中小燃煤機組脫硫除塵一體化超低排放改造實例

陳文瑞

(福建龍凈環保股份有限公司， 福建 龍巖 364000)

中小燃煤機組脫硫除塵一體化超低排放改造實例

陳文瑞

(福建龍凈環保股份有限公司， 福建 龍巖 364000)

本文以某電廠一臺220t/h煤粉鍋爐煙氣超低排放改造作為實例，介紹中小燃煤機組脫硫除塵一體化超低排放的設計方案、技術原理，并對方案的技術經濟性做出分析。本文對今后同類中小燃煤機組超低排放的改造具有積極的參考和借鑒作用。

超低排放；脫硫；單塔多區；pH值；低低溫電除塵；MGGH

繼大型燃煤機組超低排放改造之后，“十三五”期間國家將掀起對中小燃煤機組煙氣超低排放改造新一輪的高潮。在我國，中小燃煤機組有其特殊國情，以及此類鍋爐和煙氣特性，對此類機組進行超低排放改造，必須考慮實際情況，采取適合可行且性價比較高的改造方案。本文以某電廠220 t/h煤粉鍋爐煙氣超低排放改造為例，介紹其設計方案、技術原理，并對技術經濟性進行分析，旨在對今后同類項目的改造提供借鑒和參考作用。

1 項目背景

1.1 政策法規

根據發改委“關于印發《煤電節能減排升級與改造行動計劃(2014-2020)》的通知”(發改能源[2014]2093號)及“穩步推進東部地區現役30 萬千瓦及以上公用燃煤發電機組和有條件的30 萬千瓦以下公用燃煤發電機組實施大氣污染物排放濃度基本達到燃氣輪機組排放限值的環保改造，2014 年啟動800 萬千瓦機組改造示范項目，2020 年前力爭完成改造機組容量1.5 億千瓦以上” ，在此背景下，某電廠擬對220 t/h煤粉鍋爐的煙氣脫硫、除塵系統進行進一步提效改造，實現煙氣污染物的超低排放，在滿足《火電廠煙氣排放標準》(GB13223-2011)中規定的排放限值的基礎上，達到以天然氣為燃料的燃氣輪機組的排放標準，即煙塵排放濃度不大于5 mg/Nm3，SO2排放濃度不大于35 mg/Nm3，NOx排放濃度不大于50 mg/Nm3。

1.2 改造前情況

該項目原煙氣脫硫裝置采用生物脫硫工藝，采用三爐一塔，脫硫阻力由引風機克服，無GGH。煙氣脫硫系統設計參數為：設計煤種(Sar=0.7%)脫硫效率不低于97.5%，入口煙氣SO2含量2 000 mg/Nm3(濕基，實際含氧量)，SO2排放濃度不大于50 mg/Nm3。現正常運行煙囪出口的實際排放濃度為50 mg/Nm3以內，脫硫效率97.5%。

原煙氣除塵采用一臺單室三電場靜電除塵器，電除塵器設計參數為：除塵效率不低于99%，正常運行時，除塵器出口煙塵排放濃度低于100 mg/Nm3，電除塵效率達到99%。電除塵入口煙氣參數如表1所示。

表1 電除塵入口煙氣參數

1.3 總體技術路線

通過多方調研和論證，按鍋爐尾部煙氣走向，本項目煙氣脫硫和除塵超低排放改造設計工藝流程為：鍋爐→空預器→煙氣冷卻器→低低溫電除塵器→引增合一風機→單塔四區脫硫塔→吸收塔塔頂濕式電除塵器→煙氣再熱器→煙囪。

1.4 改造后要求

本次超低排放改造總體要求：煙塵排放濃度不大于5 mg/Nm3，SO2排放濃度不大于35 mg/Nm3，NOx排放濃度不大于50 mg/Nm3。分解到各子系統，要求：

(1) 在電除塵器進口前端設置煙氣冷卻器，原電除塵器形成低低溫電除塵器。在煙囪入口端設置煙氣加熱器，組成MGGH系統(水媒煙氣-煙氣加熱系統)，其中降溫段將煙氣溫度從135℃降至100℃，升溫段將煙氣溫度從50℃升至80℃。

(2) 低低溫電除塵器進行擴容改造后，電除塵出口粉塵濃度濃度≤40 mg/Nm3，除塵效率≥99.89%。

(3)原脫硫方式改造成石灰石-石膏濕法脫硫，采用單塔四區吸收塔技術，脫硫出口SO2排放濃度≤35 mg/Nm3，脫硫效率≥98.84%。脫硫塔進口煙塵濃度按照40 mg /Nm3設計，要求經過脫硫塔系統后出口煙塵濃度低于25 mg/Nm3。

(4)吸收塔頂部設置濕式電除塵器，濕電進口煙塵濃度按照25 mg/Nm3設計，要求經過脫硫塔系統后出口煙塵濃度低于5 mg/Nm3，脫硫效率≥83.4%。

2 電除塵器改造

本工程在現有除塵器進口端增加一煙氣冷卻器，煙氣溫度由135℃降至100℃，原電除塵器變為低低溫電除塵器，大大降低粉塵比電阻和電除塵器的處理煙氣量，有效提高電除塵器收塵效率。在原電除塵器上增加一個第4常規電場，原電除塵器第1～3電場工頻電源改為高頻電源。根據原電除塵器場地布置條件，在電除塵器出口煙道側增加一個有效長度4.5m長的電場。電除塵器比集塵面積增加，除塵效率提高。電除塵器效率根據多依奇公式計算：

(1)

式中： A—收塵板面積(m2)； Q—煙氣量(m3/s)； ω—驅進速度 (m/s)

先按原電除塵器的除塵效率99%和比集塵面積51.03 m2/m3/s反算得到驅進速度ω為9.02 cm/s。在原電除塵器出口增加一個有效長度4.5 m的電場后，集塵面積增加1 890 m2，電除塵總集塵面積從5 670 m2增加至7 560 m2，單臺電除塵器入口煙氣量101.79 m3/s(366 433 m3/h)，比集塵面積為74.27 m2/m3/s。按驅進速度9.02 cm/s，比集塵面積為74.27 m2/m3/s計算得電除塵器效率99.88%。當電除塵效率99.88%時，電除塵器出口粉塵濃度為36×(1-99.88%)=0.0432 g/Nm3,即43.2 mg/Nm3。將第1～3電場原工頻電源改造為高頻電源，按提效10%，出口粉塵濃度為43.2×(1-10%)=38.88 mg/Nm3，經過濕法脫硫系統和濕式除塵器后，達到國家標準規定≤5 mg/Nm3排放要求。改造后電除塵器技術參數如表2所示。

增加一個電場具體改造內容：

(1) 進、出口喇叭標高不變，拆除原出口喇叭、優化支架。

(2) 在原3電場后新增加一個有效長度為4.5 m的電場，使原3電場除塵器變為4電場電除塵器。

(3) 對原1～3電場陰陽極系統維修，排除原有故障。

(4) 原從電除塵器出口到引風機入口混凝土立柱進行核算加固，并新制鋼煙道支架。

(5) 從除塵器出口到引風機入口煙道，可以利舊原來的部分煙道，原來煙道上的補償器根據使用情況，考慮利舊。

(6) 每臺電除塵器新增電場底部增加2臺倉泵除灰系統，出灰排至原電除塵除灰系統主管道。

3 增設MGGH系統

3.1 MGGH系統設計要求

為了提高電除塵器的除塵效果，降低脫硫系統的工藝水耗量，本次超低排放改造在原靜電除塵器進口前和煙囪入口處增設MGGH(水媒煙氣-煙氣加熱系統)，其中降溫段將煙氣溫度從135℃降至100℃，升溫段將煙氣溫度從50℃升至80℃。不論電除塵器采用何種改造，增設MGGH均有利于提高除塵效率和延長除塵器使用壽命；將煙氣溫度從50℃升至80℃，又提高煙氣的抬升高度和減少濕煙氣對煙囪的腐蝕。MGGH系統工藝流程圖如圖1所示。

圖1 MGGH系統工藝流程圖

3.2 MGGH系統設計參數

本次改造MGGH系統設計參數如表3所示。

表3 MGGH系統設計參數

續表3

3.3 MGGH材料選擇

由于煙氣冷卻器和煙氣加熱器的傳熱溫差小，為使受熱面結構緊湊以減小體積，并減少材料耗量，傳熱管必須采用擴展受熱面強化傳熱。H型翅片管作為換熱元件，其制造工藝簡單，能增大管外換熱面積，強化傳熱，因而在中低溫余熱鍋爐以及其它換熱設備中得到了廣泛的應用。另外，H型翅片可以提高傳熱管外壁面的溫度，具有優異的防積灰、防磨損特性，因此，本項目傳熱管采用H型翅片管。

煙氣冷卻器入口水溫較低，存在著低溫腐蝕隱患。ND鋼是目前國內外最理想的“耐硫酸低溫露點腐蝕”用鋼材。本項目煙氣冷卻器的耐低溫腐蝕材料選用ND鋼。

濕法脫硫后的煙氣溫度一般為50℃左右，煙氣中少量的SO3與水蒸汽結合生成H2SO4蒸汽便可以顯著提高煙氣露點溫度，對煙氣再熱器產生腐蝕。脫硫后煙氣攜帶飽和水蒸氣，煙氣中的SO2、Cl2、NO2及含氟化合物與水蒸氣結合分別產生H2SO3、HCl、HNO2、HF，這些酸蒸汽的露點溫度與水露點非常接近，因此當飽和濕煙氣進入煙氣再熱器后，也會對煙氣再熱器產生強烈腐蝕。煙氣經過脫硫塔和濕式除塵器后，會有極少量的液滴被攜帶進入煙氣再熱器，當這些液滴粘結到前幾排受熱管上時，由于管壁溫度較高，會迅速蒸發，蒸發過程使得液滴中腐蝕元素的濃度急劇升高，產生比液滴更加強烈的腐蝕。煙氣再熱器所處的環境比煙氣冷卻器所處的環境更加惡劣。用雙相不銹鋼管換熱器，可以在惡劣腐蝕環境中應用，換熱性能大約是普通碳鋼管的70%～80%。本工程中煙氣再熱器所處的環境惡劣，為了更好的防止腐蝕，采用模塊化設計，低溫段受熱面采用2205雙相不銹鋼，可以攔截煙氣中的液滴，使得煙氣溫度升高到60℃以上，大大降低凈煙氣的腐蝕性。

當煙溫升高到60℃以上時，已高于SO2、Cl2、NO2及含氟化合物的酸露點溫度，此時僅存在SO3的露點腐蝕，而MGGH+脫硫+濕式電除塵器對SO3脫除率達到95%以上，SO3的露點腐蝕也被大大削弱，因此煙氣再熱器的中溫段再采用316L鋼管，高溫段采用ND鋼制作便可以保證安全。

4 單塔四區脫硫塔

4.1 脫硫系統改造設計要求

機組原有配套煙氣脫硫裝置采用生物脫硫工藝煙氣脫硫系統，設計參數為：入口煙氣SO2含量2 000 mg/Nm3(濕基，實際含氧量)，SO2排放濃度不大于50 mg/Nm3。本次脫硫系統改造需在燃煤含硫1.2%、SO2濃度3 000 mg/Nm3(設計煤種，干基，6%O2)及BMCR設計工況條件下，滿足出口SO2濃度≯35 mg/Nm3(干基，6%O2)，脫硫效率不小于98.84%。原有的生物脫硫工藝很難滿足排放指標要求，所以采用成熟可靠的石灰石-石膏濕法工藝。

4.2 單塔四區吸收塔技術

為滿足本次脫硫超低排放改造要求，本次脫硫核心部件吸收塔采用單塔四區技術，在塔內進行“四區”分離。在吸收塔內進行“四區”分離，是實現二氧化硫高效排放的關鍵。其總體結構如圖2所示。

圖2 單塔四區吸收塔

4.2.1 漿池分區

吸收塔漿池分區，是指將吸收塔漿池分為高低pH區兩個pH值區域。漿池上部區域為氧化區，pH為4.9～5.5，低的pH值區域，有利于生成高純石膏；漿池下部區域為吸收區，pH值5.1～6.3，高的pH漿液有利于高效脫除二氧化硫。漿池采用了獨特的池分離器技術，將漿池分為上部“氧化區”和下部“結晶區”， 避免漿池內漿液pH的返混，維持石膏氧化的低pH漿液和煙氣中SO2吸收的高pH漿液。池分離器的使用可以讓常規的單回路系統達到了雙回路循環系統的優點，從而提高了脫硫效率。漿池分區的實現，是通過布置在漿池的分隔管來將漿池分成上下兩個部分，在分隔管之間布置氧化空氣噴管。等距離開孔的氧化空氣供應管布置于分隔管件之間，在分隔管之間因流通面積小，向下流動的漿液與向上流動的氧化空氣對流接觸，加強了氧化的效能。同時，新鮮的石灰石漿液，通過石灰石漿液泵，注入到分隔管的下部區域，保證下部區域的pH較高，通過循環泵，將高pH值的漿液輸送到噴淋層，實現高的脫硫效率。在吸收塔運行過程中，漿池漿液由于底部循環泵的抽吸作用而呈現緩慢平移下降的運動方式。當液層運動到分離器位置時，只能從隔離器中間的空白區域向下流動。由于橫鋪的分離器占據了相當部分的面積，造成液層流經面積的減少，因此相應帶來液層在該區域向下流動速度的增加。向下流動的漿液，可以防止下部漿液的返混，從而有效的將漿池分為上下兩個區域。漿池分區及脈沖懸浮攪拌裝置如圖3所示。

圖3 漿池分區示意圖

4.2.2 噴淋區分區

噴淋區域的分區，是指通過多孔分布器，將噴淋區域分隔為兩個區域。對于脫硫系統要實現超低排放，必須設置多層噴淋管。但噴淋管層數多了以后，上部噴淋管霧化的漿液與下部噴淋管霧化的漿液，會發生凝并作用，使漿液的霧化粒徑大大提高，影響了漿液與煙氣中二氧化硫的接觸、吸收。因此，通過在吸收塔噴淋層中部設置一層或者兩層多孔分布器來達到將噴淋層一分為二區的目的，有效緩解噴淋層區域大量漿液滴的碰撞凝并，不僅增加了煙氣在吸收塔內的湍流強度，還可以在吸收塔內形成兩種及以上的噴淋系統，提高氣液反應接觸面積，從而提高脫硫效率。本項目在第1層(底層)噴淋層和第2層噴淋層之間設置1層多孔分布器，達到噴淋層一分為二的目的。

4.2.3 漿池底部脈沖攪拌系統

本項目吸收塔內不采用側進式攪拌器，而采用性能更穩定、能耗更低的脈沖懸浮攪拌系統。脈沖懸浮泵能耗比攪拌器要低，且塔內無機械攪拌器或其他轉動部件，可以在塔正常運行期間更換或維修，提高了FGD裝置可利用率和可操作性。漿池內的脈沖懸浮系統主要起到對反應池攪拌，防止漿液中懸浮物沉淀的目的。塔內采用幾組噴嘴朝向吸收塔底的管子，通過脈沖懸浮泵將液體從吸收塔反應池上部抽出，經管路重新打回反應池內，當液體從噴嘴中噴出時就產生了脈沖，依靠脈沖作用可以攪拌起塔底固體物，以防止沉淀。

該技術中雙區調節器、射流攪拌系統是形成雙區的關鍵。一方面，隨著循環漿液的抽取，漿池內液體緩慢向下流動，在流經調節器時減少了流通截面，形成文丘里效應，液體流速增大，對下方漿液的返混形成壓制，維持上部低pH值環境。另一方面，由塔內管路系統和塔外射流泵組成的射流攪拌系統也為分區提供了保障。運行中，泵通過塔底部管路抽取底部漿液增壓后，通過外部管路及末端噴嘴將漿液噴射而出，流體對底部形成的攪動，噴射高度僅達到噴嘴位置，進一步防止下部向上部的返混，維持下部高pH值環境。

4.2.4 高效除霧器

本項目吸收塔采用一層管式+二層屋脊式除霧器：脫硫后的煙氣夾帶的液滴在吸收塔出口的除霧器中收集，使凈煙氣的液滴含量不超過50 mg/Nm3。高效除霧器結構如圖4所示。

圖4 高效除霧器

管式除霧器由兩排相互錯開布置的圓管組成，圓管水平布置，對煙氣的均布起到非常顯著的效果。流速越均勻，上部屋脊式除霧器效果越好，避免了屋脊式除霧器葉片間煙氣流速超過臨界流速導致的液滴攜帶現象。進入除霧器的霧滴漿液，500μm以上的大霧滴90%可以被管式除霧器去除。第一級屋脊除霧器主要處理500μm～50μm的霧滴，第二級屋脊除霧器主要攔截18μm以上的霧滴。

4.2.5 多孔分布器(合金托盤)

托盤脫硫系統是在噴淋空塔的漿液噴嘴下部設置1～2層布滿小孔的塔板，吸收漿液從噴嘴噴出，在塔板上形成一定厚度的液層，當煙氣進入噴淋塔后，被托盤分散成小股氣流，并在托盤液層中鼓泡進行氣液相接觸，完成二氧化硫吸收的過程。托盤如圖5所示。

圖5 合金托盤

采用托盤，氣液相調整更為充分，氣相均布更好。由于托盤可保持一定高度的液膜，增加了煙氣在吸收塔中的停留時間，起到充分吸收煙氣中部分污染成分的作用，從而有效降低液氣比，提高了吸收劑的利用率，增加了脫硫效率。

4.3 吸收塔設計參數

本次超低排放改造單塔四區吸收塔設計參數如表4所示。

表4 吸收塔設計參數

5 塔頂濕式電除塵器

5.1 濕式電除塵器設計要求

除塵系統改造實施后，煙氣中煙塵排放要達到燃機排放標準，即煙塵排放濃度≤5 mg/Nm3。這對于除塵效率的要求是極高的。現有的電除塵器改造后，除塵器出口約40 mg/Nm3，考慮到濕法脫硫裝置除塵效率50%，出口含塵濃度為20 mg/Nm3。另外濕法脫硫裝置出口液滴含有石膏顆粒，采用高效多級除霧器和相應措施后，吸收塔出口液滴含量≤50 mg/Nm3，按10%含固量計，石膏顆粒濃度≤5 mg/Nm3。因此，煙囪出口的煙塵排放濃度總含塵濃度≤25 mg/Nm3，仍達不到≤5 mg/Nm3的燃機排放標準。因此，要達到煙塵濃度≤5 mg/Nm3的燃機排放標準，就必須在脫硫吸收塔與煙囪之間增設濕式電除塵器，如圖6所示。其除塵效率可達70%～90%，不僅可以大幅降低煙塵排放濃度，達到燃機排放標準，還可大幅降低PM2.5微細粉塵的排放量，并高效去除煙氣中的石膏微液滴和SO3氣溶膠，有效緩解石膏雨、酸雨和霧霾現象。

圖6 濕式電除塵器位置

5.2 濕式電除塵器設計方案

本項目從總平面布置圖看，現場布置臥式濕式除塵器極其困難。而立式濕式除塵器充分利用高度空間，布置較為靈活，方案也較多。故本方案推薦采用立式布置，極板型式推薦導電玻璃鋼電極濕式電除塵器。塔頂立式濕式電除塵器如圖7所示。

圖7 塔頂濕式電除塵器

導電玻璃鋼電除霧器制作時主要由以下部分組成：上殼體、集塵極室、中下殼體、絕緣子室、陰極系統及內部沖洗裝置。導電玻璃鋼陽極板，蜂窩結構，具有收塵面積大，荷電均勻，長壽命等特點。陽極管組等的材料為碳纖維增強復合塑料(CFRP，Carbon Fiber Reinforced Polymer)，陰極線材料為不銹鋼、鈦合金或雙相不銹鋼。本項目濕式電除塵器設計參數如表5所示。

表5 濕式電除塵器設計參數

6 引風機核算

原有引增合一風機(單臺，設計工況點)的基本參數：流量(單臺)：65.14 m3/s，風機入口處全壓：-4470Pa·g，風機出口處全壓： 2 400 Pa·g(設計工況點)。

本次超低排放改造工程實施后的阻力測算：鍋爐本體阻力1 300 Pa，脫硝系統阻力1 000 Pa、MGGH系統阻力增加1 100 Pa、靜電除塵器250 Pa、脫硫系統2 000 Pa、濕式除塵系統增加250 Pa。改造后鍋爐引風機的煙氣體積流量與原設計基本一致，煙氣總阻力約為5 900 Pa。因此，原風機的壓升能滿足超低改造后系統阻力的要求，故引風機按利舊考慮。

7 超低排放改造投資估算

本工程靜態投資5 948萬元。其中建筑工程費589萬元，設備購置費3 403萬元，安裝工程費1419萬元，其他費用538萬元。考慮建設期利息，本工程動態投資為6104萬元，其中脫硫系統改造2125萬元，脫硝改造1029萬元，濕式電除塵及電除塵系統改造1313萬元，MGGH系統改造943萬元。

[1] 韋定強.劣質煙煤鍋爐煙氣脫硫新技術及應用效果[J]. 廣西電力, 2006,29(5):51-53.

[2] 杜樂,黃建國,殷文香.一種提高石灰石-石膏法脫硫效率的方法-托盤塔[J].環境與發展, 2014,26(3):196-198.

[3] 盧泓樾.燃煤機組煙氣污染物超低排放研究[J].電力科技與環保, 2014,30(5):8-11.

[4] 葉道正.單塔雙區高效脫硫技術在火力發電廠中的應用[J].中國電業(技術版), 2014(8):57-59.

[5] 王國強,黃成群.單塔雙循環脫硫技術在300MW燃煤鍋爐中的應用[J].重慶電力高等專科學校學報, 2013,18(5):51-54.

[6] 康曉燕. 煙氣脫硫裝置吸收塔漿池的工藝設計[J]. 河南化工, 2010,27(10):28-30.

The update for ultra low emission of dust removal and desulphurization integration in small and medium sized coal-fired plants

Chen Wenrui

(Fujian Longking Co., Ltd., Longyan 364000, China)

in this paper, we presented a case study of ultra low emission transformation of 220 t/h pulverized coal boiler in a power plant. Design, technology, and economic feasibility of the dust removal and desulphurization integration upgrade were introduced in detail, in order to provide reference for similar transformation in small and medium sized coal fired power plants in the future.

ultra low emission; desulfurization; single tower and multi zone; pH value; low temperature electrostatic precipitation; MGGH

2016-07-05;2016-11-23修回

陳文瑞，男，1979年生，碩士，工程師，研究方向：燃煤電廠大氣污染物控制技術。E-mail：13959050734@139.com

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