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 近零排放科學與否,取決于工藝路線

——干、濕兩種超低排放工藝路線的技術經濟性比較

摘要:超低/近零排放是煙氣治理的最新方向,本文介紹我國熱電聯產的中小鍋爐煙氣治理的兩種主流工藝,通過主流的干、濕法兩種工藝路線的技術經濟性的多角度、多方位對比分析,探索我國燃煤機組滿足新一輪超低/近零排放的煙氣凈化治理工藝路線的科學選擇。

關鍵詞:近零排放   工藝路線  技術經濟

從世界范圍的現有煙氣凈化技術分析,目前燃煤鍋爐煙氣實現優于GB13223-2011規定特別排放限制的燃氣輪機的超低排放NOX小于50mg/Nm3SO2小于35mg/Nm3、粉塵小于5mg/Nm3SO3小于5mg/Nm3Hg小于3ug/Nm3,簡稱“50355+53”排放),可采用以下兩種工藝路線:

A:低氮燃燒/SNCR/SCR+GGH+)電除塵器(或電袋除塵器、低低溫電除塵器)+濕法脫硫+濕式電除塵器(+GGH)(以下簡稱濕法工藝路線),如圖1所示。

1   濕法工藝路線(必要時,需增設GGH

該工藝路線主要通過對鍋爐燃燒進行控制,采用低氮燃燒技術優化爐內燃燒,從而降低NOx產生,在鍋爐上部布置SNCR爐內脫硝裝置,以進一步降低鍋爐NOx的排放值,也可在省煤器與空預器之間布置SCR煙氣脫硝裝置,并設置三層催化劑,其脫硝效率能達到90%左右,這樣通過二級或三級脫硝,能夠有效控制NOx濃度<50mg/Nm3;經空預器降溫的煙氣進入電除塵器或電袋除塵器進行高效除塵,并進入濕法脫硫裝置脫硫,最終通過濕式電除塵器深度凈化,實現污染物綜合脫除和超低排放。

B:低氮燃燒/SNCR/SCR+ DSC-M煙氣干式超凈工藝技術(以下簡稱干法工藝路線),如圖2所示。

2   干法工藝路線

該工藝路線前方脫硝工藝與濕法工藝路線相同,均為低氮燃燒+SNCR/SCR,經空預器降溫后煙氣進入ESP1,進而進入DSC-M干式超凈裝置。龍凈在自有的LJD煙氣循環流化床干法脫硫除塵一體化工藝技術的基礎上,不斷研發改進,提高裝置性,研發DSC-M煙氣干式超凈技術(簡稱DSC-M技術),高效脫硫除塵的同時開發低溫協同COA脫硝 ,整合現有SCR/SNCR脫硝技術,形成SCR/SNCR/COA三種脫硝工藝的優化組合,可靈活滿足各種濃度NOx排放狀況下,均可達到NOx小于50mg/Nm3的超凈要求。

兩種工藝路線是目前國內煙氣治理的主流工藝,2×350MW機組 CFB鍋爐為例(硫分0.5%,沒有爐內脫硫時裝置入口SO21400mg/Nm3計)由于兩種工藝路線在爐內均進行低氮燃燒、爐內石灰石脫硫、SNCR脫硝等,以下從技術、經濟方面對兩種工藝路線的爐后部分進行對比。


1   兩種超凈工藝路線的技術性對比

對比項目

以石灰石石膏濕法為核心的濕法超凈工藝

DSC-M煙氣干式超凈工藝

政策及發展

1、濕法是早期傳統工藝單一脫除SO2效率明顯,中國鼓勵在含硫量大于2%的高硫煤及富水地區的大型機組使用。

2、濕法脫硫效率較穩定,但是由于系統復雜,腐蝕量大等,造成很大的運行和檢修困難。

3濕法脫硫要求不允許采用旁路布置,一旦脫硫停運,那么高溫煙氣會燒壞吸收塔防腐層,且檢修及除霧器清洗時必須停爐,因此:只要濕法脫硫停,鍋爐必須MFT、切斷主燃料停止運行!

1、干式超凈是新興工藝,除脫除SO2外可有效脫除SO3HClFCL等重金屬。

2干法脫硫系統布置靈活,可旁路布置,也可串聯布置,吸收塔是空塔,脫硫停運對鍋爐沒有任何影響,除塵器可正常使用。

3、在國家發改委《2009年國家鼓勵發展的環境保護技術目錄》及20102月國家環保部頒布的《燃煤電廠污染防治最佳可行技術指南》中指出循環流化床干法適用于600MW級機組及以下機組。

4、目前中國已經有50多臺300MW-660MW機組采用干法脫硫除塵一體化工藝,其中大多數實現超凈排放。

工藝配置

爐內:石灰石脫硫+SNCR脫硝

爐后:鍋爐煙氣+電(袋)除塵器+引風機+濕法脫硫+濕式電除塵器+GGH(可選)

爐內:石灰石脫硫+SNCR脫硝

爐后:鍋爐煙氣+預電除塵器+吸收塔+布袋除塵器+引風機

系統流程

治理目標各自為陣,缺乏統一性,配套繁瑣,濕法脫硫還需配套前后兩級干、濕除塵器,加上廢水處理等設備,系統流程長,操作維護復雜。

干法脫硫除塵一體化,多污染物協同凈化,工藝流程簡單,系統簡潔、操作簡單。

技術指標

1、脫NOX利用SCR/SNCR,在低NOX濃度時出口NOX可控制在50mg/Nm3以下超低排放,但在高NOX濃度時,難以滿足超低要求。

2、脫SO2經濟效率95%,出口排放滿足35 mg/Nm3以下;

3、脫SO3:由于濕法脫硫裝置對SO3幾乎沒有脫除效果,主要依靠后級濕式電除塵脫除。整套濕法裝置加濕式電除塵器的綜合脫除效率約為60%,以現有濕式電除塵器的技術水平,能否長期高效運行,還有待考證;

4、粉塵:濕法脫硫塔出口煙氣的細微顆粒物及SO3氣溶膠霧滴會進一步增加粉塵濃度。要實現小于5mg/Nm3只有利用后級濕式電除塵器控制,對濕式電除塵器電場控制要求高,運行穩定及可靠性還需投運一段時間后考證;

5、汞等重金屬:經實驗分析,鍋爐煙氣中以離子形式存在的汞較易被脫除,而煙氣中除離子態汞外還有部分元素氣態汞。由于濕法脫硫及電除塵器裝置均只對離子態汞具有脫除效果,元素氣態汞在電除塵環境下內無法荷電,因此,即使濕法脫硫后配套濕式電除塵器,汞總體脫除效果仍較差。需要在前級電袋或布袋除塵器額外添加吸附劑才可實現,但沒有像LJD流化床的反復循環吸附的脫除效果,能否達到3μg/Nm3要求要進一步驗證。

1、脫NOX利用SCR/SCR/COA三種脫硝工藝的靈活組合,容易滿足50mg/Nm3以下或更嚴格的超低排放。

2、脫SO2效率可達95%以上,最高可達99%以上,出口濃度滿足小于35 mg/Nm3以下;

3、脫SO3在吸收塔內高密度顆粒可高效脫除,加上后級布袋除塵器濾餅層進一步過濾,已投運工程經國家檢測,確認出口實現低于5mg/Nm3

4、粉塵:在循環流化床吸收塔的團聚、凝并、噴水的環境下,超細顆粒粉塵聚集、增大成較粗顆粒,在布袋除塵器經濾餅層及織密濾袋兩級過濾控制,可實現小于5mg/Nm3的要求。現有工程已有長期穩定運行業績。

5、汞等重金屬:不同形態的汞在循環流化床塔內通過高比表面積顆粒凝并、物理吸附、化學吸附、循環吸附等,以及后級布袋除塵器過濾脫除達到多重脫除。據已有運行工程的檢測報告,在不添加吸附劑情況下,DSC-M工藝同步脫Hg效率可達60%以上,而且增加活性炭或其他吸附劑加入裝置(不一定要投運),出口濃度穩定低于3μg/Nm3或更嚴格的排放要求。

對鍋爐高粉塵濃度適應性

濕法脫硫對入口粉塵濃度要求高,濕法脫硫前級除塵器需選用超高效除塵器,電袋或者低低溫電除塵器等,進一步增加投資成本。

GGH換熱器時,由于鍋爐出口煙氣粉塵濃度很高,換熱器易結垢、堵塞,且磨損風險大,適應性差。

無換熱器等設備,脫硫吸收塔入口無粉塵濃度限制

防腐要求

脫硫及濕式電除塵器運行環境為濕態,系統防腐設計要求高,在煙氣不進行再熱情況下,出口煙道及煙囪需進行防腐設計。

整個系統為干態,運行溫度整體高于煙氣露點溫度,煙氣無需再熱,且整套系統設備、煙道及嚴重均無需防腐。

廢水問題

濕法脫硫過程產生大量廢水,由于脫除的汞等重金屬污染物全部進入廢水中,須進行單獨處理,運行費用高;

此外,后方設置的濕式電除塵器霧化水產生的廢水量大,采用金屬極板材質時需設置廢水循環利用設施,廢水也需根據水質情況進行綜合處理,達標后方可排放;

難以實現廢水的零排放

過程干態,無廢水產生。真正的零排放

設備穩定性

系統如為提高排煙溫度,保證煙囪效果,須對煙氣進行再熱,現有換熱裝置均存在系統故障多、漏風等問題

另,濕法脫硫后配套濕式電除塵器,其對系統操作要求高;此外,脫硫制漿等系統機械部件多,系統整體穩定性差,運行可靠性低。

干法工藝系統所采用均為運行成熟設備,同時,裝置組成設備簡單,循環流化床反應塔為空塔結構,系統機械部件少,操作簡單,穩定性耗,可靠性高。

對煙氣含硫、煙溫、煙氣量頻繁波動的適應性

SO2濃度或要求的脫硫效率發生變化時,需改變噴淋層的數量,來改變液氣比(L/G),調節PH值來適應煙氣含硫量的波動,一般滯后很長時間,導致PH值紊亂;設置二級冷卻預處理裝置,可以滿足煙溫在90~155℃范圍內變化的要求,適應性一般;采用預留噴淋層,來階段性適應煙氣量的波動,不能適應煙氣量的連續性波動。

適應性好

利用清潔煙氣再循環煙道可以很好適應煙氣0110%負荷變化;可實時根據煙氣溫度變化調節吸收塔的噴水量;僅需調節脫硫劑的添加量便可以滿足更高的脫硫率的要求。

系統能耗

兩級除塵器、濕法脫硫及附屬系統,運行阻力大,能耗高。

單一裝置一體化脫除,系統簡潔、阻力小,電耗低。

水耗

濕法脫硫工藝,加上濕式電除塵器耗水,系統總水耗大。

采用干式工藝,運行溫度較濕法高20以上,節水明顯。

投資成本

系統組成設備多,防腐處理,以及濕式電除塵器造價高,整體投資高。

系統簡單,無需防腐處理等,投資造價低。

占地面積

系統復雜,兩級除塵、脫硫配套制漿、廢水處理、煙氣再熱等系統,占地面積大。

一體化脫除裝置,配套工藝水、吸收劑制備等輔助系統,設備簡潔緊湊,占地小。

綜合性能

初始運行各項指標可達排放要求,但長期受運行環境影響,濕式電除塵器易結垢,影響電場分布,粉塵、SO3Hg很難一直保證高的脫除效率。

利用吸收塔內高湍動物料,加上噴水降溫創造良好的反應條件,SO2SO3等脫除效率高。亞微米級顆粒絮凝匯集成較粗顆粒,配合脫硫后布袋除塵器,可長期穩定保證粉塵小于5mg/Nm3排放。已有運行工程成功實現,且長期穩定。

煙囪排放視覺問題

不設置GGH時,排煙溫度在45度左右同時煙氣中含有氣溶膠形式的SO3、氯離子,煙囪常年冒白煙和藍煙,全年水汽大。

煙氣抬升高度底,二氧化硫、氮氧化物及可吸入細微顆粒落地濃度高,對廠區周別大氣環境影響大。

低溫排放存在嚴重的煙囪雨、煙跡拖尾現象嚴重,嚴重的視覺污染。

排煙溫度高于70度,冬天少量水汽,夏天煙囪看不到任何煙。

煙氣抬升高度高,二氧化硫、氮氧化物及可吸入細微顆粒落地濃度低,對廠區周別大氣環境影響小。

排煙透明,視覺感觀極好。

1   兩種超凈工藝路線的經濟性對比

序號

項目

以石灰石石膏濕法為核心的濕法超凈工藝

DSC-M煙氣干式超凈工藝

規模

2×350MW機組

2×350MW機組

一次投資費用(滿足NOx低于50mg/Nm3SO2低于35mg/Nm3、粉塵低于5mg/Nm3排放)

1        

脫硝

2×3500萬元(煤粉爐SCR三層催化劑)                      2×400萬元(CFBSNCR)

2×3500萬元(煤粉爐SCR三層催化劑)                           2×400萬元(CFBSNCR)

2        

前級除塵器

2×2200萬元(五電場電除塵)                  2×2800萬元(電袋除塵)

2×800萬元(兩電場電除塵)

3        

脫硫系統

2×4200萬元石灰石-石膏濕法

2×6900萬元DSC-M干法脫硫及污染物協同凈化工藝:

4        

濕式電除塵器

需,細微顆粒物及氣溶膠處理: 2×1800

無需,脫汞除塵一體化裝置,對細微顆粒物及氣溶膠處理效果好

5        

MGGH

2×400萬元。不設置煙氣換熱器(GGH),煙溫約44~55℃,低于酸露點.

排煙溫度在露點以上15~20,無需再熱,煙囪無需防腐

6        

煙囪防腐

要求采用鈦合金復合鋼板內襯含安裝:2500萬元

煙囪無需防腐

7        

污水處理設施

1200萬元(普通達標排放)   4800萬元(零廢水排放)

無廢水處理

總投資合計

煤粉爐31500~32700萬元  CFB25300~26500萬元

煤粉爐22400萬元           CFB16200萬元

運行費用

年運行時間按5530小時

1          

吸收劑耗量

按入口SO2濃度為1400mg/Nm3

1.1      

耗量

石灰石耗量:2×2.7t/h

生石灰耗量:2×2.4t/h

1.2      

單價

石灰石(325目以下):180/t

生石灰(1mm):300/t

電石渣新型吸收劑:100/t

1.3      

小計

2×268.76萬元/

2×398.16萬元/年;2×132.7萬元/

2        

電耗

2.1      

運行功率

總電耗2×3200kW(含電袋除塵器2×600kW、濕式電除塵器2×400kW、脫硫附屬設備的電耗2×2200kW,不含GGH

總電耗:2×1160kW(含預電除塵器2×380kW、脫硫除塵系統2×780kW

2.2      

單價

0.5/kW

0.5/kW

2.3      

小計

2×884.8萬元/

2×320.74萬元/

3        

水耗

3.1      

水耗

2×60t/h(含濕電)

2×34t/h

3.2      

水單價

2/t

2/t

3.3      

小計

2×66.36萬元/

2×37.6萬元/

4        

人工費

4.1      

人數

20

12

4.2      

年工資

5/

5/

4.3      

小計

100

60

5        

廢水處理

5.1      

廢水量

2×10t/h

無廢水產生

5.2      

處理單價

50/t(含藥劑、污泥處理費用等)

/

5.3      

小計

2×276.5萬元/

無廢水產生:0萬元/

運行費用合計

2×1546.42萬元/

2×786.5萬元/年;2×521萬元/

維護費用

1       

脫硫設備檢修

濕法脫硫設備檢修費用約占投資費用的3%2×135萬元/

干法脫硫維護費約占投資費用的1%2×66萬元/

2       

濕電維護費用

約占投資費用的10%2×180萬元/

3       

濾袋更換

電袋袋區濾袋更換按每4年一次:2×120萬元/

脫硫布袋除塵器濾袋更換按每4年一次:2×200萬元/

維護費用合計

2×435萬元/

2×266萬元/

備注:人工數按四班三倒計,吸收劑耗量按脫硫裝置入口SO2濃度為1400mg/Nm3,出口SO2排放濃度為35mg/Nm3計,出口粉塵排放濃度為5mg/Nm3計,水耗按入口煙溫126℃計,年運行時間按5530小時計。

煙氣超潔凈/超低/近零排放既是環保問題,也是經濟問題,其科學與否,主要取決于工藝路線的選擇,不但要選擇能高效脫硫、脫硝及除塵的工藝路線,而且還應重視多污染物的協同脫除,只有這樣才能確實、有效及全面地改善空氣質量;另外,經濟上應選擇設備投資及運行維護費用較低的工藝路線,像WESP的設備及運行維護費用對一般的企業是難以承擔的。

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