基于燃煤電廠“超低排放”的海水脫硫系統(tǒng)性能評估與建議

通訊作者：莫華(1969—)，女，云南文山人，教授級高級工程師，主要從事建設項目環(huán)境影響技術評估，E-mail：mohua@acee.org.cn

基于燃煤電廠“超低排放”的海水脫硫系統(tǒng)性能評估與建議

鄭曉盼1,2，高翔3，鄭成航3，張軍3，邵海瑞4，黃微4，莫華1

(1.環(huán)境保護部環(huán)境工程評估中心， 北京100012； 2.福建龍凈環(huán)保股份有限公司， 福建龍巖364000；

3.浙江大學， 杭州310027； 4.神華國華舟山發(fā)電有限責任公司， 浙江舟山316011)

摘要：以我國東部沿海某“超低排放”燃煤電廠配套的海水脫硫裝置為研究對象，實測其對SO2、煙塵、PM2.5、SO3、汞及其化合物的捕集性能，同時分析其三個月各污染物在線監(jiān)測數(shù)據(jù)及控制參數(shù)，對污染物達標性與裝置穩(wěn)定性進行全面系統(tǒng)地綜合評估，提出技術改進的措施、運行優(yōu)化對策以及監(jiān)督管理的建議。

關鍵詞：燃煤電廠；超低排放；海水脫硫；評估

作者簡介：鄭曉盼(1985—)，男，福建龍巖人，工學碩士，工程師，主要從事火電行業(yè)環(huán)保工藝研究，E-mail：15860186323@139.com曉盼(1985—)，男，福建龍巖人，工學碩士，工程師，主要從事火電行業(yè)環(huán)保工藝研究，E-mail：15860186323@139.com

中圖分類號：X701

DOI: 10.14068/j.ceia.2015.04.003

近年來，我國大氣污染形勢日趨嚴峻，隨著《火電廠大氣污染物排放標準》(GB 13223—2011)、《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》(發(fā)改能源[2014]2093號)及地方“超低排放”控制政策的相繼出臺，在環(huán)境保護、減排目標與發(fā)展需求的三重壓力下，燃煤電廠污染物減排進入“超低排放”階段，給電力環(huán)保發(fā)展提出了更高要求[1]。

目前，實現(xiàn)“超低排放”的脫硫新工藝主要是基于石灰石-石膏濕法脫硫技術[2]，海水脫硫技術所占比例很小。但與石灰石-石膏濕法脫硫技術相比，海水脫硫技術具有不需額外消耗淡水和吸收劑、無副產(chǎn)品和廢棄物、節(jié)省投資和運行費用低等諸多優(yōu)勢[3]。

為全面評估“超低排放”燃煤電廠海水脫硫系統(tǒng)的排放特征與環(huán)境效益，本研究以我國東部沿海某“超低排放”新建燃煤機組的海水脫硫裝置為典型實例，在不同運行工況下，對SO2等大氣污染物的排放濃度進行實測，對海水脫硫裝置三個月期間的在線監(jiān)測數(shù)據(jù)與運行控制參數(shù)進行統(tǒng)計研究，分析該系統(tǒng)對SO2的控制水平、排放特征與減排效益，綜合評估該脫硫裝置的性能達標性與穩(wěn)定性，最后針對該項目提出技術改進措施、運行優(yōu)化對策及監(jiān)督管理建議。

1電廠概況

1.1　“超低排放”技術路線

本案例電廠位于我國東部沿海地區(qū)，屬于《重點區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃》劃定的一般控制區(qū)，執(zhí)行GB 13223—2011表1的要求。案例機組為350 MW超臨界燃煤機組，該機組在初步設計和建造階段對主要環(huán)保設備進行了協(xié)同優(yōu)化，增設了煙氣深度凈化設施，主要大氣污染物排放水平按“超低排放”限值設計。具體環(huán)保技術路線為：采用海水脫硫技術，設計脫硫效率98%、出口pH≥6.8、耗氧量CODMn≤5 mg/L、溶解氧DO≥3 mg/L、其他指標符合海水四類標準；采用雙室五電場靜電除塵器除塵(其中末電場采用旋轉(zhuǎn)電極技術)，設計除塵效率99.94%，脫硫系統(tǒng)后增設濕式靜電除塵器，設計除塵效率70%，除塵系統(tǒng)的高壓設備均為高頻電源；采用低氮燃燒技術和SCR脫硝(2層催化劑)，脫硝效率80%。設計目標為：煙塵、SO2、NOx排放分別小于5 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3(6%O2濃度)。

1.2　海水脫硫系統(tǒng)介紹

海水脫硫利用海水的天然堿度脫除煙氣中的SO2，主要由煙氣系統(tǒng)、SO2吸收系統(tǒng)、海水供應系統(tǒng)、海水恢復系統(tǒng)等組成，一般適用于海洋擴散條件較好的海水直流冷卻火電廠[4]。本案例電廠排水面向開闊外海，該海域水動力作用較強、海水交換能力好，2013—2014年鹽度為20.2‰～26.0‰、pH為7.89～8.19。設計燃煤含硫量為0.41%(校核0.58%)，符合《燃煤二氧化硫排放污染防治技術政策(修訂征求意見稿)》、《火電廠煙氣脫硫工程技術規(guī)范海水法》的要求，適宜采用純海水法脫硫。

本案例海水脫硫系統(tǒng)的塔形為圓形截面而非傳統(tǒng)的長方形截面，并且通過改用低壓力大孔徑噴嘴，防止小顆粒物堵塞，覆蓋“噴淋死區(qū)”，改善煙氣流場和海水配水流場的不均勻性，設計脫硫效率為98%。海水脫硫系統(tǒng)按最不利季節(jié)、海水pH值7.9、堿度2.08 mmol/L核算，吸收塔脫硫用水量約為11 000 m3/h，整臺機組循環(huán)水量約44 000 m3/h。

2現(xiàn)場測試與結果

2.1　測試儀器與方法

在海水脫硫裝置進出口以及煙囪進口，對SO2、煙塵、PM2.5、SO3、汞及其化合物等大氣污染物，以及煙氣排放參數(shù)(煙氣流速、溫度、壓力、濕度、氧含量等)進行測試。各測試因子及分析方法、儀器見表1。

表1　測試分析方法及主要儀器一覽表

2.2　測試工況與煤質(zhì)情況

(1)測試工況：100%和75%，最大波動幅度≤5%;(2)測試時間：每臺機組每種工況測試3天，每天8—20點進行測試，8點前將機組帶到試驗負荷，調(diào)整爐膛出口氧量到試驗需求氧量；(3)現(xiàn)場測試期間燃料配比不變，其中硫分范圍為0.39%～0.52%。

2.3　結果分析

在100%與75%負荷工況條件下，煙囪進口SO2及相關參數(shù)測試結果見表2、表3。海水脫硫裝置進出口SO2、煙塵、PM2.5、SO3、汞及其化合物等濃度測試結果見表4、表5。

從表2～表5中可以看出：現(xiàn)場測試期間，本案例機組海水脫硫裝置出口的SO2濃度小于3 mg/Nm3，低于35 mg/Nm3設計指標限值，滿足SO2“超低排放”要求。在100%和75%負荷條件下，脫硫效率分別為99.70%和99.55%，均高于98%的設計指標；除塵效率分別為69.42%和50.32%；SO3脫除效率分別為32.14%和48.08%；Hg脫除效率分別為79.07%和80.73%。

表2　煙囪進口煙氣測試結果(100%負荷)

注：基準氧含量為6%。

表3　煙囪進口煙氣測試結果(75%負荷)

注：基準氧含量為6%。

表4　脫硫裝置煙氣監(jiān)測結果表(100%負荷)

表5　機組脫硫裝置煙氣監(jiān)測結果表(75%負荷)

3海水脫硫系統(tǒng)穩(wěn)定性評估

提取2014年7—9月分散控制系統(tǒng)(DCS)與煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)在線監(jiān)測數(shù)據(jù)及控制參數(shù)記錄，進行達標能力及穩(wěn)定性評估。2014年7—9月，電廠入爐煤硫分在0.3%～0.6%內(nèi)波動，平均含硫量日均值為0.46%，超設計值(0.41%)時段約占76.92%；機組負荷在157～350 MW(45%～100%負荷)內(nèi)波動，平均負荷為240 MW(69%負荷)。

3.1　煙囪出口SO 2排放濃度

本案例煙囪出口SO2排放情況見圖1，評估期間煙囪出口煙氣SO2濃度為0.71~27.74 mg/Nm3，平均濃度2.13 mg/Nm3，低于35 mg/Nm3的小時濃度達標率為100%，裝置穩(wěn)定性較好。

圖1　三個月期間煙囪入口SO 2排放情況 Fig.1　Total SO 2 emissions at stack inlet during the three months

3.2　脫硫效率

評估期間海水脫硫系統(tǒng)脫硫效率為97.45%~99.99%，平均99.76%，滿足設計脫硫效率(98%)的達標率為99.9%。本案例海水脫硫系統(tǒng)的平均脫硫效率滿足設計要求，且對機組負荷、煤種適應性較強。

3.3　除塵效果

如圖2所示，海水脫硫塔的除塵效率隨著靜電除塵器出口(即脫硫塔入口)煙塵濃度的上升而呈上升趨勢，當靜電除塵器出口煙塵濃度超出其設計保證值(30 mg/Nm3)時，海水脫硫塔的除塵效率在50%以上，其附帶的除塵功能可以在一定程度上消除電除塵器出口濃度變化對整個除塵系統(tǒng)的影響；在脫硫塔入口煙塵濃度低于16 mg/Nm3的部分時段，海水脫硫塔的除塵效率開始出現(xiàn)負值，分析其原因是因為脫硫后煙氣中攜帶有部分未被除霧器除去的海水霧滴，該煙氣被抽取后，因高溫伴熱而容易析出形成鹽類細顆粒，增加了測量顆粒物的量，導致出口測量濃度值偏高，從而出現(xiàn)入口低濃度時計算出現(xiàn)負值的情況。

圖2　海水脫硫塔除塵效率與除塵器出口濃度關系 Fig.2　Seawater desulfurization tower dust removal efficiency VS dust concentration of ESP outlet

3.4　海水排放情況

曝氣是海水水質(zhì)恢復的關鍵環(huán)節(jié)，通過鼓泡曝氣可氧化海水中的亞硫酸鹽等還原性物質(zhì)，驅(qū)除海水中的CO2，提高pH值，增加溶解氧，達到海水水質(zhì)恢復(pH≥6.8)的目的。一般通過調(diào)整啟停曝氣風機數(shù)量，或變頻調(diào)節(jié)風量來實現(xiàn)相關參數(shù)控制。通過對7—9月曝氣風機運行情況與排放海水水質(zhì)情況進行統(tǒng)計，比較分析不同曝氣量對排放海水水質(zhì)的影響。

如圖3所示，排放海水pH值部分時段不達標，會對周圍海域海水產(chǎn)生不利影響。當增加曝氣風機運行電流時，曝氣量增加，有利于海水水質(zhì)恢復。穩(wěn)定曝氣風機電流時，pH值隨著機組負荷變化而上下波動，原因是機組負荷變化引起煙氣量變化，從而影響SO2的脫除總量和海水水質(zhì)恢復。在機組100%、75%、50%負荷條件下，開啟A和B兩臺曝氣風機、開啟A或C曝氣風機、開啟B曝氣風機三種情況下的海水排放pH值如圖4所示，本案例海水恢復系統(tǒng)在運行過程中長期運行1臺曝氣風機，當運行2或3臺曝氣風機時，海水排放水質(zhì)的pH值提高，因此可對曝氣風機系統(tǒng)進行優(yōu)化調(diào)整，保證排放海水pH值達標。

圖3　海水排放水質(zhì)pH值實時數(shù)據(jù) Fig.3　Real-time pH value data of discharge seawater

圖4　曝氣風機開啟對排放海水pH值的影響 Fig.4　The influence between aeration fan launch and discharge seawater pH value

在吸收塔內(nèi)，海水與煙氣反應后的主要生成物是CaSO3和CO2，CaSO3的存在使水的COD大量增加，導致水中缺氧，容易引起海洋生物窒息死亡。曝氣風機向曝氣池內(nèi)鼓入大量空氣，產(chǎn)生大量細碎氣泡使曝氣池內(nèi)海水中的溶解氧達到飽和，使海水滿足排放標準要求，最終排回大海。如圖5所示，排放海水DO值基本維持在3 mg/L以上，可滿足排放要求。

圖5　海水排放水質(zhì)DO值的實時數(shù)據(jù) Fig.5　Real-time DO value data of seawater discharge quality

3.5　入口SO 2濃度、噴淋量對脫硫效果的影響

影響海水脫硫系統(tǒng)污染物脫除效率的主要因素有海水循環(huán)量、海水水質(zhì)、煙氣流量、煤質(zhì)硫分等，本案例主要分析入口SO2濃度、噴淋量對脫硫效果的影響。圖6是在A、B兩臺泵在100%出力和A泵100%出力、B泵25%出力兩種工況下，脫硫塔入口SO2濃度與出口SO2濃度的關系圖。

圖6　入口SO 2濃度對出口SO 2濃度的影響 Fig.6　The influence between inlet SO 2 concentration and outlet

如圖6所示，在兩種升壓泵不同運行參數(shù)下，脫硫塔出口SO2濃度均滿足“超低排放”要求，且升壓泵出力增大時，海水噴淋量增大，出口SO2排放濃度減小。因此，當機組負荷和SO2濃度變化時，可通過啟停泵數(shù)量及變頻調(diào)節(jié)的方式，改變進脫硫塔洗滌的海水流量，來調(diào)整吸收塔內(nèi)填料層的持液量，從而改變洗滌液氣比，在保證環(huán)保達標的前提下，提高運行的經(jīng)濟性。

4減排效益分析

通過統(tǒng)計分析本案例機組海水脫硫裝置DCS數(shù)據(jù)，即工況煙氣量、煙溫、氧含量及排放濃度等，分析SO2排放情況，結果見表6。三個月期間，本案例機組SO2排放量約為4.62 t，比相同工況下執(zhí)行GB 13223—2011表1限值減少97.77%，比績效排放總量(0.35 g/(kW·h))減少97.26%，減排效果顯著。

表6　本案例機組SO 2排放量比較情況

5結論及建議

(1)通過實測表明，本案例海水脫硫系統(tǒng)在75%和100%工況下，燃用含硫量不高于0.52%、灰分不高于12.88%、低位熱值不低于20.28 MJ/kg燃煤條件下，SO2排放濃度滿足“超低排放”要求，海水脫硫系統(tǒng)對SO2有較高的脫除效率，同時對煙塵、PM2.5、SO3、汞及其化合物等污染物具有較好的協(xié)同脫除效果，證明本案例海水脫硫技術方案可行。

(2)通過對三個月相關在線監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析表明，海水脫硫裝置出口SO2排放濃度低于35 mg/m3的小時濃度達標率為100%，裝置穩(wěn)定性較好。當脫硫系統(tǒng)進口SO2濃度及機組負荷變化時，出口SO2濃度維持在很低水平，說明本案例海水循環(huán)量有一定裕度，建議通過優(yōu)化調(diào)整試驗，摸清現(xiàn)有裝置不同輸入條件下的最低海水循環(huán)量、脫硫潛力及輸入條件的可控范圍，以便更好地管理和控制煤質(zhì)等輸入條件，在達到“超低排放”前提下降低脫硫系統(tǒng)運行能耗。

(3)海水脫硫系統(tǒng)所排放的海水對周邊海域影響較大，需長時間驗證評估，建議對海水脫硫后排水對周圍海域的影響進行研究，在實現(xiàn)SO2高效脫除的同時，盡可能降低其對周邊環(huán)境的影響。同時，建議對海水脫硫系統(tǒng)及海水恢復系統(tǒng)進行優(yōu)化運行研究，得到不同SO2脫除量、循環(huán)海水量、曝氣泵/曝氣量、混合海水量條件下的pH值恢復規(guī)律，并根據(jù)海水脫硫系統(tǒng)SO2脫除量及循環(huán)海水量，進行曝氣系統(tǒng)的運行聯(lián)動控制，在保證海水pH值高效恢復、達標排放的同時，降低系統(tǒng)運行電耗。同時，建議電廠加強運行監(jiān)管，保證排放海水pH值、DO值長期穩(wěn)定達標。

參考文獻(References)：

[1]朱法華, 王圣. 煤電大氣污染物超低排放技術集成與建議[J]. 環(huán)境影響評價, 2014(5): 25-29.

[2]朱法華, 王臨清. 煤電超低排放的技術經(jīng)濟與環(huán)境效益分析[J]. 環(huán)境保護, 2014, 42(11): 28-32.

[3]關毅鵬, 李曉明, 張召才, 等. 海水脫硫應用現(xiàn)狀與研究[J]. 中國電力, 2012, 45(2): 40-44.

[4]李相軍. 海水脫硫技術的優(yōu)化研究[D]. 濟南: 山東大學, 2007.

Performance Assessment and Suggestion of Seawater Desulfurization

System on “Ultra-low Emission” Coal-fired Power Plants

ZHENG Xiao-pan1,2, GAO Xiang3, ZHENG Cheng-hang3, ZHANG Jun3, SHAO Hai-rui4,

HUANG Wei4, MO Hua1

(1.Appraisal Center for Environment & Engineering, Ministry of Environmental Protection, Beijing 100012, China;

2.Fujian Longking Co., Ltd., Longyan 364000, China; 3. Zhejiang University, Hangzhou 310027, China;

4.Shenhua Guohua Zhoushan Power Generation Co., Ltd., Zhoushan 316011, China)

Abstract:A “ultra-low emission” coal-fired power plant along the east coast of China was selected to sample and test SO2, dust, PM2.5, SO3, mercury and its compounds capture performance of seawater desulfurization device, and its three months each pollutant on-line monitoring data and control parameter was analyzed to comprehensive assess the pollutant standard and device stability. At last put forward technological improvement measures, operation optimization countermeasures as well as the supervision and management was proposed.

Key words: coal-fired power plants; ultra-low emission; seawater desulfurization; assessment