泰州电厂二次再热机组烟气超低排放设计

冯琰磊，姚向昱，朱佳琪，李 林，陈仁杰

(华东电力设计院有限公司，上海 200063)

泰州电厂二次再热机组烟气超低排放设计

冯琰磊，姚向昱，朱佳琪，李 林，陈仁杰

(华东电力设计院有限公司，上海 200063)

本文介绍了国电泰州二期二次再热机组的设计参数，根据其特点设计、选用了高效、经济的烟气环保处理设施，通过高效的除尘、脱硝和脱硫工艺，实现烟囱出口粉尘、SO2和NOx排放浓度分别低于3.3 mg/Nm3、17.9 mg/Nm3和36 mg/Nm3。本文也将国电泰州二期二次再热机组同燃机机组的排放指标进行了对比，高参数、低排放的超超临界二次再热燃煤发电机组具有良好的示范效果。

二次再热；超低排放；示范工程。

国电泰州二期超超临界二次再热示范工程研发和应用具有自主知识产权的高参数(30 MPa及以上，温度超600℃)、大容量二次再热超超临界发电技术，不仅将使我国在高参数大容量机组方面彻底摆脱国外知识产权束缚，实现我国火力发电制造技术上的突破，达到世界领先水平，而且更高的发电效率和更低发电煤耗对我国提出节能减排和可持续发展的目标具有现实意义。

本文是依托泰州二期示范工程，结合国内电厂燃煤情况对二次再热机组大气污染物排放控制技术进行研究。研究应用既适合二次再热机组又适合我国火电厂燃料使用国情的合理烟气净化系统，使大气污染物的排放满足甚至高于《煤电节能减排升级与改造行动计划(2014～2020年)》中要求，同时能够使烟气净化系统达到可靠、经济运行。

1 机组条件

1.1 煤质条件

国电泰州二期二次再热示范工程以神华烟煤作为设计煤种；满世混煤为校核煤种1；东北煤为校核煤种2。详细的煤质分析见表1。

表1 煤质分析

1.2 机组参数

国电泰州二期示范工程，锅炉、汽轮机和发电机组分别采用上海锅炉厂有限公司、上海汽轮机厂和上海电机厂的主机产品，汽轮机入口参数为31 MPa/600/610/610℃，设计发电煤耗为256.2 g/kWh，比常规的一次再热机组大幅降低。

锅炉为超超临界参数变压运行螺旋管圈水冷壁直流炉，单炉膛、二次中间再热、采用四角切圆燃烧方式、平衡通风、固态排渣、全钢悬吊结构、塔式、露天布置燃煤锅炉，主要参数见表2。

表2 锅炉(设计煤种、B－MCR工况)主要参数

2 宽负荷高效脱硝技术

2.1 低氮燃烧技术

本示范工程燃烧方式采用上海锅炉厂有限公司自行设计开发的复合式空气分级低NOx燃烧技术(见图1)，该燃烧技术在获得较高的燃烧效率、确保煤粉安全稳定燃烧的同时能有效降低NOx的排放，大大缓解炉后脱硝的压力。

图1 高级复合空气分级燃烧系统布置示意

在制粉系统设计方面，本工程采用了如下两个技术：(1)适当提高煤粉细度。本工程采用高挥发分的神华煤，按照规程计算，电厂设计煤种煤粉细度基本要求为R90≤23.10%，锅炉及制粉系统设计时，对设计煤种的煤粉细度取值为R90＝13.99%。(2)磨煤机采用动态分离器。

煤粉细度取值是在推荐范围内并略有降低，降低煤粉细度会增加磨煤电耗，同时煤粉细度小了，在燃烧过程中与空气接触面积增加，燃烧时间缩短，锅炉的未燃烬碳损失会有一定程度降低。合理的、较低的煤粉细度对于控制锅炉未燃尽损失和NOx是有利的，因此虽然电耗略有升高，但是仍具有经济效益和社会效益的。采用动态分离器后，可以提高煤粉的均匀性，对于控制锅炉未燃尽损失和NOx排放也是有利的。

采用上述优化措施后，燃用本工程设计煤种，锅炉炉膛出口的NOx排放浓度可以控制在低于180 mg/Nm3(O2=6%)，锅炉效率保证值大于94.65%。

2.2 SCR技术

对于炉后烟气脱硝技术，目前国内、国际上使用最多的是SCR脱硝法。SCR脱硝技术成熟可靠，目前在国内大容量机组上大量采用，采用该技术方案没有技术风险。

根据本示范工程的煤质条件、NOx排放的控制指标和炉膛出口的NOx排放浓度，本示范工程催化剂采用2+1蜂窝式催化剂，每台机组约820 m3，SCR工艺脱硝效率不低于80%，烟囱出口的NOx排放浓度低于36 mg/Nm3。

2.3 宽负荷脱硝

按照《火电厂烟气脱硝工程技术规范选择性催化还原法》HJ562－2010要求，“脱硝系统应能在锅炉最低稳燃负荷和BMCR之间的任何工况之间持续安全运行，当锅炉最低稳燃负荷工况下烟气温度不能达到催化剂最低运行温度时，应从省煤器上游引部分高温烟气直接进入反应器以提高烟气温度”。提高喷氨温度，主要还是需要提高低负荷工况下省煤器的出口烟气温度，目前宽负荷脱硝有以下几种技术：

(1)烟气侧调温旁路

(2)省煤器水侧旁路

(3)省煤器分段布置

(4)增设0号高加提高给水温度

(5)提高给水温度+优化炉内受热面布置

常规超超临界燃煤机组给水温度为297℃，采用二次再热技术后，给水温度提高至315℃，对比国电泰州电厂一期和国电泰州二期各工况下给水温度及省煤器出口烟气温度见表3。

表3 各负荷条件下泰州一、二期给水温度及省煤器出口烟气温度对比

从表3可以看出，由于给水温度不同，炉型也不同，采用了不同的受热面布置，省煤器出口的温度也不同。

根据锅炉厂的汇算结果，针对泰州二期二次再热示范项目工程，通过提高给水温度和受热面的优化布置，在40%THA工况下，完全能够满足脱硝装置的运行。

3 高效脱硫技术

3.1 单塔双循环脱硫技术

按本工程的煤质分析资料，设计煤种收到基全硫St.ar=0.6%，计算FGD装置入口的SO2浓度为1275 mg/Nm3。国电泰州一期采用了单塔双循环石灰石—石膏湿法脱硫工艺，目前运行状况良好，考虑到检修、运行便利，本期工程也采用单塔双循环工艺，见图2。

图2 单塔双循环脱硫系统示意图

单塔双循环吸收塔塔内有两级循环，其中第一级循环设置2台循环泵，浆池在吸收塔底部；第二级循环设置4台循环泵，通过塔中间的收集碗，把浆液收集到塔外AFT浆池。烟气经过两级循环的洗涤后从塔顶排出，在最高一层喷淋层上方设置2级屋脊式除雾器。

烟气从吸收塔下部进入与上侧喷淋的石灰石浆液逆流接触，其中第一级循环2层喷淋层、第二级循环4层喷淋层。经过两级不同pH值的浆液洗涤、氧化吸收，最终净烟气从吸收塔顶部排出。

单塔双循环工艺通过采用双循环技术，可以实现浆液双循环中不同的pH值，同时可以提高吸收塔液气比、提高氧化空气供给量和分布效率、增加吸收塔浆液停留时间，从而提高脱硫效率。泰州二期示范工程脱硫塔主要设计参数见表3。

泰州二期脱硫效率按不低于98.6%设计，烟囱出口的SO2排放浓度低于17.9 mg/Nm3。

3.2 SO3的综合脱除

《火力发电厂燃烧计算设计规定》DL/T－5240中说明，煤在燃烧中约有0.5%～2%的SO2将转化为SO3。当煤的含硫量高时，该转化系数取高值。本工程煤质属于低硫煤，转化系数可按1.5%考虑。脱硝装置运行后，SO2向SO3的转化率控制在1%以内。因此，本工程锅炉的空预器出口处SO2向SO3的转化率为2.5%。

根据现有技术，石灰石—石膏湿法脱硫工艺可去除烟气中40%的SO3，湿式除尘器可捕集烟气中70%的SO3，因此本工程烟囱出口的SO3排放指标可不高于10 mg/Nm3。SO3的物料计算见表4(未计静电除尘器对SO3的脱除)。

表4 SO3的生成和脱除

4 烟气颗粒物捕捉技术

4.1 高效的静电除尘器

按中电联《燃煤电厂除尘技术路线指导意见》，根据煤灰判断煤种收尘难易性见表5。

本工程设计煤煤灰相关指数如下：Na2O=0.92%，Sar=0.6%，Al2O3=13.11%，Al2O3+SiO2=43.68%；根据表5判断，设计煤属于ESP“容易或较容易”收集范围，这也同神华煤的特性一致。因此本工程采用电除尘器是合适的。

目前国内火电厂运行的燃煤机组设计排烟温度一般为120℃～130℃，且机组实际运行排烟温度普遍高于设计值，远高于烟气露点温度。排烟温度偏高，造成了锅炉效率下降、电除尘器除尘效率下降、脱硫耗水量增加等结果。在静电除尘器入口设置烟气余热利用换热器，可以降低静电除尘器的入口烟气温度，降低飞灰比电阻，减少烟气的体积流量。集成烟气余热利用系统的静电除尘技术是解决此危害的一种有效新方法。

根据本工程的煤质参数，除尘器按采用低温静电除尘技术(除尘器入口设置一级烟气余热回收装置，除尘器入口烟气温度110℃)，除尘效率按不低于99.93%进行设计。除尘器的参数见表6。

表5 根据煤、飞灰成分评价ESP对国内煤种的除尘难易性评价

表6 静电除尘器主要设计参数

4.2 脱硫的综合除尘

国内业界对于脱硫装置的除尘效率尚存在争议。脱硫的除尘效率一般习惯按照40%计算，国内也有电厂脱硫对于除尘的贡献在50%以上。本工程采用高效的单塔双循环工艺，设计时脱硫装置的除尘效率按40%设计，同时采用高效的三层屋脊式除雾器，除雾器出口的液滴浓度按20mg/Nm3设计，烟气系统的粉尘浓度计算见表7。

表7 烟气中的粉尘浓度计算

4.3 湿式静电除尘器

湿式静电除尘器可以有效脱除小颗粒粉尘，形式可以分为卧式布置的金属极板湿式静电除尘器和垂直布置的导电玻璃钢湿式静电除尘器。本工程选用了导电玻璃钢湿式电除尘器，其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。

(1)极板形式采用六面体管式蜂窝方案，阳极管材质采用耐酸碱腐蚀性优良的碳纤维增强复合塑料材料。

(2)技术上属于无水流派。即正常运行时不需要进行连续的水喷淋以在阳极管上形成均匀的水膜，仅在短期内对极管进行喷淋以达到清灰作用。

(3)烟气流向上多采用至上而下的顺流布置或自下而上的错流布置方案。

本工程除尘工艺路线计算见表7。

5 脱汞技术研究

选择性催化还原(SCR)脱硝技术不但是一种可以有效控制NOx排放的方法，可以将部分的单质汞氧化为离子汞。除尘器在脱除颗粒物的同时能脱除吸附在颗粒物上的汞，静电除尘器和湿法烟气脱硫装置可除去烟气中大部分离子汞。

本依托工程现有烟气净化装置具有一定的脱汞能力，使得净化后的烟气汞含量较低。经SCR催化氧化后，静电除尘器和湿法脱硫装置的脱汞(总汞)效率分别约为25%和50%，整体脱汞效率约为75%。

另外，根据研究，湿式静电除尘器也具有一定的脱汞能力。

6 减排效果分析及结论

6.1 本工程排放结论

采用二次再热技术后，给水温度提高，同时根据本依托工程的参数和煤质，通过炉内受热面的优化布置，可以实现在40%THA以上工况条件下连续喷氨运行，即基本实现宽负荷脱硝运行。通过优化设计，锅炉炉膛出口的NOx排放可以控制在180 mg/Nm3(O2=6%)以内；脱硝采用效率不低于80%的SCR法，设2＋1层催化剂，烟囱出口的NOx排放浓度可以控制在36 mg/Nm3以内。

脱硫效率采用单塔双循环工艺，设计效率≥98.6%，设计煤种条件下，烟囱出口的SO2排放浓度不高于17.9 mg/Nm3；通过协同作用，烟囱出口的SO3排放浓度低于10 mg/Nm3。

按本依托工程的煤质条件，除尘器选用采用高频电源技术、高效的三通道六电场静电除尘器，并在除尘器入口设置一级烟气余热回收装置，除尘器入口的烟气设计温度为110℃，设计煤种条件下可以实现不低于99.93%的除尘效率，除尘器出口的粉尘浓度不高于6.67 mg/Nm3；同时通过脱硫塔的综合除尘，以及在脱硫塔出口设置效率不低于70%的玻璃钢形式的湿式静电除尘器，设计煤种条件下，烟囱出口的粉尘浓度≤3.3 mg/Nm3。

6.2 减排效果同燃机机组对比

本示范工程烟尘、二氧化硫和氮氧化物的排放指标和环保部制定的《火电厂大气污染物排放标准》中燃机排放控制指标(9F级燃机烟气量为基准)比较见表8。

表8 泰州二期示范工程大气污染物排放设计值同燃机排放指标对比

从表8可以看出，由于燃机燃烧为控制燃烧温度抑制氮氧化物的形成，空气过量系数很高，机组干烟气量较大，因此泰州二期示范工程超低排放燃煤机组烟尘、二氧化硫和氮氧化物折合上网每度电的的排放指标达到且优于燃机排放控制指标上限折合的单位供电量的排放值。

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Exhaust Gas Super Low Emission Design of Air Pollutant of Double Reheat Unit in Taizhou Power Plant

FENG Yan-lei, YAO Xiang-yu, ZHU Jia-qi, LI Lin, CHEN Ren-jie
(East China Electric Power Design Institute Co., Ltd., Shanghai 200063, China)

This paper introduces the design parameters of the double reheat unit of the Taizhou PHASE II power plant. According to the characteristics, we designed the high efficiency, economical air pollution protection facilities, Such as high efficiency ESP and WESP technology, SCR –De NOxtechnology and Lime-stone desulphurization technology, the dust, SO2and NOxemissions at the outlet of chimney will be lower than 3.3 mg/Nm3, 17.9 mg/Nm3and 36 mg/ Nm3, respectively. In this paper, the emission parameters of double reheat unit of the Taizhou PHASE II power plant are compared with the gas turbine generator unit. High efficiency and low emission of the double reheat unit will have good demonstration effect.

double reheat unit; ultra low emission technology; demonstration project.

TM621

A

1671-9913(2016)06-0009-06

2016-02-17

冯琰磊(1979- )，男，河南巩义人，硕士，高级工程师，主要从事火力发电厂锅炉设计。