基于CFB機組的超低排放及多污染物協同脫除裝備應用

燕辰凱

(國家能源投資集團神華福能龍巖(雁石)發電公司，龍巖 364000 )

0 引 言

按照《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)要求，全面實施燃煤電廠超低排放和節能改造，某電廠所在東部地區域要求至2020年，燃煤機組實施大氣污染物排放濃度達到燃氣機組排放標準要求，即粉塵排放濃度限值為10 mg/Nm3，二氧化硫(SO2)排放濃度限值為35 mg/Nm3，氮氧化物(NOX)排放濃度限值為50 mg/Nm3。

除了煙塵、SO2、NOX三大污染物外，燃煤煙氣中還含有汞(Hg)等重金屬和三氧化硫(SO3)等酸性氣體等污染物。Hg具有劇毒、易揮發、在環境中持久存在和生物累積性等特性，我國大氣中來至燃煤電廠的煙氣排放Hg污染占到40%以上，依據國際《關于汞的水俁公約》我國將嚴格控制人為Hg排放。煙氣中SO3與水蒸氣結合形成硫酸氣溶膠，硫酸氣溶膠是一種亞微米級顆粒，是產生霧霾的重要因素，目前上海市和浙江省均已試點，要求SO3排放濃度≤5 mg/Nm3。

某電廠2×300 MW 機組，在2015年到2016年底間實施除塵、脫硫、脫硝提效技改，在原有的爐內噴鈣和低氧燃燒工藝基礎上，新增SNCR及干式超凈工藝，通過“爐內脫硫脫硝+SNCR+干式超凈”的技術路線，實現了超低排放。改造后，粉塵排放濃度由原來的不大于30 mg/Nm3下降至5 mg/Nm3以下(低于超低排放要求的10 mg/Nm3)，SO2排放濃度由原來的不大于200 mg/Nm3降至35 mg/Nm3以下，NOX排放濃度由原來的不大于200 mg/Nm3降至50 mg/Nm3以下，同時高效協同脫除Hg和SO3，無脫硫廢水產生。

1 設備及工作原理

某電廠300 MW 機組配套東方鍋爐廠生產的 DG1025/17.4-Ⅱ18 型亞臨界鍋爐，鍋爐為單汽包、自然循環、循環流化床燃燒方式，鍋爐主要由一個膜式水冷壁爐膛，三臺汽冷式旋風分離器和一個由汽冷包墻包覆的尾部豎井三部分組成。鍋爐設計參數見表1。

表1 鍋爐設計參數

改造是在原有循環流化床鍋爐脫硫、脫硝基礎上，在鍋爐三個汽冷分離器入口前集成的一套SNCR裝置實現脫除NOX。脫除NOX后的鍋爐煙氣進入預除塵器(利用原有電除塵器)，除塵后煙氣進入循環流化床反應塔，在塔內煙氣與形成流化狀態的吸收劑物料(生石灰)接觸，在噴水、降溫共同作用下，實現SO2、SO3等酸性污染物反應脫除。同時湍動流化床塔內，煙氣中細微粉塵顆粒和Hg等重金屬物質通過凝并作用，匯集成較粗顆粒，利用煙氣從脫硫吸收塔頂部側向排出所產生的離心力進行氣固分離。剩余粉塵進入布袋除塵器后，利用織密濾袋及表面濾餅層，進行兩級濾袋過濾脫除。超低排放及多污染物協同脫除裝備工藝流程如圖1所示。

圖1 超低排放及多污染物協同脫除裝備工藝流程

2 超低排放及多污染物協同脫除裝備應用特點

2.1 采用預電除塵與脫硫后配套布袋除塵器進行兩級除塵

原電袋除塵器拆除袋區，原兩電場電除塵器作為預除塵器，既滿足了預除塵要求，也節約了投資。通過循環流化床干法塔內激烈流化湍動的高密度吸收劑物料顆粒，配合霧化噴水作用，可以將亞微米級的細顆粒凝并成粗顆粒，更有利于脫硫后的布袋除塵器將煙塵排放控制。最后經布袋除塵器是實現煙塵排放小于 5 mg/Nm3，實現了最佳技術經濟比，同時脫硫后煙溫降低、煙氣對濾袋的化學侵害大幅度減弱，濾袋壽命大幅度延長。另外，利用濾袋表面的濾餅層還幫助提高了脫硫效率，使運行和維護成本進一步降低。

2.2 實現了循環流化床鍋爐爐內爐外兩級聯合脫硫運行優化

通過兩級聯合脫硫匹配經濟性的研究，獲得了循環流化床鍋爐影響兩級脫硫系統運行可靠性、經濟性等的關鍵參數和規律，并對爐外脫硫吸收塔進行了技術改造，找到了適用于循環流化床鍋爐爐內干法與煙氣循環流化床法兩級聯合脫硫的“多參數協調匹配策略”。

(1)隨著床溫(爐膛密相區平均溫度)升高，爐內干法脫硫鈣硫比升高而脫硫效率下降。隨著氧量由升高，爐內干法脫硫鈣硫比略有上升而脫硫效率下降。隨著機組負荷升高，床溫呈上升趨勢，爐內干法脫硫脫硫效率下降。

(2)隨著脫硫塔入口煙氣溫度的上升，滿足SO2達標排放的鈣硫摩爾比降低，而較低的鈣硫比可獲得較高的脫硫效率，脫硫劑的利用率提高。隨著脫硫塔入口SO2濃度的上升，需要提高脫硫效率滿足達標排放的要求，鈣硫比呈上升趨勢。隨著水煙比的上升，滿足達標排放的鈣硫摩爾比下降，較低的鈣硫比可獲得較高的脫硫效率，脫硫劑的利用率提高。隨著機組負荷的上升，脫硫塔入口煙氣溫度及脫硫塔內水煙比升高，滿足SO2達標排放的鈣硫摩爾比下降，較低的鈣硫摩爾比可獲得更高的脫硫效率，脫硫劑的利用率提高。

(3)根據負荷的變化調整兩級脫硫的脫硫比例，并根據最終排放煙氣中SO2濃度對脫硫塔入口SO2進行微調的多參數協調匹配策略比SO2單一因素匹配策略具有更高的經濟性和合理性。

(4)CFB鍋爐通過爐內干法與煙氣半干法聯合脫硫實現了SO2的超低排放，并具有良好的SO2排放穩定性和調節靈活性。

2.3 實現了CFB鍋爐低氮燃燒與SNCR兩種脫硝方式的結合

常規SNCR煙氣脫硝技術的脫硝效率一般為40%～60%，受鍋爐結構尺寸影響很大，多用作低NOX燃燒技術的補充處理手段。而CFB鍋爐具有低氮燃燒特性，燃燒溫度較低、二次風分級給入、爐膛下部缺氧燃燒、爐膛中心存在缺氧還原區域，能有效抑制NOX生成。鍋爐出口NOX排放可以控制在100～200 mg/Nm3間，相對燃燒相同煤種的煤粉爐NOX排放低約40%，可與SNCR脫硝進行有效耦合，實時保證NOX超低排放的同時實現脫硝系統經濟性最優。

2.4 應用了復合氣流發生器反應塔技術實現多污染物協同脫除

采用復合氣流發生器技術的煙氣循環流化床反應塔，從凈化塔高溫段氣固兩相預混合、均化分布出發，通過對塔前煙氣氣流流場的組織，使得塔前煙氣在中心及外圍形成煙氣直流區域，而在兩者之間形成煙氣旋流區域，從而在塔前形成直-旋-直復合氣流流場。使得氣力擾動后的物料顆粒更為松散，實現高溫段中的煙氣與物料的充分混合，該技術應用后可有效提高反應塔的脫硫效率。正是因復合氣流發生器的反應塔的使用，使其具備高密度顆粒吸附協同脫Hg能力，通過脫硫塔內的高密度顆粒吸附，脫汞率為50%～70%，預電除塵器+脫硫塔對煙氣中總汞的脫除率達到了82%～87%。同時爐外脫硫塔還可有效除去煙氣中SO3等酸性氣體，脫除率可達99%以上。從而實現多污染物協同脫除，全程無廢水產生，系統無需防腐處理，節約了投資。

3 超低排放及多污染物協同脫除裝備應用效果

某電廠開展超低排放技術改造后，通過省環境監測中心站監測，檢測結論為機組在不同煤種、不同工況條件下，煙塵、SO2、NOX排放濃度控制在3.4～4.4 mg/m3、3～28 mg/m3、25～41 mg/m3范圍內，均達到了超低排放標準，通過超低排放驗收。經第三方監測機構對Hg和SO3排放濃度進行監測，檢測結果表明，在不同煤種、不同工況條件下，Hg排放濃度低于1.5 μg/m3，SO3排放濃度<1.2 mg/Nm3，均達到了國際領先水平。超低排放改造前后指標參數比較見表2。

表2 超低排放改造前后指標參數比較表

4 結束語

通過近五年運行，基于CFB機組的超低排放及多污染物協同脫除裝備運行可靠性高，運行穩定，實現了超低排放和SO3、Hg的高效協同脫除。與以濕法脫硫為核心的超低排放技術路線相比，約可節省40%投資費用，可節省30%以上的年運行維護費用。此裝備的投運對提高我國工業煙氣治理成效、改善大氣環境質量具有極大的社會效益和環境效益。在未來我國煙氣Hg和SO3排放標準提高時，無需再進行升級改造即可滿足要求，節省了大筆改造費用，更符合了新時代的環保要求。