技术 | 燃煤电厂湿烟羽综合治理前期工作要点分析

摘要：上海市2016年1月出台政策,要求燃煤锅炉采取措施消除烟囱有色烟羽现象。天津、浙江、河北等地方政府也相继出台相关政策。介绍了燃煤电厂湿烟羽综合治理前期的主要工作,并对其中的要点及注意事项进行分析探讨,以避免湿烟羽治理工程中出现以往环保工程中产生过的弊端,保证技改工程的科学性、先进性。

0 引言

2015年12月三部委颁布了《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》(环发[2015]164号),要求燃煤电厂全面实施超低排放改造,并取得了很好的社会效益和经济效益。

由于传统回转式GGH存在漏风率和故障率高、烟气阻力大等问题,特别是原烟气侧烟气漏入净烟气侧会影响SO2达标排放,所以大部分电厂在超低排放改造过程中取消了GGH。湿烟气直接排放至大气中与温度较低的环境空气混合会凝结形成湿烟羽现象(俗称“大白烟”),产生视觉污染。

2016年1月上海市环保局提出燃煤发电锅炉应采取烟温控制及其他有效措施消除石膏雨、有色烟羽等现象以来,河北邯郸、衡水、唐山,到浙江、天津、山西等省市,陆续对湿烟羽治理(又称“有色烟羽” “大白烟”)提出标准或要求。

由于我国地域差异大,各地经济水平发展不均衡,对湿烟羽治理的目标也不尽相同,且各地政府出台的标准和政策差异较大,一般只提定性要求,缺少对具体工艺措施的技术规范和指标定量要求。

目前,国外对湿烟羽的研究主要集中在冷却塔排烟,鲜见对烟囱排烟研究的研究 。国内的对湿烟羽的治理主要是沿用治理石膏雨的技术方式 ,近期开始开展烟气冷凝治理湿烟羽的报道。

1 湿烟羽综合治理前期工作

湿烟羽综合治理技改工程的前期工作主要包括可行性研究以及招标文件的编制,其中以可行性研究工作为核心。

1.1 湿烟羽综合治理可行性研究

湿烟羽综合治理可行性研究的主要任务包括:对当地政策进行解读,确定湿烟羽综合治理工程技改项目建设的必要性、治理目标、技术路线;进行充分的资料收集、分析和现场调研,确定改造的边界条件(如基础参数、冷源等);根据现场条件、设施状态及治理目标,论证不同改造方案的可行性、技术可靠性以及经济指标(投资、运行费用、能耗、阻力等),结合改造需求等多种因素,提出最适合业主实际的设计方案。

湿烟羽综合治理可行性研究的主要研究依据包括以下几个方面:国家和地方的经济和社会发展规划、行业部门的发展规划;咨询有关的法律、法规、政策和文件;有关机构发布的工程建设方面的标准、规范、定额;厂址的自然、经济、社会概况等基础资料;涉及项目各方签订的协议书或意向书;编制《报告》的委托合同;电厂所在地的气象、水文等资料;电厂锅炉、汽机、环保等设施的设计资料(图纸、技术协议等) 及近一年以上的运行数据;其他有关资料。

湿烟羽综合治理可行性研究的主要工作过程如图1所示。

1.2 湿烟羽综合治理招标文件编制

湿烟羽综合治理技改工程招标是建设项目业主选择实施者的过程,由于烟气湿烟羽综合治理技改工程涉及到的环保装置和锅炉主机设施多,各设备的改造参数复杂。因此,确定明确、科学合理的改造参数及技术要求,对于明确招标工作量和考核指标、合理控制改造的投资费用等工作非常重要。

2 湿烟羽综合治理前期工作要点分析

2.1 治理要求与基础参数选择

燃煤电厂湿烟羽综合治理,首先要满足当地政策要求。目前,南方地区(如上海市及浙江省)出台的政策,主要以消除湿烟羽的视觉影响为主,兼顾污染物减排。北方地区天津市及河北省出台的治理政策,主要以节水、污染物减排为主,兼顾消除湿烟羽视觉影响。

不同的治理要求和目标,其采用的边界条件和治理工艺有较大差异,设计基础参数需要根据政策要求确定。政策中无明确要求的,则按照以下原则进行:以污染物减排为主的地区,因夏季降温难度更大,节水和污染物脱除效果相对较差,此时应以夏季的参数作为基础参数;以消除湿烟羽视觉效果为主的地区,因冬季消除湿烟羽难度更大,所以设计参数应该以冬季的烟温、冷源等温度作为基础参数。

2.2 基础数据的测定

湿烟羽综合治理技改工程与一般新建项目不同,是在燃煤电厂完成超低排放基础上的进一步深度减排治理及视觉污染消除。所以,湿烟羽综合治理方案的确定首先要全面把握锅炉、环保系统及相关辅助系统运行的现状,有必要在技改工作开展前期对锅炉及环保设施运行现状进行摸底测试。

基础测试主要为常规运行煤质下的参数,包括烟气量(标干况、工况以及含湿量)、烟气成分参数(氧量、压力、烟温、SO2、NOx 、烟尘等)、烟气系统阻力(全烟气阻力、空预器压差、引风机和增压风机进出口压力)。摸底测试主要为锅炉满负荷工况下测试,对于烟气温度和风机运行出力,有必要测试75%及50%负荷工况下运行情况。

基础测试主要测试点包括:空预器进出口;引风机及增加风机进出口;脱硫吸收塔进出口。其中空预器出口(即除尘器前),主要测试烟温、压力、流量、含湿量、SO2(或SO3 )及粉尘。引风机进出口主要烟气量及烟气压力。脱硫进出口测点测试要求于电除尘器前测点相同,也可参考在线监测数据。

2.3 技术路线的确定

目前,湿烟羽综合治理技术流派较多 ,总体来说主要有烟气加热、烟气冷凝、烟气冷凝再热三种。其中,烟气加热(GGH、MGGH 等)对消除视觉污染效果明显,应用较为广泛,但对污染物的减排没有帮助;烟气冷凝可协同治理污染物,目前开始逐渐有应用,但纯冷凝对消除湿烟羽的视觉污染作用有限;烟气冷凝再热则结合了烟气冷凝和烟气加热的优点,是目前业内最认可的一种技术路线。

烟气加热技术分为直接加热和间接加热两大类。烟气间接加热技术:如回转式GGH、管式GGH、MGGH、热管换热器、蒸汽换热器等;烟气直接混合加热技术:热二次风直接加热、燃气直接加热、热空气混合加热等。

烟气冷凝技术也分为直接冷凝和间接冷凝两大类。烟气直接冷凝技术:喷淋降温、浆液冷却等;烟气间接冷凝技术 :采用换热器进行换热,换热介质不与烟气直接接触。

烟气冷凝再热则是上述两种技术结合实施项目具体情况的有机耦合。

由于地方政府对降低PM2. 5等方面有刚性需要,环境敏感地区会进一步提高污染物排放标准;民众对环境的要求也会不断提高,对城市周边电厂的湿烟羽进行治理也是大势所趋。因此,从污染物减排、节水、消除湿烟羽视觉影响等方面考虑,建议电厂在湿烟羽综合治理中采用冷凝再热技术路线。但对于地方政府已有明确政策的地区,可根据要求单独采用烟气加热技术或烟气冷凝技术,建议预留冷凝或加热改造的空间,分析现有改造方案的技术经济性以及后期改造后整体的技术经济性,从长远角度综合考虑选择最适宜的改造方案。

2.4 设计参数的选取

湿烟羽综合治理设计参数选取不当,对系统投资和投运效果有很大影响。

湿烟羽的形成主要取决于环境气候因素(即烟囱出口处的环境温度与湿度)和烟气状态因素(排烟温度和湿度)。根据治理目标的不同,选取设计参数的原则也不同。

以消除湿烟羽视觉污染为治理目标的地区,上海市、浙江省明确提出了消除湿烟羽的边界条件:在现场地面环境温度高于17℃,地面环境相对湿度低于60%的情况下,消除湿烟羽。对以上两个地区,可直接选取规定的环境边界条件和测试的烟气温度进行设计。但对于要求消除湿烟羽视觉污染而又未给出边界条件的地区,由于温度越低,治理消除的难度会急剧增加,因此建议根据冬季平均温度或全年平均温度确定(建议在0℃以上),湿度按当地年平均环境相对湿度选择即可。再根据烟囱排烟温度实际情况,确定合理冷凝后温度及烟气加热的温升幅度。需要注意的事,采用烟气再热技术时,需要达到一定的排烟温度,因此需要核算冬季低负荷时是否需要采取其它措施(如蒸汽加热等)确保达到设计烟温,实现有效消除湿烟羽视觉影响。夏季消除湿烟羽的难度要小很多,所以不需要校核,若需要通过降低烟气加热或冷凝幅度实现节能的目的,可单独校核计算出设计参数以便指导实际运行。

以污染物减排为治理目标兼顾消除视觉污染的地区,则只需要关注排烟温度或降温幅度。由于烟气夏季降温难度更大,节水和污染物脱除效果相对较差,应以夏季的环境参数(平均温度、平均相对湿度)作为边界条件,结合夏季的烟气温度进行设计。

设计计算时,需要考虑到每级换热器的出口温度、烟气量变化时对后续设备的烟气温度、烟气含湿量都有一定影响。因此,在校核计算时需要考虑到所有换热器进出口烟气参数的变化。

2.5 招标文件的注意事项

目前湿烟羽综合治理技改工程的建设通常采用EPC 总承包模式进行,因此作为确定EPC 总承包的招标文件就显得尤为重要。湿烟羽治理招标文件中必须对湿烟羽治理的工艺路线、边界条件、设计原则等作出明确的要求及限定,以保证投标工作的正常运行。招标文件中应当明确治理目标。治理目标应当根据地方政府的环保标准制定,同时要满足业主的实际需求。对一些重要参数的计算需要提供详细计算书,对于防结垢、堵塞、腐蚀等问题要提供详细的预防措施或检修方案。

3 湿烟羽综合治理技改需协同考虑的工作

3.1 烟风系统优化问题

引风机作为燃煤电厂整个烟风系统的关键点,在前期超低排放工作中一般均已进行了相应改造,以适应脱硫、脱销、除尘改造新增的阻力,湿烟羽综合治理势必会又新增烟气阻力,需要核算引风机现有实际出力能否满足要求。

如现有风机已经运行裕量很小,且机组剩余寿命较长,建议对引风机进行增容改造;若机组剩余寿命较短、环保压力较低的电厂,建议采用蒸汽加热、浆液换热器等阻力增加较小的技术方案。对于引风机有一定欲量的电厂,建议优化喷氨系统减低空预器阻力或优化烟风系统降低烟道阻力,根据实际优化阻力的空间选择经济合适的改造方案。

3.2 冷源(冷却水)问题

采用烟气冷凝或烟气冷凝再热技术进行湿烟羽综合治理,都存在冷源及冷却方式选择的问题。

燃煤机组的冷却系统一般分为直流供水冷却系统、循环水冷却系统、直接空冷系统三大类。冷源可分为水冷和空冷两种方式,考虑换热系统以及冷源全年的温度分布,一般采用水冷的方式。

机组为直流供水冷却系统时,冷源可直接从循环管入口取水,经过换热器后再进入循环管出水管,该方式冷源升温后不需要再次冷却。

机组为循环水冷却系统时,考虑到冷却水使用量和温升幅度对锅炉效益的影响。冷却水从循环管入口取水,温升后的冷却水再进入循环管出水管,利用现有水冷塔降低冷却水的温度。该方式建议对原有冷却塔系统的夏季工况进行重新核算,分析对锅炉系统的影响是否在可控范围。如不满足,则需要考虑采取新增机力冷却塔、热泵系统等方式来供应冷源。

机组为直接空冷系统时,可考虑采用新增机力冷却塔、热泵系统等方式来供应冷源,或考虑风冷的冷却方式。

3.3 脱硫水平衡问题

采用烟气冷凝或烟气冷凝再热技术都会将脱硫后湿烟气中的水分析出,达到节水及协同减排的作用。间接烟气冷凝技术的凝结水水质稳定,回收水可作为除雾器冲洗,或简单处理后进入中水处理系统作为工业水。由于回收水可不进入脱硫系统,因此不影响原脱硫系统水平衡。

浆液冷却技术的凝结水混入脱硫塔浆池浆液,无法直接回用,增加了脱硫废水的处理量,随着温降幅度越大对脱硫水平衡影响越大,对现有脱硫系统运行影响就越大。采用此技术须对脱硫水平衡、脱硫废水处理等后续工作增加相应的处理环节和投资成本。

此外,采用MGGH等技术会降低脱硫入口烟气温度,因此对脱硫水平衡有一定影响。

4 结语

湿烟羽综合治理的前期工作,特别实在可行性研究和招标文件的实际编制过程中,很多细节方面需要注意。可行性研究要准确分析确定基础数据,合理确定工艺路线、边界条件和技术参数。招标文件技术要求要明确、全面。湿烟羽综合治理技改配套改造要具备整体观、系统观和全面观,烟风系统的优化、冷源选择确定及脱硫水平衡问题需结合燃煤电厂炉后其他环保设施统筹考虑,避免设备重复改造,节约改造费用及改造工期,湿烟羽综合治理技改项目对脱硫水平衡问题宜进行单的的专题分析。