探究节能环保技术措施在火电厂中的实际应用

国家能源集团国能宝清煤电化公司 李子波

1 火电厂湿法脱硫技术节能改造

1.1 技术背景

目前，火电厂在脱硫改造中采用石灰石-石膏湿法烟气脱硫技术（WFGD），某火电厂采用4台300MW级燃煤机组，共配置4套湿法烟气石灰石-石膏脱硫系统，从设备运行现状来看，在脱硫系统中的脱硫增压风机，以及吸收塔循环系统设备的耗电量较大，并且该火电厂为维持自身正常运行，需要消耗大量成本，导致自身发电成本居高不下，严重影响了企业的经济效益。

1.2 优化烟气换热器的运行方式

造成烟气换热器内部积灰、结垢的原因是多方面的，例如除尘器中的烟气含量偏高会导致传热元件上大量积灰，若不能及时处理则会导致装置上的压差快速上升，并导致风机电流量增加，并增加装置的电耗。除此之外，上述问题也可能造成石灰石粉活性下降，并引发脱硫石膏脱水困难，影响脱硫效果。同时，压缩空气在线吹扫频率不足或者高压水在线冲洗功率偏低也会导致装置内部差压增加，并导致能耗增加。

针对上述问题该火电厂采取以下应对措施：提升电除尘器的运行可靠性，并坚持在每个月停运脱硫系统后冲洗装置，通过低压水冲洗等方法清除装置上黏附的酸性沉积物，确保装置可在水的外力作用下清除表面酸性物质。之后改用高压水枪冲洗，其目的是清除装置上常规水冲洗无法清除的黏附物。最后，对装置做压缩空气吹扫以及日常干燥即可[1]；合理运用脱硫系统停运时期，采用人工高压水冲洗的方法保持装置清洁；在设备投入使用后应提升压缩空气的吹扫频率，根据现有经验，每8h内应吹扫烟气换热器2次以上。

1.3 脱硫增加风机的节能运行

根据火电厂的实际情况来看，目前火电厂内布设两台功率为2500kW的风机，该装置的最大转速为580r/min，额定电流301A。在火电厂运行期间，考虑到厂内装置无法保障长期满载的要求，因此须调整增压风机静叶的方式调整转速；而随着风机运行负荷增大，则需要在现场不断调整进口的静叶开度，上述行为不仅会造成设备能耗增大，也有可能增加设备损坏风险，不容忽视。在系统改造中使用美国AB巩固和内饰提供的X7000型变频器，该装置由18只SCR组成的6kV整流器，以及6kV逆变器等装置组成，改造后的系统框架如图1所示。

图1 脱硫增压风机的变频改造系统结构图

1.4 吸收塔循环泵的运行改造方案

该火电厂每套脱硫系统均配置了3台脱硫循环泵，该装置运行期间因为减速箱质量存在缺陷，再加之装置的运行噪声大，严重影响了脱硫系统运行稳定性。所以，为解决上述问题，本次项目中制定的节能改造优化方案为：取消传统的吸收循环泵减速箱，将系统改为电机直连运行模式。

1.5 改造效果评估

为综合判断上述湿法烟气脱硫技术的可行性，本文将综合对比节能改造效果，相关数据显示，改造后的装置平均脱硫效率提升4.0%左右，并且一台吸收塔再循环泵停运1h则可以节能用电400kWh，同时按照当地电价0.5元/kWh的标准来计算，则每月降低生产成本约为14.4万元。同时，经过变频调速控制改造后，系统的经济性明显改善，并在一定程度上优化了装置的整体运行状态，与改进前相比，本文所介绍的节能改造方案可减少电机启动等冲击作用对电机的破坏，有助于增强机组稳定性。

2 火电厂脱硝系统改造方案

2.1 机组概况

某火电机组采用Ⅱ型布置方案，属于单炉膛、四角切圆燃烧方式。该火电机组在脱硝改造中选择催化性还原烟气脱硝工艺，每台脱硝装置的最大处理能力为锅炉最大连续蒸发量工况时的100%烟气量。并且为满足节能环保生产要求，烟气的脱硝效率应大于等于85%。催化剂为蜂窝式，在处理现场采用了“2＋1”的布置方式。

根据现场调查结果可发现，该机组的脱硝系统存在以下问题：根据脱硝系统的图纸调阅结果可发现，因为脱硝系统中布设导流板，该装置被布设在顶部烟道与底部弯道的转折处，该问题则会导致喷氨格栅处流场分布不均匀，影响处理效果；喷氨格栅与喷嘴装置。由于原有装置中主要沿着垂直方向布设多个喷嘴，但在实际应用中可以发现分支管上的不同喷嘴的喷氨数量不均匀。同时，由于喷嘴直径较大，所以在运行期间无法保障烟道截面的覆盖效果，无法保证氨气与烟气之间均匀分布。

2.2 优化脱硝系统流场

根据改造前装置烟气流速分布情况可以发现，省煤器出口位置存在大的低速涡流区，造成水平方向的烟气流速分布效果差，并且在入口烟道垂直段也可发现大范围的低速区域。受到上述问题影响，最终导致水平方向上的烟气分布不均匀。

为解决上述问题，在本次系统改造中分别在省煤器的出口位置，以及脱硫催化剂顶部烟道内增设导流元件，其目的是通过导流元件改善喷氨格栅入口烟气流场分布的均匀性[2]。并且与传统结构相比，经过本次现场改造可清除催化剂区域中的低速流体区域，进而消除催化剂入口位置产生的烟气截面速度偏差。根据优化后的气体分布结果可以发现，入口烟道喷氨截面的烟气流场的整体分布十分均匀，气体流向结果呈现出与催化剂相垂直的特征。

2.3 完善氨-控扰流器

为解决传统系统结构弊端，在本次系统设计中利用固定在管道内的氨-控扰流器调整气体在管内的流动状态，在氨-控扰流器的作用下，可通过增加流体运动梯度的方法使其形成湍流，保证装置内氨气与空气的充分混合。根据相关数据对比结果可发现，在本次装置改造中加装氨-控扰流器装置后，管道内的氨气分布均匀性明显提升，且氨气分布相对偏差误差值也下降至8%以下，该结果也显示管道内的空间分布情况更理想。

2.4 加装氨-烟混态扰流发生器

在传统工艺中，为满足设备脱硝研究，须在喷氨格栅前方增设导流板来消除烟气速度偏差。但在该结构中，为保证满意的脱硝效果，则需要保证喷氨格栅与催化剂之间的烟道距离足够长，这样才能保证理想的烟气扩散与混合时间。但在实际上，现有装置中的烟道距离短，因此可考虑在喷氨格栅后方增加氨-烟混态扰流发生器，用于改善反应器内的空间分布情况。分别比较加装氨-烟混态扰流发生器前后装置上方的烟道流场空间分布情况后可以发现，在装置作用下可以显著增加湍流强度，并且在装置结构优化中通过调整扰流器的安装位置，也可以用于控制烟气与氨气之间的混合效果。

2.5 喷氨格栅的改造方案

在优化喷氨格栅结构期间，需采用计算流体动力学软件（CFD）计算格栅喷嘴的角度与数量，其目的是保证喷嘴的喷氨量保持均匀，并通过防磨防堵处理方法，保证装置喷氨效果均匀。因此，在本次装置改造中，通过将烟道划分为大小均匀的4个分区，通过电动调节阀调整每个分区的喷氨量变化情况，并且每个分区中均设置6个小分区，并且每个分区均由单独的手动控制阀控制。为实现深度调节喷氨量，在本次设计中铺设超过20个截止阀，每个截止阀均可以用于调整喷氨量变化。

根据本次项目的评估结果显示，在对喷氨格栅进行系统改造后，改造后的格栅具有以下特征：装置改造后有助于综合控制管道的直径与喷灌直径，保证每个喷嘴的流速是相对一致的，解决了传统结构下喷嘴流速不相同的问题；在优化喷嘴结构后，有助于相关人员随时控制喷嘴的喷射速度，尤其是可以通过调整喷射夹角的方法，提升氨气与烟气的混合效果，进而避免出现喷口磨损积灰问题。

2.6 改造效果评价

根据案例火电厂结构改造的成功经验来看，该装置可在660MW的工况下维持相对稳定的机组负荷，尤其是喷氨量较为稳定，提示上述改造方案具有合理性。

脱硝入口烟气流速情况。根据装置的现场检测结果可知，烟气改造后的脱硝入口位置分布是相对均匀的，其中烟气流速最低值为14.3m/s，最大值则高达20.1m/s；脱硝入口位置的烟气温度分布情况。根据现场监测结果可发现，脱硝入口位置的温度场整体空间分布情况更加均匀，其中烟气温度的最低值约为360.3℃，而维度的最高值仅为367.2℃，每个检测点烟气温度的平均温度偏差值均为-3.52～4.36℃；脱硝入口位置的氮氧化物浓度分布情况可以发现，改造后脱硝入口位置的丹阳化合物浓度分布均匀，其中入口位置质量浓度的最低值为164.1mg/m3，最高值为176.8mg/m3，各个监测点的氮氧化物质量浓度目标标准差均满足质量标准。

3 火电厂除尘器的节能改造

某火电厂的330MW机组采用FE型电袋复合式除尘器，其低压柜使用PLC控制系统，该除尘器的设计煤种烟尘排放浓度≤50mg/m3，设计最高除尘率为99.91%，漏风率为2.41%。该除尘变压器容量为1000kVA，高压侧电压值为6000V。该装置自投入商业运营后，其运行质量一直受外界负荷等因素影响，根据火电厂的运营经验来看，早在2021年5月，为降低后级布袋运行出力并延长使用年限，该厂家调整除尘器运行方式为电流极限100%，全波运行方式0，结果显示上述方法可以显著提升电场除尘效率；并且在使用全波供电模式后，系统的耗电量显著提升，未满足节能运行要求。

为解决传统装置运行中存在的问题，本次系统改造中采取间歇式供电方式，即调整装置机组负荷165MW，除尘器喷吹时间间隔15s，喷吹压力0.3MPa，将整流变压器电流极限值上调至100%。根据现场观察结果可以发现，在经过调整后整流变压器停运后整个电袋除尘器的压差不会出现明显变化。

在分别对比试验前后电袋除尘率的相关数据可以发现，当整流变压器的极限值调整至100%后，装置全天的耗电量约为13.2MWh；而在电流极限为100%状态下停运一台整流变压器时，可发现全天耗电流下降至10.65MWh（见表1）。结合当地电价可以发现，经过上述改造后每个月可以降低约3万元的运行成本，具有可行性。

表1 设备运行效果评估

根据案例火电厂项目的成功经验可知，在火电厂电袋除尘器节能降耗中采取间歇供电方法具有可行性，但在执行阶段还应该充分认识到该技术的局限性，做到“具体情况具体分析”。该技术的局限性主要体现在以下几方面：采用间歇供电工艺后，其供电设备毕竟比不上脉冲宽度较窄的全波脉冲供电设备，因此经改造后难以显著提升整个系统的运行功效，这是需要重点关注的问题；若电除尘器在电阻太小的情况下严禁运行，避免过度影响装置的运行功效；在电厂电流值偏大以及负载值异常的情况下，采用间歇供电无法取得满意效果，这是因为间歇供电控制过程可能会受到电阻以及电源容量等因素的影响[3]。

在火电厂运行阶段，运用节能环保技术可取得满意效果，已经成为企业节能增效的关键，具有广阔的发展前景。根据本文的研究结果可知，在火电厂运行阶段，无论是火电厂湿法脱硫技术节能改造还是除尘器节能改造、脱硝系统改造等均有可行性，根据案例火电厂项目的改造经验可发现，在采取上述节能环保改造方案后，整个企业的经济效益显著提升，上述技术均达到了降低设备运行能耗、提升企业经济效益的目的，具有可行性。