淺析燃煤電廠超低排放改造策略

劉 嬌

(中國石油撫順石化公司質量安全環保處)

0 引 言

2014年，我國先后有多家燃煤電廠宣稱實現了煙氣中SO2、NOX(以NO2計)、煙塵的“近零排放”“超清潔排放”及比天然氣發電排放還要清潔的“超低排放”[1]。此后，部分省級政府、國家有關部門通過“文件”要求新建燃煤機組和老機組達到“超低排放”要求。

1 實施超低排放的原因

1.1 國家法律法規的要求

2014年5月，發改委、環保部和國家能源局聯合下發的《煤電節能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》提出具體目標；2015年12月2日，國務院總理李克強主持召開的國務院常務會議，提出東部和中部地區燃煤機組超低排放改造時間提前：由原來的2020年提前至2017年和2018年底。本工程按照上述煙氣排放要求，在3臺460 t/h鍋爐(10#、11#、12#)已建煙氣處理設施基礎上進行超低排放改造，要求改造后NOX排放濃度<50 mg/Nm3，SO2排放濃度<35 mg/Nm3，煙塵排放濃度<10 mg/Nm3。

1.2 熱電廠鍋爐現狀分析

撫順石化公司熱電廠為撫順石化公司自備燃煤電廠，現有3臺高溫高壓煤粉爐，配置水平低氮燃燒器，單臺額定出力460 t/h，鍋爐形式為單汽包、集中下降管、高溫高壓、燃用煤粉的單爐膛鍋爐，四角切圓燃燒方式、平衡通風，固態排渣的自然循環汽包爐。通過母管與汽輪發電機組相連。采用石灰石—石膏濕法脫硫、選擇性催化還原(SCR)脫硝工藝、布袋除塵技術，煙氣排放指標滿足GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》中新建鍋爐要求，煙氣中污染物排放濃度控制在SO2<100 mg/Nm3，NOX<100 mg/Nm3，煙塵<30 mg/Nm3；煙氣中汞及其化合物濃度均<0.04 μg/m3，滿足GB 13223—2011《火電廠大氣污染排放標準》中汞及其化合物<0.03 mg/m3的要求，故本次改造不涉及脫汞。

2 實施超低排放改造的內容

3臺鍋爐煙氣脫硫脫硝除塵超低排放改造項目，主要包括：改造低氮燃燒器，優化現有SCR反應器流場分布及內件，配合低氮燃燒改造并增加噴氨量；利舊改造現有布袋除塵器，改造現有脫硫塔除霧區新增高效除塵裝置；在現有脫硫塔內新增持液盤；更換更高全壓的引風機[2](本次改造電機利舊)。

2.1 低氮燃燒器改造

1)布置兩層高位分離燃盡風系統，燃盡風供風風道由主二次風風道引出，燃盡風噴口能夠垂直和水平方向雙向擺動，有效控制汽溫及其偏差；

2)合理布置主燃區二次風噴口，并對二次風噴口的面積進行優化設計；

3)采用延遲混合型一次風以及周界風噴口設計，確保NOX大幅度減排；

4)采用先進的水平濃淡風煤粉燃燒技術，并采用噴口強化燃燒措施，有效降低NOX排放，強化劣質煤的燃燒穩定性，保證高效燃燒，并拓寬燃料適應性。

2.2 SCR反應器改造

現運行SCR反應器中裝有三層催化劑，上層為板式，中層為蜂窩式，下層為蜂窩板式，其中下層催化劑運行已超24 000 h。委托催化劑廠家計算后，現有催化劑用量實現超低排放會嚴重影響催化劑壽命，且有氨逃逸增加的風險，因此，此次超低排放改造中更換已經運行超過24 000 h的催化劑。

1)SCR反應器

SCR反應器的設計需充分考慮與周圍設備布置的協調性。反應器設計成煙氣豎直向下流動，反應器入口設氣流均布裝置，反應器入口及出口段設導流板，對于反應器內部易于磨損的部位設計必要的防磨措施。反應器內部各類加強板、支架設計成不易積灰的型式，同時考慮熱膨脹的補償措施。反應器設置足夠大小和數量的人孔門。反應器配有可拆卸的催化劑測試元件。反應器設計還考慮內部催化劑維修及更換所必須的起吊裝置。SCR反應器能承受運行溫度420 ℃不少于5 h的考驗，而不產生任何損壞。

頂層催化劑的迎灰表面直接受到煙氣與飛灰顆粒的沖刷，為減少頂層催化劑的磨損，除加強催化劑本身的結構強度外，還需要改善煙氣的流場分布，使煙氣(飛灰)垂直均勻進入催化劑通道(速度偏差小于±15%，角度偏差小于±10%)，且飛灰顆粒集中在截面中央。

現運行SCR反應器中裝有三層催化劑，上層為板式，中層為蜂窩式，下層為蜂窩板式，其中下層催化劑運行已超24 000 h。2013年5月安裝兩層日立造船制造板式催化劑，運行達標困難，故與2015年11月在脫硝備用層安裝北京迪諾斯平板式催化劑，安裝后運行良好，3臺鍋爐均達標排放。2016年8月，由于最初安裝的日立造船催化劑到使用壽命，進行正常更換，將3臺鍋爐SCR脫硝反應器的中層催化劑更換為江蘇德創蜂窩式催化劑。委托催化劑廠家計算后，現有催化劑用量實現超低排放會嚴重影響催化劑壽命，且有氨逃逸增加的風險，因此，此次超低排放改造中需要對10#、11#、12#鍋爐的SCR脫硝反應器更換已經運行超過24 000 h的催化劑。催化劑增加量為72.26 m3/臺。

2)CFD(計算流體力學)數值模擬

根據熱電廠現有資料以及10#、11#、12#鍋爐運行的現場情況，在SCR煙氣脫硝技術的實施過程中，為了最大限度滿足設計要求，保證系統達到設計指標，需要采用CFD數值模擬方法對整個SCR系統的流場進行計算分析，以保證進入反應器前的NOX和氨氣達到良好的湍流混合，確保速度分布、煙氣分布以及還原劑濃度分布合理，系統壓力損失最小[3]。

通過對新廠10#、11#、12#鍋爐現有SCR脫硝裝置進行CFD數值模擬，模擬范圍從進口煙道的噴氨格柵至反應器出口導流板煙道系統，其中包括氨噴射裝置、脫硝反應器、反應器進、出口煙風道等。反應器的尺寸、導流板設置、噴氨格柵詳細布置、催化劑的安裝位置和高度等均嚴格按照現有的實際值進行模擬。SCR反應系統全模型速度分布情況見圖1。SCR反應器首層催化劑上游1 m處煙氣速度分布情況見圖2。

圖1 SCR反應系統全模型速度分布云圖

圖2 SCR反應器首層催化劑上游1 m處煙氣速度分布云圖

由圖1可看出，煙氣在SCR反應器的流向是不均勻的，入口中心位置存在流速洼區，后續的整流格柵未充分發揮作用。

從圖2 SCR首層催化劑上游1 m處煙氣速度分布云圖可以看出，煙氣流速分布均勻度不高，速度分布的絕對偏差已經超過超低排放的要求(Cv<10%)。若在此條件下長期運行，不僅對催化劑帶來沖刷磨損，降低催化劑的使用壽命，還會造成氨氣的反應不充分，氨逃逸增加，帶來煙道及后續設備堵塞等一系列問題。

通過對3臺鍋爐現有SCR脫硝裝置進行CFD數值模擬看出[4]，煙氣在SCR反應器的流向是不均勻的，入口中心位置存在流速洼區，后續的整流格柵未充分發揮作用。從新廠SCR反應器首層催化劑上游1 m處煙氣速度分布云圖看出，現有SCR反應器中導流板、整流格柵、反應器倒角等內件不適宜超低排放的要求，煙氣分布均勻度偏低，直接影響SCR高效脫硝的效果，為保證進入反應器前的NOX和氨氣達到良好的湍流混合，確保速度分布、煙氣分布以及還原劑濃度分布合理，系統壓力損失最小，需對SCR反應器部分導流板、整流格柵、出口煙道等進行改造，配合低氮燃燒以及增加噴氨量，實現超低排放的要求。

2.3 布袋除塵器校核

新廠3臺鍋爐除塵在2011年改造為布袋除塵器，一爐一布袋，布袋除塵器設有安全旁路，旁路開關閥為零泄漏設計。在正常生產中能滿足出口煙塵小于35 mg/Nm3的要求。但布袋破損或者系統漏煙氣時很容易造成出口煙塵含量不達標，因此根據現場實際生產，布袋除塵器出口煙塵含量大都在35 mg/Nm3以下，但偶爾會有超過35 mg/Nm3達到45 mg/Nm3的情況，雖然通過脫硫塔捕集一部分后可以達標排放，但此次超低排放改造需要脫硫塔入口煙塵含量低于35 mg/Nm3以下，因此需要對新廠的3臺布袋除塵器進行檢查和維護。

2.4 脫硫改造

新廠3臺鍋爐尾氣脫硫系統按照SO2濃度從2 757 mg/Nm3脫除至60 mg/Nm3設計，目前大都采用撫順煤和阜新煤，其收到基硫含量約在0.89左右，計算鍋爐煙氣中SO2濃度在1 600～1 956 mg/Nm3。經過核算，在低濃度時SO2濃度低于1 600 mg/Nm3開啟三層噴淋層，即可達到SO2出口濃度低于35 mg/Nm3以下；當SO2濃度接近上限時，開啟4層噴淋層才可達到出口濃度低于35 mg/Nm3以下。考慮到此次改造還涉及到煙塵的超低排放，需要脫硫塔對煙氣中的煙塵增加脫除效果，因此新廠3臺脫硫改造需要新增持液盤，既可以提高脫硫塔除塵效率，還可以在處理高含硫量(1 956 mg/Nm3)煙氣時有備用噴淋循環泵供檢修用[5]。

3 實施超低排放改造后效果

3.1 改造后監測數據

3臺鍋爐實施超低排放改造后，對不同工況下鍋爐排放的煙氣中SO2、NOX、煙塵進行監測[1]，監測結果見表1。

表1 3臺鍋爐改造后SO2、NOX監測數據

改造時設計處入口SO2轉換SO3的轉換率不高于1%，經檢測：改造后SO3生成濃度不高于18 mg/m3；SCR氨逃逸均不高于1.52 mg/m3；NOX平均去除率為94.71%，SO2平均去除率為99.70%，煙塵平均去除率為99.98%。

3.2 改造后排放績效

3.2.1 單臺爐SO2、NOX及煙塵減排情況

超低改造后SO2、NOX及煙塵減排情況見表2。

表2 超低改造后單臺爐SO2、NOX及煙塵減排情況

注：原煙氣中SO2按照2 000 mg/Nm3，NOX按照510 mg/Nm3，年運行時間按6 500 h計算。

由表2可以看出，增設脫硫脫硝裝置后，單臺爐每年SO2減排量達198.2 t，NOX減排量達457.5 t，煙塵減排量達76 t，3臺爐全年SO2、NOX煙塵減排量分別為594.6，1 372，228 t。排放指標滿足環境保護部、國家發展和改革委員會、國家能源局環發[2015]164號關于印發《全面實施燃煤電廠超低排放和節能改造工作方案》的通知要求。

3.2.2 每度電污染物排放量

3臺鍋爐2018年污染物排放量見表3。

10#～12#爐對應機組2018年總發電量146 071.3萬kW·h，折算后，NOX、SO2及煙塵排放量分別為1.41×10-4,0.29×10-4,0.24×10-4kg/(kW·h)[6]。

表3 3臺鍋爐2018年污染物排放量 t

4 結束語

綜上，此次改造完全滿足“超低排放”的要求。不僅降低了SO2、NOX排放量，提高了去除率，實現了熱電廠低碳環保，還節省了排污費，創造了經濟效益件。煙氣實施“超低排放”后，能有效改善該地區環境質量，對地區經濟和社會人居環境和諧發展具有積極意義，環境效益和社會效益突出。