3×150 t/h燃煤锅炉超低排放改造方案设计

胡信韬

(湖北省电力规划设计研究院有限公司,湖北 武汉 430060)

在《中共中央国务院关于全面加强生态环境保护坚决打好污染防治攻坚战的意见》和《国务院关于印发打赢蓝天保卫战三年行动计划的通知》的印发大背景下,火力发电厂企业面临着空前的压力,已有发电污染物排放指标需达到粉尘:10 mg/m3(标准,干烟气,6%O2),二氧化硫:35 mg/m3(标准,干烟气,6%O2),氮氧化物:50 mg/m3(标准,干烟气,6%O2)[1]。污染物未达标的火力发电厂,必须通过升级改造适应污染物排放标准。

对于氮氧化物超标,通常推荐采用源头治理的方案,即从锅炉低氮燃烧入手,采用水冷风室、炉膛出口至分离器进口加速段、分离器锥段下部至炉膛水冷壁下部料腿、返料风系统优化、二次风系统、炉膛受热面改造等锅炉改造措施[2-6],降低锅炉本体氮氧化物排放,从而降低后续脱硝设备压力;同时采用增加选择性脱硝(SCR)催化剂层数或SNCR-SCR法,提高SCR反应器的脱硝效率[7]。

对于二氧化硫超标,有电厂采用改造脱硫塔,增大脱硫塔高度,提高脱硫气液比,增加喷淋层数、改造除雾器达到超低排放要求。同时拆除烟气-烟气再热器(GGH),防止高泄漏率的烟气-烟气再热器影响电厂二氧化硫达标排放。有电厂采用串联塔布置,将原有脱硫塔作为一级吸收塔,新建一座脱硫塔作为二级吸收塔,两台的综合效率为脱硫效率[8],拆除GGH及附属烟道后,需将烟道重新进行连接。

对于粉尘超标,已有电厂采用脱硫塔后增设湿式电除尘器,提高对细颗粒脱除效率来达到高效除尘的目的[9-10]。同时,可通过改造已有除尘器,提高其效率,如更换滤袋,更换电极板等措施,来实现粉尘超低排放。

1 3×150 t/h燃煤锅炉系统

某热电公司,于2011年建成投产,全厂设置3台150 t/h高温高压循环流化床锅炉,两运一备,无锡华光锅炉有限公司制造。

电厂设置有两级脱硫系统,即炉内脱硫+炉外干法脱硫。因为实际烧的煤比设计煤好得多,其低位热值在19.9 MJ/kg上下,收到基硫不超过1%,仅靠炉内脱硫已满足当前排放要求,故炉外干法脱硫实际上并未投用。当前SO2排放平均值在30 mg/m3(标准)以下,排放峰值超过80 mg/m3(标准)。

2015年,电厂完成了锅炉SNCR脱硝改造,改造后NOx平均排放值由350 mg/m3(标准)降低到100 mg/m3(标准)以下,排放峰值超过110 mg/m3(标准)。

2015年,除尘器更换了滤袋,除尘效率得以提升,粉尘平均排放值由原来的100 mg/m3降低至25 mg/m3(标准)以下。

现根据荆州开发区污染防治攻坚指挥部要求进行超低排放改造,主要是锅炉低氮燃烧改造和除尘器改造。本次超低排放改造目标为: SO2排放浓度不大于28 mg/m3(标准)、粉尘排放浓度不大于8 mg/m3(标准)、NOx排放浓度不大于45 mg/m3(标准)。

考虑到锅炉服役时间较长,14 m以下水冷壁磨损情况较严重,对锅炉进行低氮燃烧改造的同时也需对锅炉水冷壁进行大修改造,提升锅炉的安全性、可靠性。同时进行DCS升级改造,将SO2排放稳定控制在超低排放水平,提升DCS系统的安全性、可靠性和易用性,提升自动化水平,实现减员增效。

表1 原实际燃煤煤质分析资料

2 3×150 t/h燃煤锅炉改造

可以看到锅炉原始NOx排放为350 mg/m3(标准),SNCR效率计算值为68%左右,若需进一步提高SNCR效率已很困难。为NOx达标排放,需降低NOx原始排放,即进行锅炉本体改造。该项工作为超低排放的最重要的工作。

2.1 循环物料系统改造

(1)旋风分离器按利旧处理。

(2)炉膛出口至分离器进口加速段,采用浇注料加厚处理,缩小喉口尺寸,提高喉口流速。

(3)分离器锥段下部至炉膛水冷壁下部料腿入口之间的全部回料腿和回料阀,重新设计更换处理。回料腿进入炉膛部位水冷壁管需要更换,满足新回料腿需要。料腿吊挂装置利旧。

(4)返料风系统优化改造,确保返料风系统运行安全可靠。罗茨风机更换,设三台,两开一备,一个罗茨风机对应一个回料阀,不采用母管制,返料风道及控制系统新设计。罗茨风机布置要充分考虑检修通道,并尽可能集中布置。

2.2 二次风系统改造

(1)一、二次风比由原来的55∶45改变为50∶50,减少一次风量,增加二次风量。

(2)二次风管重新设计,调整二次风口标高。

(3)二次风环形风箱利旧。

2.3 水冷布风风室改造

(1)水冷风室优化改造,重新设计,两侧进风改为后侧进风,构造均压风室,确保布风板布风均匀。点火装置利旧。

(2)布风板上部床面积通过浇注料进行缩床处理,同时风帽更换,改用新型超低排放风帽。

(3)落渣管位置根据具体情况确定是否需要重新排布, 每炉增加1台冷渣机。冷渣机布置要充分考虑检修通道,并尽可能集中布置。

2.4 炉膛受热面

(1)考虑到锅炉经过多年运行,水冷壁磨损已比较严重,本次锅炉低氮燃烧改造同时将14 m层以下水冷壁全部更换。本技术协议所指14 m高度系相对于水冷壁下集箱,下集箱标高为2.9 m。

(2)对炉膛14 m层以上水冷壁视情检修处理,如需要则予以部分更换。(此项更换工作不在报价范围内,后续实施过程中如有需要更换部件,单独列出协商)。

(3)针对原设计,受热面不够,运行床温偏高,必须增加部分受热面积。新设计水冷屏和过热屏安装,加大受热面。

(4)水冷屏和过热屏进出口集箱,前水冷壁和顶部水冷壁用于插屏的让管、密封装置及吊挂装置均需增加。

(5)水冷屏下降管及引出管需要增加,具体根据现场情况确定。

(6)增加水冷屏排污阀门以及过热屏疏水阀门及管线。

2.5 SNCR优化及氨逃逸

当前每台炉已配置有1套氨逃逸检测仪,氨逃逸检测仪利旧。优化SNCR,改造后,氨逃逸不超过8 mg/m3(标准)。

2.6 其他部分

(1)尾部高温过热器不需改造。

(2)改造过程中破除的保温及浇注料要恢复,其余保温及浇注料利旧。如果发现锅炉其他地方保温损坏并需要修复的,单独列出协商。

(3)锅炉点火系统需要改造,将柴油机械雾化改为空气雾化。

(4)本次改造方案是建立在原锅炉各设备完好的情况下制定的,如在项目实施过程中发现有部件损坏需要更换,且该部件不在本技术协议所约束的改造范围内,双方应就费用和实施方案另行协商。

(5)发包人应对给煤系统和落渣系统进行检查,保证燃煤粒度达到要求0～10 mm,排渣顺畅。

(6)省煤器上部、旋风筒出口的非金属大膨胀节有漏风现象,需要修补。

2.7 改造后的锅炉参数

从表2可以看到,通过一系列锅炉改造,将锅炉出口原始NOx排放从350 mg/m3(标准)降低至140 mg/m3(标准),经过SNCR脱硝后,按照68%SNCR脱硝效率考虑,锅炉出口NOx排放达到45 mg/m3(标准)。该排放保证值及改造方案的实施由锅炉厂家负责。

表2 改造后锅炉设计参数

3 脱硫改造

当前炉内脱硫能力满足超低排放要求,但SO2排放波动较大,主要原因是炉内石灰石给料量常滞后于给煤量的变化。因此,改进石灰石给料系统,提高石灰石给料及时性,仅靠炉内脱硫满足超低排放是可行的。

石灰石给料波动大有两个原因。一是,实际燃煤硫分比原来设计煤低很多,按原来设计煤选的给料阀出力相比现在实际需要就偏大了。二是,石灰石粉仓落料不畅,塌料情况时有发生,造成石灰石给料量突然增大或减少。

主要改造措施为:

(1)更换石灰石给料机,检修石灰石料仓。

(2)优化DCS控制系统,改进石灰石给料控制逻辑,使石灰石给料能及时响应给煤量和SO2排放值的变化。石灰石给料与锅炉负荷、给煤量调整联动。锅炉负荷提升时,先提高石灰石给料量,再提高给煤量;锅炉负荷降低时,先降低给煤量,再降低石灰石给料量。

更换干法脱硫损坏的设备,更换设备列于表3。未列入表3中的设备,在项目实施过程中发现需要更换的,更换费用由发包人和承包人协商解决。

表3 半干法脱硫改造清单

4 除尘改造

除尘改造主要是改造除尘器,将现有滤袋更换为新型超低排放滤袋,滤袋外层为超细纤维,过滤精度高,可保证粉尘排放低于8 mg/m3(标准)。

本项目每台炉配一台布袋除尘器,每台布袋除尘器共有1 440个滤袋,全部更换,滤袋规格为Φ150 mm×7 560 mm,总过滤面积为5 130 m2,设计过滤风速0.8 m/s。

滤袋技术要求如下:

(1)除尘滤袋的工作温度≤160 ℃,瞬间温度不大于180 ℃。

(2)除尘袋的主体材质为PPS+PTFE,超细纤维,质量约550 g/m2。

(3)布袋的使用寿命按正常环境条件从布袋安装之日起,使用时间不小于3年,如在规定时间损坏,由厂家负责免费更换,并不得影响生产或烟气排放超标。

(4)除尘布袋投用后,保证烟气粉尘排放浓度≤8 mg/m3。

(5)根据环保要求,需取消除尘器旁路,锅炉采用轻柴油点火,点火时有糊袋风险。承包人应对此风险充分考虑,提供预防糊袋措施,并提供技术指导。

每台除尘器袋笼更换数量按720条考虑,承包方保证投运时所有袋笼都是完好的,袋笼采用有机硅防腐。

此外,考虑对布袋除尘器进行漏风检测,对漏风点进行修复。

布袋除尘器的改造由布袋除尘器厂家实施,主要的材料由布袋除尘器厂家供货,从而保证粉尘排放浓度达标。

5 电控改造

5.1 控制改造

改造升级后实现除尘、脱硫、脱硝控制全部进入集中控制,方便集中控制管理,提升管理效率,减少管理人员。

(1)将布袋除尘系统的PLC取消,也纳入DCS控制系统中。将脱硫、脱硝、除尘和锅炉汽机整合到一个局域网中,取消脱硫控制室,主厂房集控室进行统一的监控。

(2)针对上述改造内容,根据实际情况,把新增的设备纳入各自对应的控制系统中去,利用机柜内备用的通道或卡槽位,并对其重新组态。并要求DCS厂家修改现有的石灰石控制策略,比如将给煤量作为前反馈信号,核对并调整钙/硫比值等措施,减少调节延迟,从控制侧增强脱硫排放的可靠性。

5.2 电气改造

本次改造中涉及的电气部分为:

(1)新增工艺设备的供电,电缆敷设及防火,防雷接地等。

(2)对施工期间被拆除或受损的用电设备、电缆、电缆桥架及防火设施的复装或修复。

低压动力电缆采用阻燃聚氯乙烯绝缘内铠装铜芯电缆。控制电缆采用阻燃聚氯乙烯绝缘屏蔽电缆;对模拟量及脉冲量回路选用对绞分屏蔽加总屏蔽电缆,数字量信号回路选用对绞总屏蔽电缆。

本次改造将利用现有的电缆沟及电缆桥架敷设电缆。由于电厂原有电缆防火措施已很完整,为防止火灾蔓延造成损失,所以仅对改造区域内采取相关防火措施,具体采用的防火措施如下:采用有效的防火材料对电缆构筑物分区封堵;进入柜、盘的电缆孔洞用耐火材料封堵。

6 结 论

(1)针对氮氧化物超标情况,采用水冷风室、循环物料系统、二次风系统等锅炉改造措施实现,降低锅炉原始排放;

(2)针对二氧化硫超标情况,改进石灰石给料系统,提高石灰石给料及时性,仅靠炉内脱硫满足超低排放是可行的实现,同时更换半干法脱硫损坏的设备;

(3)针对粉尘超标情况,将现有布袋除尘器滤袋更换为新型超低排放滤袋,滤袋外层为超细纤维,过滤精度高,可保证粉尘达标排放。

经过对锅炉系统、脱硫系统、除尘系统、电控系统的综合性改造方案设计,并投入一年半时间依次对三台锅炉及其附属环保设施进行改造,该项目效果显著,各项污染物水平均达标排放,供电、防雷、接地安全可靠,控制系统更加符合现代化电厂运行标准。最终该项目完整移交给业主单位。