環保技術在超超臨界1000MW火電機組的應用分析

李 坤

(山東能源內蒙古盛魯電力有限公司)

0 引言

為了緩解電力產業在社會發展中的高耗能問題,解決社會經濟產業與環保建設的矛盾關系, 國家提出了針對火電機組運營的改造與升級計劃。我國是一個以燃煤為主的國家, 一次能源中以煤為主的燃料占到了75%以上。隨著國內電力工業行業的發展, 火力發電廠開始逐步朝著大容量、自動化、低能耗等方向發展, 在此過程中, 如何實現對火電機組排放的控制, 成為了電力企業的關注重點。

火力發電廠排放的大氣污染物主要有粉塵、SO2、NOx 和多種微量重金屬。為了減少火力發電廠的排放, 我國出臺了一系列的環境保護標準, 并對火電機組在運營中的排放情況進行了監測。為應對與之方面相關工作的深化, 監測單位將火電機組排放數據與各地環保局進行了聯網, 進行機組排放的實時監控。盡管管理單位投入了大量資金、人力用于改造機組以減少其污染物的排放, 但根據監管單位的反饋可知, 現有的減排方案根本無法在實際應用中發揮預期的效果, 針對此方面問題, 本次研究引進環保技術, 以1000MW 為例, 開展如下所示的設計研究。

1 1000MW 火電機組的排放性能分析

為掌握1000MW 火電機組在投入使用后的優勢,在設計前, 將其與某地區發電廠現用的300MW 火電機組在使用中的污染物排放量進行對比, 見表1。

表1 1000MW 火電機組的排放性能分析

根據上表中的數據可以看到, 隨著火電機組單機容量的增加, 即使用高效率、大容量的臨界火電機組, 在增加了機組發電量的同時, 燃煤量反而呈現降低趨勢, 與此同時, 火電機組在運行過程中的污染物排放量(包括SO2排放量、煙塵排放量、NOx 排量等) 也呈現對應的趨勢。綜合上述分析可以說明:1000MW 火電機組在投入使用后的綜合性能優于300MW 火電機組的的綜合性能。

2 1000MW 火電機組概況

在進行1000MW 火電機組環保設計前, 對電廠機組的基本情況進行分析。在此過程中, 應明確本文研究的火電廠是一種將煤炭作為核心燃料的電能生產單位, 煤炭燃燒的過程便是電能生產的過程。煤炭燃燒時, 需要將塊狀煤進行加工與研磨, 塊狀煤形成粉末后, 被送到爐膛中進行燃燒, 燃燒過程會釋放大量的熱能, 熱能可以用于加熱鍋爐中的給水, 使液態水成為水蒸氣, 從而實現化學能轉化為熱能, 對火電廠的生產流程展開分析。

本次研究的火電機組為2 ×1000MW 屬于超超臨界直流機組, 其關鍵參數見表2。

表2 超超臨界火電機組的主要技術參數

3 環保技術在超超臨界1000MW 火電機組的應用

3.1 超超臨界1000MW 火電機組脫硝處理

采用SCR 脫硝工藝能夠將脫硝效率控制在85%以上, 為滿足環保要求, 按照80%的控制, 再加上對低氮燃燒系統的改造, 對原有系統進行催化劑增加處理, 從而確保脫硝系統的提效效果能夠滿足預期要求[1]。針對原有脫硝系統, 在建設的過程中, 按照80%進行設計, 并結合“2 +1”方案完成布置。鍋爐出口的NOx 濃度通常在300mg/m3左右, 此次改造,按照入口NOx 濃度不超過350mg/m3進行設計。若達到NOx 排放濃度不超過40mg/m3, 只需要將脫硝效率增大到88%, 在原有結構基礎上, 設置一層新的催化劑結構, 解決脫硝問題[2]。一般情況下, 催化劑用量越大, SO3轉化率越高, 但也會增大空預器中硫酸氫銨的堵塞概率。在相同SO3濃度條件下, 氨氣含量較低, 因此, 本項目提出在空預器投入后, 通過氨氣均勻度的檢測和調整, 來降低空預器的運行風險[3]。原來SCR 工藝中, 沒有在備用層段增設吹灰裝置,使用的是一個單級反應器, 每個層段有7 個。此次的改造, 是根據原來的設計, 為每臺機組增加14 臺聲波吹灰器, 2 臺機組, 總計增加28 臺聲波吹灰器, 因此, 應該對其進行相應地增加壓縮空氣管線。

3.2 基于環保技術的機組綜合除塵處理

原有超超臨界1000MW 火電機組在采取相應措施后, 粉塵排放濃度能夠達到15mg/m3～20mg/m3的水平, 但無法實現將其控制在5mg/m3以下的水平。為了使煙道出口的煙塵濃度不超過5mg/m3, 或者不超過10mg/m3, 就必須采取更為細致的煙道除塵技術[4]。對此, 引入環保技術, 對機組綜合除塵處理進行改造。該項目原有的除塵系統根據火電廠大氣污染物排放標準進行整體除塵, 其中靜電除塵器的除塵效率按99.84%進行計算, 在燃燒設計及校核煤種時,靜電除塵器的除塵濃度均為50mg/m3, 在采用濕式脫硫噴淋塔沖洗后, 其出塵濃度降至30mg/m3以下, 滿足國家規定。本文提出一種全新的“超潔凈”目標,即在環保技術的應用下, 電除塵器只能選用低低溫型[5]。在電除塵器進口處, 需安裝一個低溫型的省煤器, 使煙氣溫度降低到接近露點的溫度, 從而大大提升電除塵器的收塵效率, 并將廢熱量送入回熱系統,從而達到節能降耗的目的。

在低低溫度條件下, 碳煙的比阻系數下降, 碳煙的電粘附能力下降, 碳煙的荷電性增加; 結果表明:煙氣的容積率減小, 電場的速度減小, 在電場中的滯留時間增加, 單位容積內的塵埃質量濃度增加; 降低了煙塵中的微粒和氣體分子的熱轉移性, 增加了空氣的擊穿電壓, 從而增加了粉塵的收塵效果?？梢? 在煙氣降溫后進行操作, 可以從多個角度改善靜電收塵器的工作特性, 從而達到優化操作的目的。在設計低低溫靜電除塵器時, 其關鍵在于對其進口煙溫的選取要合適, 根據國外已有的生產實踐, 爐溫控制在90℃以內是最佳的效果。

3.3 脫硫改造

為實現對超超臨界1000MW 火電機組的脫硫處理, 引入石灰石——石膏濕法。通常情況下, 該工藝的應用可以使脫硫效率達到95%以上。在選擇石灰石材料時, 需要考慮其硬度條件, 利用石灰石的可磨指數可以實現對其硬度的判定。石灰石可磨指數可用符號BWI 表示, 在此基礎上, 針對球磨機能耗與硬度粒度的關系進行估算:

式中,W為能耗,P為八成的產品可通過篩網孔徑,F為八成的入料可通過的篩網孔徑,CF為修正系數, 需要進行無量綱化處理。

若需要進一步對其脫硫效率進行提升, 還需要采用相關輔助措施。在石灰石-石膏濕法基礎上, 為達到環保超低排放, 為吸收塔增設一臺漿液循環泵裝置, 并在塔內增設噴淋層以及增效裝置。

在吸收塔當中增設一臺漿液循環泵裝置, 該裝置的流量應當控制在13000m3/h 以上, 揚程可根據需要設置為28m 或30m, 對應的軸功率分別為1450kW 和1500kW。電機功率通常為1500kW/1800kW。在此基礎上, 還需要增設土建和電氣等基礎設施。在需要進行改造的噴淋層上, 再增設一層。要求噴淋層木管的直徑應當控制在1300cm ～1500cm 范圍內, 其材質的選擇應當盡可能選用FRP。吸收塔液位應當按照原始高度抬高1.1m, 吸收塔的入口與第一層噴淋層均需要抬高1m, 并將除霧器的位置抬高2.5m。

按照上述內容進行改造, 吸收塔標高提升5m 以上, 燃用校核煤種時, 其排放的二氧化硫濃度能夠有效控制在30mg/m3以內。

4 應用后機組運行試驗

為確保相關工作實施達到預期效果, 完成環保技術在火電機組中的應用后, 采集1000MW 火電機組在改造升級前與改造升級后的出口煙氣, 通過對煙氣的分析, 掌握環保技術在機組改造工程中的應用效果。

完成采樣后, 對機組1 與機組2 出口污染物排放量進行統計, 其結果見表3。

表3 環保技術應用前與應用后機組1 與機組2 出口污染物排放量對比分析

5 結束語

根據上述研究, 得到如下結論: 環保技術應用前機組污染物排放量＜環保技術應用后機組污染物排放量, 說明本文提出的環保技術在應用中效果良好, 此項技術可以有效控制1000MW 火電機組的污染物排放, 通過此種方式, 降低火電廠在運行過程中對生態環境的污染。