.35萬(wàn)元。

　　(2) 脫硫增容改造后，脫硫效率可達(dá)到99.462%，每年減排SO2約1500t，每年節(jié)約排污費(fèi)約352.6萬(wàn)元。

　　(3)對(duì)靜電除塵器進(jìn)行電除塵+布袋除塵改造后煙塵質(zhì)量濃度236mg/Nm3降為5mg/Nm3以下。每年可減排煙塵約500t，每年節(jié)約排污費(fèi)約181.84萬(wàn)元。

　　5.改造效果

　　#1、#2機(jī)組超低排放改造完成后，分別進(jìn)行168h試運(yùn)行，試運(yùn)行期間各環(huán)保設(shè)施運(yùn)行穩(wěn)定，煙囪入口NOx排放小時(shí)均值為22.4 mg/Nm3和25.84mg/Nm3, SO2排放小時(shí)均值分別為8.6mg/Nm3和15.1mg/Nm3，煙塵排放小時(shí)均值為3.99 mg/Nm3和2.94mg/Nm3 ，各項(xiàng)環(huán)保指標(biāo)均優(yōu)于同類(lèi)型機(jī)組排放標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。#1、#2 機(jī)組分別于9月28日和12 月24日通過(guò)河南省環(huán)保廳的現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)驗(yàn)收，進(jìn)過(guò)測(cè)算此次超低排放改造最終達(dá)到了氮氧化物減排1600噸/年、硫氧化物減排1500噸/年、煙塵減排500噸/年的效果，并一次通過(guò)了河南省環(huán)保廳的環(huán)保驗(yàn)收。

　　6.結(jié)語(yǔ)

　　通過(guò)對(duì)國(guó)家電投河南電力有限公司平頂山發(fā)電分公司#1、#2機(jī)組超低排放的改造，既解決了電力行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的問(wèn)題，也解決了大氣環(huán)境質(zhì)量改善的問(wèn)題。同時(shí)也為國(guó)家電投其他單位燃煤機(jī)組超低排放的改造提供了成功范例和可靠的數(shù)據(jù)支撐。