燃煤機組超低排放改造工藝及應用

林歡

（永清環保股份有限公司，長沙 410330）

引言

2014年9月，國家發展和改革委員會、原環境保護部、國家能源局聯合印發《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014～2020年）》，要求東部地區11省市新建燃煤發電機組大氣污染物排放濃度基本達到燃機排放限值，即NOx≤50mg/Nm3、SO2≤35mg/Nm3、粉塵≤10mg/Nm3。中部地區原則上接近或達到燃機排放限值，鼓勵西部地區接近或達到燃機排放限值[1]。根據《山西省人民政府關于推進全省燃煤發電機組超低排放的實施意見》（晉政辦發〔2014〕62號）[2]要求：到2020年，全省單機30萬千瓦及以上燃煤發電機組煙氣超低排放，常規燃煤發電機組達到天然氣燃氣輪機排放標準，NOx≤50mg/Nm3、SO2≤35mg/Nm3、粉塵≤5mg/Nm3。為響應山西省加嚴煙氣排放標準的號召，某公司對現有的燃煤機組環保設施進行煙氣超低排放改造。

1 工程概況

某公司2×300MW發電機組同步建設SCR脫硝工藝、雙室五電場靜電除塵器和濕式石灰石/石膏法脫硫工藝（一爐一塔），并于2010年12月底投入運營。NOx入口和出口濃度分別為650mg/Nm3和130mg/Nm3。設計煤含硫1.9%；脫硫效率96.5%。設計入口含塵38g/Nm3、煤灰分30%、除塵效率99.86%，每爐兩臺除塵器；2013年、2014年分別對2#和1#機組進行了低氮燃燒器改造及其除霧器屋脊式改造。改造后NOx排放濃度≤100mg/Nm3、SO2排放濃度≤169mg/Nm3、粉塵出口濃度≤50mg/Nm3。煙氣脫硫入口煙氣參數見下表。

煙氣脫硫入口煙氣參數表

根據《山西省人民政府關于推進全省燃煤發電機組超低排放的實施意見》（晉政辦發〔2014〕62號）要求，改造后的煙氣污染物排放濃度達到超低排放標準，即NOx排放濃度≤50mg/Nm3、SO2排放濃度≤35mg/Nm3、粉塵排放濃度≤5mg/Nm3。

2 超低排放技術分析

2.1 控制NO x

超低排放改造可通過增加催化劑用量（層數）、低氮燃燒器改造、流場優化等技術控制NOx。增加催化劑的用量是最直接、最簡單有效控制NOx的方法。可通過增加催化劑層高實現催化劑體積增容，實現脫硝增效[3]。催化劑增加一層后，形成3+1層的布置方案。增加催化劑的用量，提高噴氨量，可提高煙氣中NOx和氨的反應量，從而減少NOx的排放。

鍋爐爐膛溫度過高、爐內空氣過量時，會產生更多的NOx。低氮燃燒改造技術則是通過降低燃燒區溫度、減少過量空氣的方式控制NOx生成。低氮燃燒技術成熟，普遍用于國內外大型燃煤鍋爐。

利用CFD計算機對脫硝系統進行流場試驗和現場模擬實驗，進行流場優化也可提高脫硝效率，進一步降低NOx的排放。

2.2 控制SO2

提高脫硫效率主要有：1）脫硫塔擴容改造，增加噴淋層，提效技術主要有單塔雙循環和雙塔雙循環；2）增加塔內氣液接觸面積，如采用增設合金托盤等塔內部件；3）單塔一體化脫硫除塵技術。

單塔雙循環（圖1）的特點是石灰石利用率高，脫硫效率高。主要用于處理含硫量高的燃煤機組[4]。單塔雙循環技術相當于煙氣通過了兩次SO2脫除過程。一級循環的效率一般在30%～70%，起預吸收作用。主要去除煙氣中的HCl、HF、粉塵、部分SO2。經過一級循環后，煙氣進入二級循環，CaCO3實現SO2的吸收。兩個循環過程獨立控制，避免參數間的相互制約。兩級工藝使石灰石粉的停留時間延長，可使碳粉顆粒快速溶解[5]。

雙塔雙循環（圖2）是將兩吸收塔串聯，通過兩級串聯吸收塔的綜合脫硫，實現高效脫硫。在脫硫改造工程中，為縮短改造工期，通常保留原有塔作為一級塔，新建一個吸收塔與之串聯，實現雙塔雙循環。雙塔雙循環的每級塔型結構簡單，工藝成熟，但占地面積較大，煙氣阻力高，要求有足夠的場地空間。

圖1 單塔雙循環

圖2 雙塔雙循環

在吸收塔內設置合金托盤，托盤按照一定的開孔率布滿小孔。合金托盤一方面可均布吸收塔內的氣體流速，避免煙氣流速局部過高的情況；另一方面也可增加煙氣在吸收塔的停留時間，延長氣液接觸時間，進而提高吸收塔的脫硫除塵效率[6]。系統能耗低，檢修維護方便。

單塔一體化脫硫除塵技術是指塔內增設旋匯耦合裝置、均流裝置、高效噴淋裝置、管式除霧器[7]。旋匯耦合裝置安裝在吸收塔煙氣和噴淋層之間，通過湍流空間氣液固三相充分接觸。具有傳質效率高、均氣效果好、降溫速度快、系統能耗低等特點。

2.3 控制粉塵

針對超低排放，目前國內除塵改造技術主要有電袋復合除塵器、高頻電源改造、低低溫電除塵器、濕式靜電除塵器。

電袋復合除塵器是將電除塵器和袋式除塵器有效結合起來的除塵技術。應用較多的是“前電后袋”形式，電除塵器作為一級除塵，利用電場作用收集80%左右的粗顆粒粉塵。剩余的細微顆粒被荷電后，在電荷異性相吸的作用下組成大粉塵團。袋式除塵作為二級除塵，過濾收集剩余20%左右的粉塵，從而增加細微粉塵的吸附，提高除塵效率，達到超低排放。電袋復合除塵器能去除0.01～1μm的氣溶膠細微粒子，不受粉塵比電阻的影響，工作負荷低、過濾阻力小，可減少清灰頻率，延長濾袋的使用壽命。

使用高頻電源可提高電除塵器電場供電電壓和電流，提高除塵器的除塵效率。根據除塵器效率多依奇公式可知，粉塵的驅進速度與除塵效率成正比。粉塵粒徑的大小、粉塵比電阻、電場強度、煙氣黏度都會影響帶電粉塵在電場中的驅進速度。電場間的電壓越高，電場強度越強，除塵效率越高。與工頻電源（50Hz）相比，高頻電源的頻率是工頻電源頻率的800倍，可以達到40kHz，輸出直流電壓要高出30%左右。

低低溫煙氣處理技術是在鍋爐空預器后設置MGGH（熱媒水熱量回收系統），使進入除塵器入口的煙氣溫度由原來的130℃～150℃降低至90℃左右。在MGGH或低溫省煤器中氣態SO3冷凝形成硫酸霧，被粉塵顆粒所吸附。除塵器在收集粉塵的同時，也協同去除了煙氣中的SO3。低低溫電除塵器可降低粉塵的比電阻，避免“反電暈”現象發生。同時能協同處理煙氣中大部分的SO3，節約燃料，節省標準煤耗1.0～3.5g/kW·h，并可利用余熱，能耗較低。

濕式靜電除塵器通過高壓放電使煙氣中組分電離，使粉塵與霧滴荷電，荷電后的粉塵、酸霧等顆粒物不斷凝聚，在電場作用下，抵達收塵極。濕式靜電除塵器采用收塵極板上形成連續水膜帶走粉塵與霧滴的除塵方式，不但壓損小，無移動部件，極板清潔容易，防止二次揚塵，還可解決高比電阻引起的反電暈現象；對于濕法脫硫后的硫酸霧、PM2.5、重金屬離子可以協同處理；布置在濕法脫硫的后端，燃煤鍋爐粉塵排放濃度可≤10mg/Nm3；除塵效率高，被廣泛用于火電、鋼鐵等行業。

3 工程改造

3.1 脫硝改造

增加催化劑用量。將原兩層波紋板催化劑組合為一層，另新增兩層蜂窩式催化劑。每單元每層催化劑進行模塊化布置。制氨工藝由液氨改為尿素熱解法制氨。增加尿素溶液制備系統（2臺機組公用）和各臺鍋爐的尿素熱解系統（一爐一臺）。噴氨系統由星型混合器改為格柵型或星型混合+格柵。利用CFD計算機對脫硝系統進行流場試驗和現場模擬實驗，進行流場優化。提高脫硝效率，進一步降低NOx的排放。

3.2 脫硫改造

為提高脫硫效率，將脫硫塔擴容改造，增加噴淋層。將原有吸收塔做一級塔，拆除原增壓風機及回轉式GGH，新增一座吸收塔做二級塔，兩塔串聯，實行雙塔雙循環。FGD裝置脫硫效率一級塔≥80%，二級塔≥98.08%。為保證煙氣分布均勻，對吸收塔出口至濕式電除塵器入口煙箱處的煙道進行流場優化數值模擬計算和數據分析，為使流速達到最優，煙道內增加導流板，保證除塵器入口煙箱法蘭處的氣流分布均勻系數＜0.13。加導流板前后的煙氣速度流線圖見圖3、圖4。

圖3 未加導流板條件下的煙氣速度流線圖

圖4 增設導流板條件下的煙氣速度流線圖

3.3 除塵改造

將原有干式靜電除塵器的電源進行改造。將電一、二、三電場電源改為高頻電源，四、五電場改為脈沖電源。在同等除塵效果下，系統節電大于40%。干式電除塵排塵濃度為20mg/Nm3以下。兩級吸收塔后串聯一臺新增的兩電場的濕式電除塵。新增濕式電除塵器為臥式結構，采用二室二電場。濕電要采用高頻電源，并采用高效噴淋系統+節能水循環系統。不但實現灰水的循環利用，還減少了外排灰水的二次污染，節能且環保。

3.4 改造路線

超低排放改造工藝路線見圖5。

圖5 超低排放改造技術路線

4 改造后運行結果分析

該項目2×300MW機組超低排放改造工程2015年12月完成168h調試后投入使用，設備運行正常。從檢測結果可得，機組凈煙氣NOx質量濃度≤35mg/Nm3、SO2質量濃度≤25mg/Nm3、煙塵排放濃度≤5mg/Nm3。優于超低排放NOx排放濃度≤50mg/Nm3、SO2排放濃度≤35mg/Nm3、粉塵排放濃度≤5mg/Nm3的標準。至今設備已投運2年多，煙氣系統運行穩定。

5 結論

以某公司2×300MW發電機組超低排放改造為例，介紹了超低排放改造中，脫硝、脫硫、除塵改造技術的方法及工藝。采用增加催化劑用量+流場分析優化、新增二級脫硫塔+煙道氣流均布、干式除塵器電源改造+新增濕式除塵器的技術路線，實現凈煙氣排放濃度NOx排放濃度≤35mg/Nm3、SO2排放濃度≤25mg/Nm3、煙塵排放濃度≤5mg/Nm3，改造后滿足國家超低排放標準，技術路線值得借鑒與推廣。