燃煤電廠超低排放控制設備改造前后物耗和能耗分析

王 巍，袁 園，別 璇，楊遠航，張 健，馬雙忱

(1.大唐戶縣第二熱電廠，陜西戶縣710302；2.中國大唐集團科學技術研究院有限公司西北分公司，陜西西安710065；3.華北電力大學 環境科學與工程學院，河北保定071003)

燃煤電廠超低排放控制設備改造前后物耗和能耗分析

王 巍1，袁 園2，別 璇3，楊遠航1，張 健1，馬雙忱3

(1.大唐戶縣第二熱電廠，陜西戶縣710302；2.中國大唐集團科學技術研究院有限公司西北分公司，陜西西安710065；3.華北電力大學 環境科學與工程學院，河北保定071003)

目前國內燃煤電廠逐步開展超低排放改造。針對某電廠超低排放改造前后污染物控制設備的物耗和能耗變化進行分析，主要包括脫硫系統的石灰石和水的消耗量以及電耗、SCR系統的液氨耗量以及電耗、和靜電除塵器的能耗，為火力發電廠污染物控制設備進一步節能降耗提供參考。根據計算得出的物耗、能耗，計算某電廠超低排放改造前后污染物控制單元能耗和物耗的附加煤耗：2014年污染物控制單元總的附加煤耗為17.07 g/kW·h，2015年為17.86 g/kW·h，超低排放改造后為18.28 g/kW·h。針對超低排放改造前后的物耗和能耗以及附加煤耗的變化進行分析，研究變化原因，為企業提高發電效率和節能減排提供指引。超低排放的投入導致了運行成本的增加，但統籌考慮帶來的環境效益，超低排放是現實且可行的選擇，是改善環境的重要出路。

超低排放；污染物控制設備；物耗；能耗；附加煤耗

0 引言

隨著經濟的快速發展，環境染污問題也越來越突出，電廠污染物的控制也成為電力行業的重要任務[1]。目前，接近52%的煤炭用于火力發電廠[2]，而燃煤所釋放的污染物嚴重污染大氣環境，因此，進一步控制燃煤電廠污染物的排放刻不容緩。文獻[1]對于火力發電廠污染物的治理提出了明確要求，于2015年3月要求“推動燃煤電廠超低排放改造”； 文獻[2-3]以大幅降低發電煤耗和污染物排放為目標，要求所有大氣污染物排放濃度基本符合燃氣機組排放限值，即二氧化硫不超過35 mg/m3、氮氧化物不超過50 mg/m3、煙塵不超過10 mg/m3[1]。

由此，國內各燃煤電廠開展了大范圍的節能降耗實踐，但是國內燃煤電廠尚缺乏對環保設備能耗和物耗的衡算，從而造成了物料和能量的較大浪費。同時由于不斷的技術更新，燃煤電廠污染物控制單元尚有深度節能降耗的潛力。因此，針對超低排放改造前后污染物控制設備的物耗和能耗進行分析[4-5]，為燃煤電廠的進一步節能降耗提供參考。

1 目標電廠的超低排放改造

陜西某熱電廠2×300 MW機組配備了典型污染物脫除工藝，采用濕式石灰石石膏法，脫硝采用低氮燃燒器和SCR協同脫硝的方法，除塵采用靜電除塵器，2015年底實施了超低排放改造。

FGD系統采用德國魯奇·比孝夫公司的石灰石—石膏濕法脫硫技術，采用一爐一塔的脫硫方案，兩套裝置均設計有旁路煙道，并已全部投入運行。超低排放改造時，在脫硫塔中增加了兩層噴淋系統，噴淋層下面各增加1層漿液分配環，將除霧器改為三層屋脊式除霧器，增加了兩臺氧化風機，總共增加阻力約500 Pa。

超低排放改造后，FGD系統能夠實現脫硫效率≥99.27%，并解決了脫硫塔的堵塞與腐蝕問題，加之煙氣進入托盤后均勻分布，能夠改善氣液傳質，以強化對流效果使脫硫效率提高，托盤上的存液也能夠有效地降低液氣比，與同類濕法脫硫技術相比可降低 40%以上的漿液循環量[6]。

脫硝技術采用低氮燃燒器和SCR協同脫硝的方法，利用液氨作為還原劑，其超低排放改造措施為增加一層催化劑(共三層)，增加催化劑體積，將SCR的脫硝效率由原設計的80%提高到90%，在每臺爐的新增催化劑層設置6個蒸汽吹灰器和8個聲波吹灰器，初步估計SCR阻力增加200 Pa。除塵采用靜電除塵器，超低排放改造時靜電除塵器具體的改造措施為：將1、2電場的電源改造成高頻電源；3、4電場改造成脈沖電源。為了盡量減少改動的范圍，進行脫硫塔的除塵改造，脫硫塔的除塵改造是在脫硫改造的基礎上進行的提高脫硫塔除塵能力的改造。

2 FGD系統的計算

2.1 FGD系統物耗的計算

濕式石灰石石膏法涉及的物料平衡如圖1所示，本節討論的是FGD系統的石灰石和水的消耗。

圖1 濕式石灰石石膏法物料平衡圖

2.1.1 FGD系統水耗

FGD系統的用水主要包括石灰石制漿用水、設備冷卻用水、除霧器沖洗水以及廢水處理系統用水等[7]。然而，部分用水在FGD系統中已形成閉式循環，并不產生水消耗。因此，根據水的物料平衡，FGD系統水耗主要由幾部分組成：石膏攜帶水m1、煙氣攜帶液滴m2、吸收塔內水分蒸發m3以及FGD系統廢水排放m4。表1為不同時期FGD系統水耗。

由表1可知，FGD系統最主要的水耗為吸收塔內水分的蒸發。超低排放改造后，FGD系統水耗中吸收塔內水分蒸發減小，是因為在超低排放改造時，對除霧器進行了進一步的改造優化，造成煙氣攜帶的液滴濃度降低，從而進一步達到節水的效果。

表1 不同時期FGD系統水耗

對于煙氣換熱器(GGH)的改造也節省了一部分的水耗。將回轉式GGH改造成管束式煙氣換熱器(MGGH)，并將MGGH煙氣冷卻器設置在引風機后、FGD塔前的煙道上，將脫硫塔前的煙氣溫度降低，以減少吸收塔內的水耗。

對比表1中超低排放改造前后水耗可以看出：水分消耗最多的仍是吸收塔內水分蒸發，FGD系統廢水排放量在超低排放改造前變化不大，石膏攜帶水分和煙氣攜帶液滴量僅占很小的比例，因此進一步細化FGD系統節能改造措施以降低吸收塔內的水分蒸發是節水的最有效途徑。

2.1.2 FGD系統石灰石耗量

FGD系統的理論石灰石耗量[8]可以由以下公式計算：

(1)

式中：WCaCO3為石灰石消耗量，t/kW·h；t為該機組發電時間，h；V1為脫硫塔入口煙氣量，m3/h；q1為入口煙氣SO2含量，g/m3；ηs為脫硫效率，%；Ca/S為鈣硫摩爾比；G為t時間內發電量，kW·h。計算結果如表2所示。

表2 FGD設備石灰石耗量 t/kW·h

由式1計算可知，超低排放改造前后石灰石的消耗量有所降低，主要原因是超低排放改造后機組運行不穩定，負荷較低，導致入口煙氣量減小，脫硫量降低，從而使得超低排放改造后的石灰石消耗量減少。

2.2 FGD系統電耗

FGD系統最主要的耗電設備[9]為漿液循環泵，增壓風機，以及氧化風機三部分，其電耗可以分別計算得出。

該電廠共配備3臺漿液循環泵，單臺漿液循環泵電耗Ncycle可由式(2)～(3)計算：

(2)

(3)

式中：Ncycle為單臺漿液循環泵的軸功率，kW；Qcycle為單臺泵的流量，m3/h；H為單臺泵的揚程，m；ρ為石灰石漿液密度，kg/m3；η為泵的效率，%；Qg為煙氣量，m3/h；L/G為液氣比。

氧化風機一般用羅茨風機，其電耗可由式(4)計算：

(4)

式中：Nof為氧化風機電耗，kW；ΔP為風機進出口壓差，Pa；Qth為氧化風機流量，m3/s；D為葉輪外徑，mm；L為葉輪長度，mm；λ為面積利用系數，表征風機氣缸空間的有效利用程度；n為葉輪轉速，r/s；ην為容積效率，一般為70%～90%；ηm為機械效率，一般為90%。

增壓風機電耗Nf計算公式如式(5)所示：

(5)

式中：Nf為增壓風機的電耗，kW；η1為增壓風機效率，%；△P1為增壓風機全壓，Pa。

由式(2)～式(5)計算可得超低排放改造前后FGD系統泵和風機能耗值，由表3所示。

表3 FGD系統泵和風機能耗 kW

而超低排放改造后，將GGH改為MGGH，并且FGD系統增壓風機取消改為增引合一。增引合一后引風機克服FGD系統阻力的能耗計算參見式(13)。

FGD系統的能量消耗主要是增壓風機、氧化風機、漿液循環泵的電耗，比例分別在40%、5%和35%左右波動。超低排放改造后，降低了漿液循環泵約10%的電耗。在改造過程中取消了增壓風機，改為增引合一，此時該風機需要克服整個FGD系統做功，耗電量較改造之前有所增加。雖然增引合一后引風機功率增加，但是其工作電流會進一步接近額定電流使得風機效率明顯提高，從長遠看能夠達到一定的節能效果[10-12]。

2.3 FGD系統附加煤耗的計算

根據電廠實際的石灰石和水的耗量以及泵和風機電耗可以計算其各自部分的附加煤耗。

FGD系統石灰石引起的附加煤耗公式如式(6)所示：

(6)

式中：mCa-C為石灰石引起的附加煤耗，t/kW·h；MCaCO3為每kW·h發電量石灰石的消耗量，t/kW·h；PCaCO3為石灰石的單價，元/t；PC為煤的單價，元/t，取該廠每年煤均價，下同。

FGD系統用水引起的附加煤耗如式(7)所示：

(7)

式中：m水-C為水引起的附加煤耗，t/kW·h；M水為每kW·h發電量水的消耗量，t/kW·h；P水為水的單價，元/t。

FGD裝置總電耗引起的附加煤耗如公式(8)所示：

(8)

式中：mds為t時間內FGD裝置總電耗引起的附加煤耗，t/kW·h；Pds為FGD裝置的總功率，kW；t為時間，h；W0為煤耗電價，元/kW·h；Y為t時間內的發電量，kW·h，下同。

計算結果如表4所示。

表4 FGD系統附加煤耗 g/kW·h

由表4可見，FGD系統2014年的附加煤耗為10.02 g/kW·h，2015年的附加煤耗為10.28 g/kW·h，超低排放改造后附加煤耗為11.14 g/kW·h，FGD系統中物耗(即石灰石和水)產生的附加煤耗基本不變，而能耗造成的附加煤耗有所增加，主要是因為超低排放改造過程中，對FGD塔進行改造，使得增引合一后風機需要克服的FGD系統阻力較增壓風機需要克服的有所增加，從而造成附加煤耗的增加。

3 SCR系統物耗及能耗

3.1 SCR系統物耗

該電廠液氨的理論消耗[10]可按以下計算。

首先，根據入口煙氣量等數據可衡算出口煙氣量，計算公式如式(9)所示：

P1·(V1+ΔV)·(273+T2)=

P2·V2·(273+T1)

(9)

式中：P1為入口的壓力，Pa；V1為入口煙氣量，m3/h；ΔV為稀釋空氣量，m3/h；T2為出口的溫度，℃；P2為出口壓力，Pa；V2為出口煙氣量m3/h；T1為入口的溫度，℃。

氨耗量計算如式(10)所示：

θ·MN·G·1 000/(17·t)=

(V1·CI1-V2·C01)/28+

(V1·CI2-V2·C02)×8/(6×46)

(10)

式中：θ為氨純度，%，取99.5%；MN為氨耗量，t/kW·h；CI1為入口NO的濃度，mg/m3；CO1為出口NO的濃度，mg/m3；CI2為入口NO2的濃度，mg/m3；CO2為出口NO2的濃度，mg/m3。

由式(9)～式(10)計算可知，2014年液氨消耗量為3.30×10-7t/kW·h，2015年液氨消耗量為3.29×10-7t/kW·h，超低排放改造后每kW·h發電量造成的液氨的消耗量有所增加，為3.50×10-7t/kW·h。主要是因為超低排放改造后脫硝效率由原來低于80%提高到了90%，從而造成液氨耗量的增加。

3.2 SCR系統能耗

SCR系統造成的能耗[11]可以分為兩個部分：一部分是脫硝設備引起的系統能耗變化；另一部分是脫硝設備引起的設備能耗附加。

SCR系統最主要的能耗設備就是引風機。大型機組的引風機一般可以選擇動葉可調軸流式風機或靜葉可調軸流式風機，現對引風機效率與煙氣流量進行擬合，擬合結果如式(11)所示：

(11)

式中：η為引風機效率，%；V為流量，m3/h。

從而引風機增加的功率ΔPe簡化模型如式(12)所示：

(12)

式中：T為引風機工作溫度，℃；Pi為安裝脫硝后系統壓降，Pa；

增引合一后，引風機在FGD系統克服阻力造成的能耗計算如式(13)所示：

(13)

式中：T為引風機工作溫度，℃；Pf為安裝FGD后系統壓降，Pa。根據以上公式，計算結果如表5所示。

表5 SCR系統各風機和泵的電耗 kW

超低排放改造后脫硝系統電耗增加，主要是因為超低排放改造后增加了一層催化劑層，因此引風機在此處克服的阻力增加，從而造成系統電耗的增加。

3.3 SCR系統附加煤耗計算

脫硝系統物耗主要是液氨，液氨消耗引起的附加煤耗如式(14)所示：

(14)

式中：mNH3-C為液氨引起的附加煤耗，t/kW·h；MNH3為每kW·h發電量液氨的消耗量，t；PNH3為液氨的單價，元/t。

在SCR脫硝系統中，電耗最大的設備是引風機，其次為系統中連續運行設備[13]，附加煤耗可以按照式(15)進行計算：

(15)

式中：Δb為電耗設備的附加煤耗，g/kW·h；Bb為入爐標煤量，t/h；Pe為機組的發電功率，kW；Pap為機組廠用電功率，kW；ΔPe為引風機克服SCR阻力功率，kW；Pei為SCR脫硝系統中連續運行設備的電功率，kW。

SCR系統物耗以及能耗造成的附加煤耗如表6所示。

表6 SCR系統附加煤耗 g/kW·h

由表6可見，超低排放改造前后，SCR系統電耗的附加煤耗增加。因為超低排放改造過程中增加了一層新的催化劑層，從而造成脫硝系統阻力增加。

4 ESP電耗

電除塵器電耗引起的附加煤耗如式(16)：

(16)

式中：mESP為t時間內電除塵器總電耗引起的附加煤耗，g/kW·h；NESP為電除塵器總功率，kW。

由計算可得靜電除塵器2014年的附加煤耗為2.24 g/kW·h，2015年的附加煤耗為3.14 g/kW·h，超低排放改造后附加煤耗為1.88 g/kW·h。超低排放改造前后電除塵器的能耗造成的附加煤耗顯著降低，主要有兩方面原因：

(1)將電除塵器的1、2電廠的電源改造成高頻電源，3、4電廠的電源為脈沖電源，電除塵器的供電方式直接影響耗電量，高頻電源[14]的使用可使單臺機組功率低至200～300 kW，脈沖電源的間歇供電方式也節省了電耗。

(2)超低排放改造過程中對脫硫塔除霧器進行改造，改為三層屋脊式除霧器，使得脫硫塔出口煙氣粉塵含量低于5 mg/m3，降低了脫硫后煙氣中粉塵濃度。

5 結論

超低排放改造后脫硝效率從低于80%提高到90%以上。污染物控制設備附加煤耗較2014年增加1.23 g/kW·h，較2015年增加0.43 g/kW·h。超低排放的投入會帶來運行成本的增加。在考慮經濟投入的增加以及運行成本上升等問題的同時，應統籌考慮超低排放改造后的環境效益，因地制宜，以環境質量改善為目標，有序推進大氣污染物的治理，避免環境效益差、經濟代價大、能源消耗高、二次污染多的超低排放改造。從長遠來看，超低排放對于火電行業是現實且可行的選擇，是改善環境的重要出路。

[1] 國家和發展改革委員會，環境保護部，國家能源局.關于印發《煤電節能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》(發改能源[2014]2093號)的通知[A].中華人民共和國國務院,2015.

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[3] 環境保護部，國家發展和改革委員會，國家能源局.關于印發《全面實施燃煤電廠超低排放和節能改造工作方案》(環發[2015] 164號)的通知[A].中華人民共和國環境保護部,2015.

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Analysis of Material and Energy Consumption Characteristics of Theultra Low Emission Control Devices Before Therenovation and After in Power Plant

WANG Wei1，YUAN Yuan2，BIE Xuan3，YANG Yuanhang1，ZHANG Jian1，MA Shuangchen3

(1.The Second Thermal Power Plant of DatangHuxian,Huxian 710302,China; 2.China Datang Corporation Science and Technology Research Institute Co.Ltd.,Northwest Branch,Xi’an 710065,China; 3.School of Environmental Science and Engineering North China Electric Power University,Baoding 071003,China)

Nowadays,the domestic coal-fired power plants gradually start the ultra-low emission transformation.Analysis on the before and after consumption changes of the materials and energy caused by the ultra-low emission transformation in a power plant is conducted in this paper,including the consumption of the limestone,water,ammonia,and energy of FGD，SCR and ESP.The research could provide a reference for the devices in the power plant to take further energy saving measurements.And the additional coal consumption before and after the ultra-low emission renovation according to the materials and the energy consumption is calculated: the value of the additional coal consumption was 17.07 g/kW·h in 2014,and 17.86 g/kW·h in 2015,and after the ultra-low emission renovation it turned into 18.28 g/kW·h.Finally,some advices for the companies to improve the efficiency of power generation are proposed to save energy and reduce emission according to the analysis of the material-and-energy consumption changes as well as additional coal consumption change.The enforcement of the ultra-low emission causes the increase of operating cost.However,taking the environmental benefit into consideration,it is a practical and feasible choice,and also an important way to improve the environments.

ultra-low emission;pollution control devices;material consumption; energy consumption; the additional coal consumption

10.3969/j.ISSN.1672-0792.2017.01.003

2016-07-27。

國家自然科學基金資助項目(50976035)。

X773

1672-0792(2017)01-0015-06

王巍(1972-)，男，高級工程師，從事電力系統生產技術管理等方面的工作。