燃煤機組超低排放環保設施控制及儀表綜述

倪新宇

（望亭發電廠，江蘇蘇州 215155）

燃煤機組超低排放環保設施控制及儀表綜述

倪新宇

（望亭發電廠，江蘇蘇州 215155）

燃煤發電機組煙氣超低排放標準及改造計劃已在國家“十三五”計劃中明確，在加快推進環保改造的大背景下，在已經取得成功的基礎上，總結介紹了脫硝、除塵、脫硫設施的綜合治理、控制策略、煙氣污染物濃度的測量技術。

超低排放；環保設施；煙氣污染物測量

1 火電機組超低環保形勢

自2016年1月1日起，施行新的《中華人民共和國大氣污染防治法》，國家發展改革委、環境保護部、國家能源局貫徹落實2015年《政府工作報告》關于“推動燃煤電廠超低排放改造”的要求，推進煤炭清潔高效利用，促進節能減排和大氣污染治理，決定實行燃煤電廠超低排放電價支持政策。《基本思路》提出，全國其他地區以控制PM10為重點，省會及計劃單列市等中心城市兼顧PM2.5和O3的控制。根據城市污染程度和改善的不同，對接近標準的城市提出達標時間要求，對超標嚴重的城市提出濃度下降比例要求。燃煤電廠PM2.5污染物78%屬于可冷凝顆粒物，只有22%屬于可過濾的顆粒物，燃煤電廠PM2.5的控制主要是酸霧（SO3mist）的控制。SO3mist是煙氣中的SO3蒸汽在降到酸露點后冷凝成超細顆粒的物質，美國已將其歸入總粉塵排放的計算值［1］。

2 環保設施的作用

以某煙煤煤粉鍋爐為例，來認識燃煤鍋爐出口未經環保設施處理的煙氣成分，其中主要污染物見表1（標態，下同）。

表1中“其他”主要成分的煙塵（顆粒物）、SO2、NOx為煙氣環保考核的污染物。經過脫硝、除塵、脫硫等一系列環保設施來綜合凈化，使煙氣中的主要污染物大幅降低，達到排放限值，見表2。

表1 煙氣成分

發電機組在達到煙氣超低排放指標時，一共可以得到0.037元/（kW·h）的電價補貼。

3 環保設施控制

一種超低環保設施配置如圖1所示，包含脫硝（SCR）、空氣預熱器（RH）、電除塵器（ESP）、引風機（FAN）、煙加熱水換熱器（GMH）、濕法脫硫（FGD）、水加熱煙換熱器（MGH）、煙囪。電除塵也可以是布袋或電袋復合除塵器。利用熱媒水將煙氣排放溫度加熱到露點以上。

近零（近燃機排放）環保設施配置如圖2所示，增加了濕式電除塵器（WESP），并且GMH布置在電除塵之前，造就了低低溫除塵技術的應用。

控制分配原則：鍋爐的分散控制系統（DCS）負責SCR，AH，FAN；脫硫的分散控制系統（FGD-DCS）負責FGD，WESP，GMH，MGH；EPS以及WESP的靜電場控制系統的運行數據可以通信給FGDDCS。當鍋爐DCS與脫硫DCS采用同一型號時，可以實現發電與環保大集控，有利于環保數據的存儲和上傳；有利于環保設施的運行監控，以及煙氣的余熱利用、協同治理顆粒物，還有SO3和氨鹽等全治理，甚至全負荷脫硝。

表2 凈化后的污染物排放限值

圖1 一種超低環保設施流程

圖2 一種近零排放環保設施流程

有必要在各運行崗位的DCS界面設置排放口數據的熱工信號報警，當躍限或數據失效時皆能發出報警，以便及時處理。

3.1 脫硝SCR的工作原理和控制原理

選擇性催化還原法（SCR）是指在催化劑的作用下，以NH3作為還原劑，有選擇性地與煙氣中的NOx反應并生成無毒無污染的N2和H2O。氨氣先與20倍自己體積的空氣混合，再與320～360℃煙氣混合，迅速進入催化劑層。氨氣擴散到催化劑的微孔中，并被該活性區域所吸收，NOx便與被吸收的NH3完成脫硝反應。脫硝過程發生的主要化學反應式為：

式（1）表明去除NO所需要的NH3的分子個數相當，煙氣中的含氧量也能滿足反應的需求。

脫硝的噴氨量控制策略為：在催化劑合理工作溫度范圍內，采用多種優化控制方案，克服鍋爐燃燒及測量產生的各種擾動，穩定調整氨氣量，將SCR后的NOx質量濃度作為被調量，將其控制在合理區域，如25～40mg/m3（標態，下同），同時需要兼顧氨氣逃逸不超標，通常煙氣中氨氣質量濃度不大于2.28mg/m3。控制品質越好，氨逃逸量就越少，空預器阻力增加越慢，廠用電越省［2］。

脫硝的煙氣連續在線測量系統（CEMS）配置，主要測量SCR前后NO及氧量，以及氨逃逸濃度，也可以設置煙氣流速等輔助參數測量。由于CEMS為點式抽取采樣測量，單測點盡可能布置在最佳代表點位置附近。

脫硝控制一般由鍋爐側DCS的MCS，SCS或SCR控制器完成，脫硝設施運行數據通過電廠實時數據系統（SIS）向上級監管部門傳送環保數據。

3.2 除塵的工作原理和控制原理

靜電除塵器是利用高壓電場使煙氣發生電離，氣流中的粉塵荷電在電場作用下與氣流分離。靜電除塵器的性能受3大類因素影響：第1類工況條件包括煤質、飛灰成分、飛灰物理性質及煙氣條件；第2類是電除塵器的技術狀況，包括極配形式、結構特點、振打特性、流場均勻性以及電場劃分情況、電氣控制特性等；第3類是運行條件，包括二次電流、電壓［3］。近年來，國內環保企業通過一系列技術手段，靜電除塵器已經可以實現除塵器出口的煙塵質量濃度不超過20mg/m3；采用電袋復合或全濾袋除塵器，已經可以實現不超過10mg/m3的要求。

除塵器的控制根據除塵設施采用不同的控制設備，如靜電除塵的靜電場的高頻電源控制裝置及連續振打裝置；濾袋除塵主要是相對簡單的脈沖閥控制。

輸灰系統包括灰斗蓄灰和倉泵輸灰系統。

濾袋除塵、輸灰系統的程控通常由PLC實現，然后與DCS通信實現凈煙集控，也可以直接由DCS實現監控。高頻電源控制裝置與PLC或DCS通信，除塵設施運行數據統一通信至脫硫DCS，包括靜電場、脈沖閥、輸灰系統等數據，統一由DCS-SIS向上級監管平臺傳送。

CEMS儀表主要為除塵器出口煙塵儀表，通常布置在引風機進口或出口的垂直煙道上，選擇激光散射型儀表。

停機以后的一段時間內，由于爐內、煙道內的粉塵還較多，有角落里堆積的，也有懸浮在煙氣中的，應該盡量延長除塵器的運行時間，避免將粉塵污染到除塵器后的干凈煙道以及MGH換熱器鰭片上，同時也為了減少粉塵排入大氣中。

輸灰系統在運行中，尤其在輸灰設備故障時要做好防止二次揚塵的措施，保證超低排放的實現。

3.3 FGD的工作原理和控制原理

濕法脫硫原理：當吸收液通過噴嘴噴淋煙氣流，被分散成細小的液滴并覆蓋吸收塔的整個斷面，液滴與煙氣逆流時吸收了SO2，從而脫除煙氣中的SO2。同時吸收了SO2的吸收液滴回到漿液池中，加氧并攪拌，完成氧化反應和中和反應。生成副產品石膏CaSO4，濾液水可以反復使用。

在漿液噴淋吸收的過程中，還附帶洗滌了煙氣中的顆粒物及Cl-，F-。吸收塔的上部還安裝了除霧器，去除煙氣中攜帶的吸收液滴，其洗塵和除霧作用將是脫硫設施協同除塵的兩個重要性能。尤其在超低排放要求下，當FGD入口煙塵稍大時，通過增加漿液循環泵的運行，達到一定的液氣比，來保證FGD出口煙氣的顆粒物濃度。

采用高效優質除霧器產品，確保吸收塔出口霧滴質量濃度不高于20mg/m3，即顆粒物攜帶5mg/m3。

脫硫工藝主要控制是吸收塔出口煙氣中SO2的濃度，包含吸收塔漿池漿液pH值、進漿密度與流量、石膏排漿密度等子控制，當有增壓風機的系統還包含煙氣壓力控制。

定性分析脫硫控制過程，首先保證漿液循環噴淋流量與煙氣中SO2流量相適應。煙氣中SO2流量可以通過DCS計算出，漿液噴淋流量可以根據經驗采用不同的循環泵運行組合來實現調整。在石灰石-石膏法脫硫過程中，一個十分重要的運行參數就是吸收塔漿液的pH值。從實際的使用過程中可知，pH值的高低，對于SO2的吸收程度有著直接的影響，漿液pH值高，傳質系數就會增加，對SO2的吸收速度就會加快。但太高的pH值會造成石灰石的溶解困難，加重系統結垢，影響設備整體的運轉效率。太低的pH值有利于石灰石的溶解，但是會降低SO2吸收的效果。根據各系統不斷積累的經驗，吸收塔的漿液pH值選擇在5.2～5.8是比較合適的。

在石膏漿液pH值控制中，一般通過DCS人工操作在保證漿池液位在合理范圍內，排出pH值低的石膏漿液、加入pH值較高的石灰石漿液，實現控制pH值在合理范圍內。如果需要實現自動調節，可以采用串級調節、前饋控制、速率限制、閥門開度限制、變比例、變設定參數等手段來優化控制邏輯。

控制石膏漿液pH值的同時控制密度在1 170 kg/m3，注意吸收塔漿池的水平衡。石灰石漿液的密度控制在1240 kg/m3。

吸收塔漿達到攪拌器運行液位以上時保持連續運行。氧化風流量由風機運行數量確定，一般人工控制。

脫硫設施熱工保護的主要功能是：防止高溫煙氣流入導致吸收塔及煙道防腐材料過熱脫落以及除霧器變形。

運行溫度一般超溫時采取事故噴淋降溫的保護措施，控制邏輯如下：

（1）自啟動條件（與）：吸收塔進口煙氣溫度（3取2）＞140℃，吸收塔出口煙氣溫度＞60℃，延時5 s。

（2）自動停條件（或）：吸收塔進口煙氣溫度（3取2）＜130℃，延時30 s，噴淋啟動后15min。

運行溫度緊急超溫時停用FGD且切斷脫硫煙氣通道，同時機組跳閘停運，其邏輯為下列3個條件之1：條件1，吸收塔進口溫度≥150℃（3取2），且吸收塔出口煙氣溫度＞75℃，延時5 s動作；條件2，吸收塔進口溫度≥180℃（3取2），延時10 s；條件3，FGD循環泵全停。

如有增壓風機，作為發電機組的第一重要輔機，其保護程控和煙氣壓力控制是極其重要的，熱控裝置配置參照主機保護與控制，在此不作累述。

脫硫工藝輔助控制包括除霧器沖洗間斷運行的順控，輔機的聯鎖與保護程控包括漿液循環泵系統、氧化系統、攪拌器、石膏脫水系統、排水坑系統等。

3.4 煙煙換熱環保設施的工作和控制原理

由于回轉式GGH的漏煙造成排放污染物濃度持續較高，超低排放環保設施就必須擯棄GGH。根據煙囪的設計煙溫，如超過漿液吸收塔后煙溫50℃，就需要將煙氣再加熱，即改造成管式熱媒水換熱器（GMGH）。為了實現超低排放，電除塵的除塵效率需由99.75%提高到99.94%，電除塵出口顆粒物質量濃度由81mg/m3降到20mg/m3。綜合以上因素，將電除塵前的煙氣熱量通過熱媒水GMGH系統傳遞到煙囪前的煙氣中。這時設計的電除塵器即為低低溫電除塵器。降溫段（煙氣加熱水GMH）出口煙氣溫度的設定值主要從低溫腐蝕、工程經濟性和電除塵器效率3個方面進行綜合考慮。升溫段（水加熱煙氣MGH）煙氣溫度主要是從煙囪防腐、消除白煙、有利煙氣抬升高度等角度考慮，如圖3所示。

GMGH系統的控制要點是保持降溫器出口煙氣溫度在煙氣酸露點以上，保證換熱管材的腐蝕速度在合理范圍內：

（1）循環泵變頻調速改變循環水流量，控制降溫器出口總平均煙溫在95℃；

（2）n個調節閥，控制n個降溫器的出口煙溫在95℃，避免煙氣流量不平衡而個別煙溫下降太低；

（3）旁路調節閥控制降溫器出口平均煙溫在95℃，在循環泵較低轉速下才自動投入；

如果煙囪可以接受48℃的煙溫，則換熱器可以作為低溫省煤器進行預熱回收使用。

如果采用電袋復合除塵，布袋運行煙溫下限是105℃，以及布置場地等因素的限制，GMGH的降溫段布置在除塵器到吸收塔之間的煙道中，GMGH的升溫段盡量布置靠近煙囪排放口。

降溫器冷段金屬防酸腐蝕要求降溫段熱媒水溫度控制在70℃，通過啟動輔助加熱器控制升溫器出口溫度。

3.5 濕法電除塵器環保設施的工作及控制原理

根據顆粒物排放指標，在5mg/m3時需采用濕除來保證。依靠靜電捕捉細小顆粒物和水霧，并周期性用水沖洗集塵電極板，不僅脫除PM2.5，PM10的煙塵、石膏，還能脫除一定的SO3和Hg，對減少霧霾起到一定的作用。

高壓高頻除塵系統的放電電流控制是1個獨立的控制系統，由高壓高頻電源控制柜中的PLC控制，可根據運行方式的需要由手動、自動及PLC遠程和顯示控制，高壓（輸出）低壓（輸入）系統的電源工作電流、開關狀態、儀表信號及其他信號均在控制室HMI上顯示，高低壓控制系統可根據工藝運行要求設置自動控制。

濕除高壓高頻電源PLC與濕除DCS之間通信，并在脫硫DCS操作員站上實現高壓高頻電源的自動程控功能，包括電源的啟停程控、參數設置、查看運行曲線及報表、故障報警等。

直接由DCS實現監控的部分包括：煙氣系統、水沖洗系統、電場絕緣箱密封風及加熱器系統、陰極熱風吹掃系統。

當濕除阻力增大時要適當增加沖洗頻次，減少極板結垢。在運行中，還要注意根據高頻電源的功率及時調整電壓，避免超限跳閘。

4 儀表選型

煙氣污染物濃度分析儀表選型的主要參數是儀表的最小量程（在滿足精度條件下）。最小量程是分析儀的物理量程，反映了儀表最小檢出值、靈敏度、精度、零飄、量飄等綜合性能。使用量程可以是最小量程的1～4倍。

4.1 排放口氣態污染物的測量原理

常見的非分散紅外吸收（NDIR）法和紫外差分吸收光譜（DOAS）法相比，DOAS的物理量程比NDIR小。在超低排放測量中選型合適，兩者皆可運用。超低排放測量預處理要有更強的除水率，可采用多級高效冷凝器，或采用滲透膜材料制成的干燥管技術，干燥管的SO2丟失濃度更低。

圖3 GMGH過程系統

SO2紫外熒光法紫外光線激發SO2發出一定波長的紫外光；NOx化學發光法，亞穩態的NO與來自臭氧發生器的O3氣體發生反應，轉化為激發態的NO2*。當激發態的NO2*躍遷到基態時發射出光子，光信號由光電倍增管按特定波長檢測接收。由于這兩種方法測量濃度較低，煙氣預處理適合采用稀釋法處理。

4.2 煙塵（顆粒物）測量原理

根據測量煙塵濃度大小范圍來選擇測量原理，由大到小的排列次序為：接觸靜電法、光透射法、激光后散色法、激光前散色法、β射線吸收法。當煙氣溫度接近露點時，為了避免霧滴的干擾，需要增加煙氣預處理裝置，用加熱方法蒸發并氣化水霧。

4.3 CEMS的注意事項

測點的布置要綜合考慮CEMS測點與比對監測測點以及環保設施性能；CEMS的系統響應時間標準要求小于200 s；煙塵做到等速采樣；儀表的線性誤差、零點漂移、量程漂移指標也要符合標準。

排放口的最終NOx要反映煙氣中NO和NO2的總和，CEMS選型要注意產品的環保認證有效，考慮煙氣的溫度、壓力、流速是否滿足儀表工作條件，以及周圍環境的要求。

布置在高塵、高流速區的熱工采樣探頭、測溫袋需要考慮其耐磨性，采取有效措施延長使用壽命。采樣探頭插入深度最好在1.2m以上。除了采樣探頭以外的其他測量探頭也需要采取防止低溫結露腐蝕的措施，比如電加熱、保溫包裹法蘭管。超低排放環保設施監控及自行監測CEMS的儀表選型見表3。

表3 CEMS儀表選型

5 結束語

今后還需進一步總結與超低排放技術相適應的控制與測量經驗，研究SO3、氧化汞、氣溶膠的脫除控制與測量技術，在今后的工程或運行中，將環保設施的效率、經濟性、可靠性、自動化水平、測量的準確性都得到提高。

［1］張孔瑜，曾之俊.燃煤電廠PM2.5污染物控制方案［C］.2015年電力行業節能環保論壇暨技術應用交流會論文集.北京：中國電力企業聯合會，2015.

［2］倪新宇.火電廠脫硝系統控制分析及優化［J］.華電技術，2015，37（2）：65-67.

［3］酈建國，林澄波，沈志昂.全國環保產品標準化技術委員會.電除塵器［M］.北京：中國電力出版社，2011.

（本文責編：齊琳）

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1674-1951（2016）11-0055-05

倪新宇（1970—），男，江蘇蘇州人，工程師，從事火電廠熱工控制方面的工作（E-mail：chdwdnxy＠163.com）。

2016-05-04；

2016-09-01