中小燃煤机组脱硫除尘一体化超低排放改造实例

陈文瑞

(福建龙净环保股份有限公司， 福建 龙岩 364000)

中小燃煤机组脱硫除尘一体化超低排放改造实例

陈文瑞

(福建龙净环保股份有限公司， 福建 龙岩 364000)

本文以某电厂一台220t/h煤粉锅炉烟气超低排放改造作为实例，介绍中小燃煤机组脱硫除尘一体化超低排放的设计方案、技术原理，并对方案的技术经济性做出分析。本文对今后同类中小燃煤机组超低排放的改造具有积极的参考和借鉴作用。

超低排放；脱硫；单塔多区；pH值；低低温电除尘；MGGH

继大型燃煤机组超低排放改造之后，“十三五”期间国家将掀起对中小燃煤机组烟气超低排放改造新一轮的高潮。在我国，中小燃煤机组有其特殊国情，以及此类锅炉和烟气特性，对此类机组进行超低排放改造，必须考虑实际情况，采取适合可行且性价比较高的改造方案。本文以某电厂220 t/h煤粉锅炉烟气超低排放改造为例，介绍其设计方案、技术原理，并对技术经济性进行分析，旨在对今后同类项目的改造提供借鉴和参考作用。

1 项目背景

1.1 政策法规

根据发改委“关于印发《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014-2020)》的通知”(发改能源[2014]2093号)及“稳步推进东部地区现役30 万千瓦及以上公用燃煤发电机组和有条件的30 万千瓦以下公用燃煤发电机组实施大气污染物排放浓度基本达到燃气轮机组排放限值的环保改造，2014 年启动800 万千瓦机组改造示范项目，2020 年前力争完成改造机组容量1.5 亿千瓦以上” ，在此背景下，某电厂拟对220 t/h煤粉锅炉的烟气脱硫、除尘系统进行进一步提效改造，实现烟气污染物的超低排放，在满足《火电厂烟气排放标准》(GB13223-2011)中规定的排放限值的基础上，达到以天然气为燃料的燃气轮机组的排放标准，即烟尘排放浓度不大于5 mg/Nm3，SO2排放浓度不大于35 mg/Nm3，NOx排放浓度不大于50 mg/Nm3。

1.2 改造前情况

该项目原烟气脱硫装置采用生物脱硫工艺，采用三炉一塔，脱硫阻力由引风机克服，无GGH。烟气脱硫系统设计参数为：设计煤种(Sar=0.7%)脱硫效率不低于97.5%，入口烟气SO2含量2 000 mg/Nm3(湿基，实际含氧量)，SO2排放浓度不大于50 mg/Nm3。现正常运行烟囱出口的实际排放浓度为50 mg/Nm3以内，脱硫效率97.5%。

原烟气除尘采用一台单室三电场静电除尘器，电除尘器设计参数为：除尘效率不低于99%，正常运行时，除尘器出口烟尘排放浓度低于100 mg/Nm3，电除尘效率达到99%。电除尘入口烟气参数如表1所示。

表1 电除尘入口烟气参数

1.3 总体技术路线

通过多方调研和论证，按锅炉尾部烟气走向，本项目烟气脱硫和除尘超低排放改造设计工艺流程为：锅炉→空预器→烟气冷却器→低低温电除尘器→引增合一风机→单塔四区脱硫塔→吸收塔塔顶湿式电除尘器→烟气再热器→烟囱。

1.4 改造后要求

本次超低排放改造总体要求：烟尘排放浓度不大于5 mg/Nm3，SO2排放浓度不大于35 mg/Nm3，NOx排放浓度不大于50 mg/Nm3。分解到各子系统，要求：

(1) 在电除尘器进口前端设置烟气冷却器，原电除尘器形成低低温电除尘器。在烟囱入口端设置烟气加热器，组成MGGH系统(水媒烟气-烟气加热系统)，其中降温段将烟气温度从135℃降至100℃，升温段将烟气温度从50℃升至80℃。

(2) 低低温电除尘器进行扩容改造后，电除尘出口粉尘浓度浓度≤40 mg/Nm3，除尘效率≥99.89%。

(3)原脱硫方式改造成石灰石-石膏湿法脱硫，采用单塔四区吸收塔技术，脱硫出口SO2排放浓度≤35 mg/Nm3，脱硫效率≥98.84%。脱硫塔进口烟尘浓度按照40 mg /Nm3设计，要求经过脱硫塔系统后出口烟尘浓度低于25 mg/Nm3。

(4)吸收塔顶部设置湿式电除尘器，湿电进口烟尘浓度按照25 mg/Nm3设计，要求经过脱硫塔系统后出口烟尘浓度低于5 mg/Nm3，脱硫效率≥83.4%。

2 电除尘器改造

本工程在现有除尘器进口端增加一烟气冷却器，烟气温度由135℃降至100℃，原电除尘器变为低低温电除尘器，大大降低粉尘比电阻和电除尘器的处理烟气量，有效提高电除尘器收尘效率。在原电除尘器上增加一个第4常规电场，原电除尘器第1～3电场工频电源改为高频电源。根据原电除尘器场地布置条件，在电除尘器出口烟道侧增加一个有效长度4.5m长的电场。电除尘器比集尘面积增加，除尘效率提高。电除尘器效率根据多依奇公式计算：

(1)

式中： A—收尘板面积(m2)； Q—烟气量(m3/s)； ω—驱进速度 (m/s)

先按原电除尘器的除尘效率99%和比集尘面积51.03 m2/m3/s反算得到驱进速度ω为9.02 cm/s。在原电除尘器出口增加一个有效长度4.5 m的电场后，集尘面积增加1 890 m2，电除尘总集尘面积从5 670 m2增加至7 560 m2，单台电除尘器入口烟气量101.79 m3/s(366 433 m3/h)，比集尘面积为74.27 m2/m3/s。按驱进速度9.02 cm/s，比集尘面积为74.27 m2/m3/s计算得电除尘器效率99.88%。当电除尘效率99.88%时，电除尘器出口粉尘浓度为36×(1-99.88%)=0.0432 g/Nm3,即43.2 mg/Nm3。将第1～3电场原工频电源改造为高频电源，按提效10%，出口粉尘浓度为43.2×(1-10%)=38.88 mg/Nm3，经过湿法脱硫系统和湿式除尘器后，达到国家标准规定≤5 mg/Nm3排放要求。改造后电除尘器技术参数如表2所示。

增加一个电场具体改造内容：

(1) 进、出口喇叭标高不变，拆除原出口喇叭、优化支架。

(2) 在原3电场后新增加一个有效长度为4.5 m的电场，使原3电场除尘器变为4电场电除尘器。

(3) 对原1～3电场阴阳极系统维修，排除原有故障。

(4) 原从电除尘器出口到引风机入口混凝土立柱进行核算加固，并新制钢烟道支架。

(5) 从除尘器出口到引风机入口烟道，可以利旧原来的部分烟道，原来烟道上的补偿器根据使用情况，考虑利旧。

(6) 每台电除尘器新增电场底部增加2台仓泵除灰系统，出灰排至原电除尘除灰系统主管道。

3 增设MGGH系统

3.1 MGGH系统设计要求

为了提高电除尘器的除尘效果，降低脱硫系统的工艺水耗量，本次超低排放改造在原静电除尘器进口前和烟囱入口处增设MGGH(水媒烟气-烟气加热系统)，其中降温段将烟气温度从135℃降至100℃，升温段将烟气温度从50℃升至80℃。不论电除尘器采用何种改造，增设MGGH均有利于提高除尘效率和延长除尘器使用寿命；将烟气温度从50℃升至80℃，又提高烟气的抬升高度和减少湿烟气对烟囱的腐蚀。MGGH系统工艺流程图如图1所示。

图1 MGGH系统工艺流程图

3.2 MGGH系统设计参数

本次改造MGGH系统设计参数如表3所示。

表3 MGGH系统设计参数

续表3

3.3 MGGH材料选择

由于烟气冷却器和烟气加热器的传热温差小，为使受热面结构紧凑以减小体积，并减少材料耗量，传热管必须采用扩展受热面强化传热。H型翅片管作为换热元件，其制造工艺简单，能增大管外换热面积，强化传热，因而在中低温余热锅炉以及其它换热设备中得到了广泛的应用。另外，H型翅片可以提高传热管外壁面的温度，具有优异的防积灰、防磨损特性，因此，本项目传热管采用H型翅片管。

烟气冷却器入口水温较低，存在着低温腐蚀隐患。ND钢是目前国内外最理想的“耐硫酸低温露点腐蚀”用钢材。本项目烟气冷却器的耐低温腐蚀材料选用ND钢。

湿法脱硫后的烟气温度一般为50℃左右，烟气中少量的SO3与水蒸汽结合生成H2SO4蒸汽便可以显著提高烟气露点温度，对烟气再热器产生腐蚀。脱硫后烟气携带饱和水蒸气，烟气中的SO2、Cl2、NO2及含氟化合物与水蒸气结合分别产生H2SO3、HCl、HNO2、HF，这些酸蒸汽的露点温度与水露点非常接近，因此当饱和湿烟气进入烟气再热器后，也会对烟气再热器产生强烈腐蚀。烟气经过脱硫塔和湿式除尘器后，会有极少量的液滴被携带进入烟气再热器，当这些液滴粘结到前几排受热管上时，由于管壁温度较高，会迅速蒸发，蒸发过程使得液滴中腐蚀元素的浓度急剧升高，产生比液滴更加强烈的腐蚀。烟气再热器所处的环境比烟气冷却器所处的环境更加恶劣。用双相不锈钢管换热器，可以在恶劣腐蚀环境中应用，换热性能大约是普通碳钢管的70%～80%。本工程中烟气再热器所处的环境恶劣，为了更好的防止腐蚀，采用模块化设计，低温段受热面采用2205双相不锈钢，可以拦截烟气中的液滴，使得烟气温度升高到60℃以上，大大降低净烟气的腐蚀性。

当烟温升高到60℃以上时，已高于SO2、Cl2、NO2及含氟化合物的酸露点温度，此时仅存在SO3的露点腐蚀，而MGGH+脱硫+湿式电除尘器对SO3脱除率达到95%以上，SO3的露点腐蚀也被大大削弱，因此烟气再热器的中温段再采用316L钢管，高温段采用ND钢制作便可以保证安全。

4 单塔四区脱硫塔

4.1 脱硫系统改造设计要求

机组原有配套烟气脱硫装置采用生物脱硫工艺烟气脱硫系统，设计参数为：入口烟气SO2含量2 000 mg/Nm3(湿基，实际含氧量)，SO2排放浓度不大于50 mg/Nm3。本次脱硫系统改造需在燃煤含硫1.2%、SO2浓度3 000 mg/Nm3(设计煤种，干基，6%O2)及BMCR设计工况条件下，满足出口SO2浓度≯35 mg/Nm3(干基，6%O2)，脱硫效率不小于98.84%。原有的生物脱硫工艺很难满足排放指标要求，所以采用成熟可靠的石灰石-石膏湿法工艺。

4.2 单塔四区吸收塔技术

为满足本次脱硫超低排放改造要求，本次脱硫核心部件吸收塔采用单塔四区技术，在塔内进行“四区”分离。在吸收塔内进行“四区”分离，是实现二氧化硫高效排放的关键。其总体结构如图2所示。

图2 单塔四区吸收塔

4.2.1 浆池分区

吸收塔浆池分区，是指将吸收塔浆池分为高低pH区两个pH值区域。浆池上部区域为氧化区，pH为4.9～5.5，低的pH值区域，有利于生成高纯石膏；浆池下部区域为吸收区，pH值5.1～6.3，高的pH浆液有利于高效脱除二氧化硫。浆池采用了独特的池分离器技术，将浆池分为上部“氧化区”和下部“结晶区”， 避免浆池内浆液pH的返混，维持石膏氧化的低pH浆液和烟气中SO2吸收的高pH浆液。池分离器的使用可以让常规的单回路系统达到了双回路循环系统的优点，从而提高了脱硫效率。浆池分区的实现，是通过布置在浆池的分隔管来将浆池分成上下两个部分，在分隔管之间布置氧化空气喷管。等距离开孔的氧化空气供应管布置于分隔管件之间，在分隔管之间因流通面积小，向下流动的浆液与向上流动的氧化空气对流接触，加强了氧化的效能。同时，新鲜的石灰石浆液，通过石灰石浆液泵，注入到分隔管的下部区域，保证下部区域的pH较高，通过循环泵，将高pH值的浆液输送到喷淋层，实现高的脱硫效率。在吸收塔运行过程中，浆池浆液由于底部循环泵的抽吸作用而呈现缓慢平移下降的运动方式。当液层运动到分离器位置时，只能从隔离器中间的空白区域向下流动。由于横铺的分离器占据了相当部分的面积，造成液层流经面积的减少，因此相应带来液层在该区域向下流动速度的增加。向下流动的浆液，可以防止下部浆液的返混，从而有效的将浆池分为上下两个区域。浆池分区及脉冲悬浮搅拌装置如图3所示。

图3 浆池分区示意图

4.2.2 喷淋区分区

喷淋区域的分区，是指通过多孔分布器，将喷淋区域分隔为两个区域。对于脱硫系统要实现超低排放，必须设置多层喷淋管。但喷淋管层数多了以后，上部喷淋管雾化的浆液与下部喷淋管雾化的浆液，会发生凝并作用，使浆液的雾化粒径大大提高，影响了浆液与烟气中二氧化硫的接触、吸收。因此，通过在吸收塔喷淋层中部设置一层或者两层多孔分布器来达到将喷淋层一分为二区的目的，有效缓解喷淋层区域大量浆液滴的碰撞凝并，不仅增加了烟气在吸收塔内的湍流强度，还可以在吸收塔内形成两种及以上的喷淋系统，提高气液反应接触面积，从而提高脱硫效率。本项目在第1层(底层)喷淋层和第2层喷淋层之间设置1层多孔分布器，达到喷淋层一分为二的目的。

4.2.3 浆池底部脉冲搅拌系统

本项目吸收塔内不采用侧进式搅拌器，而采用性能更稳定、能耗更低的脉冲悬浮搅拌系统。脉冲悬浮泵能耗比搅拌器要低，且塔内无机械搅拌器或其他转动部件，可以在塔正常运行期间更换或维修，提高了FGD装置可利用率和可操作性。浆池内的脉冲悬浮系统主要起到对反应池搅拌，防止浆液中悬浮物沉淀的目的。塔内采用几组喷嘴朝向吸收塔底的管子，通过脉冲悬浮泵将液体从吸收塔反应池上部抽出，经管路重新打回反应池内，当液体从喷嘴中喷出时就产生了脉冲，依靠脉冲作用可以搅拌起塔底固体物，以防止沉淀。

该技术中双区调节器、射流搅拌系统是形成双区的关键。一方面，随着循环浆液的抽取，浆池内液体缓慢向下流动，在流经调节器时减少了流通截面，形成文丘里效应，液体流速增大，对下方浆液的返混形成压制，维持上部低pH值环境。另一方面，由塔内管路系统和塔外射流泵组成的射流搅拌系统也为分区提供了保障。运行中，泵通过塔底部管路抽取底部浆液增压后，通过外部管路及末端喷嘴将浆液喷射而出，流体对底部形成的搅动，喷射高度仅达到喷嘴位置，进一步防止下部向上部的返混，维持下部高pH值环境。

4.2.4 高效除雾器

本项目吸收塔采用一层管式+二层屋脊式除雾器：脱硫后的烟气夹带的液滴在吸收塔出口的除雾器中收集，使净烟气的液滴含量不超过50 mg/Nm3。高效除雾器结构如图4所示。

图4 高效除雾器

管式除雾器由两排相互错开布置的圆管组成，圆管水平布置，对烟气的均布起到非常显著的效果。流速越均匀，上部屋脊式除雾器效果越好，避免了屋脊式除雾器叶片间烟气流速超过临界流速导致的液滴携带现象。进入除雾器的雾滴浆液，500μm以上的大雾滴90%可以被管式除雾器去除。第一级屋脊除雾器主要处理500μm～50μm的雾滴，第二级屋脊除雾器主要拦截18μm以上的雾滴。

4.2.5 多孔分布器(合金托盘)

托盘脱硫系统是在喷淋空塔的浆液喷嘴下部设置1～2层布满小孔的塔板，吸收浆液从喷嘴喷出，在塔板上形成一定厚度的液层，当烟气进入喷淋塔后，被托盘分散成小股气流，并在托盘液层中鼓泡进行气液相接触，完成二氧化硫吸收的过程。托盘如图5所示。

图5 合金托盘

采用托盘，气液相调整更为充分，气相均布更好。由于托盘可保持一定高度的液膜，增加了烟气在吸收塔中的停留时间，起到充分吸收烟气中部分污染成分的作用，从而有效降低液气比，提高了吸收剂的利用率，增加了脱硫效率。

4.3 吸收塔设计参数

本次超低排放改造单塔四区吸收塔设计参数如表4所示。

表4 吸收塔设计参数

5 塔顶湿式电除尘器

5.1 湿式电除尘器设计要求

除尘系统改造实施后，烟气中烟尘排放要达到燃机排放标准，即烟尘排放浓度≤5 mg/Nm3。这对于除尘效率的要求是极高的。现有的电除尘器改造后，除尘器出口约40 mg/Nm3，考虑到湿法脱硫装置除尘效率50%，出口含尘浓度为20 mg/Nm3。另外湿法脱硫装置出口液滴含有石膏颗粒，采用高效多级除雾器和相应措施后，吸收塔出口液滴含量≤50 mg/Nm3，按10%含固量计，石膏颗粒浓度≤5 mg/Nm3。因此，烟囱出口的烟尘排放浓度总含尘浓度≤25 mg/Nm3，仍达不到≤5 mg/Nm3的燃机排放标准。因此，要达到烟尘浓度≤5 mg/Nm3的燃机排放标准，就必须在脱硫吸收塔与烟囱之间增设湿式电除尘器，如图6所示。其除尘效率可达70%～90%，不仅可以大幅降低烟尘排放浓度，达到燃机排放标准，还可大幅降低PM2.5微细粉尘的排放量，并高效去除烟气中的石膏微液滴和SO3气溶胶，有效缓解石膏雨、酸雨和雾霾现象。

图6 湿式电除尘器位置

5.2 湿式电除尘器设计方案

本项目从总平面布置图看，现场布置卧式湿式除尘器极其困难。而立式湿式除尘器充分利用高度空间，布置较为灵活，方案也较多。故本方案推荐采用立式布置，极板型式推荐导电玻璃钢电极湿式电除尘器。塔顶立式湿式电除尘器如图7所示。

图7 塔顶湿式电除尘器

导电玻璃钢电除雾器制作时主要由以下部分组成：上壳体、集尘极室、中下壳体、绝缘子室、阴极系统及内部冲洗装置。导电玻璃钢阳极板，蜂窝结构，具有收尘面积大，荷电均匀，长寿命等特点。阳极管组等的材料为碳纤维增强复合塑料(CFRP，Carbon Fiber Reinforced Polymer)，阴极线材料为不锈钢、钛合金或双相不锈钢。本项目湿式电除尘器设计参数如表5所示。

表5 湿式电除尘器设计参数

6 引风机核算

原有引增合一风机(单台，设计工况点)的基本参数：流量(单台)：65.14 m3/s，风机入口处全压：-4470Pa·g，风机出口处全压： 2 400 Pa·g(设计工况点)。

本次超低排放改造工程实施后的阻力测算：锅炉本体阻力1 300 Pa，脱硝系统阻力1 000 Pa、MGGH系统阻力增加1 100 Pa、静电除尘器250 Pa、脱硫系统2 000 Pa、湿式除尘系统增加250 Pa。改造后锅炉引风机的烟气体积流量与原设计基本一致，烟气总阻力约为5 900 Pa。因此，原风机的压升能满足超低改造后系统阻力的要求，故引风机按利旧考虑。

7 超低排放改造投资估算

本工程静态投资5 948万元。其中建筑工程费589万元，设备购置费3 403万元，安装工程费1419万元，其他费用538万元。考虑建设期利息，本工程动态投资为6104万元，其中脱硫系统改造2125万元，脱硝改造1029万元，湿式电除尘及电除尘系统改造1313万元，MGGH系统改造943万元。

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The update for ultra low emission of dust removal and desulphurization integration in small and medium sized coal-fired plants

Chen Wenrui

(Fujian Longking Co., Ltd., Longyan 364000, China)

in this paper, we presented a case study of ultra low emission transformation of 220 t/h pulverized coal boiler in a power plant. Design, technology, and economic feasibility of the dust removal and desulphurization integration upgrade were introduced in detail, in order to provide reference for similar transformation in small and medium sized coal fired power plants in the future.

ultra low emission; desulfurization; single tower and multi zone; pH value; low temperature electrostatic precipitation; MGGH

2016-07-05;2016-11-23修回

陈文瑞，男，1979年生，硕士，工程师，研究方向：燃煤电厂大气污染物控制技术。E-mail：13959050734@139.com

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