張仁鋒，黃顯昌，孫希進(jìn)

(中國電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710075)

西北地區(qū)火電廠超低排放及節(jié)能改造技術(shù)路線選擇

張仁鋒，黃顯昌，孫希進(jìn)

(中國電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，陜西 西安 710075)

以西北經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)火電廠的現(xiàn)狀特點(diǎn)為立足點(diǎn)，總結(jié)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，分別從節(jié)水、安全、經(jīng)濟(jì)的角度對火電廠超低排放和節(jié)能減排的技術(shù)路線進(jìn)行探討，提出了適合西北地區(qū)特點(diǎn)的技術(shù)路線。

西北地區(qū)；火電廠；超低排放

0 引言

為推進(jìn)煤炭清潔化利用，促進(jìn)煤電產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，國內(nèi)學(xué)者對于火電廠的超低排放技術(shù)路線進(jìn)行了積極探索[1-4]。環(huán)境保護(hù)部、國家發(fā)展和改革委員會、國家能源局聯(lián)合下發(fā)了環(huán)發(fā)[2015]164號文《關(guān)于印發(fā)lt;全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案gt;的通知》，要求全國所有具備改造條件的燃煤電廠在2020年以前力爭實(shí)現(xiàn)超低排放(即在基準(zhǔn)氧含量6%條件下，PM10、SO2、NOx排放濃度分別不高于10、35、50mg/m3)；全國有條件的新建燃煤發(fā)電機(jī)組達(dá)到超低排放水平。

為此，西北五省區(qū)都按照文件要求，印發(fā)了2020年完成火電廠超低排放和節(jié)能改造的工作計(jì)劃安排，其中陜西省提出2017年全部完成火電廠的超低排放改造。但西北地區(qū)面臨的現(xiàn)實(shí)在于煤炭資源儲量豐富，但水資源短缺，經(jīng)濟(jì)發(fā)展落后，特別是經(jīng)濟(jì)下行壓力下，企業(yè)生存環(huán)境相對比較困難。因此，對于火電企業(yè)特別是中小發(fā)電企業(yè)選擇一條經(jīng)濟(jì)合理、技術(shù)可行、安全可靠的技術(shù)路線至關(guān)重要。

本文以西北經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)火電廠的現(xiàn)狀特點(diǎn)為立足點(diǎn)，總結(jié)工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，分別從節(jié)水、安全、經(jīng)濟(jì)的角度對火電廠超低排放和節(jié)能減排的技術(shù)路線進(jìn)行探討，提出了適合西北地區(qū)特點(diǎn)的技術(shù)路線。

1 西北地區(qū)超低排放政策適應(yīng)性

考慮到西北地區(qū)地域廣闊，大部分地區(qū)人煙稀少，環(huán)境容量相對較大，但經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)薄弱的現(xiàn)實(shí)條件，本文建議遵循因地制宜的原則，在西北地區(qū)實(shí)施火電廠差別化排放政策。即在人口稠密、環(huán)境容量小的地區(qū)全面實(shí)施超低排放標(biāo)準(zhǔn)要求；在人口稀少，經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平低，大氣污染程度小，環(huán)境容量大的地區(qū)可以適當(dāng)降低要求。具體差別化政策的區(qū)域劃分可依據(jù)《重點(diǎn)區(qū)域大氣污染防治"十二五"規(guī)劃》。差別化政策分區(qū)見表1。

2 協(xié)同治理技術(shù)理念下的超低排放技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)超低排放，靠單一設(shè)備脫除單一污染物的方法是不現(xiàn)實(shí)的，必須充分考慮各設(shè)備間協(xié)同效應(yīng)[5]。協(xié)同治理的優(yōu)勢在于從整個(gè)煙氣治理的角度考慮，充分挖掘各設(shè)備的潛能，使每個(gè)裝置脫除其主要目標(biāo)污染物的同時(shí)能協(xié)同脫除其他污染物或?yàn)槠渌O(shè)備脫除污染物創(chuàng)造條件。通過協(xié)調(diào)各煙氣污染物脫除設(shè)備對主、輔污染物的脫除能力，可有效提高整個(gè)煙氣治理系統(tǒng)的性能，實(shí)現(xiàn)污染物的高效協(xié)同治理[5]。目前國內(nèi)火電廠超低排放技術(shù)如下：低氮燃燒器→SCR脫硝→高效除塵器→石灰石-石膏濕法煙氣脫硫→濕式電除塵器。

表1 西北地區(qū)火電廠差別化排放政策分區(qū)

區(qū)域排放政策備注西安、咸陽、蘭州、銀川和烏魯木齊超低排放，即在基準(zhǔn)氧含量6%條件下，煙塵、SO2、NOx排放濃度不高于10、35、50mg/m3?！吨攸c(diǎn)區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃》中的重點(diǎn)控制區(qū)銅川、寶雞、渭南、楊凌農(nóng)業(yè)示范區(qū)、白銀、昌吉、阜康、五家渠市介于兩者之間，具體依照地方政府要求執(zhí)行一般控制區(qū)其他地區(qū)重點(diǎn)地區(qū)特別排放限值，即在基準(zhǔn)氧含量6%條件下，煙塵、SO2、NOx排放濃度不高于20、50、100mg/m3。未列入規(guī)劃中的地區(qū)

3 技術(shù)線路選擇

3.1 脫硝

首先從源頭上盡可能減少污染物的產(chǎn)生量，即減小鍋爐出口NOx排放速率。目前隨著鍋爐制造水平的提升，采用低氮燃燒技術(shù)之后，煤粉爐的鍋爐出口NOx濃度通常都可以做到小于250mg/m3，這就為后續(xù)的煙氣脫硝系統(tǒng)減輕了壓力。

脫硝還原劑主要在尿素和液氨中選擇，其中采用尿素方案的初投資比液氨高出約20%，運(yùn)行費(fèi)用高出約15%。西北地區(qū)人口稀少，為減小脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行成本，選擇脫硝還原劑時(shí)，應(yīng)優(yōu)先考慮選用液氨(地方政府有特殊規(guī)定的除外[6])。

為滿足超低排放情況下，NOx排放濃度低于50mg/m3的要求，新建項(xiàng)目通常脫硝工藝優(yōu)先選擇SCR或者SCR與SNCR兩者的組合。改造項(xiàng)目，應(yīng)結(jié)合鍋爐低氮燃燒器改造，同時(shí)增加SCR脫硝系統(tǒng)催化劑體積(可通過增加催化劑層數(shù))的辦法，使氮氧化物的排放濃度滿足超低排放要求。

3.2 除塵

西北地區(qū)水資源匱乏，干旱缺水，節(jié)約用水必須體現(xiàn)在電廠的每一個(gè)環(huán)節(jié)當(dāng)中。

近年來，由于低低溫電除塵技術(shù)的諸多好處，在電廠得到了廣泛應(yīng)用。即在空預(yù)器出口至除塵器入口間設(shè)置煙氣冷卻器(低溫省煤器)，使煙氣溫度降低至酸露點(diǎn)以下，一般為90℃左右。其優(yōu)勢在于：

(1)提高除塵器效率。由于煙氣溫度降低到酸露點(diǎn)以下，煙氣中的大部分SO3會在煙氣冷卻器中凝結(jié)，并被粉塵充分地吸附，在電除塵器中高效脫除，從而大幅降低煙氣中的SO3含量，且粉塵性質(zhì)發(fā)生了很大變化，降低粉塵比電阻，避免反電暈現(xiàn)象，大幅提高電除塵器的除塵效率[5]。

(2)除去大部分SO3。由于大部分SO3冷凝成硫酸霧，并吸附在粉塵表面，隨粉塵一起被電除塵器去除。SO3的脫除效率一般不小于80%，最高可以達(dá)95%。

(3)提高濕法脫硫的附帶除塵效率。日本日立公司研究結(jié)果表明常規(guī)電除塵器出口粉塵平均粒徑一般為1～2.5μm，低低溫電除塵器的出口煙塵濃度更低且粉塵平均粒徑大于3μm，可大幅提高濕法脫硫裝置協(xié)同除塵效果。

(4)節(jié)能效果明顯。采用低低溫電除塵器，可以降低入口煙氣溫度，減小煙氣體積，節(jié)約了后續(xù)濕法脫硫系統(tǒng)的耗水量；減少了風(fēng)機(jī)的電耗和脫硫系統(tǒng)的用電率；由于采用低溫省煤器，可回收熱量。

(5)工程投資。由于增加了煙氣冷卻器，與常規(guī)電除塵器相比，低低溫電除塵器的投資增加了。以兩臺660MW電廠為例，采用低低溫電除塵器比常規(guī)電除塵器投資高出約2000萬元。

正因?yàn)橛猩鲜黾夹g(shù)優(yōu)勢，結(jié)合工程設(shè)計(jì)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，在除塵器選型時(shí)，將低低溫電除塵器作為首選。

另外隨著海拔高度的升高，大氣壓力降低、空氣密度及空氣氧含量逐漸減小，相同質(zhì)量的空氣體積在高海拔地區(qū)要增大很多[7]。因此，相同技術(shù)條件下，高海拔地區(qū)除塵器的體積及占地都比低海拔地區(qū)大，這時(shí)電除塵器運(yùn)行費(fèi)用低的優(yōu)勢將更為明顯，成為新建項(xiàng)目優(yōu)先考慮的因素。

對于現(xiàn)有電廠的電除塵器改造，為降低工程造價(jià)，技術(shù)路線通常多采用將電除塵器改造為電袋復(fù)合除塵器，具體辦法是將電除塵器的最后一個(gè)或者兩個(gè)電場改造為布袋，實(shí)現(xiàn)電袋復(fù)合除塵器改造的目的。

3.3 脫硫

石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝是目前世界上應(yīng)用廣泛、技術(shù)較為成熟的脫硫技術(shù)。目前石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝具體可分為噴淋空塔技術(shù)及其改進(jìn)技術(shù)、單塔雙循環(huán)技術(shù)和串聯(lián)塔技術(shù)。

為適應(yīng)超低排放的要求，提高脫硫效率，近年推出了托盤塔技術(shù)和旋匯耦合塔技術(shù)等。托盤塔技術(shù)指在逆流噴淋的基礎(chǔ)上增設(shè)一塊或者多塊穿流孔板托盤，將托盤全面布置在整個(gè)吸收塔的橫截面上。托盤塔技術(shù)改善了煙氣的氣流分布，提高了吸收劑的利用率，可有效降低液/氣比，從而降低循環(huán)漿液泵的流量和功耗。在脫硫改造時(shí)，托盤塔技術(shù)可直接利用現(xiàn)有脫硫塔及大部分附屬設(shè)備，改造工程量小，脫硫效率高，運(yùn)行穩(wěn)定。旋匯耦合技術(shù)是將進(jìn)塔煙氣由層流變成湍流狀態(tài)，大大增加了氣體的漩流速度，增大氣液接觸的比表面積，從而大大提高脫硫效率以及附帶的除塵效率。旋匯耦合技術(shù)具有傳質(zhì)效率高、均氣效果好、系統(tǒng)能耗低的優(yōu)點(diǎn)，同樣適用于脫硫系統(tǒng)改造。

單塔雙循環(huán)脫硫技術(shù)是將噴淋空塔中的SO2吸收氧化過程劃分成兩個(gè)階段，分別控制兩段在不同的pH值下操作。上段pH控制在6左右，下段控制pH在4.5左右。這樣，在上循環(huán)段，高pH值的漿液有利于SO2的吸收，在下循環(huán)段，低pH值的漿液有利于硫酸鈣和亞硫酸鈣的溶解，利于亞硫酸鈣氧化成為石膏。每個(gè)循環(huán)的控制都是獨(dú)立的，并且易于優(yōu)化和快速調(diào)整。對于一些不利的運(yùn)行工況，比如燃料或負(fù)荷變化，能夠迅速反應(yīng)[8]。

串聯(lián)塔技術(shù)是電廠為適應(yīng)高硫煤條件下為滿足超低排放改造而選擇的雙級處理技術(shù)。采用二級脫硫塔分級處理，煙氣首先經(jīng)過預(yù)洗塔，然后進(jìn)入吸收塔，處理達(dá)標(biāo)后排入煙囪。雙塔間采用強(qiáng)制循環(huán)，運(yùn)行pH值相同[8]。串聯(lián)塔技術(shù)主要適用于燃燒高硫煤的電廠。對于改造項(xiàng)目，脫硫改造的技術(shù)方案需要因爐制宜，具體可通過采用增加噴淋層、優(yōu)化噴淋層及噴嘴設(shè)計(jì)、采用托盤塔技術(shù)、旋匯耦合技術(shù)、單塔雙循環(huán)技術(shù)、雙塔串聯(lián)等。

為了改善吸收塔出口的液滴和顆粒物的排放濃度，可采用高效屋脊式除霧器或管束式除塵裝置，實(shí)現(xiàn)凈煙氣攜帶液滴和煙塵的脫除凈化，滿足超低排放要求。這樣可以節(jié)省濕式電除塵器的投資，以2臺660MW電廠為例，節(jié)省濕式電除塵器投資額約6000萬元。

綜合分析可知，西北地區(qū)火電廠可采用以下技術(shù)路線實(shí)現(xiàn)超低排放目標(biāo)：低氮燃燒器→SCR脫硝→低低溫電除塵→石灰石-石膏濕法煙氣脫硫→高效除霧器或管束式除塵裝置→煙囪。

4 結(jié)語

(1)依照污染物源頭治理的理念，脫硝改造時(shí)，如果煤粉鍋爐出口的NOx濃度高于300mg/m3，首先要與鍋爐廠配合進(jìn)行低氮燃燒器改造。同時(shí)考慮通過增加催化劑的層數(shù)增大催化劑的體積，使氮氧化物的排放濃度滿足超低排放要求。

(2)除塵改造，首先考慮在除塵器前面增加低溫省煤器進(jìn)行低低溫電除塵器改造，其次可以考慮將電除塵器改造成電袋復(fù)合除塵器。

(3)脫硫升級改造，首先考慮增加噴淋層、優(yōu)化噴淋層及噴嘴設(shè)計(jì)，其次考慮吸收塔增加托盤，最后考慮旋匯耦合技術(shù)、單塔雙循環(huán)技術(shù)、雙塔串聯(lián)等。吸收塔的除霧器改造可采用高效屋脊式除霧器或管束式除塵裝置，脫硫后盡可能不用濕式電除塵器。

[1]張 潔,孫衛(wèi)民,舒澤萍.電廠集團(tuán)應(yīng)對燃煤電廠超低排放的思考[J].電力科技與環(huán)保,2015,31(4):38-40.

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[3]李 博,趙錦洋,呂俊復(fù).燃煤煙氣超低排放技術(shù)路線選擇建議[J].電力科技與環(huán)保,2016,32(5):13-15.

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[6]陜西省環(huán)境保護(hù)廳 陜環(huán)函[2011]331號關(guān)于全省火電機(jī)組脫硝工作的指導(dǎo)意見[Z].2011-04-25.

[7]徐海紅, 雷 洋,謝永平.高海拔地區(qū)大容量火電機(jī)組除塵器選型研究[J].環(huán)境工程.2014(10):148-151.

[8]孟 磊.燃煤火電廠超低排放改造技術(shù)路線研究[J].科技傳播,2015(24):98-100.

Selection of ultra - low emission and energy saving technical route for thermal power plants in Northwest China

BasedonthepresentsituationofthethermalpowerplantintheeconomicallyunderdevelopedareasofNorthwestChina,thispapersummarizestheengineeringdesignexperienceespeciallyforNorthwestregioncharacteristicsanddiscussesthetechnicalrouteofultra-lowemissionandenergy-savingandemissionreductionfromtheperspectiveofwatersaving,safetyandeconomy.

northwestarea;thermalpowerplant;ultra-lowemission

X701

B

1674-8069(2017)06-015-03

中國電力工程顧問集團(tuán)西北電力設(shè)計(jì)院有限公司科研項(xiàng)目(XBI-JX16-2016)

2017-06-12；

2017-08-24

張仁鋒(1977-)，男，甘肅正寧人，高級工程師，從事火電廠環(huán)保設(shè)計(jì)工作。E-mail:zhangrenfeng@nwepdi.com