燃煤电厂烟气净化工程工艺设计

燃煤电厂烟气净化工程工艺设计我国是世界上少数几个以煤炭为主要能源的国家之一。燃煤造成的大气污染十分突出，大气污染物浓度在许多城市居高不下。燃煤设施烟尘控制一直是大气污染控制的主要任务。我国长江以南广大地区已经发展成为世界第三大酸雨区，其形成和燃煤引起大气污染关系十分明显。为了控制酸雨和二氧化硫污染，国家制定了双控区行动计划，重点是控制二氧化硫的排放。燃煤电厂烟气净化系统设计，把烟尘和二氧化硫净化过程放在一起考虑，是本专业常设毕业设计题目之一。由于设计手册和参考资料缺乏，教师实践经验缺乏，也是难度较大的毕业设计课题之一。指导教师需要合理考虑设计要求和设计深度，以便能够在规定时间内完成设计任务。第一部分:燃煤电厂烟气净化系统设计概论1、燃煤电厂烟气净化工艺设计特点和深度要求燃煤电厂烟气净化工程设计，是环境工程专业工程师主要业务活动，也是环境工程技术近期开发的热点领域。我国发电厂几年来装备大型化速度明显加快，30万千瓦和60万千瓦超临界机组已经成为我国的主力机组，大批中小机组被淘汰。另一方面，我国城市集中供热和残次燃料综合利用电厂发展速度也很快，各地出现了大批以中小锅炉为核心的城市热电厂和坑口综合利用电厂。针对大型电厂和中小型燃煤电厂的烟气净化技术近年发展速度很快，并基本上走了两条不同的技术开发路线。对于大型电厂和大型机组，我国通过引进吸收消化为主的发展路线。从90年代初至今，已经引起20多套大型烟气脱硫系统。通过近20年的努力，一些大型环保工程公司通过同国外公司合作和购买专利技术方式，已经基本掌握了部分大型电厂烟气净化工艺和技术。但由于大型电厂烟气脱硫系统和装置的复杂性，还有许多技术仍然掌握在国外公司手中，其中包括大量的专利技术。从总体上说，我国大型电厂烟气脱硫仍处于引进技术消化和装备国产化阶段，在一些大型环保工程公司，初步形成烟气脱硫项目总体设计和总体承包能力。但是，这项技术还远没有普及，还没有成为一般环境工程师的日常业务领域。对于中小锅炉，我国采取了自主开发和引进结合的方式推动技术进步。由于国外引进技术复杂和投资过高，该领域主要采用的是自主开发的技术，并且处于较低的技术水平，目前只能基本满足环境保护的较低要求。因此，我国环境工程界面临的艰巨任务是：(1)尽快通过科学研究和工程实践，消化和掌握大型烟气脱硫工艺技术和脱硫装备设计技术，并着手研究更适合我国的烟气脱硫技术和装备，包括新建企业和老企业两种类型；(2)尽快通过技术改造和研究开发提升中小型电厂烟气脱硫系统的技术水平，满足更严格的烟气污染物排放要求。作为今后环境污染治理的新鲜力量，不仅需要掌握烟气净化成熟工艺的处理设施系统设计方法，而且要掌握新工艺新装备开发研制方法，因为烟气净化技术的发展离不开污染治理工艺过程开发。因此，常见的烟气净化系统设计课题也有两种类型：针对实际电厂的模拟实际设计题目和满足研究开发需要设计实验研究装置系统。实际工程模拟设计类型，要满足建设单位要求，达到最佳社会污染控制水平，满足排放浓度和总量控制标准要求，而且经济实用。对于实验装置，设计的目标是满足研究的需要。因此，需要通过调查研究掌握目前欲研究工艺和装备的技术现状，存在问题，研究方法和测试方法等，在此基础上进行实验研究装置设计。还需要注意小试、中试和工业性试验的区别。无论是污染治理还是化工生产，新工艺过程和装备开发都是从新设想开始，从实验室规模小型实验、到中试、工业性试验，再过渡到工业装置系统的全部过程，其过程开发是一个不断重复优化的复杂过程。实验室规模烟气脱硫小试成功，接着进行中间规模实验台或工业旁线实验装置试验，目的不是验证工艺，而是收集涉及工业装置需要的设计参数，或者建立过程数学模型，为系统放大设计做准备。在中间试验成果基础上，设计工业装置进行工业性试验。只有工业性试验成功并通过一定时间运行，充分暴露系统和工艺存在问题，并进行改进设计，该种工艺和装置才能够大范围推广。在工业性生产装置上进行的工业性试验，主要目的是：（1）验证新的烟气净化或其它污染净化工艺的可行性和可靠性，长期运行可以达到的烟气净化效率和达标率；（2）收集同类工艺系统系列工程设计需要的工艺参数和装置结构参数；（3）暴露和分析工艺系统和装置可能存在的问题，提出改进设计方案；（4）研究对污染治理过程进行控制和调节的方法；（5）考核系统连续运行可能存在问题，包括脱硫液循环利用可能存在有害物质积累，选择材料防腐性能能否满足要求，系统结垢和积灰情况和解决方法等；（6）为进行脱硫废液处理工艺方法研究和脱硫废渣综合利用研究创造条件。适应烟气净化技术发展阶段，毕业设计设立本课题的主要目的是为了训练学生设计、开发和研究烟气讲话系统和技术的基本能力训练，可以针对一个具体电厂进行实际系统和装置设计，也可以针对开发和完善某烟气净化工艺，设计相应的实验室或工业性试验研究系统和装置。对于大型电厂复杂的烟气脱硫工艺系统，针对实际电厂进行模拟设计有相当难度，合理的题目是针对需要掌握或改进工艺，设计小规模实验装置。对于中小型电厂，则可以进行模拟设计，或完成烟气净化系统一部分的设计工作。对于实验室试验装置或工业试验装置系统，由于装置比较小，要求整体达到初步设计深度，部分达到施工图阶段设计深度。对于中小电厂模拟设计，设计部分内容要达到初步设计深度。2、设计前资料收集和现场调查工作首先需要了解设计任务，根据设计任务进行资料收集和现场调研。实际烟气净化系统设计最重要的是：根据燃烧计算或实测数据得到的烟气污染物浓度，企业和当地环保部门要求的排放浓度限值，确定需要的净化效率。通过资料调研和类似工程调研确定能够满足净化效率要求的烟气净化工艺，通过比较确定选用工艺和装置，初步估算工程造价和运行费用，编写该电厂烟气净化工程设计方案，方案通过后进行工程设计。因此，实际电厂烟气净化系统（模拟）设计，需要向电厂技术部门了解锅炉型号，煤质资料（设计煤种或实际使用煤种），锅炉尾部空间布置和周围可利用空间情况，以及电厂和当地环保部门对烟气净化要求。对于改造设计，需要通过现场调查，还要了解目前电厂烟气净化设施及运行情况，实际烟气排放监测资料和除尘器验收鉴定资料，粉煤灰利用情况，湿法系统还要了解灰水处理设施和处理效果资料。实验装置系统设计，目的是设计满足新工艺或装备技术开发研究需要的系统。因此，需要通过向委托单位调查，掌握试验者的试验研究目的，和对实验装置系统的具体要求。例如，需要开发和研究的烟气净化工艺或装置名称，研究重点内容，准备采用的研究路线和研究方法等。此外，要通过资料调研和类似研究装置调查，了解目前该类工艺和装置开发研究现状，存在问题，开发研究过程厂采用的测试方法和测试仪器装置等。需要更详尽和细致的调查，并写出调查综述报告，在此基础上形成实验系统研制方案，批准后进行试验系统设计。3、烟气净化工艺选择烟气净化工艺正确选择是烟气净化工艺设计的前提和关键。根据燃煤性质和建设单位要求，烟气净化工艺分成单纯除尘工艺，除尘脱硫工艺，和除尘脱硫脱硝工艺三种。目前经常遇到的是前两种工艺的选择与设计。（1）锅炉烟气除尘设备的选择锅炉烟尘控制工艺选择比较简单，主要是除尘设备的选择和除尘系统的设计。除尘设备的选择，和一般除尘器的选择程序一样，首先了解尘源即电厂锅炉类型，根据同类型锅炉实测资料或统计资料确定烟尘初始浓度和分散度（燃烧计算验证该浓度）等烟尘特性，以及电厂所在地区大气环境功能区类别和相应锅炉烟尘排放标准，确定需要的总除尘效率和细颗粒分级除尘效率。然后选择能满足排放要求性能的除尘器。实际选择电厂锅炉除尘器时，还需要考虑以下因素：（1）锅炉尾部可以布置除尘器空间大小。对一些改造工程，往往可以利用的空间很小，这对安装某些除尘器和配套脱硫装置造成困难；（2）建设单位能够提供的资金数量。达到一般除尘效率，不同类型除尘器的造价有很大差别，达到高的除尘效率，能够选择的除尘器种类相对有限；（3）周围居民和当地政府对企业的环境保护要求。例如，城市密集地区，湿式除尘设备产生的白色烟气造成景观污染和“灰雨”污染，可能引起当地群众不满；（4）考虑除尘器用于电厂锅炉除尘的成熟程度和与脱硫设施配套情况。目前总的趋势，大型锅炉需要配备电除尘器，以便满足烟尘净化的要求和利用干灰的要求，然后在电除尘器后进行烟气脱硫设施的布置。电除尘器净化效率远高于电厂曾经用过的旋风除尘器和文丘里水膜除尘器，是燃煤电厂首选除尘设备。但是，电除尘器对烟尘比电阻特性比较敏感，设计时要注意燃用低硫煤的锅炉，或者采用炉内喷钙的锅炉采用电除尘器可能存在的困难，需要准确估计烟尘比电阻值和趋进速度值，提高实际除尘效率和设计除尘效率的吻合程度。此外，电除尘器+烟气脱硫装置占地面积较大也是一个缺点。发达国家开始用布袋除尘器代替电除尘器，出口烟尘可以达到相当低的水平，不受烟尘比电阻的影响。我国经过20余年的努力和引进国外锅炉用布袋除尘器制造技术，成功进行了示范工程建设，具备了为电厂锅炉配备布袋除尘器的能力，但目前还不普及。如果采用布袋除尘器，需要进行比较细致的调研。对于中小型电厂和热电厂（锅炉容量小于400t/h），文丘里水膜除尘器还在使用并占有相当高的比例。通过对该除尘器结构改造或采用新型结构湿式除尘设备，总除尘效率可以达到98%以上，5微米以上粉尘基本上都可以去除。通过添加脱硫剂，可以达到一定的脱硫效率，同时起到烟气除尘和脱硫的作用。对于各类链条炉等烟尘初始浓度低，粒度较粗的锅炉，该类除尘器可以满足严格的烟尘排放标准。对于初始烟尘浓度高的循环流化床炉和煤粉炉等锅炉，需要采取特殊的结构设计或者在湿式除尘器前设置预除尘设施，降低初始浓度，也可以达到目前的环境保护要求。湿式除尘脱硫一体化设备最大的优点是除尘器占地面积小，造价低，管理简单。但也存在比较明显的缺点：（1）该类除尘器除尘效率的影响因素比较复杂，目前仍处于经验设计阶段，除尘效率和设计运行水平密切相关。通过优化设计和运行，该类除尘器达到的最高除尘总效率达到99.6%，多数在98.5%以上，但也存在除尘效率较低、不能满足环保要求的实例；（2）该类除尘器用水量较大，液气比较高，水在除尘器内形成大量细雾，比一般湿式除尘器更容易出现烟气带水现象，可能造成下游烟道腐蚀，风机和烟道积灰振动，危及安全生产。可以采取设计和运行措施降低和控制这种危害，但无法根除；（3）同样由于用水量大，烟囱出口白色烟雾浓度大，景观污染严重，一般都存在下“灰雨”现象；（4）如果采用钙系脱硫剂，还存在结垢的危险，需要在设计中采取控制结垢措施；（5）为了节省投资，该类除尘器往往采用的调节设施很少，调节能力有限。因为工作机理限制，要提高除尘效率就需要提高水的用量，烟气带水就可能严重，反之则除尘效率下降，不容易根据实际烟气情况进行调整。（6）需要一定面积的灰水处理设施。除尘器选择需要综合考虑各种因素，特别是除尘器性能和价格因素，权衡利弊，最后决定权在建设单位。（2）锅炉烟气脱硫工艺及净化工艺系统的选择烟气脱硫工艺选择比较复杂，因为不同工艺的投资、运行费用和净化效果、运行可靠性有很大差异，对资源要求和管理水平要求也不相同。选择合适的脱硫工艺，主要考虑国家相关技术政策，脱硫技术发展情况和建设单位的要求。通过引进技术和自主开发技术示范工程运行情况比较和总结，2002年由国家环保总局、经贸委和科技部联合制定的《燃煤二氧化硫排放污染防治技术政策》中对烟气脱硫技术选择做出以下规定：燃煤含硫量2%或者大容量机组（200MW）宜优先采用湿式石灰石/石膏法工艺，脱硫率和投运率要分别高于90%，95%；燃煤含硫量2%或者中小容量机组（200MW），以及老机组改造，在满足排放标准前提下，可以采用干法、半干法、以及其他费用较低的脱硫技术，脱硫效率要高于75%，投运率要高于95%；对于中小型工业锅炉（产热量14MW），提倡采用低硫煤、固硫型煤、洗选煤等，原来采用湿式除尘设备的宜优先采用除尘脱硫一体化设备。技术政策提出比较高的投运率要求，是考虑电力生产对安全运行的特殊要求。在选择脱硫工艺和设备时，要特别注意技术的成熟程度，采取措施消除可能影响设备安全运行的因