燃煤机组超低排放环保设施控制及仪表综述

倪新宇

（望亭发电厂，江苏苏州 215155）

燃煤机组超低排放环保设施控制及仪表综述

倪新宇

（望亭发电厂，江苏苏州 215155）

燃煤发电机组烟气超低排放标准及改造计划已在国家“十三五”计划中明确，在加快推进环保改造的大背景下，在已经取得成功的基础上，总结介绍了脱硝、除尘、脱硫设施的综合治理、控制策略、烟气污染物浓度的测量技术。

超低排放；环保设施；烟气污染物测量

1 火电机组超低环保形势

自2016年1月1日起，施行新的《中华人民共和国大气污染防治法》，国家发展改革委、环境保护部、国家能源局贯彻落实2015年《政府工作报告》关于“推动燃煤电厂超低排放改造”的要求，推进煤炭清洁高效利用，促进节能减排和大气污染治理，决定实行燃煤电厂超低排放电价支持政策。《基本思路》提出，全国其他地区以控制PM10为重点，省会及计划单列市等中心城市兼顾PM2.5和O3的控制。根据城市污染程度和改善的不同，对接近标准的城市提出达标时间要求，对超标严重的城市提出浓度下降比例要求。燃煤电厂PM2.5污染物78%属于可冷凝颗粒物，只有22%属于可过滤的颗粒物，燃煤电厂PM2.5的控制主要是酸雾（SO3mist）的控制。SO3mist是烟气中的SO3蒸汽在降到酸露点后冷凝成超细颗粒的物质，美国已将其归入总粉尘排放的计算值［1］。

2 环保设施的作用

以某烟煤煤粉锅炉为例，来认识燃煤锅炉出口未经环保设施处理的烟气成分，其中主要污染物见表1（标态，下同）。

表1中“其他”主要成分的烟尘（颗粒物）、SO2、NOx为烟气环保考核的污染物。经过脱硝、除尘、脱硫等一系列环保设施来综合净化，使烟气中的主要污染物大幅降低，达到排放限值，见表2。

表1 烟气成分

发电机组在达到烟气超低排放指标时，一共可以得到0.037元/（kW·h）的电价补贴。

3 环保设施控制

一种超低环保设施配置如图1所示，包含脱硝（SCR）、空气预热器（RH）、电除尘器（ESP）、引风机（FAN）、烟加热水换热器（GMH）、湿法脱硫（FGD）、水加热烟换热器（MGH）、烟囱。电除尘也可以是布袋或电袋复合除尘器。利用热媒水将烟气排放温度加热到露点以上。

近零（近燃机排放）环保设施配置如图2所示，增加了湿式电除尘器（WESP），并且GMH布置在电除尘之前，造就了低低温除尘技术的应用。

控制分配原则：锅炉的分散控制系统（DCS）负责SCR，AH，FAN；脱硫的分散控制系统（FGD-DCS）负责FGD，WESP，GMH，MGH；EPS以及WESP的静电场控制系统的运行数据可以通信给FGDDCS。当锅炉DCS与脱硫DCS采用同一型号时，可以实现发电与环保大集控，有利于环保数据的存储和上传；有利于环保设施的运行监控，以及烟气的余热利用、协同治理颗粒物，还有SO3和氨盐等全治理，甚至全负荷脱硝。

表2 净化后的污染物排放限值

图1 一种超低环保设施流程

图2 一种近零排放环保设施流程

有必要在各运行岗位的DCS界面设置排放口数据的热工信号报警，当跃限或数据失效时皆能发出报警，以便及时处理。

3.1 脱硝SCR的工作原理和控制原理

选择性催化还原法（SCR）是指在催化剂的作用下，以NH3作为还原剂，有选择性地与烟气中的NOx反应并生成无毒无污染的N2和H2O。氨气先与20倍自己体积的空气混合，再与320～360℃烟气混合，迅速进入催化剂层。氨气扩散到催化剂的微孔中，并被该活性区域所吸收，NOx便与被吸收的NH3完成脱硝反应。脱硝过程发生的主要化学反应式为：

式（1）表明去除NO所需要的NH3的分子个数相当，烟气中的含氧量也能满足反应的需求。

脱硝的喷氨量控制策略为：在催化剂合理工作温度范围内，采用多种优化控制方案，克服锅炉燃烧及测量产生的各种扰动，稳定调整氨气量，将SCR后的NOx质量浓度作为被调量，将其控制在合理区域，如25～40mg/m3（标态，下同），同时需要兼顾氨气逃逸不超标，通常烟气中氨气质量浓度不大于2.28mg/m3。控制品质越好，氨逃逸量就越少，空预器阻力增加越慢，厂用电越省［2］。

脱硝的烟气连续在线测量系统（CEMS）配置，主要测量SCR前后NO及氧量，以及氨逃逸浓度，也可以设置烟气流速等辅助参数测量。由于CEMS为点式抽取采样测量，单测点尽可能布置在最佳代表点位置附近。

脱硝控制一般由锅炉侧DCS的MCS，SCS或SCR控制器完成，脱硝设施运行数据通过电厂实时数据系统（SIS）向上级监管部门传送环保数据。

3.2 除尘的工作原理和控制原理

静电除尘器是利用高压电场使烟气发生电离，气流中的粉尘荷电在电场作用下与气流分离。静电除尘器的性能受3大类因素影响：第1类工况条件包括煤质、飞灰成分、飞灰物理性质及烟气条件；第2类是电除尘器的技术状况，包括极配形式、结构特点、振打特性、流场均匀性以及电场划分情况、电气控制特性等；第3类是运行条件，包括二次电流、电压［3］。近年来，国内环保企业通过一系列技术手段，静电除尘器已经可以实现除尘器出口的烟尘质量浓度不超过20mg/m3；采用电袋复合或全滤袋除尘器，已经可以实现不超过10mg/m3的要求。

除尘器的控制根据除尘设施采用不同的控制设备，如静电除尘的静电场的高频电源控制装置及连续振打装置；滤袋除尘主要是相对简单的脉冲阀控制。

输灰系统包括灰斗蓄灰和仓泵输灰系统。

滤袋除尘、输灰系统的程控通常由PLC实现，然后与DCS通信实现净烟集控，也可以直接由DCS实现监控。高频电源控制装置与PLC或DCS通信，除尘设施运行数据统一通信至脱硫DCS，包括静电场、脉冲阀、输灰系统等数据，统一由DCS-SIS向上级监管平台传送。

CEMS仪表主要为除尘器出口烟尘仪表，通常布置在引风机进口或出口的垂直烟道上，选择激光散射型仪表。

停机以后的一段时间内，由于炉内、烟道内的粉尘还较多，有角落里堆积的，也有悬浮在烟气中的，应该尽量延长除尘器的运行时间，避免将粉尘污染到除尘器后的干净烟道以及MGH换热器鳍片上，同时也为了减少粉尘排入大气中。

输灰系统在运行中，尤其在输灰设备故障时要做好防止二次扬尘的措施，保证超低排放的实现。

3.3 FGD的工作原理和控制原理

湿法脱硫原理：当吸收液通过喷嘴喷淋烟气流，被分散成细小的液滴并覆盖吸收塔的整个断面，液滴与烟气逆流时吸收了SO2，从而脱除烟气中的SO2。同时吸收了SO2的吸收液滴回到浆液池中，加氧并搅拌，完成氧化反应和中和反应。生成副产品石膏CaSO4，滤液水可以反复使用。

在浆液喷淋吸收的过程中，还附带洗涤了烟气中的颗粒物及Cl-，F-。吸收塔的上部还安装了除雾器，去除烟气中携带的吸收液滴，其洗尘和除雾作用将是脱硫设施协同除尘的两个重要性能。尤其在超低排放要求下，当FGD入口烟尘稍大时，通过增加浆液循环泵的运行，达到一定的液气比，来保证FGD出口烟气的颗粒物浓度。

采用高效优质除雾器产品，确保吸收塔出口雾滴质量浓度不高于20mg/m3，即颗粒物携带5mg/m3。

脱硫工艺主要控制是吸收塔出口烟气中SO2的浓度，包含吸收塔浆池浆液pH值、进浆密度与流量、石膏排浆密度等子控制，当有增压风机的系统还包含烟气压力控制。

定性分析脱硫控制过程，首先保证浆液循环喷淋流量与烟气中SO2流量相适应。烟气中SO2流量可以通过DCS计算出，浆液喷淋流量可以根据经验采用不同的循环泵运行组合来实现调整。在石灰石-石膏法脱硫过程中，一个十分重要的运行参数就是吸收塔浆液的pH值。从实际的使用过程中可知，pH值的高低，对于SO2的吸收程度有着直接的影响，浆液pH值高，传质系数就会增加，对SO2的吸收速度就会加快。但太高的pH值会造成石灰石的溶解困难，加重系统结垢，影响设备整体的运转效率。太低的pH值有利于石灰石的溶解，但是会降低SO2吸收的效果。根据各系统不断积累的经验，吸收塔的浆液pH值选择在5.2～5.8是比较合适的。

在石膏浆液pH值控制中，一般通过DCS人工操作在保证浆池液位在合理范围内，排出pH值低的石膏浆液、加入pH值较高的石灰石浆液，实现控制pH值在合理范围内。如果需要实现自动调节，可以采用串级调节、前馈控制、速率限制、阀门开度限制、变比例、变设定参数等手段来优化控制逻辑。

控制石膏浆液pH值的同时控制密度在1 170 kg/m3，注意吸收塔浆池的水平衡。石灰石浆液的密度控制在1240 kg/m3。

吸收塔浆达到搅拌器运行液位以上时保持连续运行。氧化风流量由风机运行数量确定，一般人工控制。

脱硫设施热工保护的主要功能是：防止高温烟气流入导致吸收塔及烟道防腐材料过热脱落以及除雾器变形。

运行温度一般超温时采取事故喷淋降温的保护措施，控制逻辑如下：

（1）自启动条件（与）：吸收塔进口烟气温度（3取2）＞140℃，吸收塔出口烟气温度＞60℃，延时5 s。

（2）自动停条件（或）：吸收塔进口烟气温度（3取2）＜130℃，延时30 s，喷淋启动后15min。

运行温度紧急超温时停用FGD且切断脱硫烟气通道，同时机组跳闸停运，其逻辑为下列3个条件之1：条件1，吸收塔进口温度≥150℃（3取2），且吸收塔出口烟气温度＞75℃，延时5 s动作；条件2，吸收塔进口温度≥180℃（3取2），延时10 s；条件3，FGD循环泵全停。

如有增压风机，作为发电机组的第一重要辅机，其保护程控和烟气压力控制是极其重要的，热控装置配置参照主机保护与控制，在此不作累述。

脱硫工艺辅助控制包括除雾器冲洗间断运行的顺控，辅机的联锁与保护程控包括浆液循环泵系统、氧化系统、搅拌器、石膏脱水系统、排水坑系统等。

3.4 烟烟换热环保设施的工作和控制原理

由于回转式GGH的漏烟造成排放污染物浓度持续较高，超低排放环保设施就必须摈弃GGH。根据烟囱的设计烟温，如超过浆液吸收塔后烟温50℃，就需要将烟气再加热，即改造成管式热媒水换热器（GMGH）。为了实现超低排放，电除尘的除尘效率需由99.75%提高到99.94%，电除尘出口颗粒物质量浓度由81mg/m3降到20mg/m3。综合以上因素，将电除尘前的烟气热量通过热媒水GMGH系统传递到烟囱前的烟气中。这时设计的电除尘器即为低低温电除尘器。降温段（烟气加热水GMH）出口烟气温度的设定值主要从低温腐蚀、工程经济性和电除尘器效率3个方面进行综合考虑。升温段（水加热烟气MGH）烟气温度主要是从烟囱防腐、消除白烟、有利烟气抬升高度等角度考虑，如图3所示。

GMGH系统的控制要点是保持降温器出口烟气温度在烟气酸露点以上，保证换热管材的腐蚀速度在合理范围内：

（1）循环泵变频调速改变循环水流量，控制降温器出口总平均烟温在95℃；

（2）n个调节阀，控制n个降温器的出口烟温在95℃，避免烟气流量不平衡而个别烟温下降太低；

（3）旁路调节阀控制降温器出口平均烟温在95℃，在循环泵较低转速下才自动投入；

如果烟囱可以接受48℃的烟温，则换热器可以作为低温省煤器进行预热回收使用。

如果采用电袋复合除尘，布袋运行烟温下限是105℃，以及布置场地等因素的限制，GMGH的降温段布置在除尘器到吸收塔之间的烟道中，GMGH的升温段尽量布置靠近烟囱排放口。

降温器冷段金属防酸腐蚀要求降温段热媒水温度控制在70℃，通过启动辅助加热器控制升温器出口温度。

3.5 湿法电除尘器环保设施的工作及控制原理

根据颗粒物排放指标，在5mg/m3时需采用湿除来保证。依靠静电捕捉细小颗粒物和水雾，并周期性用水冲洗集尘电极板，不仅脱除PM2.5，PM10的烟尘、石膏，还能脱除一定的SO3和Hg，对减少雾霾起到一定的作用。

高压高频除尘系统的放电电流控制是1个独立的控制系统，由高压高频电源控制柜中的PLC控制，可根据运行方式的需要由手动、自动及PLC远程和显示控制，高压（输出）低压（输入）系统的电源工作电流、开关状态、仪表信号及其他信号均在控制室HMI上显示，高低压控制系统可根据工艺运行要求设置自动控制。

湿除高压高频电源PLC与湿除DCS之间通信，并在脱硫DCS操作员站上实现高压高频电源的自动程控功能，包括电源的启停程控、参数设置、查看运行曲线及报表、故障报警等。

直接由DCS实现监控的部分包括：烟气系统、水冲洗系统、电场绝缘箱密封风及加热器系统、阴极热风吹扫系统。

当湿除阻力增大时要适当增加冲洗频次，减少极板结垢。在运行中，还要注意根据高频电源的功率及时调整电压，避免超限跳闸。

4 仪表选型

烟气污染物浓度分析仪表选型的主要参数是仪表的最小量程（在满足精度条件下）。最小量程是分析仪的物理量程，反映了仪表最小检出值、灵敏度、精度、零飘、量飘等综合性能。使用量程可以是最小量程的1～4倍。

4.1 排放口气态污染物的测量原理

常见的非分散红外吸收（NDIR）法和紫外差分吸收光谱（DOAS）法相比，DOAS的物理量程比NDIR小。在超低排放测量中选型合适，两者皆可运用。超低排放测量预处理要有更强的除水率，可采用多级高效冷凝器，或采用渗透膜材料制成的干燥管技术，干燥管的SO2丢失浓度更低。

图3 GMGH过程系统

SO2紫外荧光法紫外光线激发SO2发出一定波长的紫外光；NOx化学发光法，亚稳态的NO与来自臭氧发生器的O3气体发生反应，转化为激发态的NO2*。当激发态的NO2*跃迁到基态时发射出光子，光信号由光电倍增管按特定波长检测接收。由于这两种方法测量浓度较低，烟气预处理适合采用稀释法处理。

4.2 烟尘（颗粒物）测量原理

根据测量烟尘浓度大小范围来选择测量原理，由大到小的排列次序为：接触静电法、光透射法、激光后散色法、激光前散色法、β射线吸收法。当烟气温度接近露点时，为了避免雾滴的干扰，需要增加烟气预处理装置，用加热方法蒸发并气化水雾。

4.3 CEMS的注意事项

测点的布置要综合考虑CEMS测点与比对监测测点以及环保设施性能；CEMS的系统响应时间标准要求小于200 s；烟尘做到等速采样；仪表的线性误差、零点漂移、量程漂移指标也要符合标准。

排放口的最终NOx要反映烟气中NO和NO2的总和，CEMS选型要注意产品的环保认证有效，考虑烟气的温度、压力、流速是否满足仪表工作条件，以及周围环境的要求。

布置在高尘、高流速区的热工采样探头、测温袋需要考虑其耐磨性，采取有效措施延长使用寿命。采样探头插入深度最好在1.2m以上。除了采样探头以外的其他测量探头也需要采取防止低温结露腐蚀的措施，比如电加热、保温包裹法兰管。超低排放环保设施监控及自行监测CEMS的仪表选型见表3。

表3 CEMS仪表选型

5 结束语

今后还需进一步总结与超低排放技术相适应的控制与测量经验，研究SO3、氧化汞、气溶胶的脱除控制与测量技术，在今后的工程或运行中，将环保设施的效率、经济性、可靠性、自动化水平、测量的准确性都得到提高。

［1］张孔瑜，曾之俊.燃煤电厂PM2.5污染物控制方案［C］.2015年电力行业节能环保论坛暨技术应用交流会论文集.北京：中国电力企业联合会，2015.

［2］倪新宇.火电厂脱硝系统控制分析及优化［J］.华电技术，2015，37（2）：65-67.

［3］郦建国，林澄波，沈志昂.全国环保产品标准化技术委员会.电除尘器［M］.北京：中国电力出版社，2011.

（本文责编：齐琳）

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1674-1951（2016）11-0055-05

倪新宇（1970—），男，江苏苏州人，工程师，从事火电厂热工控制方面的工作（E-mail：chdwdnxy＠163.com）。

2016-05-04；

2016-09-01