探究節能環保技術措施在火電廠中的實際應用

國家能源集團國能寶清煤電化公司 李子波

1 火電廠濕法脫硫技術節能改造

1.1 技術背景

目前，火電廠在脫硫改造中采用石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術（WFGD），某火電廠采用4臺300MW級燃煤機組，共配置4套濕法煙氣石灰石-石膏脫硫系統，從設備運行現狀來看，在脫硫系統中的脫硫增壓風機，以及吸收塔循環系統設備的耗電量較大，并且該火電廠為維持自身正常運行，需要消耗大量成本，導致自身發電成本居高不下，嚴重影響了企業的經濟效益。

1.2 優化煙氣換熱器的運行方式

造成煙氣換熱器內部積灰、結垢的原因是多方面的，例如除塵器中的煙氣含量偏高會導致傳熱元件上大量積灰，若不能及時處理則會導致裝置上的壓差快速上升，并導致風機電流量增加，并增加裝置的電耗。除此之外，上述問題也可能造成石灰石粉活性下降，并引發脫硫石膏脫水困難，影響脫硫效果。同時，壓縮空氣在線吹掃頻率不足或者高壓水在線沖洗功率偏低也會導致裝置內部差壓增加，并導致能耗增加。

針對上述問題該火電廠采取以下應對措施：提升電除塵器的運行可靠性，并堅持在每個月停運脫硫系統后沖洗裝置，通過低壓水沖洗等方法清除裝置上黏附的酸性沉積物，確保裝置可在水的外力作用下清除表面酸性物質。之后改用高壓水槍沖洗，其目的是清除裝置上常規水沖洗無法清除的黏附物。最后，對裝置做壓縮空氣吹掃以及日常干燥即可[1]；合理運用脫硫系統停運時期，采用人工高壓水沖洗的方法保持裝置清潔；在設備投入使用后應提升壓縮空氣的吹掃頻率，根據現有經驗，每8h內應吹掃煙氣換熱器2次以上。

1.3 脫硫增加風機的節能運行

根據火電廠的實際情況來看，目前火電廠內布設兩臺功率為2500kW的風機，該裝置的最大轉速為580r/min，額定電流301A。在火電廠運行期間，考慮到廠內裝置無法保障長期滿載的要求，因此須調整增壓風機靜葉的方式調整轉速；而隨著風機運行負荷增大，則需要在現場不斷調整進口的靜葉開度，上述行為不僅會造成設備能耗增大，也有可能增加設備損壞風險，不容忽視。在系統改造中使用美國AB鞏固和內飾提供的X7000型變頻器，該裝置由18只SCR組成的6kV整流器，以及6kV逆變器等裝置組成，改造后的系統框架如圖1所示。

圖1 脫硫增壓風機的變頻改造系統結構圖

1.4 吸收塔循環泵的運行改造方案

該火電廠每套脫硫系統均配置了3臺脫硫循環泵，該裝置運行期間因為減速箱質量存在缺陷，再加之裝置的運行噪聲大，嚴重影響了脫硫系統運行穩定性。所以，為解決上述問題，本次項目中制定的節能改造優化方案為：取消傳統的吸收循環泵減速箱，將系統改為電機直連運行模式。

1.5 改造效果評估

為綜合判斷上述濕法煙氣脫硫技術的可行性，本文將綜合對比節能改造效果，相關數據顯示，改造后的裝置平均脫硫效率提升4.0%左右，并且一臺吸收塔再循環泵停運1h則可以節能用電400kWh，同時按照當地電價0.5元/kWh的標準來計算，則每月降低生產成本約為14.4萬元。同時，經過變頻調速控制改造后，系統的經濟性明顯改善，并在一定程度上優化了裝置的整體運行狀態，與改進前相比，本文所介紹的節能改造方案可減少電機啟動等沖擊作用對電機的破壞，有助于增強機組穩定性。

2 火電廠脫硝系統改造方案

2.1 機組概況

某火電機組采用Ⅱ型布置方案，屬于單爐膛、四角切圓燃燒方式。該火電機組在脫硝改造中選擇催化性還原煙氣脫硝工藝，每臺脫硝裝置的最大處理能力為鍋爐最大連續蒸發量工況時的100%煙氣量。并且為滿足節能環保生產要求，煙氣的脫硝效率應大于等于85%。催化劑為蜂窩式，在處理現場采用了“2＋1”的布置方式。

根據現場調查結果可發現，該機組的脫硝系統存在以下問題：根據脫硝系統的圖紙調閱結果可發現，因為脫硝系統中布設導流板，該裝置被布設在頂部煙道與底部彎道的轉折處，該問題則會導致噴氨格柵處流場分布不均勻，影響處理效果；噴氨格柵與噴嘴裝置。由于原有裝置中主要沿著垂直方向布設多個噴嘴，但在實際應用中可以發現分支管上的不同噴嘴的噴氨數量不均勻。同時，由于噴嘴直徑較大，所以在運行期間無法保障煙道截面的覆蓋效果，無法保證氨氣與煙氣之間均勻分布。

2.2 優化脫硝系統流場

根據改造前裝置煙氣流速分布情況可以發現，省煤器出口位置存在大的低速渦流區，造成水平方向的煙氣流速分布效果差，并且在入口煙道垂直段也可發現大范圍的低速區域。受到上述問題影響，最終導致水平方向上的煙氣分布不均勻。

為解決上述問題，在本次系統改造中分別在省煤器的出口位置，以及脫硫催化劑頂部煙道內增設導流元件，其目的是通過導流元件改善噴氨格柵入口煙氣流場分布的均勻性[2]。并且與傳統結構相比，經過本次現場改造可清除催化劑區域中的低速流體區域，進而消除催化劑入口位置產生的煙氣截面速度偏差。根據優化后的氣體分布結果可以發現，入口煙道噴氨截面的煙氣流場的整體分布十分均勻，氣體流向結果呈現出與催化劑相垂直的特征。

2.3 完善氨-控擾流器

為解決傳統系統結構弊端，在本次系統設計中利用固定在管道內的氨-控擾流器調整氣體在管內的流動狀態，在氨-控擾流器的作用下，可通過增加流體運動梯度的方法使其形成湍流，保證裝置內氨氣與空氣的充分混合。根據相關數據對比結果可發現，在本次裝置改造中加裝氨-控擾流器裝置后，管道內的氨氣分布均勻性明顯提升，且氨氣分布相對偏差誤差值也下降至8%以下，該結果也顯示管道內的空間分布情況更理想。

2.4 加裝氨-煙混態擾流發生器

在傳統工藝中，為滿足設備脫硝研究，須在噴氨格柵前方增設導流板來消除煙氣速度偏差。但在該結構中，為保證滿意的脫硝效果，則需要保證噴氨格柵與催化劑之間的煙道距離足夠長，這樣才能保證理想的煙氣擴散與混合時間。但在實際上，現有裝置中的煙道距離短，因此可考慮在噴氨格柵后方增加氨-煙混態擾流發生器，用于改善反應器內的空間分布情況。分別比較加裝氨-煙混態擾流發生器前后裝置上方的煙道流場空間分布情況后可以發現，在裝置作用下可以顯著增加湍流強度，并且在裝置結構優化中通過調整擾流器的安裝位置，也可以用于控制煙氣與氨氣之間的混合效果。

2.5 噴氨格柵的改造方案

在優化噴氨格柵結構期間，需采用計算流體動力學軟件（CFD）計算格柵噴嘴的角度與數量，其目的是保證噴嘴的噴氨量保持均勻，并通過防磨防堵處理方法，保證裝置噴氨效果均勻。因此，在本次裝置改造中，通過將煙道劃分為大小均勻的4個分區，通過電動調節閥調整每個分區的噴氨量變化情況，并且每個分區中均設置6個小分區，并且每個分區均由單獨的手動控制閥控制。為實現深度調節噴氨量，在本次設計中鋪設超過20個截止閥，每個截止閥均可以用于調整噴氨量變化。

根據本次項目的評估結果顯示，在對噴氨格柵進行系統改造后，改造后的格柵具有以下特征：裝置改造后有助于綜合控制管道的直徑與噴灌直徑，保證每個噴嘴的流速是相對一致的，解決了傳統結構下噴嘴流速不相同的問題；在優化噴嘴結構后，有助于相關人員隨時控制噴嘴的噴射速度，尤其是可以通過調整噴射夾角的方法，提升氨氣與煙氣的混合效果，進而避免出現噴口磨損積灰問題。

2.6 改造效果評價

根據案例火電廠結構改造的成功經驗來看，該裝置可在660MW的工況下維持相對穩定的機組負荷，尤其是噴氨量較為穩定，提示上述改造方案具有合理性。

脫硝入口煙氣流速情況。根據裝置的現場檢測結果可知，煙氣改造后的脫硝入口位置分布是相對均勻的，其中煙氣流速最低值為14.3m/s，最大值則高達20.1m/s；脫硝入口位置的煙氣溫度分布情況。根據現場監測結果可發現，脫硝入口位置的溫度場整體空間分布情況更加均勻，其中煙氣溫度的最低值約為360.3℃，而維度的最高值僅為367.2℃，每個檢測點煙氣溫度的平均溫度偏差值均為-3.52～4.36℃；脫硝入口位置的氮氧化物濃度分布情況可以發現，改造后脫硝入口位置的丹陽化合物濃度分布均勻，其中入口位置質量濃度的最低值為164.1mg/m3，最高值為176.8mg/m3，各個監測點的氮氧化物質量濃度目標標準差均滿足質量標準。

3 火電廠除塵器的節能改造

某火電廠的330MW機組采用FE型電袋復合式除塵器，其低壓柜使用PLC控制系統，該除塵器的設計煤種煙塵排放濃度≤50mg/m3，設計最高除塵率為99.91%，漏風率為2.41%。該除塵變壓器容量為1000kVA，高壓側電壓值為6000V。該裝置自投入商業運營后，其運行質量一直受外界負荷等因素影響，根據火電廠的運營經驗來看，早在2021年5月，為降低后級布袋運行出力并延長使用年限，該廠家調整除塵器運行方式為電流極限100%，全波運行方式0，結果顯示上述方法可以顯著提升電場除塵效率；并且在使用全波供電模式后，系統的耗電量顯著提升，未滿足節能運行要求。

為解決傳統裝置運行中存在的問題，本次系統改造中采取間歇式供電方式，即調整裝置機組負荷165MW，除塵器噴吹時間間隔15s，噴吹壓力0.3MPa，將整流變壓器電流極限值上調至100%。根據現場觀察結果可以發現，在經過調整后整流變壓器停運后整個電袋除塵器的壓差不會出現明顯變化。

在分別對比試驗前后電袋除塵率的相關數據可以發現，當整流變壓器的極限值調整至100%后，裝置全天的耗電量約為13.2MWh；而在電流極限為100%狀態下停運一臺整流變壓器時，可發現全天耗電流下降至10.65MWh（見表1）。結合當地電價可以發現，經過上述改造后每個月可以降低約3萬元的運行成本，具有可行性。

表1 設備運行效果評估

根據案例火電廠項目的成功經驗可知，在火電廠電袋除塵器節能降耗中采取間歇供電方法具有可行性，但在執行階段還應該充分認識到該技術的局限性，做到“具體情況具體分析”。該技術的局限性主要體現在以下幾方面：采用間歇供電工藝后，其供電設備畢竟比不上脈沖寬度較窄的全波脈沖供電設備，因此經改造后難以顯著提升整個系統的運行功效，這是需要重點關注的問題；若電除塵器在電阻太小的情況下嚴禁運行，避免過度影響裝置的運行功效；在電廠電流值偏大以及負載值異常的情況下，采用間歇供電無法取得滿意效果，這是因為間歇供電控制過程可能會受到電阻以及電源容量等因素的影響[3]。

在火電廠運行階段，運用節能環保技術可取得滿意效果，已經成為企業節能增效的關鍵，具有廣闊的發展前景。根據本文的研究結果可知，在火電廠運行階段，無論是火電廠濕法脫硫技術節能改造還是除塵器節能改造、脫硝系統改造等均有可行性，根據案例火電廠項目的改造經驗可發現，在采取上述節能環保改造方案后，整個企業的經濟效益顯著提升，上述技術均達到了降低設備運行能耗、提升企業經濟效益的目的，具有可行性。