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基于实测的烟气“消白”工程环境效益研究

北极星大气网  来源:中国电力  作者:张志强 朱法华等  2020/9/27 9:35:53  我要投稿  
所属频道: 大气治理  关键词:白色烟羽 超低排放 煤电机组

北极星大气网讯:摘要:为研究烟气“消白”工程的环境效益,采用RJ-SO3-M型便携式SO3分析仪对河北邯郸某电厂600 MW机组烟气“消白”工程进行了现场测试,收集了烟气“消白”工程实施前后相近运行负荷、相近煤质、相同时间段的烟尘、SO2、NOx的连续监测数据。研究结果表明,烟气“消白”工程中的冷却降温对FGD、WESP脱除SO3的影响很小,烟气温降与FGD、WESP、FGD+WESP对SO3的脱除效率之间没有相关性,温降为0 ℃、2.9 ℃、3.9 ℃和5.8 ℃的4种工况条件下,FGD+WESP对SO3总的脱除效率介于75.6%~81.9%,平均为78.9%。烟气“消白”工程中,烟气降温有利于WESP对颗粒物的脱除,烟尘排放质量浓度约下降0.5 mg/m3,SO2和NOx排放浓度基本无变化。烟气中SO3的脱除主要取决于FGD和WESP,而与烟气是否冷却降温基本无关。烟气冷却降温不是减少污染物排放的有效方法。

引言

自2014年以来,中国大力推进实施燃煤电厂超低排放改造,截至2019年年底,全国实现超低排放的煤电机组约8.9亿kW,建成了世界上最大的清洁高效煤电供应体系,为大气污染物减排与环境改善做出了重要贡献。但由于燃煤电厂燃用的煤炭仅占全国煤炭消费总量的46.5%[1],其他行业的煤炭应用污染物排放尚未得到有效控制,秋冬季节在京津冀、汾渭平原等地雾霾仍不期而至。河北、天津、山西等地省、市、县各级政府以减少以SO3为代表的可凝结颗粒物的排放为目的,纷纷出台政策,要求实现超低排放的燃煤电厂对“白色烟羽”进行治理,俗称烟气“消白”。一般要求非供暖季排烟先降到48 ℃以下,再加热到54 ℃以上排放;供暖季排烟先降到45 ℃以下,再加热到60 ℃以上排放,这些政策出台的目的均提及为减少以SO3为代表的可凝结颗粒物的排放[2],但除衡水市外均未明确SO3的排放控制限值要求[3]。2019年10月生态环境部牵头印发的《京津冀及周边地区2019—2020年秋冬季大气污染综合治理攻坚行动方案》明确规定:对稳定达到超低排放要求的电厂,不得强制要求治理“白色烟羽”。事实上烟气“消白”工程的环境效益众说纷纭,且部分媒体推波助澜,为弄清烟气“消白”工程中烟气冷却降温对SO3、常规污染物(烟尘、SO2、NOx)的减排情况,本文对河北邯郸某电厂1台已经完成烟气“消白”工程的600 MW机组进行了现场实测。

1 测试机组及烟气“消白”工程

1.1 测试机组概况

该机组于2007年1月投产,为600 MW亚临界空冷燃煤机组,锅炉为自然循环、单汽包锅炉,固态连续排渣,直接空冷,后进行尖峰冷却改造,并增加机力通风塔。2015年完成超低排放改造,采用低氮燃烧器加SCR烟气脱硝,常规高压电除尘器,单塔双循环石灰石–石膏湿法脱硫(FGD),湿式电除尘器(WESP)。

1.2 烟气“消白”工程

烟气“消白”工程主要分为2种方案,一种是直接对烟气进行加热,另一种是先对烟气进行冷却再进行加热。由于对烟气进行直接加热不能减少污染物排放,一般不被地方政府推荐。烟气冷却降温目前主要有2种工艺,一种是通过冷凝的脱硫浆液来降低烟气温度,另一种是通过冷却水、烟气或空气来降低烟气温度。烟气加热一般也有2种工艺,一种是采用烟气加热,另一种是采用蒸汽加热[4-5]。

2018年5月在邯郸市大气污染防治工作领导小组办公室的要求下,该机组采用的是脱硫浆液降温和蒸汽加热方案实施烟气“消白”工程改造,并于2018年年底完成。

改造方案是将脱硫吸收塔顶层、次顶层喷淋层作为脱硫浆液冷却的低温喷淋层,利用降温后的循环浆液对饱和烟气进行降温。浆液冷却器冷却循环水取自尖峰冷却系统循环泵入口前集水池,换热升温后送至尖峰冷却系统机力冷却塔冷却,完成冷却水循环。供暖季100%负荷工况时,设计入口循环水温度为15 ℃,出口循环水温度为30 ℃,脱硫塔出口烟气温度不高于45 ℃;非供暖季100%负荷工况时,入口循环水温度为30 ℃,出口循环水温度为38 ℃,脱硫塔出口烟气温度不高于47 ℃。

蒸汽再热方案采用机组辅汽为热源,对湿式电除尘器出口湿烟气进行加热升温,疏水经处理后返回至机组汽水系统。蒸汽加热器布置在湿式电除尘器和烟囱之间。供暖季100%负荷工况时,设计蒸汽加热器蒸汽流量为36 t/h(1.0 MPa、300 ℃),烟囱入口烟气温度大于65 ℃;非供暖季100%负荷工况时,蒸汽加热器蒸汽流量为12 t/h(1.0 MPa、300 ℃),烟囱入口烟气温度大于54 ℃。

可见,为确保满足邯郸市大气污染防治工作领导小组办公室的要求,烟气“消白”工程在烟温设计方面留有一定的裕度。

2 测试方法

2.1 SO3测试

选择基于异丙醇吸收测试方法原理开发的RJ-SO3-M型便携式SO3分析仪进行现场测试,采样温度达到260 ℃,采样枪内衬为石英材质,颗粒物过滤方式为后置过滤,SO3捕集方式为高效扰流吸收捕集技术,化学分析方法为氯冉酸–分光光度法,可以实现高准确度的SO3测试[6]。为验证RJ-SO3-M型便携式SO3分析仪连续监测结果的准确性,采用DL/T 1990—2019《火电厂烟气中SO3测试方法 控制冷凝法》与RJ-SO3-M便携式SO3分析仪在线监测进行了比对试验,控制冷凝法每次采样时间在45 min左右,在线监测为1 h均值,结果见表1。

从表1中可以看出,在线监测方法与控制冷凝法相比,在不同位置、不同烟气环境、不同SO3浓度条件下,测试结果均具可比性,相对偏差都在5%以内;在WESP出口SO3浓度较低条件下,控制冷凝法测试结果均偏低,推测是因为低浓度条件下手工操作过程中造成的SO3损失对测试结果影响更为明显。

对烟气“消白”工程的测试,机组负荷率在90%左右,煤质保持稳定,调整浆液冷却器的出力设置4个不同工况,每个工况稳定持续时间超过3 h,分别测试每个工况FGD入口、出口和WESP出口的SO3浓度和FGD出口烟气温度。测试时间为2019年1月。

2.2 常规污染物测试

烟气“消白”工程实施前后,机组配套的烟气连续监测系统一直处于运行状态,且均依据HJ 75—2017《固定污染源烟气(SO2、NOx、颗粒物)排放连续监测技术规范》的要求进行了校准和校验,监测数据获得各级环保行政主管部门的认可。

本次结合机组运行负荷的历史情况,提取机组运行负荷相近、煤质相近的2017年3月与2019年3月的连续监测数据。

3 测试结果与讨论3.1 SO3及烟温测试结果与讨论

(1)SO3及烟温连续监测结果

4种工况下烟气治理过程中SO3浓度及脱硫塔出口烟温连续监测结果见表2。

从表2可以看出,连续监测过程中工况非常稳定,最小负荷率88.3%,最大负荷率91.2%,负荷波动远小于5%的监测要求。随着浆液冷却器出力的增加,FGD出口烟温持续下降,最大降幅达5.8 ℃,相应烟温仅41.7 ℃,完全满足地方政府要求的采暖季烟气降温至45 ℃以下。烟囱入口烟气温度的连续监测结果表明,排放烟气温度可以稳定达到工程设计要求的65 ℃以上,说明烟气“消白”工程是成功的。

(2)烟气温降与SO3脱除的关系

一般认为降温过程中烟气中的气态水会凝结成液态水,烟气中的SO3会溶于凝结水中而被脱除,降温幅度越大,脱除效率越高。为弄清实际情况,依据表2中的数据作出烟气治理过程中SO3的浓度随烟气温降的关系(见图1)。

从图1和表2中可以看出,单塔双循环石灰石–石膏湿法脱硫对烟气中SO3具有较为明显的脱除效果,脱除效率介于35.1%~63.8%,平均为51.4%,明显高于单塔单循环脱硫塔对SO3的脱除效率(即30%左右)[7-8],这是由于烟气中的SO3不是以气态形式存在的,而是以硫酸雾滴的形式存在[9-10],双循环吸收塔中烟气与浆液的接触时间更长、气液交换更为充分,更多的硫酸雾滴被捕集;此外,双循环中的高pH值吸收段更加有利于SO3被吸收,也会提高脱除效率。WESP对SO3也有明显的脱除效果,脱除效率介于47.6%~71.7%,平均为54.7%,与现有研究WESP对SO3的脱除效率总体上介于30%~76%较为一致[11]。

从图1和表2中还可看出,烟气温度下降幅度(温降)对FGD、WESP脱除SO3的能力影响不大,温降为0 ℃的SO3浓度变化曲线与温降为5.8 ℃的变化曲线基本一致,说明温降幅度增加并不能提高对SO3的脱除效率,显然这无法实现许多地方政府希望通过降低烟气温度来减少SO3排放的目的,这是由于烟气中的SO3已与水汽结合形成了硫酸雾滴,烟气冷却过程中会增加冷凝水雾滴,这些水汽雾滴可能会与硫酸雾滴碰撞促进SO3脱除,但水汽雾滴数量的增加又会影响FGD、WESP对硫酸雾滴的脱除,所以总体上效果不明显,4种工况下FGD、WESP对SO3总的脱除效率介于75.6%~81.9%,平均为78.9%。

为进一步核实烟气温降与FGD、WESP对SO3脱除效率的关系,对烟气温降与脱除效率之间进行了相关性分析(见表3)。

共测试了4种工况,置信水平为90%时临界相关系数为0.90。由表3可知,烟气温降与FGD、WESP、FGD+WESP对SO3的脱除效率的相关系数均远远小于临界相关系数,说明它们之间没有相关性。

3.2 常规污染物

图2所示为烟气“消白”工程实施前后运行负荷相近、煤质相近的相同时间段烟气连续监测的烟尘、SO2和NOx排放浓度比较。

由图2可知,对烟气“消白”工程:(1)实施前后烟尘、SO2和NOx质量浓度均分别稳定小于5、35和50 mg/m3,满足超低排放的要求;(2)实施后烟尘排放质量浓度约下降0.5 mg/m3,这是由于烟气降温后,烟气量减小,WESP内烟气流速下降,有利于烟尘被收集[12];(3)实施前后SO2排放浓度基本无变化,这与石灰石吸收SO2的化学反应与温度关系不大相一致[13];(4)实施后NOx排放质量浓度约上升5 mg/m3,这与烟气降温无关,是由于烟气“消白”工程实施过程中,对SCR流场进行了优化调整,对NOx排放浓度控制更加稳定,并适当提高了NOx排放浓度的控制值,避免了工程实施前的过量喷氨及NOx排放浓度波动较大的现象[14]。

4 结论

(1)单塔双循环石灰石–石膏湿法脱硫对烟气中SO3具有较为明显的脱除效果,脱除效率介于35.1%~63.8%,平均为51.4%,明显高于单塔单循环脱硫塔对SO3的脱除效率(即30%左右)。

(2)烟气“消白”工程中的冷却降温对FGD、WESP脱除SO3的能力影响很小,温降为0 ℃的SO3浓度变化曲线与温降为5.8 ℃的变化曲线基本一致,说明温降幅度增加并不能提高对SO3的脱除效率。降温为0 ℃、2.9 ℃、3.9 ℃和5.8 ℃ 4种工况条件下,FGD、WESP对SO3总的脱除效率介于75.6%~81.9%,平均为78.9%。

(3)相关性分析结果表明,烟气温降与FGD、WESP、FGD+WESP对SO3的脱除效率之间没有相关性,进一步说明烟气降温并不有利于FGD、WESP对SO3的脱除。

(4)烟气“消白”工程中,烟气降温对WESP对颗粒物的进一步脱除有一定效果,烟气连续监测结果中烟尘排放质量浓度约下降0.5 mg/m3,SO2和NOx排放浓度基本无变化。

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