煤電超低排放脫硫運行狀態及穩定性評估

滕衛明， 李清毅,， 鄭成航， 胡達清， 范海東， 李 立， 高 翔

(1. 浙江省能源集團有限公司， 杭州 310007； 2. 浙江天地環保科技有限公司， 杭州 310003；3. 浙江大學 能源清潔利用國家重點實驗室， 杭州 310027)

煤電超低排放脫硫運行狀態及穩定性評估

滕衛明1， 李清毅1,2， 鄭成航3， 胡達清2， 范海東1， 李 立2， 高 翔3

(1. 浙江省能源集團有限公司， 杭州 310007； 2. 浙江天地環?？萍加邢薰?， 杭州 310003；3. 浙江大學 能源清潔利用國家重點實驗室， 杭州 310027)

以實施超低排放改造后的某1 000 MW燃煤機組為例，從機組負荷、入口SO2質量濃度、出口SO2質量濃度、脫硫效率、漿液pH值等之間的相互關系及系統物耗、能耗入手，建立該機組脫硫裝置的性能評估體系，對脫硫裝置的運行狀態、可靠性和穩定性進行詳盡評估.結果表明：出口SO2質量濃度與入口SO2質量濃度具有一定的正相關性；機組負荷增大，出口SO2質量濃度和脫硫效率均呈稍增長的趨勢；漿液pH值維持在5.0～5.6時，出口SO2質量濃度與漿液pH值具有一定的線性關系；石灰石消耗體積流量與SO2的排放速率具有線性關系；石膏漿液保持穩定，可滿足工藝設計要求；超低排放改造后水耗減少，電耗增加，脫硫塔出口SO2質量濃度明顯降低，其達標率為99.59%；機組總排口SO2質量濃度穩定可靠，改造效果顯著.

超低排放； 脫硫； SO2質量濃度； 漿液pH值

隨著工業化進程的不斷推進和環保要求的不斷提高，大氣污染物深度減排技術得到持續創新，超低排放成為近幾年國內研究的熱點.在SO2脫除方面，我國SO2排放限值低于美國、日本等發達國家及地區，對電力行業和脫硫產業提出了更高的要求.隨著發改能源[2014]2093號文及其他國家/地區超低排放要求的相繼出臺，脫硫技術的發展步入了超低排放階段.國內研發了雙層均流增效板[1]、pH分區控制[2]、單/雙塔雙循環[3-4]、海水脫硫[5-6]等一系列SO2超低排放控制技術，且實現了工程化的推廣應用.污染物控制標準的不斷升級，使得技術和裝備持續升級，實現了工藝和裝備的國產化，推進了相關技術的研究發展歷程，但相關學者對應用技術長期運行狀態、穩定性、可靠性和經濟性的研究相對較少.超低排放改造后燃煤機組脫硝裝置的性能評估表明，機組NOx排放量降低，總排口排放質量濃度穩定達標率在98%以上[7].單塔一體化脫硫除塵深度凈化技術的評估結果表明，該技術具有除塵脫硫效率高、能耗低、投資少、可徹底消除“石膏雨”等優點[8].不同機組超低排放環保島經濟性的評估研究表明，相比330 MW機組，660 MW機組污染物的脫除成本較低[9].鄭曉盼等[10]對海水脫硫污染物達標率與裝置穩定性進行了綜合評估，提出了技術改進措施、運行優化及監督管理建議；王志軒[11]建議對超低排放開展全面的規范性評估，認為不能以實際監測驗收數據作為達到超低排放的依據[12]；帥偉等[13]以實現超低排放改造的燃煤電廠為研究對象，初步探索了實現超低排放電廠主要煙氣污染物的排放特征與環境效益；朱法華等[14]結合煤質條件，系統分析了煤電機組實現SO2、NOx和煙塵超低排放的控制技術及其投資與運行費用.相對燃氣發電，燃煤煙氣污染物超低排放的經濟性更為顯著.但與常規煙氣的治理技術相比，超低排放的投資較高.綜合考慮技術經濟效益和環境效益，建議超低排放有序發展[15].目前，尚未有關于石灰石-石膏濕法脫硫技術的詳細評估報道.

筆者以實施超低排放的某1 000 MW燃煤機組為例，從機組負荷、入口SO2質量濃度、出口SO2質量濃度、脫硫效率、漿液pH值等之間的相互關系及系統物耗、能耗入手，建立脫硫塔的性能評估體系，對超低排放改造后機組的技術性能和運行狀態進行評估，并對比分析改造前后機組的SO2排放情況，對總排口SO2質量濃度達到超低排放限值時機組的可靠性及穩定性進行評估.

1 系統簡介與數據處理

1.1 機組脫硫情況

圖1為實現超低排放后機組的脫硫系統及關鍵組件示意圖.該機組原設置脫硫塔，為使機組總排口凈煙氣中的SO2排放質量濃度滿足超低排放限值(35 mg/m3)的要求，對脫硫塔內外組件進行了改造.在不改變脫硫塔高度的情況下，采用雙層均流增效板和交互式噴淋的方式提高液氣比、傳質速率和氣流分布均勻性，以保證脫硫塔的高性能、高可靠性和高適用性.在脫硫塔入口和出口煙道均安裝在線測試儀表，主要包括SO2質量濃度測試儀、O2質量濃度測試儀、熱電阻和壓力變送器等，且安裝了性能測試點.

圖1 某機組脫硫系統的示意圖

改造后，脫硫塔的設計入口SO2質量濃度為1 745 mg/m3，設計脫硫效率為98%，出口SO2質量濃度不大于35 mg/m3.在設計工況下，循環漿液泵采用三用一備的方式運行.

1.2 數據處理

脫硫塔入口SO2質量濃度、出口SO2質量濃度、機組負荷、漿液pH值、物(能)耗等均來源于該機組超低排放改造后煙氣自動監控系統(Continuous Emission Monitoring System，CEMS) 連續2個月的監測數據，每2組數據間隔時間為30 min.進行數據處理時，SO2質量濃度均為已折算到標準狀態、氧體積分數為6%下的數據.在數據獲取時間之前均已對相關在線測試儀表進行標定.

脫硫效率為：

(1)

式中：η為脫硫效率；ρin為脫硫塔入口SO2質量濃度，mg/m3；ρout為脫硫塔出口SO2質量濃度，mg/m3.

通過對2個pH變送器上顯示的值進行算術平均，得到漿液pH值.pH變送器安裝在脫硫漿液排出泵出口，其品牌為Rosemount，型號為1056-01-22-38-AN.

石灰石漿液消耗體積流量和工藝水消耗質量流量均為小時平均值，電耗為電流信號的平均值，漿液成分則通過取樣化驗獲得.SO2排放質量濃度的達標率σ是指在評估脫硫系統的時間段內，SO2排放質量濃度達到某個設定值數量占SO2排放質量濃度總統計數量的比值.

2 結果與分析

2.1 脫硫塔入口SO2質量濃度對出口SO2質量濃度的影響

經檢測，監測時間段內該機組入爐煤收到基全硫質量分數的平均值為0.45%，最低值、最高值分別為0.31%和0.73%.由于煤種全硫質量分數的差異，脫硫塔入口SO2質量濃度在0～1 500 mg/m3.脫硫塔入口SO2質量濃度對出口SO2質量濃度的影響如圖2所示.由圖2可知，隨著脫硫塔入口SO2質量濃度的升高，出口SO2質量濃度緩慢上升，兩者具有一定的線性趨勢；有少量出口SO2質量濃度值超過超低排放限值，且超標值均發生在調整脫硫系統運行參數期間.

不同機組負荷下入口SO2質量濃度對出口SO2質量濃度的影響如圖3所示，在1 000±50 MW、750±50 MW和500±50 MW穩定負荷下，出口SO2質量濃度均隨脫硫塔入口SO2質量濃度的升高而升高.機組低負荷時煙氣量較少，煙氣在脫硫塔內的停留時間相對較長，同樣的運行條件下機組的脫硫效率會相應提高.由圖3可知，將出口SO2質量濃度與入口SO2質量濃度進行線性擬合，發現500±50 MW機組負荷下直線的斜率最大.這是因為在出口SO2質量濃度滿足超低排放限值的情況下，機組的各運行參數設定為經濟工況下的參數.綜上所述，超低排放脫硫塔可實現對SO2的穩定可靠脫除.

圖2 入口SO2質量濃度對出口SO2質量濃度的影響

(a) 1 000±50 MW下入口SO2質量濃度對出口SO2質量濃度的影響

(b) 750±50 MW下入口SO2質量濃度對出口SO2質量濃度的影響

(c) 500±50 MW下入口SO2質量濃度對出口SO2質量濃度的影響

2.2 機組負荷對出口SO2質量濃度和脫硫效率的影響

圖4和圖5分別給出了機組負荷對出口SO2質量濃度和脫硫效率的影響.隨著機組負荷的增大，出口SO2質量濃度和脫硫效率均稍有增長.在高機組負荷下，煙氣體積流量增加，煙氣停留時間減少，導致出口SO2質量濃度升高；脫硫效率提高的主要原因是在低負荷下，機組的各運行參數設定為經濟工況，僅能保證SO2質量濃度達到設計值，舍棄了更高的脫硫效率.機組負荷為400～1 000 MW時，出口SO2質量濃度大多維持在10～30 mg/m3，機組變負荷時SO2質量濃度可基本穩定地達標排放，表明應用雙層均流增效板技術對降低出口SO2質量濃度和提高脫硫效率具有較好的適應性.

圖4 機組負荷對出口SO2質量濃度的影響

圖5 機組負荷對脫硫效率的影響

2.3 漿液pH值對出口SO2質量濃度的影響

漿液pH值對脫硫效率的影響很大，要使脫硫塔出口SO2質量濃度在較短的時間和有限的空間內達到超低排放限值要求，須通過調整控制漿液pH值來提高SO2的溶解速度.漿液pH值應維持在5.0～5.8，才可獲得較高的亞硫酸鹽氧化率.隨著漿液pH值的提高，脫硫效率提高，出口SO2質量濃度降低.漿液pH值對出口SO2質量濃度的影響如圖6所示.由圖6可知，在滿足SO2超低排放限值的條件下，漿液pH值維持在5.0～5.6，出口SO2質量濃度與漿液pH值具有一定的線性關系.隨著漿液pH值的提高，出口SO2質量濃度降低.進行超低排放改造后，出口SO2質量濃度隨漿液pH值的升高而降低.

圖6 漿液pH值對出口SO2質量濃度的影響

2.4 脫硫裝置的能耗分析

2.4.1 石灰石漿液消耗體積流量

表1為2種機組負荷下石灰石漿液消耗體積流量，其中石灰石漿液的平均消耗體積流量分別為11.37 m3/h、10.12 m3/h.根據計算監測數據可知，1 000 MW和750 MW機組負荷下SO2平均排放速率分別為1 399.8 kg/h和1 156.9 kg/h，由此可知石灰石漿液消耗體積流量與SO2的排放速率具有線性關系，即脫硫塔入口SO2排放速率越大，石灰石漿液消耗體積流量越大.

表1 石灰石漿液消耗體積流量

2.4.2 石膏漿液分析

為穩定脫硫效率、保證石膏質量及防止結垢，需保持石膏漿液的穩定[15].研究表明，石膏漿液密度大于1 150 kg/m3時，應將脫硫塔內的石膏排放至石膏脫水系統.Cl-會引起金屬腐蝕和應力腐蝕，可抑制吸收塔內的化學反應、改變漿液pH值及降低SO42-去除率，從而增加石灰石漿液消耗體積流量.不同機組負荷下脫硫塔漿液的分析結果如表2所示.由表2可知，在1 000 MW機組負荷下，石膏漿液的密度小于1 150 kg/m3，Cl-質量濃度小于12 000 mg/L，可滿足工藝與設計要求，且石膏漿液較為穩定.

表2 石膏漿液的分析結果

2.4.3 工藝水消耗質量流量

表3為不同機組負荷下超低排放實施前后的工藝水消耗質量流量.脫硫塔工藝水的消耗主要分為兩部分，一部分工藝水作為吸收塔補水、真空泵密封水、石灰石漿液箱補水、泵的密封水、冷卻水和沖洗水，另一部分作為除霧器沖洗水間歇沖洗除霧器.通過監測脫硫塔工藝水消耗質量流量，可分析改造后工藝水消耗質量流量變化的原因.改造后1 000 MW和750 MW機組負荷下對應的工藝水消耗質量流量平均值分別減少34.62 t/h、23.44 t/h.改造前脫硫塔煙氣入口溫度為118 ℃，因脫硫塔前電除塵器采用了低低溫電除塵技術，脫硫塔入口煙氣溫度降低至103 ℃，溫度降低使得凈煙氣帶水量減少，相應工藝水消耗質量流量減少.

表3 工藝水消耗質量流量

2.4.4 電耗

不同機組負荷下的電耗如表4所示，風機電耗包括增壓風機和氧化風機電耗，各類泵電耗包括循環漿液泵和工藝水泵電耗.因數據獲取原因，未考慮磨粉機、石膏排出泵及脫水系統等對電耗的影響.

表4 電耗

在1 000 MW機組負荷下脫硫系統統計設備的總電耗平均值為8 502 kW，廠用電率為0.85%；在750 MW機組負荷下相應總電耗平均值為7 050 kW，廠用電率為0.94%.與1 000 MW機組負荷相比，750 MW機組負荷下電耗減少的主要原因是增壓風機電耗減少.由于在2種機組負荷下循環漿液泵、氧化風機等的運行狀態基本一致，造成750 MW機組負荷下的廠用電率高于1 000 MW機組負荷下的廠用電率.

2.5 實施超低排放前后SO2排放質量濃度的對比

在1 000 MW和750 MW機組負荷下，實施SO2超低排放前后脫硫系統的脫硫效果如表5所示，數據均來自兩相鄰年同期的CEMS.由表5可知，在2種機組負荷下，改造前SO2排放質量濃度均大于35 mg/m3，且在1 000 MW機組負荷下SO2排放質量濃度超過50 mg/m3，難以滿足GB 13223—2011 《火電廠大氣污染物排放標準》中重點地區SO2的排放限值要求；改造后，SO2排放質量濃度均低于35 mg/m3，滿足超低排放限值要求，且平均脫硫效率在98%以上，表明脫硫效率至少可提高3%.

表5 脫硫塔改造前后脫硫效果

3 總排口SO2質量濃度達標的可靠性和穩定性評估

通過該機組總排口SO2質量濃度來評估脫硫塔的達標情況.圖7為該機組改造后一段時間內總排口SO2質量濃度的變化情況，機組總排口的SO2質量濃度在0～45 mg/m3波動.在4 658個監測點中，有19個點超過超低排放限值(35 mg/m3).經計算，該時間段內平均SO2質量濃度為13.60 mg/m3，SO2質量濃度不高于35 mg/m3的達標率σ為99.59%.SO2質量濃度不高于50 mg/m3、30 mg/m3和20 mg/m3的達標率σ分別為100%、98.04%和82.68%.

通過對總排口SO2質量濃度不滿足超低排放限值的數據點分析發現，不達標的數據點均出現在機組變工況時，且此時循環漿液泵運行臺數為1臺或2臺.出現超標值后，可通過迅速增加脫硫塔循環泵臺數等方法來提高脫硫效率，因此認定脫硫塔可穩定達到超低排放限值要求.

圖7 改造后機組總排口SO2質量濃度

4 結 論

(1) 在不改變脫硫塔高度的情況下，采用雙層均流增效板和交互式噴淋的方式可滿足SO2質量濃度達到超低排放限值的要求，達標率為99.59%.改造后脫硫效率由95%提高至98%以上.

(2) 脫硫塔入口SO2質量濃度、機組負荷和漿液pH值對出口SO2質量濃度及脫硫效率均有一定的影響.脫硫塔入口SO2質量濃度升高，出口SO2質量濃度緩慢上升，兩者存在一定的正相關性.機組負荷增大，出口SO2質量濃度和脫硫效率稍提高，漿液pH值增大，出口SO2質量濃度降低.

(3) 超低排放改造后，系統的物耗和能耗均有一定的變化，石灰石消耗體積流量與SO2的排放速率具有線性關系；脫硫塔入口煙氣溫度降低，導致工藝水消耗質量流量減少；循環泵運行臺數增加，煙氣系統阻力增大，導致電耗增加；漿液成分滿足脫硫系統的設計要求.

(4) 構建了SO2超低排放運行狀態及長期運行的穩定性、可靠性的評估方法.因數據獲取的原因，未評估石灰石的性質、煙氣中的含塵量、鈣硫比、傳質性能等對SO2脫除性能的影響，多種變工況數據采集仍不夠充分，下一步將對此進行深入研究.

[1] 梁晏萱, 蘇成. 雙托盤噴淋塔在石灰石-石膏濕法脫硫裝置改造中的應用[J].重慶電力高等專科學校學報, 2015, 20(5): 38-42.

LIANG Yanxuan, SU Cheng. A study on the application of the double-pallet spray tower in the renovation of the limestone-gypsum wet FGD device[J].JournalofChongqingElectricPowerCollege, 2015, 20(5): 38-42.

[2] 李存杰, 張軍, 張涌新, 等. 基于pH值分區控制的濕法煙氣脫硫增效研究[J].環境科學學報, 2015, 35(12): 4081-4087.

LI Cunjie, ZHANG Jun, ZHANG Yongxin, et al. Removal efficiency of high sulfur dioxide in WFGD based on dual-pH value control[J].ActaScientiaeCircumstantiae, 2015, 35(12): 4081-4087.

[3] 李元, 楊志忠. 濕法煙氣脫硫關鍵影響因素及新型單塔雙循環技術[J].環境工程, 2016, 34(1): 69-73.

LI Yuan, YANG Zhizhong. Influence of key factors on lime-gypsum wet flue gas desulfurization and two circulations per tower technology[J].EnvironmentalEngineering, 2016, 34(1): 69-73.

[4] 高廣軍, 趙家濤, 王玉祥, 等. 雙塔雙循環技術在火電廠脫硫改造中的應用[J].江蘇電機工程, 2015, 34(4): 79-80.

GAO Guangjun, ZHAO Jiatao, WANG Yuxiang, et al. Application of two tower-two cycle technique for desulphurization retrofit of coal-fired thermal power units[J].JiangsuElectricalEngineering, 2015, 34(4): 79-80.

[5] BIAN Junjie, ZHANG Qi, MIN Xin, et al. Modified clinoptilolite catalysts for seawater flue gas desulfurization application: preparation, characterization and kinetic evaluation[J].ProcessSafetyandEnvironmentalProtection, 2016, 101: 117-123.

[6] LIN Haiying, PENG Jingji, YUAN Dongxing, et al. Mercury isotope signatures of seawater discharged from a coal-fired power plant equipped with a seawater flue gas desulfurization system[J].EnvironmentalPollution, 2016, 214: 822-830.

[7] 李清毅, 孟煒, 吳國潮, 等. 超低排放脫硝運行狀態及穩定性評估[J].浙江大學學報(工學版), 2016, 50(12): 2303-2311.

LI Qingyi, MENG Wei, WU Guochao, et al. Evaluation on operation state and stability for denitrification of ultra low emission[J].JournalofZhejiangUniversity(EngineeringScience), 2016, 50(12): 2303-2311.

[8] 孟令媛, 朱法華, 張文杰, 等. 基于SPC-3D技術的煙氣超低排放工程性能評估[J].電力科技與環保, 2016, 32(1): 13-16.

MENG Lingyuan, ZHU Fahua, ZHANG Wenjie, et al. Evaluation engineering performance of ultra of low emission of flue gas on SPC-3D techndogy[J].ElectricPowerTechnologyandEnvironmentalProtection, 2016, 32(1): 13-16.

[9] 徐甸, 周燦, 吳賀之, 等. 燃煤機組超低排放環保島費效評估對比分析[J].能源工程, 2016(4): 56-62, 73.

XU Dian, ZHOU Can, WU Hezhi, et al. Comparative analysis on cost-benefit evaluation of ultra-low pollutants emission from coal-fired units[J].EnergyEngineering, 2016(4): 56-62, 73.

[10] 鄭曉盼, 高翔, 鄭成航, 等. 基于燃煤電廠“超低排放”的海水脫硫系統性能評估與建議[J].環境影響評價, 2015, 37(4): 9-13.

ZHENG Xiaopan, GAO Xiang, ZHENG Chenghang, et al. Performance assessment and suggestion of seawater desulfurization system on “ultra-low emission” coal-fired power plants[J].EnvironmentalImpactAssessment, 2015, 37(4): 9-13.

[11] 王志軒. 燃煤電廠大氣污染物“超低排放”基本問題思考[J].環境影響評價, 2015, 37(4): 14-17.

WANG Zhixuan. Considerations on basic issues of “ultra-low emissions” of air pollutants from coal-fired power plants[J].EnvironmentalImpactAssessment, 2015, 37(4): 14-17.

[12] 王志軒. 污染物超低排放評估的探討[J].中國電力企業管理, 2016(5): 38-41.

WANG Zhixuan. Discussion on the evaluation of ultra-low emission of air pollutants[J].ChinaPowerEnterpriseManagement, 2016(5): 38-41.

[13] 帥偉, 李立, 崔志敏, 等. 基于實測的超低排放燃煤電廠主要大氣污染物排放特征與減排效益分析[J].中國電力, 2015, 48(11): 131-137.

SHUAI Wei, LI Li, CUI Zhimin, et al. Analysis of primary air pollutant emission characteristics and reduction efficiency for ultra-low emission coal-fired power plants based on actual measurement[J].ElectricPower, 2015, 48(11): 131-137.

[14] 朱法華, 王臨清. 煤電超低排放的技術經濟與環境效益分析[J].環境保護, 2014, 42(21): 28-33.

ZHU Fahua, WANG Linqing. Analysis on technology-economy and environment benefit of ultra-low emission from coal-fired power units[J].EnvironmentalProtection, 2014, 42(21): 28-33.

[15] 張東輝, 莊燁, 朱潤儒, 等. 燃煤煙氣污染物超低排放技術及經濟分析[J].電力建設, 2015, 36(5): 125-130.

ZHANG Donghui, ZHUANG Ye, ZHU Runru, et al. Ultra-low air pollutant control technologies for coal-fired flue gas and its economic analysis[J].ElectricPowerConstruction, 2015, 36(5): 125-130.

EvaluationonOperationStabilityofaFlueGasDesulfurizationSystemAfterUltra-lowEmissionRetrofitoftheCoal-firedUnit

TENGWeiming1,LIQingyi1,2,ZHENGChenghang3,HUDaqing2,FANHaidong1,LILi2,GAOXiang3
(1. Zhejiang Provincial Energy Group Co., Ltd., Hangzhou 310007, China; 2. Zhejiang Tiandi Environmental Protection Technology Co., Ltd., Hangzhou 310003, China; 3. State Key Laboratory of Clean Energy Utilization, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China)

An evaluation system was established for the desulfurization performance of a 1 000 MW coal-fired power plant after ultra-low emission retrofit, based on the consumption of material and energy, and the interrelation among the unit load, the inlet and outlet concentration of SO2, the desulfurization efficiency and the slurry pH, etc., so as to evaluate the running status, reliability and stability of the desulfurization unit in detail. Results show that the outlet concentration of SO2is positively related to the inlet one. When the pH value of gypsum slurry is kept in 5.0-5.6, there exists a linear correlation between the outlet concentration of SO2and the pH value. The consumption of limestone has a linear relationship with the emission rate of SO2. The relatively stable content of gypsum slurry is found to be able to meet the requirement of process design. After ultra-low emission retrofit, the water consumption reduces, the power consumption rises, the outlet concentration of SO2drops significantly, the attainment rate reaches99.59%, and the SO2concentration at unit outlet gets stable, indicating obvious effects of the retrofit.

ultra-low emission; desulfurization; SO2concentration; pH value of gypsum slurry

2016-11-22

2016-11-28

國家杰出青年科學基金資助項目(51125025)；浙江省重點科技創新團隊資助項目(2011R50017)；浙江省重大科技專項重點社會發展資助項目(2013C03022)

滕衛明(1972-)，男，浙江金華人，碩士研究生，主要從事燃煤電廠大氣污染物控制方面的研究.

李清毅(通信作者)，男，高級工程師，電話(Tel.):0571-86669479； E-mail：liqingyi8@163.com.

1674-7607(2017)12-0992-07

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