环保技术在超超临界1000MW火电机组的应用分析

李 坤

(山东能源内蒙古盛鲁电力有限公司)

0 引言

为了缓解电力产业在社会发展中的高耗能问题,解决社会经济产业与环保建设的矛盾关系, 国家提出了针对火电机组运营的改造与升级计划。我国是一个以燃煤为主的国家, 一次能源中以煤为主的燃料占到了75%以上。随着国内电力工业行业的发展, 火力发电厂开始逐步朝着大容量、自动化、低能耗等方向发展, 在此过程中, 如何实现对火电机组排放的控制, 成为了电力企业的关注重点。

火力发电厂排放的大气污染物主要有粉尘、SO2、NOx 和多种微量重金属。为了减少火力发电厂的排放, 我国出台了一系列的环境保护标准, 并对火电机组在运营中的排放情况进行了监测。为应对与之方面相关工作的深化, 监测单位将火电机组排放数据与各地环保局进行了联网, 进行机组排放的实时监控。尽管管理单位投入了大量资金、人力用于改造机组以减少其污染物的排放, 但根据监管单位的反馈可知, 现有的减排方案根本无法在实际应用中发挥预期的效果, 针对此方面问题, 本次研究引进环保技术, 以1000MW 为例, 开展如下所示的设计研究。

1 1000MW 火电机组的排放性能分析

为掌握1000MW 火电机组在投入使用后的优势,在设计前, 将其与某地区发电厂现用的300MW 火电机组在使用中的污染物排放量进行对比, 见表1。

表1 1000MW 火电机组的排放性能分析

根据上表中的数据可以看到, 随着火电机组单机容量的增加, 即使用高效率、大容量的临界火电机组, 在增加了机组发电量的同时, 燃煤量反而呈现降低趋势, 与此同时, 火电机组在运行过程中的污染物排放量(包括SO2排放量、烟尘排放量、NOx 排量等) 也呈现对应的趋势。综合上述分析可以说明:1000MW 火电机组在投入使用后的综合性能优于300MW 火电机组的的综合性能。

2 1000MW 火电机组概况

在进行1000MW 火电机组环保设计前, 对电厂机组的基本情况进行分析。在此过程中, 应明确本文研究的火电厂是一种将煤炭作为核心燃料的电能生产单位, 煤炭燃烧的过程便是电能生产的过程。煤炭燃烧时, 需要将块状煤进行加工与研磨, 块状煤形成粉末后, 被送到炉膛中进行燃烧, 燃烧过程会释放大量的热能, 热能可以用于加热锅炉中的给水, 使液态水成为水蒸气, 从而实现化学能转化为热能, 对火电厂的生产流程展开分析。

本次研究的火电机组为2 ×1000MW 属于超超临界直流机组, 其关键参数见表2。

表2 超超临界火电机组的主要技术参数

3 环保技术在超超临界1000MW 火电机组的应用

3.1 超超临界1000MW 火电机组脱硝处理

采用SCR 脱硝工艺能够将脱硝效率控制在85%以上, 为满足环保要求, 按照80%的控制, 再加上对低氮燃烧系统的改造, 对原有系统进行催化剂增加处理, 从而确保脱硝系统的提效效果能够满足预期要求[1]。针对原有脱硝系统, 在建设的过程中, 按照80%进行设计, 并结合“2 +1”方案完成布置。锅炉出口的NOx 浓度通常在300mg/m3左右, 此次改造,按照入口NOx 浓度不超过350mg/m3进行设计。若达到NOx 排放浓度不超过40mg/m3, 只需要将脱硝效率增大到88%, 在原有结构基础上, 设置一层新的催化剂结构, 解决脱硝问题[2]。一般情况下, 催化剂用量越大, SO3转化率越高, 但也会增大空预器中硫酸氢铵的堵塞概率。在相同SO3浓度条件下, 氨气含量较低, 因此, 本项目提出在空预器投入后, 通过氨气均匀度的检测和调整, 来降低空预器的运行风险[3]。原来SCR 工艺中, 没有在备用层段增设吹灰装置,使用的是一个单级反应器, 每个层段有7 个。此次的改造, 是根据原来的设计, 为每台机组增加14 台声波吹灰器, 2 台机组, 总计增加28 台声波吹灰器, 因此, 应该对其进行相应地增加压缩空气管线。

3.2 基于环保技术的机组综合除尘处理

原有超超临界1000MW 火电机组在采取相应措施后, 粉尘排放浓度能够达到15mg/m3～20mg/m3的水平, 但无法实现将其控制在5mg/m3以下的水平。为了使烟道出口的烟尘浓度不超过5mg/m3, 或者不超过10mg/m3, 就必须采取更为细致的烟道除尘技术[4]。对此, 引入环保技术, 对机组综合除尘处理进行改造。该项目原有的除尘系统根据火电厂大气污染物排放标准进行整体除尘, 其中静电除尘器的除尘效率按99.84%进行计算, 在燃烧设计及校核煤种时,静电除尘器的除尘浓度均为50mg/m3, 在采用湿式脱硫喷淋塔冲洗后, 其出尘浓度降至30mg/m3以下, 满足国家规定。本文提出一种全新的“超洁净”目标,即在环保技术的应用下, 电除尘器只能选用低低温型[5]。在电除尘器进口处, 需安装一个低温型的省煤器, 使烟气温度降低到接近露点的温度, 从而大大提升电除尘器的收尘效率, 并将废热量送入回热系统,从而达到节能降耗的目的。

在低低温度条件下, 碳烟的比阻系数下降, 碳烟的电粘附能力下降, 碳烟的荷电性增加; 结果表明:烟气的容积率减小, 电场的速度减小, 在电场中的滞留时间增加, 单位容积内的尘埃质量浓度增加; 降低了烟尘中的微粒和气体分子的热转移性, 增加了空气的击穿电压, 从而增加了粉尘的收尘效果。可见, 在烟气降温后进行操作, 可以从多个角度改善静电收尘器的工作特性, 从而达到优化操作的目的。在设计低低温静电除尘器时, 其关键在于对其进口烟温的选取要合适, 根据国外已有的生产实践, 炉温控制在90℃以内是最佳的效果。

3.3 脱硫改造

为实现对超超临界1000MW 火电机组的脱硫处理, 引入石灰石——石膏湿法。通常情况下, 该工艺的应用可以使脱硫效率达到95%以上。在选择石灰石材料时, 需要考虑其硬度条件, 利用石灰石的可磨指数可以实现对其硬度的判定。石灰石可磨指数可用符号BWI 表示, 在此基础上, 针对球磨机能耗与硬度粒度的关系进行估算:

式中,W为能耗,P为八成的产品可通过筛网孔径,F为八成的入料可通过的筛网孔径,CF为修正系数, 需要进行无量纲化处理。

若需要进一步对其脱硫效率进行提升, 还需要采用相关辅助措施。在石灰石-石膏湿法基础上, 为达到环保超低排放, 为吸收塔增设一台浆液循环泵装置, 并在塔内增设喷淋层以及增效装置。

在吸收塔当中增设一台浆液循环泵装置, 该装置的流量应当控制在13000m3/h 以上, 扬程可根据需要设置为28m 或30m, 对应的轴功率分别为1450kW 和1500kW。电机功率通常为1500kW/1800kW。在此基础上, 还需要增设土建和电气等基础设施。在需要进行改造的喷淋层上, 再增设一层。要求喷淋层木管的直径应当控制在1300cm ～1500cm 范围内, 其材质的选择应当尽可能选用FRP。吸收塔液位应当按照原始高度抬高1.1m, 吸收塔的入口与第一层喷淋层均需要抬高1m, 并将除雾器的位置抬高2.5m。

按照上述内容进行改造, 吸收塔标高提升5m 以上, 燃用校核煤种时, 其排放的二氧化硫浓度能够有效控制在30mg/m3以内。

4 应用后机组运行试验

为确保相关工作实施达到预期效果, 完成环保技术在火电机组中的应用后, 采集1000MW 火电机组在改造升级前与改造升级后的出口烟气, 通过对烟气的分析, 掌握环保技术在机组改造工程中的应用效果。

完成采样后, 对机组1 与机组2 出口污染物排放量进行统计, 其结果见表3。

表3 环保技术应用前与应用后机组1 与机组2 出口污染物排放量对比分析

5 结束语

根据上述研究, 得到如下结论: 环保技术应用前机组污染物排放量＜环保技术应用后机组污染物排放量, 说明本文提出的环保技术在应用中效果良好, 此项技术可以有效控制1000MW 火电机组的污染物排放, 通过此种方式, 降低火电厂在运行过程中对生态环境的污染。