燃煤電廠超低排放技術路線對比分析

2018-01-12

2014年9月12日,國家發改委、國家環保部、國家能源局聯合發文“關于印發《煤電節能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》的通知”中要求,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。

超低排放技術路線

燃煤發電機組大氣污染物排放濃度基本達到燃氣輪機組排放限值(即在基準氧含量6%條件下,煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10、35、50毫克/立方米。針對“行動計劃”,國內火力發電集團提出了“超凈排放(50、35、5(氮氧化物、二氧化硫、煙塵濃度))”、“近零排放”、“”、“綠色發電”等類似的口號。

一、目前主流的超低排放技術介紹

(一)脫硝改造

1、低低氮燃燒器改造常規低氮燃燒器約75%的NOX是在燃盡風區域產生的,低低氮燃燒器是通過改造燃燒器,調整二次風和燃盡風的配比,增加燃盡風的比例,大幅度減少燃盡風區域產生的NOX,從而有效降低NOX排放。

超低排放技術路線

德扑圈官网安卓下载圖1低低氮燃燒器改造的優勢分析

2、增加備用層催化劑加層是簡單有效的提高脫硝效率、降低NOX排放的方法,目前在各大電廠超低排放改造中廣泛使用。通過增加催化劑和噴氨量,可以進一步增加煙氣中NOX和氨的反應量,減少NOX排放。

小結:兩種改造方式投資都比較高,相比之下,燃燒器改造的一次性投入大,而催化劑加層的運行成本很大,遠期投資要比低低氮燃燒器要大得多。低氮燃燒器改造用于四角切圓直流燃燒器的比較多,改造也都比較成功,而用于對沖布置的旋流燃燒器的案例較少,而且經常會帶來屏過結焦嚴重、超溫等影響鍋爐安全運行的問題,對于爐膛出口煙溫和排煙溫度較高、容易結焦的鍋爐來說不是太合適。

相比之下脫硝催化劑加層的效果是比較確定的,脫硝加層會帶來100-150Pa的阻力增加,影響不大,但是單純依靠加層和增加噴氨量來提高脫硝效率,將會帶來氨逃逸的增多,同時SO2轉SO3的數量也會增大,逃逸的NH3與SO3反應生成NH4HSO4,該物質在150-190℃時為鼻涕狀粘稠物質,增加的NH4HSO4可能會造成空預器差壓上升甚至造成堵塞,影響空預器的運行效率和運行安全。

(二)脫硫改造

德扑圈官网安卓下载1、脫硫除塵一體化技術單塔一體化脫硫除塵深度凈化技術是國內自主研發的專有技術,該技術可在一個吸收塔內同時實現脫硫效率99%以上,除塵效率90%以上,滿足二氧化硫排放35mg/Nm3、煙塵5mg/Nm3的超凈排放要求。

超凈脫硫除塵一體化裝置是旋匯耦合裝置、高效節能噴淋裝置、管束式除塵裝置三套系統優化結合的一體化設備,應用于塔二氧化硫去除。

旋匯耦合器基于多相紊流摻混的強化傳質機理,通過產生氣液湍流,大大提高傳質速率,從而達到提高脫硫效率的目的。CFD模擬結果顯示,加裝耦合器后塔內的煙氣分布更加均勻。

超低排放技術路線

圖2下圖為管束式除塵器示意圖及流場模擬結果

德扑圈官网安卓下载除了旋匯耦合器,脫硫除塵一體化技術還通過管束式除霧器、增加噴淋層等方式提高脫硫、除塵效率;脫硫除塵一體化技術主要具有如下優勢:

1)效率高。在一個吸收塔里同時完成脫硫除塵,目前可以達到現階段最嚴格的深度超凈脫除的要求,二氧化硫達到35mg/m3以下,粉塵5mg/m3以下。

德扑圈官网安卓下载2)費用低。該技術在保證高性能的前提下,盡量降低能耗,比同類技術運行費用電耗低20-30%左右。

3)投資少。該技術可以在原有裝置基礎上進行改造完成,對于新建電廠,不會額外增加占地和新建費用,投資比傳統技術低40%左右。

德扑圈官网安卓下载4)運行維護簡單。該技術在設計研發過程中盡量簡化操作,保證零件質量,降低更換頻率,從用戶角度減少零件的運行和維護壓力。

2、單塔雙分區高效脫硫除塵技術目前市面上的脫硫吸收塔漿液區基本都采用單區設計,單區設計具有如下限制:

1)pH采用折中值5-5.5,一定程度兼顧吸收和氧化要求

2)犧牲吸收能力,脫硫效率明顯受限

德扑圈官网安卓下载3)降低石膏結晶效果,石膏副產物長大受阻。

德扑圈官网安卓下载漿液雙分區漿液池設計,將漿液池分隔成上下兩層(上層低PH值區和下層高PH值區),上層主要負責氧化,下層主要負責吸收,通過功能分區可以明顯提高脫硫效率。雙分區設計具有如下優點:

1)適合高含硫或高效率場合,效率可達99.3%

2)漿池pH分區,氧化區4.9-5.5生成高純石膏,吸收區5.3-6.1高效脫除SO2

3)漿池小,停留時間可為3min,并且無任何塔外循環吸收裝置

4)配套專有射流攪拌措施,塔內無轉動攪拌設施,檢修維護方便

5)吸收劑的利用率高、石膏純度最高

6)煙氣阻力小

除了漿液分區,該技術通過安裝提效環、噴淋層加層、多孔分布器和等措施進一步提高脫硫效果;另外該技術采用多級高效機械除霧器,包括采用多級除霧器、管式除霧器、煙道除霧器的組合式除霧器,并在原煙道處設置噴霧除塵系統以提高除塵效果。

3、雙托盤技術雙托盤脫硫系統在原有單層托盤的基礎上新增一層合金托盤,從而起到脫硫增效的作用。(如果原來沒有設計托盤,則需安裝2層托盤)。該技術在脫硫效率高于98%或煤種高含硫量時優勢更為明顯。

1)雙托盤的氣流均質作用

煙氣進入吸收塔后,首先通過塔內托盤,并與托盤上的液膜進行氣、液相的均質調整,在吸收區域的整個高度以上可以實現氣體與漿液的最佳接觸。雙托盤的氣液相調整充分,氣相均布好,脫硫增效很明顯。

2)提高煙氣與漿液的接觸功效

由于托盤可保持一定高度液膜,增加了煙氣在吸收塔中的停留時間。當氣體通過時,氣液接觸,可以起到充分吸收氣體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。雙托盤比單托盤多了一層液膜,氣液相交換更為充分,從而增加了脫硫效率。

德扑圈官网安卓下载雙托盤技術效果可靠但是最大的劣勢是阻力太大。另外雙托盤一般是用于原有單托盤吸收塔的升級改造,如果對沒有托盤的吸收塔改造雙托盤,則噴淋層甚至整個輔機系統可能都要重新設計,成本大幅提高。

德扑圈官网安卓下载4、雙塔雙循環技術雙循環技術源于德國,其目的是解決單吸收塔的一個矛盾,濕法脫硫的反應分為兩個階段,即吸收階段和氧化階段,在SO2的吸收階段要求PH值越高,吸收效果越好,而在Ca(HSO3)2的氧化階段,要求PH值越低氧化效果越好。但是在同一個吸收塔漿液池內,無法二者兼顧,因此雙循環技術在吸收塔外另設一個罐體用于SO2的吸收,而吸收塔漿液池則負責氧化。這與雙分區技術異曲同工。

雙塔雙循環技術其實是將輔助罐體升級為吸收塔,利用雙循環技術,同時設置噴淋層和除霧器,使雙循環的脫硫和除塵效果進一步增強。當然,雙塔雙循環的占地和輔機增設就更大了。單塔雙循環的效果難以達到的要求,雙塔雙循環能夠穩定達到要求,但是占地很大,不適合布置比較緊湊的電廠,且輔機增設較多,運營成本高。

(三)除塵技術

德扑圈官网安卓下载1、低低溫電除塵低低溫電除塵是在電除塵前增設熱回收器,降低除塵器入口溫度,利用了煙氣體積流量隨溫度降低而變小和粉塵比電阻隨溫度降低而下降的特性。隨溫度降低,粉塵比電阻減少至1011Ω˙cm以下,此時的粉塵更容易被捕集;同時,隨著煙氣溫度降低,煙氣體積流量下降,在電除塵通流面積不變的情況下,流速明顯降低,從而增加了煙氣在電除塵內部的停留時間,所以,煙氣流經電除塵器的溫度范圍在80~100℃之間時,除塵系統效率將會明顯提高。

回收的熱量目前主要有兩種用法,一種是MGGH,即在吸收塔后增加再加熱器,利用煙氣余熱抬升煙氣溫度,防止下游設備腐蝕,無煙氣泄露,可以基本消除白煙及石膏雨。另一種是低溫省煤器,即將回收的熱量用于加熱汽機房凝結水。兩種改造路線各有優勢,MGGH具有很好的環保效果,而低溫省煤器則可以有效降低煤耗,提高經濟性。

2、濕式電除塵濕式電除塵器是一種用來處理含微量粉塵和微顆粒的新除塵設備,主要用來除去含濕氣體中的塵、酸霧、水滴、氣溶膠、臭味、PM2.5等有害物質。

德扑圈官网安卓下载濕式電除塵器和與干式電除塵器的收塵原理相同,都是靠高壓電暈放電使得粉塵荷電,荷電后的粉塵在電場力的作用下到達集塵板/管。干式電收塵器主要處理含水很低的干氣體,濕式電除塵器主要處理含水較高乃至飽和的濕氣體。在對集塵板/管上捕集到的粉塵清除方式上WESP與DESP有較大區別,干式電除塵器一般采用機械振打或聲波清灰等方式清除電極上的積灰,而濕式電除塵器則采用定期沖洗的方式,使粉塵隨著沖刷液的流動而清除。

濕式電除塵器還可分為橫流式(臥式)和豎流式(立式),橫流式多為板式結構,氣體流向為水平方向進出,結構類似干式電除塵器;豎流式多為管式機構,氣體流向為垂直方向進出。一般來講,同等通氣截面積情況下豎流式濕式電除塵器效率為橫流式的2倍。

沉集在極板上的粉塵可以通過水將其沖洗下來。濕式清灰可以避免已捕集粉塵的再飛揚,達到很高的除塵效率。因無振打裝置,運行也較可靠。

3、電袋復合除塵電袋復合式除塵器是有機結合了靜電除塵和布袋除塵的特點,通過前級電場的預收塵、荷電作用和后級濾袋區過濾除塵的一種高效除塵器,它充分發揮電除塵器和布袋除塵器各自的除塵優勢,以及兩者相結合產生新的性能優點,彌補了電除塵器和布袋除塵器的除塵缺點。該復合型除塵器具有效率高,穩定的優點,目前在國內火力發電機組尤其是中小型機組應用較多,最近國內部分大型機組也開始上馬電袋除塵。

電袋復合除塵器近年來持續發展,目前出現了超長濾袋和覆膜過濾等技術,過濾精度和使用性能都有所提升,已經能夠達到5mg以下煙塵超低排放的標準。

但是從已經投產的電袋復合除塵器來看,其主要面臨的幾個問題仍然難以解決:

1)差壓比較高,并且隨著時間的增加逐漸上升。由于布袋除塵采用的是過濾原理,本身的阻力高達1000pa左右,同時隨著過濾孔被逐漸堵塞難以清理,每年會有200-300pa的阻力增加,這會造成電耗增加,甚至影響風機運行安全;

2)布袋壽命較短,維護費用高。布袋每年會有一定的破損率,一般保證每年≤1%,但由于單臺機布袋數量高達一萬多個,而每個布袋價值上千塊,每年僅布袋更換費用就要近十幾萬;

3)一旦布袋發生破損,局部失去過濾作用,將會導致煙塵濃度上升;

4)設計壽命僅約3萬小時,用4-5年后全部更換濾袋的成本十分高昂,約在2000萬左右,折合每年400萬以上。

德扑圈官网安卓下载4、電除塵高頻電源改造電除塵高頻電源改造由于成本較低,且效果明顯,成為目前在各個電廠改造中普遍使用的一種輔助除塵增效改造方式。高頻電源相比普通工頻電源具有如下優勢:

1)更好的節能效果

德扑圈官网安卓下载高頻電源具有高達93%以上的電能轉換效率,在電場所需相同的功率下,可比常規電源更小的輸入功率(約20%),具有節能效果。有更好的荷電強度,在保證了粉塵充分荷電的基礎上,可以大幅度減少電場供電功率,從而減少無效的電場電功率。

2)可提高電暈功率

高頻電源的輸出電壓紋波系數比常規電源小(高頻電源約1%,而常規電源約30%),可大大提高電暈電壓(約30%),從而增加電場內粉塵的荷電能力,也減小了荷電粉塵在電場中的停留時間,從而可提高除塵效率。電暈電壓的提高,同時也提高了電暈電流,增加了粉塵荷電的機率,進一步提高除塵效率,特別適用于高濃

度粉塵場合。

3)更好的電源適應性

與工頻電源相比,高頻電源的適應性更強。高頻電源的輸出由一系列的高頻脈沖構成,可以根據電除塵器的工況提供最合適的電壓波形。間歇供電時,供電脈寬最小可達到1ms,而工頻電源最小為10ms,可任意調節占空比,具有更靈活的間歇比組合,可有效抑制反電暈現象,特別適用于高比電阻粉塵工況。

4)更好的火花控制特性:

高頻電源的火花關斷時間<10μs,而工頻電源需10ms,火花能量很小,電場恢復快,提高了電場的平均電壓,從而可提高了除塵效率。

德扑圈官网安卓下载濕式電除塵和低低溫電除塵都具有十分明顯的除塵效果,并且都能去除部分SO3,濕式電除塵還具有脫汞、去除酸霧、水滴、氣溶膠、臭味等作用,但另一方面在使用過程中也會產生廢水。

二者的比較詳如下表。單純從除塵方面的投資和運行維護的角度來講,濕電除塵略占優勢,但是低低溫電除塵施工工期較短,如果采用MGGH,就能去除“白煙”,對于改善電廠的形象具有非常正面的作用,MGGH能夠減少煙氣冷凝,大大減緩強酸性冷凝水對煙囪的腐蝕速度,解決電廠目前煙囪腐蝕嚴重的問題,大大減少維護成本、提高設備安全性。

而如果采用低溫省煤器,則可以在提高除塵性能的同時回收煙氣余熱,降低煤耗,效果也很明顯,但是無法解決白煙和煙囪腐蝕的問題。同時,用低低溫電除塵降低吸收塔入口煙溫,可以大大減少吸收塔的蒸發量,節水效果十分明顯。

德扑圈官网安卓下载表1低低溫電除塵和濕電除塵的比較

超低排放技術路線

德扑圈官网安卓下载低低溫電除塵尤其是MGGH雖然具有明顯的優勢,但是其存在一個較大的隱患,即煙氣低溫腐蝕問題。一旦將排煙溫度降低到100℃以下,達到酸露點以下,管道、電除塵、風機、煙道等可能會比較嚴重的腐蝕。目前主流的管道用鋼為316L和ND鋼,雖然耐酸性能優良,但是由于MGGH在國內應用時間短,能否長期低于硫酸的腐蝕,尚未得到驗證。

表2是整理的各種改造項目的投資、工期和帶來的阻力上升情況,由于各個電廠改造時間、現場狀況、改造單位等的不同,其投資、工期和阻力上升情況差別都會比較大,只能作為電廠改造選擇的一個參考。

表2各種改造項目的投資、工期和帶來的阻力上升

超低排放技術路線

二、組合路線的選擇

1、投資最省的路線脫硫除塵一體化+加層+高頻電源改造,單機投資5000萬-1億,可以節約大量投資,同時運行阻力很低,設備增加很少,運行維護成本都最小化,停機工期最短可以控制在40天以內,各方面優勢十分明顯。

由于該技術投入應用不久,雖然很快受到市場的認可,但是長期除塵穩定性尚待驗證,有一定的風險。

2、性能穩妥、投資和運維成本相對較低的路線1)脫硫除塵一體化+脫硝催化劑加層+高頻電源改造+MGGH

德扑圈官网安卓下载單臺機投資大約1-1.5億,停機工期40天,可以確保脫硫、除塵、脫硝全面、長期達到要求,同時能夠解決“白煙”和煙囪腐蝕問題。

2)脫硫除塵一體化+脫硝催化劑加層+高頻電源改造+濕電除塵

單臺機投資約1-1.3億,停機工期50天,可以確保脫硫、除塵、脫硝全面、長期達到超低排放要求,終端除塵效果會比線路1更加低,同時能夠脫除酸霧、水滴、氣溶膠、臭味等,但是無法消除“白煙”和解決煙囪腐蝕問題。

3)單塔雙分區脫硫除塵技術+脫硝催化劑加層+高頻電源改造+MGGH

投資與路線1)接近,停機工期50天,由于MGGH具有良好的除塵效果,因此該技術也能夠達到超低排放要求,也能夠消除“白煙”和解決煙囪腐蝕問題。不過由于該技術的除塵效果相對較差,相應對于石膏的脫除效果也會比較差,因此從吸收塔攜帶的石膏將會影響最終的固體顆粒排放值,是否能夠持續控制在5mg/Nm3以下有待考驗。

4)單塔雙分區脫硫除塵技術+脫硝催化劑加層+高頻電源改造+濕電除塵

德扑圈官网安卓下载為了解決路線3)的問題,可以將MGGH改為濕電除塵,可以解決末端煙塵排放較高的問題,投資有所下降,停機工期50天,缺點是不能解決白煙和煙囪腐蝕問題。如果同時上馬濕電除塵和低低溫除塵器,可以同時解決上述問題,但是投資和運維成本又太高。

德扑圈官网安卓下载5)同上路線,但在低低溫電除塵上選用低溫省煤器,停機工期50天,可以降低煤耗,缺點是不能解決白煙和煙囪腐蝕問題。

德扑圈官网安卓下载3、全面、穩妥的技術路線早期改造的超低排放線路,在除塵上很多都采用低低溫電除塵+濕式電除塵的改造方式,余量較大,但是工程量、投資和運維成本都很高。

德扑圈官网安卓下载小結:自從2014年國內開始大面積快速上馬超低排放技術以來,在巨大的市場利益驅動下,超低排放的技術本身也在快速發展,主要表現在3個方面:

1、排放越來越高效;

2、技術種類越來越豐富,同一類技術的創新越來越多樣化;

3、多種污染物治理的集成度越來越高,尤其是在脫硫系統集成粉塵治理的方面。

值得注意的是,這些進步還在不斷發展變化中,這使得實現超低排放的成本快速下降,而排放效果卻越來越好,這將有利于電廠今后改造的實施。

三、幾個需要關注的問題

(一)設備腐蝕問題

1、低低溫除塵器的腐蝕問題。如前所述,使用低低溫除塵器降低煙溫后,管式換熱器、煙道、電除塵和風機等都可能出現腐蝕。目前的低低溫除塵器宣稱自己采用的材料能夠抵御酸腐蝕,同時換熱器降低煙溫,SO3冷凝后大部分將被灰塵吸附(95%以上),并被電除塵脫除,從而避免電除塵和煙道、風機等的腐蝕。但實際效果

仍待時間檢驗。目前投產的MGGH投用時間基本都只有半年多,一方面時間較短,另一方面作為生產單位也沒有公開腐蝕情況的意愿(如果腐蝕的話),因此該問

題將成為電廠改造調研的一個難點;

2、濕電除塵的腐蝕

濕電除塵布置在吸收塔的下游,經過吸收塔脫硫后,煙氣中的SO2大為降低,但是吸收塔對于SO3的脫除是很有限的,加上煙氣中水分大為增加,SO3基本都以硫酸的形式存在,因此對設備的腐蝕能力是很強的。目前濕電除塵外殼主要采用碳鋼噴涂玻璃鱗片,極板、極線等內部設備主要采用316L或導電玻璃鋼,316L雖然耐酸性較好,但是長期使用的仍會發生腐蝕,使用壽命有待評估。因此從耐腐蝕的角度考慮,導電玻璃鋼的性能更優,但是其使用效果需要進一步驗證。

3、煙囪的腐蝕

如果使用MGGH,則煙囪煙溫可以抬升到80℃左右,基本消除白煙,同時由于煙溫較高,水汽在煙囪壁上的冷凝量大大減少,可以很大程度上緩解煙囪內筒的腐蝕問題,大大減少煙囪的維護成本,提高安全性。但受限于煙溫,煙氣冷凝仍然無法完全消除,因此腐蝕仍然無法完全避免。

(二)改造后阻力上升問題

現有超低排放改造的大部分項目都會導致煙氣阻力上升,因此在確定改造線路時必須同步評估煙氣阻力的上升量和現有風機的余量,確定是否需要進行引風機增容改造。目前部分電廠在進行引風機擴容時同步進行了增引合一的改造,節電效果明顯,建議同步考慮。

五、超低排放改造工作的建議

1、加快調研進度,逐步啟動可研招標工作要進行調研工作,確定主要考慮的線路,同時對同類線路的投產機組開展深入調研,了解改造效果和經驗教訓,為后續工作開展提供參考;同時,可研的招標/委托在程序上也需要占用較多時間,應盡快啟動可研的招標/委托工作,確保可研工作的順利開展。

2、進一步發揮超低排放小組的專職攻關作用由于超低排放改造工程浩大,各電廠一般從前期就成立超低排放工作組專職開展改造相關工作,但由于電廠生產任務較重,很可能一直沒有人專職從事改造工作。隨著時間的日益緊迫,建議電廠考慮適時調整調配人力,確保改造的相關工作進度。

德扑圈官网安卓下载3、持續關注超低排放技術的發展變化,及時作出調整改進。從發改委2014年9月份發布超低排放行動計劃以來,至今不到1年,在這么短的時間內,超低排放項目大量上馬,各種改造路線的實施效果還沒有得到持久的檢驗,問題也沒有充分的暴露;同時各大廠商為了占領市場,也在加大投入進行技術攻關,相關技術更新換代很快,因此在剩余2-3年內,電廠仍要持續關注領域內的技術革新情況,關注各電廠相關技術應用的情況,吸取經驗教訓,確保超低排放的效果。

4、超前考慮

德扑圈官网安卓下载在可研和設計上要超前考慮,為今后進一步降低排放指標和汞等重金屬的脫除留下余地。


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