瞿國忠,陳建如,陳杏榮

(江蘇華昌化工股份有限公司熱電廠,江蘇 張家港 215634)

隨著國家環(huán)保標準的日益苛刻，進一步提高燃煤電廠(包括自備電廠)大氣污染物排放標準勢在必然。2015年12月2日,國務院常務會議決定，在2020年前對燃煤機組全面實施超低排放和節(jié)能改造，大幅降低發(fā)電煤耗和污染排放。對于位處長三角這一特殊區(qū)域的江蘇華昌化工股份有限公司熱電廠(以下簡稱華昌化工熱電廠)，地方政府已明確要求提前到2018年底實現(xiàn)超低排放。

所謂燃煤電廠超低排放就是指煙氣污染物排放滿足以下條件：二氧化硫35 mg/m3、氮氧化物50 mg/m3、煙塵10 mg/m3、汞及化合物0.03 mg/m3、煙氣黑度為1(基準含氧量6%)的限值指標。

1 超低改造前環(huán)保流程

熱電廠現(xiàn)有5臺次高溫次高壓CFB鍋爐，其主要的環(huán)保設施和系統(tǒng)是經(jīng)過不同環(huán)保階段，逐步改造至現(xiàn)在，才勉強達到GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》特別排放標準要求(煙塵20mg/m3、二氧化硫50mg/m3、氮氧化物100mg/m3)。面對現(xiàn)行更嚴厲的環(huán)保超低排放要求，環(huán)保系統(tǒng)設計裕度已不能滿足要求，必須進行改造。環(huán)保系統(tǒng)工藝流程見圖1。

圖1 熱電廠特標排放階段環(huán)保工藝流程

2 環(huán)保裝置的制約因素

對原有環(huán)保裝置進行超低排放試探性運行，對系統(tǒng)的工藝流程、結構性能和運行效果等多方面進行了跟蹤和分析，認為裝置存在如下技術瓶頸和制約因素。

2.1 制約脫硫系統(tǒng)超低排放因素

熱電廠脫硫裝置采用“五爐一塔”的工藝結構形式，原建于2012年的氨法脫硫裝置構成相對簡單,工藝技術相對不完善。通過對氨法脫硫裝置進行提標操作控制，雖短期內(nèi)能達到超低排放水平，但排放指標不可控、系統(tǒng)運行不穩(wěn)定，不能長期維持運行。

氨法脫硫超低排放運行時，吸收系統(tǒng)pH值必須控制得很高，才能達到SO2<35mg/m3的要求，但氨逃逸非常高，氨耗過高導致運行成本大大上升，還形成嚴重的煙氣拖尾現(xiàn)象，二次視覺污染又成為環(huán)保關注焦點；大量攜帶的氣溶膠使煙塵 “抬升”現(xiàn)象明顯，煙塵檢測時有不達標現(xiàn)象；雖脫硫效率還能達到一定要求，但過多的煙氣量造成脫硫系統(tǒng)壓差大，煙氣并列運行后還嚴重影響小鍋爐出力。

2.2 制約脫硝系統(tǒng)超低排放因素

SNCR脫硝技術應用于CFB鍋爐時，是基于CFB鍋爐獨特的燃燒方式和低氮燃燒特性。SNCR脫硝技術相對投資少、改造工程量小、運行維護成本低。超低排放運行方式下現(xiàn)有SNCR脫硝系統(tǒng)存在較多瓶頸。

(1)脫硝效率偏低。SNCR脫硝效率偏低，最高設計效率也只有60%～70%。由于鍋爐結構和使用年限的差異，個別鍋爐的SNCR脫硝效率有時差別較大，控制同樣的排放指標需要消耗更多的氨水。SNCR脫硝過程中若不能充分利用還原劑NH3，同樣存在氨逃逸問題。逃逸氨易與煙氣中SO3結合形成硫酸銨鹽黏附在灰塵中，造成鍋爐空預器堵塞、尾部腐蝕，并對布袋除塵器本體和布袋都有影響。

(2)鍋爐運行穩(wěn)定性要求高。SNCR脫硝反應環(huán)境是要保證反應處于還原性氣氛，在800～900℃窗口溫度下才可使得氮與氧反應生成燃料型NOx；鍋爐運行氧量與脫硝效率的關系尤為密切，對鍋爐運行的穩(wěn)定性和風煤比控制操作要求高；鍋爐原始NOx排放隨燃燒工況波動較大，特別是氧量的影響,NOx排放最高時達到350～400mg/m3，在低負荷時脫硝控制更困難，問題更為突出。

2.3 制約除塵系統(tǒng)超低排放因素

(1)原有PPS布袋不能滿足要求。原有PPS布袋按30mg/m3設計，除塵設備自身不能滿足超低10mg/m3新的環(huán)保要求。

(2)含濕量影響。由于SNCR脫硝的使用，在爐內(nèi)大量噴入氨水，使鍋爐尾部煙氣中的含濕量大大增加，有時可達到10%以上，因結露而造成布袋“糊袋”現(xiàn)象嚴重，也使除塵器阻力進一步增大。

(3)氨法脫硫抬升煙塵現(xiàn)象。氨法脫硫效果明顯，隨著煙氣量的加大，系統(tǒng)設計余量不足有所顯現(xiàn)；因氣液比(G/L)余量偏小造成水洗效果差等原因，導致煙氣攜帶硫酸銨鹽現(xiàn)象及氣溶膠加重，會使氨法脫硫后的“煙塵”出現(xiàn)不降反升的“抬升”現(xiàn)象，這是所有濕法脫硫的共性。

2.4 新增超低排放檢測因子

GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》中規(guī)定，燃煤電廠大氣污染物控制項目共有煙塵、二氧化硫、氮氧化物、汞及化合物和煙氣黑度等五項，并明確執(zhí)行相關排放標準執(zhí)行的具體年份。其中的汞及化合物、煙氣黑度等污染物項目，必須在超低排放改造中要有針對性的防范控制措施。

3 超低排放改造路線

3.1 改造原則

(1)當時因超高壓大鍋爐項目建設正在審批之中，工程配套了相應環(huán)保新設施，華昌化工熱電廠經(jīng)綜合考慮后,確定了老系統(tǒng)應充分挖潛原有環(huán)保設施潛力，對瓶頸環(huán)節(jié)充分進行利舊改造，以達到超低排放的改造思路。

(2)由于3臺75t/h鍋爐已被政府限期停用，此范圍只考慮過渡期內(nèi)必要的改造，不進行長期性投資改造。

(3)氨法脫硫系統(tǒng)脫硫塔只進行舊塔改造，老系統(tǒng)不新增脫硫塔。

(4)挖掘熱電廠環(huán)保裝置潛力，進行全廠性環(huán)保協(xié)同脫除綜合治理，形成多種污染物高效集成脫除處理，減輕化工生產(chǎn)環(huán)保負擔。

(5)充分調(diào)研新的環(huán)保治理技術，加強引進應用，提升環(huán)保治理的技術實力。

3.2 改造方案

從2014年9月國家發(fā)改委發(fā)布超低排放行動計劃以來，相關的超低技術和廠商較多、改造路線多樣，但短短的幾年時間里，各種環(huán)保治理技術路線的效果還沒有得到驗證，問題也沒有充分暴露。氨法脫硫工藝在行業(yè)中應用范圍相對狹小(約10%)，這次以老氨法脫硫系統(tǒng)為主體的超低改造確實是一次技術考驗，華昌化工熱電廠和職能部門根據(jù)系統(tǒng)的瓶頸環(huán)節(jié)和對超低排放存在影響的因素，進行了針對性的排查、調(diào)研和方案比較，立足自身技術力量，對相關超低技術方案進行了認真篩選。

3.2.1超低排放技術方案和比較

超低排放技術方案對比見表1。

表1 超低排放技術方案對比

3.2.2超低排放環(huán)保工藝流程

本著“協(xié)同處置、綜合治理”的原則，經(jīng)職能部門和熱電廠較長時間的調(diào)研和對比篩選，最后確定出熱電廠環(huán)保超低排放和綜合處理工藝系統(tǒng)流程(見圖2)。

圖2 熱電廠環(huán)保超低排放和綜合處理工藝流程

4 主要改造措施和技術應用

4.1 工藝改造

(1)雙塔多循環(huán)雙氧化設計。將單塔單循環(huán)改為雙塔工藝，由單一的脫硫塔改為脫硫塔和水洗塔雙塔結構，將脫硫塔原單塔三段單層循環(huán)改為二塔多層循環(huán)，新建水洗塔進行煙塵的組合去除；將脫硫塔內(nèi)氧化工藝改為塔內(nèi)、塔外雙氧化，新增氧化器以實行主氧化功能，同時保留性改造脫硫塔內(nèi)漿液原有氧化器，增濃系統(tǒng)只作輔助氧化，改造后整個系統(tǒng)氧化率大大提高，最大限度地減少了亞硫酸銨的存在。這樣實現(xiàn)了功能區(qū)明顯區(qū)分又相互補充，形成“雙塔多循環(huán)雙氧化”氨法脫硫主流工藝路線，其與目前氨法脫硫行業(yè)先進的工藝已不相上下。

(2)高效多層循環(huán)噴淋工藝設計。優(yōu)化對各功能區(qū)的循環(huán)工藝進行設計和改造，采用高效多層循環(huán)噴淋,以提高液氣比(L/G)滿足超低排放要求。脫硫塔結構由氧化段、吸收段、清洗段三段結構改造成的增濃段、吸收段二段布置，增設出口除霧噴淋系統(tǒng)；吸收段每層對應獨立的吸收泵；在脫硫塔吸收段新增雙相整流裝置，在噴淋層下方各加裝一層壁環(huán)提高增效作用；在增濃層增加氣體分布器，提高煙氣分布效果；將原脫硫吸收段二層噴淋改為三層噴淋工藝結構，并對三層噴嘴形式進行了優(yōu)選和改型，采用高效多層循環(huán)噴淋設計，提高系統(tǒng)液氣比，這樣增加了氣液反應路程，因硫酸銨氣溶膠的形成與液氣比關系密切，從抑制硫酸銨氣溶膠的角度考慮，選擇較大液氣比，可將液相游離氨、氣相中銨鹽、煙氣中煙塵含量控制得很低。

(3)多點加氨工藝。改變原吸收泵出口單點加氨設計方式，根據(jù)氧化器結構和溶液流向,采用吸收段各層都設立加氨小流量精確調(diào)節(jié)回路、增濃段增加前置加氨的多點加氨設計，使系統(tǒng)煙氣與氨反應進行前移，保證氨水充分混合、揮發(fā)的氣氨能充分吸收。多點、定量精確加氨提高氧化器內(nèi)pH值控制精度，保證脫硫區(qū)域氣相游離氨濃度控制得盡量低。在增濃段再增設輔助加氨系統(tǒng)，使?jié){液中NH4HSO3與NH3充分反應，提高系統(tǒng)脫硫效率。改變了原系統(tǒng)只能低指標狀態(tài)運行、逃逸氨和煙囪拖尾嚴重的問題，使二氧化硫在超低排放運行時能在0～35mg/m3狹小的范圍內(nèi)得到有效控制，同時充分降低逃逸氨。

4.2 設施改造

(1)高效除霧器組合的應用。對脫硫塔進行加高改造，由原有33m抬高為37m，在此空間加裝三層(見圖4)的屋脊式除霧器；采用升氣帽分層布置的三級水洗系統(tǒng)中，對各層間裝有的格柵和填料進行優(yōu)選改造，將原有波紋式改為聚乙烯塔式填料(見圖5)；在水洗塔出口增裝旋流式除霧器(見圖6)；通過采用不同形式的高效組合式除霧器，使各層氣流分布均勻，水洗液梯差濃度得以形成，煙氣溫度得到進一步降低，提高了除霧器的汽水、攜帶煙塵和硫化物的分離效率，使煙囪排出的尾氣清晰度得以較大提高。

圖4 脫硫塔出口屋脊式除霧器

圖5 一二級水洗層塔式填料安裝圖

(2)選用高效螺旋噴嘴。將吸收段和部分水洗段的實心錐形噴嘴改為新型高效噴嘴，新型噴嘴的最大噴流角度可達170°。這種結構緊湊的噴嘴有著暢通的流道，可以最大程度地減少液體阻塞，使液體在給定尺寸的管道上達到最大流量，在0.3MPa壓強下，單個噴嘴液體流率提高到250 L/min，同時保證了系統(tǒng)流量泵不做較大的改造。

4.3 技術應用4.3.1 膜法超高效除塵器改造

(1)膜法技術的應用。在130t/h鍋爐除塵器超低改造中，依托南京工業(yè)大學膜科學技術，最終確定了采用校企聯(lián)合方式，引用超高效膜技術。這一技術是最新、最前沿的專利技術，采用的有機覆膜材料布袋屬專利技術產(chǎn)品，其原理就是利用表面過濾的原理，以有效截留微納米粉塵顆粒。

(2)除塵器降壓差改造。保留原袋式除塵器的下部分，除塵器中箱體整體高度增高2m，進行上部凈氣室改造，并更換新的膜法技術長布袋、袋籠，同步進行相關附屬部件的改造；除塵器不設置旁通閥,以滿足環(huán)保要求。改造后,除塵器的阻力有較大幅度的下降，形成低壓差高效除塵器。改造后的性能保證值如下：煙塵排放指標≤5mg/Nm3,過濾風速≤0.8m/min,濾袋阻力≤800Pa。

4.3.2臭氧脫硝

(1)臭氧脫除原理。與傳統(tǒng)脫硝技術相比，臭氧脫硝是一種低溫氧化脫硝新環(huán)保工藝，其原理是利用臭氧的強氧化性，將難溶的低價態(tài)的氮氧化物氧化為可溶的高價氮氧化物，然后在吸收塔或與濕法脫硫結合,將氧化物吸收，達到脫硝的目的。

(2)臭氧脫硝優(yōu)勢。操作相對簡單，能全部實現(xiàn)自動化控制調(diào)節(jié)投加量的大??；即能配合傳統(tǒng)的SNCR、SCR傳統(tǒng)工藝使用，不存在氨逃逸對設備嚴重腐蝕等問題，運行過程中,過量的臭氧可以在吸收塔中分解，而不產(chǎn)生二次污染；系統(tǒng)實施非常簡便，如在以后的環(huán)保標準提高時，只需加裝設備，無需過多的改造，建設快，不影響正常生產(chǎn)；可作為終極脫硝手段，理論上可達到“近零排放”。

(3)聯(lián)合脫汞。O3同時可將煙氣中的Hg氧化成Hg2+，也能將SO3進行有效聯(lián)合脫除，這對滿足國家關于的SO3脫除、脫汞的要求,可提前做好應對措施，能充分體現(xiàn)出“協(xié)同處理”的優(yōu)勢。

4.4 優(yōu)化運行控制

(1)正交對比，固化指標。影響氨法脫硫工藝的主要指標有氧化率(亞硫酸銨濃度的高低)、pH值、溫度、空氣流量和流速等。其中,滿足煙氣分布均勻、與吸收溶液充分接觸、實現(xiàn)強制混合反應，是運行操作控制的關鍵，通過控制氧化器運行液位來提高氧化效果工作性能；通過交叉試驗，確定吸收液pH值最佳值為5.5～6.5，煙氣拖尾可得到有效控制。

(2)提高氧化風風壓。選用高風壓氧化風機，用羅茨風機分別送入空氣,在氧化器吸收段、脫硫塔增濃段內(nèi)進行雙段強制氧化、雙段氧化的設計，實現(xiàn)了漿液系統(tǒng)全過程氧化，抵制其易分解的逆反應發(fā)生。運行上提高氧化風風壓，確保氧化風壓力控制在75～85kPa，測定漿液系統(tǒng)氧化率提高到99.9%以上；氧化風管上增加沖洗水管路，并定期沖洗防堵塞，從設計上就減少了其被煙氣攜帶的量，降低了溶液中的亞硫酸銨組分。

5 超低排放改造后效果

5.1 環(huán)保排放指標

超低排放改造全部完成后投入運行，經(jīng)試運行調(diào)整后，三大重要指標運行數(shù)據(jù)能在超低排放要求內(nèi)得到有效控制，系統(tǒng)調(diào)節(jié)靈活。環(huán)保監(jiān)督性檢測數(shù)據(jù)見表2。

表2 超低排放排放口檢測數(shù)據(jù)

5.2 主要技術經(jīng)濟指標

環(huán)保改造主要經(jīng)濟指標對比見表3。

表3 環(huán)保改造主要經(jīng)濟指標對比

6 結語

在短短的幾年時間內(nèi)，國家環(huán)保政策日趨嚴厲，熱電廠環(huán)保設施經(jīng)歷了總量排放、限值排放、特標排放、超低排放等提標改造階段。熱電廠在超低排放改造中，遵循了“協(xié)同處理、綜合治理”的原則，實現(xiàn)了熱電廠和公司化工生產(chǎn)的綜合治理，提升了熱電廠環(huán)保處理能力，體現(xiàn)了公司內(nèi)部技術力量和新技術的應用優(yōu)勢。熱電廠環(huán)保超低裝置經(jīng)受了“進博會”和當?shù)卣笃髽I(yè)“10·30”提前實施超低排放的嚴峻政治考驗，有力地為裝置滿負荷生產(chǎn)提供了環(huán)保保障。