1、超 低 排 放 燃煤 电 厂 WFGD 系 统 优 化运 行 探讨 段玖祥 李小 龙 蔡培 李军状 张文杰 国 电 科学 技 术研 究 院 摘 要： 在总结常规燃煤电厂 WFGD 系统优化运行经验的基础上, 结合新技术的发展与应 用, 探讨经过超低排放改造的燃煤电厂 WFGD 系统的优化运行要素和方法。总结 而言, 常规的有关 WFGD 系统的节能降耗、脱硫效率与 SO2 浓度排放、控制系统 与运行管理和污染物协同脱除等方面的优化方法, 经过适当改进或调整后, 依 然适用于超低排放 WFGD 系统的优化。 此外, 应加强超低排放WFGD 系统在节水和 系统控制等方面新技术的研发与应用。 尤其是
2、在当前人们对大气环境污染问题日 益重视和排放标准日趋严格的形势下, 应多关注 WFGD 系统多污染协同脱除能力 的提升, 加快此类技术的研究和推广 应用。 关键词 ： 燃煤电厂; 超低排放; WFGD; 优化运行; 节能降耗; 协同脱除; 作 者简 介： 段玖祥 (1970-) , 男, 本科, 高级工程师, 主要研究方向为火力发 电厂大气污染物控制与监测。 作 者简 介： 李小龙 (1988-) , 男, 硕士, 工程师, 主要研究方向为火力发电厂 大气污染物控制与监测。 OPTIMIZATION OPERATION OF WFGD SYSTEMS IN ULTRA-LOW EMISSION
3、 COAL-FIRED POWER PLANTS DUAN Jiu-xiang LI Xiao-long CAI Pei LI Jun-zhuang ZHANG Wen-jie Guodian Science and Technology Research Institute; Abstract ： The optimization operation of WFGD systems in ultra-low coal-fired power plants was proposed on the basis study of conventional optimization operatio
4、n methods and development and application of some new developing technologies. In summary, the improved and adjusted conventional methods of WFGD could be applied to the optimization operation of ultra-low emission WFGD Systems, relating to energy saving, removal efficiency and SO2 emission concentr
5、ation, control system and operation management and pollutants synergistic removal. Furthermore, new technologies of ultra-low emission WFGD systems should be developed and used immediately, such as the new technology of water saving and WFGD system control. Especially, more emphasis should be put on
6、 the research and promotion of pollutants synergistic removal technology of WFGD systems, under the condition of much severer atmospheric environment pollution and much stricter emission standard. Keyword ： coal-fired power plants; ultra-low emission; WFGD; optimization operation; energy saving; syn
7、ergistic removal; 0 引言 烟气脱硫是目前世界上唯一大规模商业化应用的 SO2 控制技术1-3, 主要包括 干法、半干法和湿法脱硫三大类4, 其中湿法脱硫技术是应用最广泛的脱硫技 术。在我国燃煤电厂中, 石灰石-石膏湿法脱硫技术 (WFGD) 因其脱硫效率高、 技术成熟及运行可靠等优点, 得到了广泛应用, 设备占比达到93%左右5。 自2014 2015 年, 三部委相继联合发布煤电节能减排升级与改造行动计划 (2014 2020 年) 和 全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案 以来, 燃煤电厂超低排放改造全面展开。 WFGD 系统作为燃煤电厂控制 SO2 排放的主要设
8、 备, 成为超低排放改造的重点对象。超低排放 WFGD 大多在传统空塔喷淋技术的 基础上, 根据煤种及含硫量等参数进行改造, 使用复合塔技术及p H 分区技术 等。复合塔技术包括旋汇耦合、沸腾泡沫、增设托盘技术等;p H 分区技术包括 单塔双循环及双塔双循环技术等6-7。经过超低改造, WFGD 系统在提高脱硫效 率的同时, 其污染物协同脱除能力大多有所提高, 尤其是对细颗粒物的脱除能 力。 WFGD 系统作为燃煤电厂除主机外的重要设备, 其高效运行关系到全厂的生产经 营状况, 与之相关的优化运行也一直备受关注, 这方面的研究报道也较多 8-12。超低排放下, 面对严苛的排放标准和电价考核机制
9、, 如何继续做好 WFGD 系统的优化运行 工作, 确保其经济高效运行, 将成为煤电行业关心和讨论 的重要问题。 对此, 本文将在梳理和总结常规燃煤电厂 WFGD 系统优化运行经验的基础上, 结 合一些新技术的发展应用, 探讨WFGD 系统在超低排放下的优化运行, 为超低排 放燃煤电厂WFGD 系统的经济高效运行提供参考。 1 优化运行要素 1.1 节能 降耗 节能降耗关系到WFGD 系统的经济运行和电厂的降本增效, 包括能耗、物耗及水 耗等的优化, 也是优化运行的首要问题。传统 WFGD 作为电厂的能耗大户, 厂用 电率在1%2%9-12, 而其中的浆液循环泵、增压风机及氧化风机等作为 WF
10、GD 的主要设备, 其耗电量约占整个系统的 80%9。 超低排放WFGD 系统的用电设备 有所整合和增加, 能耗状况也有所变化。WFGD 的物耗主要为石灰石, 水耗则主 要是随烟气蒸发水量、 石灰石浆液制备用水、 吸收塔补水、 除雾器冲洗水及排放 废水等。 超低排放下, 由于SO2 排放浓度的降低, 石灰石耗量将会上升, 而耗水 量的变化则因除雾器改造冲洗水量的增加和 其他节水技术的应用存在一定的不 确定性, 但水耗依然较大。总之, 能耗、物耗及水耗是 WFGD 系统的主要成本消 耗, 且超低排放下, 这类消耗增加明显, 也将是优化的首要目标。 1.2 脱硫 效率及 SO2 排放 浓度 脱硫效
11、率是衡量WFGD 系统性能的重要指标, 受反应工艺控制、烟气温度和成分 及烟尘含量等影响, 也与浆液循环泵及氧化风机等设备运行状况密切相关6, 其优化调整关系到 WFGD 的高效经济运行。SO2 排放浓度是检验WFGD 运行状况最 重要的 参数, 也是环境监测关注的重点, 受相关排放标准的约束不能太高, 又 因为脱硫成本及WFGD 脱除能力的限制不可能太低。 超低排放下, 脱硫效率更高, SO2 排放浓度也更低, 两者的优化也将更重要。 1.3 控制 系统及 运行 管理 对于WFGD 而言, 当锅炉工况、煤质、烟气条件等发生变化时, 控制系统能根据 运行参数变化做出快速响应和调整至关重要, 良
12、好的控制系统不仅关系到设备 的安全高效利用, 也关系到物耗能耗等的最优配置, 更关系到系统整体的经济 效益。此外, WFGD 的高效运行还需要优秀的运行管理, 这对于系统的节能 降耗 和设备使用寿命的延长均有帮助。 超低排放下, 排放标准的降低、 调节空间的缩 小、响应要求的提高、电价考核的压力和发电利润空间的压缩, 对 WFGD 控制系 统的调节能力和运行管理水平均提出了更高要求。 1.4 污染 物协同 脱除 能力 随着人们对大气环境质量的日益重视, 燃煤电厂对常规污染物 (NOx 、SO2 及烟尘 等) 之外污染物的脱除能力逐渐受到关注。 但目前, 燃煤电厂尾部烟气净化设施 已较为冗长,
13、短期内难有空间和财力添加新的净化设施, 充分挖掘利用现有烟 气净化设备的协同脱除能力将是首选。WFGD 系统作为燃煤电厂重要 烟气净化设 备之一, 有一定的污染物联合脱除能力, 超低排放下, 其多种污染物协同脱除 能力将受到更多关注。 2 优化运行方法 2.1 节能 降耗优 化 2.1.1 能耗优 化 超低排放下, WFGD 系统大都取消了 GGH 和增压风机, 并施行“引增合一 ”13, 剩下主要用电设备为浆液循环泵、 氧化风机、 湿式球磨机和石膏脱水系统等, 相 对传统WFGD 系统而言, 这些用电设备只在容量和数量上发生变化, 因此一些常 规的能耗优化方法依然适用。 一般而言, 当机组负
14、荷、 烟气量或入口 SO2 浓度发 生变化时, 浆液循环泵可通过调整运行台数14-15和组合方式16-18进行节 能;其次可进行叶轮改造19, 改变泵的流量, 降低泵在不同组合方式下的浆液 裕量, 确保高效运行;此外, 使用低压高效喷嘴、选择合适塔型降低喷淋层高度 20 或降低循环浆液密度均可实现能耗优化。 对于氧化风机, 则可通过变频改造 9 或调整运行台数14等方式实现节能。另外, 合理控制吸收塔液位, 保证浆 液循环泵入口压头和氧化风机出口阻力之和处于最佳值, 能够起到同时优化两 种设备能耗的作用。需要注意的是, 超低排放下, 双塔WFGD 系统通过减少循环 泵或氧化风机数量实 现能耗优
15、化时, 应优先减少一级塔的泵和风机数量, 保证 较高的SO2 脱除效果, 确保排放不超标。 湿式球磨机的节能, 首先要利用好磨球 级配技术, 控制好不同大小的钢球比例, 并保持最佳钢球装载量21;其次, 确 保石灰石原料粒径满足设计要求 (20 mm) ; 另外, 根据需要提前做好规划, 统 筹好制粉量, 减少球磨机运行时间22等。 对于石膏脱水系统, 可提高旋流 器底 流含固量和多套石膏脱水装置错开运行, 减少石膏浆液排出泵和真空皮带机运 行时间, 实现运行能耗减少。 更重要的是, 超低排放下应结合运行数据, 根据不 同负荷、 烟气及入口 SO2 浓度条件, 完善主要用电设备运行卡片的制定,
16、 确保能 耗最优。 2.1.2 物耗优 化 超低排放 WFGD 系统石 灰石耗量有所上升, 降低石灰石耗量应首先从源头上控制, 尽量选用低硫煤, 并严格监控石灰石品质;其次, 控制合理的浆液p H 值, 确保 石灰石的充分利用; 另外, SO2 排放浓度在不超标的前提下不宜过低, 避免石灰石 用量过高;还有, 运 行中注意调整减少球磨机甩料23, 也有利于石灰石耗量的 降低。此外, 超低排放下, 应强化废水处理与排放管理, 以免浆液中 Cl 和Al 等杂质浓度偏高15, 影响脱硫反应效率, 增加石灰石消耗。 2.1.3 水耗优 化 随烟气蒸发所带走的吸收塔内水分, 约占WFGD 系统耗水量90
17、%, 减少烟气携带 水分是控制WFGD 水耗的关键。常规做法有调节炉膛燃烧和配风, 或安装低 温省 煤器等, 来降低过量空气系数或吸收塔入口烟温, 从而减少水分蒸发。 超低排放 下, 不少电厂使用MGGH 或低低温除尘技术, 以降低WFGD 系统入口烟温, 减少水 分蒸发。还有一些单位积极研发零补水技术或相变凝聚器技术, 降低 WFGD 系统 出口烟温, 使烟气中水分过饱和后凝结收集利用, 以实现WFGD 的节水。此外, 其他一些常规方法也有利于超低排放 WFGD 系统的节水。如合理回收利用石膏滤 液水和石膏旋流器分离出的溢流水, 减少工艺水补充, 最大程度实现水的循环 利用15;加强阀门状况
18、监控, 减少泄露23;确保石膏旋流器和真空皮带机的 脱水性能, 降低石膏含水率等。 除了上述方法能帮助超低排放 WFGD 系统实现节能降耗外, 使用脱硫添加剂, 也 是文献18, 20, 22 报道的节能降耗的有效方法。添加剂能够促进 SO2 吸收和石 灰石溶解, 提高石灰石浆液反应活性, 为浆液循环泵优化组合提供条件, 对石 灰石和水耗量的降低均起到一定作用。但实施超低排放之前, WFGD 系统对添加 剂的 使用并不多, 而超低排放背景下, 面对低排放限值和高脱硫效率, 需适当 加强其使用。 2.2 脱硫 效率及 SO2 排放 浓度 优化 运行中WFGD 系统脱硫效率的优化, 首先需调整石灰
19、石浆液投入量, 控制好吸收 塔浆液p H 值和钙硫比11;其次, 考虑浆液循环泵的运行数量, 控制好液气比。 另外, 优先使用扬程高的浆液循环泵, 使浆液有充分停留时间;保证充足的氧化 风量, 使SO3 充分氧化;控制吸收塔液位, 确保足够氧化区及石膏生成空间;避免 吸收塔浆 液起泡24, 这些都是进一步优化脱硫效率的手段。超低排放下, SO2 的排放限值更低, 而设计脱硫效率更高, 需联合运用多种方法才有效。 另外, 投 加脱硫添加剂、 控制合适的烟温、 较低的入口烟尘浓度或使用 CFD 优化喷淋工艺 合理布局喷嘴, 对脱硫效率的优化调整均有积极作用27。 需要注意的是, 尽管 优化脱硫效率
20、的手段众多, 但优化的同时要确保物耗能耗等最优。 关于 SO2 排放 浓度的优化, 首先要降低入口 SO2 浓度, 可通过燃烧或掺烧低硫煤26 、 炉内喷 碱27等方式控制, 然后经过脱硫效率的优化调整, 在考虑排放限值和成本最 优的前提下, 使SO2 排放浓度稳定且大小合适。 超低排放下, 排放限值为35 mg/m, 建议将SO2 排放浓度控制在 25 mg/m 左右。 2.3 控制 系统及 运行 管理 优化 常规的WFGD 控制系统, 采用PID 控制方法25, 根据优化设计参数制定系统过 程控制策略, 但机组实际运行过程中, 工况、 煤质和烟气参数是经常变化的, 与 优化设计参数存在一定
21、的偏差, 致使控制系统调节速度较慢, 收敛效果较差, 有时出现振荡失稳, 使运行调整结果较差。超低排放下, 应加强对 WFGD 相关设 备及参数控制逻辑和控制策略的优化28-29, 使设备响应更为及时, 参数波动 范围更小。 此外, 应 完善专家模糊控制技术的开发与应用, 该技术制定的控制策 略, 在 WFGD 系统运行中根据实际运行数据进行调整, 其动态性与稳定性相对PID 技术得到较大提高, 尤其是波动较大时能快速稳定30。 至于运行管理的优 化, 应强调部门之间沟通协作, 加强参数监控和设备巡检, 严格设备消缺管理 与考核, 完善WFGD 系统指标考核体系, 加强员工技能培训和职业道德教
22、育, 保 证良好的运行管理水平。 2.4 污染 物协同 脱除 能力 优化 目前, 对于 WFGD 系统的 污染物协同脱除大多停留在研究阶段, 而实际运行中 WFGD 的协同脱除效果则较低。 研究表明, WFGD 对总颗粒物的脱除率低于 75%31, 而对PM2.5 的脱除率则更低32, 甚至出现PM2.5 浓度升高的现象33;Hg 的脱除则 因不同价态出现分化现象, 烟气中Hg 获得较好脱除效果, 而Hg 去除率则较低 34-35;而SO3 的去除率一般在 50%以下36 。 超低排放下, 需加强 WFGD 系统多 污染物协同脱除能力的优化, 加快此类技术的研发、推广与应用。已知的 WFGD
23、多污染协同脱除技术有如下几种:石灰石浆液中投加添加剂, 促进Hg 向Hg 的氧 化;优化喷淋效果, 促进SO3 和PM2.5 细颗粒物 的凝聚长大, 方便捕集; 使用组合式 除雾器, 增加除雾器冲洗水频次, 提高多污染物的协同捕集效率。超低排放下, WFGD 系统有一些新技术的发展和应用, 取得了较好的多污染物协同脱除效果。 如清新环境的SPC-3D 脱硫除尘一体化技术, 采用旋汇耦合技术和改进的管式除 雾器37, 增加了烟尘、PM2.5 、 液滴及SO3 等的 脱除率;类似的还有中电远达的沸 腾式泡沫脱硫除尘一体化技术;另外, 一些单位研发的相变凝聚技术38, 在节 水的同时, 也能够实现多
24、污染物的协同脱除。 3 结束语 燃煤电厂WFGD 系统经过超低排放改造, 设备发生了一些变化, 较低的 SO2 排放 限值和严格的超低排放电价考核政策, 对其系统的经济高效运行提出了更高要 求。超低排放WFGD 系统, 大多是在原有空塔喷淋系统的基础上进行改造, 除了 取消GGH 和施行“引增合一 ”之外, 主要设备的组成未发生本质性变化。因此, 常规的针对WFGD 系统节能降耗、脱硫效率与 SO2 排放浓度、控制系统与运行管 理及污染物协同脱除能力等的优化方法, 根据超低排放下的实际情况, 经过适 当改进或调整后依然适用 。 但在应用过程中, 一些优化方法需提高要求或强化应 用, 例如浆液循
25、环泵的组合运行、 脱硫效率的调整和添加剂的投加等。 此外, 除 了充分吸取利用旧方法外, 应加强新技术的发展与应用, 例如, 节水技术和系 统控制技术。 特别是在当前人们对大气环境问题日益重视和排放标准日趋严格的 背景下, 应加强WFGD 系统多污染协同脱除技术方面的研究与应用。 参考文献 1 吴忠标.大气污染控 制技术M. 北京:化学工业出版社, 2002:204-205. 2 钟秦.燃煤烟气脱硫 脱硝技术及工程实例M.北京:化学工业出版社, 2007:11. 3 陈美秀.石灰石- 石 膏湿法脱硫装置节能 减排优化设计的研究D. 杭州:杭州 大学, 2012:1-2. 4YOSHIO Nak
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