火電行業(yè)大氣污染控制現(xiàn)狀、趨勢及對策

薛建明，柏 源，陳 焱 (國電科學技術研究院，江蘇 南京 210031)

1 發(fā)展現(xiàn)狀

我國能源資源的稟賦決定了以煤為主的能源結構將長期存在，燃煤發(fā)電無論在裝機容量，還是發(fā)電量占據(jù)絕對優(yōu)勢的格局不會發(fā)生根本性改變。為此，電力工業(yè)在安全經(jīng)濟發(fā)展的同時，持續(xù)深化綠色和諧發(fā)展，積極應對生態(tài)文明建設的國家需求。

我國電力工業(yè)在“十一五”大氣污染物控制取得巨大成就，煙塵、二氧化硫控制達世界先進水平，在超額完成國家節(jié)能減排任務的基礎上，面臨世界上最嚴排放標準《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223-2011)[1]。該標準與美國、歐盟和日本相關標準相比，無論是現(xiàn)役機組還是新建機組，煙塵、SO2和NOx排放限值全面超過了發(fā)達國家水平(詳見表1國內外火電大氣污染物排放限值比較)，應該科學分析，積極應對，正確處理法規(guī)標準、經(jīng)濟政策和實用技術與先進技術的關系，充分發(fā)揮最佳可行技術，積極培育新興技術，健康發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)，進一步完善脫硝、除塵和脫硫相結合的綜合集成技術，實現(xiàn)大氣污染物的有效控制，以科技進步和產(chǎn)業(yè)升級，促進綠色和諧發(fā)展。

“十二五”前兩年電力工業(yè)在大氣污染控制方面邁出新步伐，取得新成就。截至2012年底為止：

(1)除塵。99%以上的火電機組建設了高效除塵器，其中電除塵約占90%，布袋除塵和電袋除塵約占10%[2]。煙塵排放總量和排放績效分別由2010年的160萬t和0.50g/(kW·h)，下降到2012年的151萬 t和0.39g/(kW·h)。

(2)脫硫。脫硫裝機容量達到6.8億kW，約占煤電容量的90%(比2011年的美國高30%)，其中石灰石—石膏濕法占92%(含電石渣法等)、海水法占3%、煙氣循環(huán)流化床占2%、氨法占2%[2]。SO2排放總量和排放績效分別由2010年的926萬 t和2.70g/(kW·h)，降至883萬 t、2.26g/(kW·h)，低于美國2011年的2.8克/(kW·h)。

(3)脫硝。約90%的機組建設或進行了低氮燃燒改造，脫硝裝機容量達2.3億kW，約占煤電容量28.1%，規(guī)劃和在建的脫硝裝機容量超過5億kW，其中SCR法占99%以上[2]。NOx排放總量和排放績效分別由2010年的1055萬t和2.6g/(kW·h)，下降到948萬t和2.4g/(kW·h)，高于美國2010年的249萬t、0.95克/(kW·h)。

表1 國內外火電大氣污染物排放限值比較 mg/m3

項 目中國美國歐盟日本煙塵新建20(重點地區(qū))302030(>100MW)50(重點地區(qū))100現(xiàn)役20(重點地區(qū))3020(2005．02．28后)40(1978．09．18-2005．02．28)130(1978．09．28前)50(>500MW)100(<500MW)100(>20萬m3/h)SO2新建50(重點地區(qū))100184200200現(xiàn)役50(重點地區(qū))200400(高硫煤)400(2005．02．28后)740(1978．09．18-2005．02．28)1480(1978．09．28前)400(>500MW)400～2000(100-500MW)2000(<100MW)200～3500(K值法)NOx新建100135200(>300MW)200(>20萬m3/h)現(xiàn)役100200(2013年前建設、W爐、CFB鍋爐)185(>73MW，2005．2．28后)218(1978．09．18-2005．02．28)756～1008(1978．09．18前)500(>500MW)600(50～500MW)410～615(>70萬m3/h)

2 控制技術發(fā)展趨勢

隨著《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223-2011)及特別排放限值、《環(huán)境空氣質量標準》(GB3095-2012)、《大氣污染防治行動計劃》等極度嚴厲的環(huán)保法規(guī)標準的實施，火電行業(yè)要堅持“創(chuàng)新驅動”和“推廣應用”并重的方針，一方面要創(chuàng)新發(fā)展國際先進水平的環(huán)保技術，構建綠色環(huán)保型“增量”機組；另一方面要以“增量”的技術創(chuàng)新驅動“存量”技術的升級，持續(xù)提高現(xiàn)役機組“存量”的環(huán)保技術水平，并把先進的環(huán)保技術盡快轉化為現(xiàn)實生產(chǎn)力，全面推動除塵、脫硫和脫硝技術及其裝備的進步和升級，實現(xiàn)火電由煙塵、SO2、NOx治理階段向綜合治理(包括PM2.5、重金屬、SO3和CO2等)、循環(huán)經(jīng)濟和可持續(xù)方向發(fā)展。

總體而言，火電大氣污染控制技術發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在兩個方面：一是脫硝、除塵、和脫硫單元式控制技術向高性能、高可靠性、高適用性、高經(jīng)濟性方向發(fā)展；二是由先除塵、再脫硫、再脫硝的單元式、漸進式控制向常規(guī)大氣污染物加重金屬、氣溶膠等深度一體化、綜合治理、協(xié)同控制技術發(fā)展。實現(xiàn)“存量”環(huán)境保護技術的單元性向系統(tǒng)性協(xié)同化轉變、反應的單一性向交叉性轉變，推動多種煙氣污染物共同去除方面具有導向作用的重大技術產(chǎn)業(yè)化，培育和發(fā)展火電行業(yè)相關的節(jié)能環(huán)保戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)鏈，并最終從長期目標上實現(xiàn)火電機組更低的大氣污染物排放。

3 控制技術路線及相關技術

為有效應對史上最嚴厲的環(huán)保法規(guī)，實現(xiàn)煙塵20～30mg/m3、SO250mg/m3和NOx100mg/m3的排放限值，火電行業(yè)已在現(xiàn)役先進的除塵、脫硫和脫硝技術的基礎上，積極研發(fā)、示范、推廣可行的新技術、新工藝和創(chuàng)新技術，并有機結合技術和管理等因素，“建設好、運行好”煙氣治理設施，持續(xù)提高火電大氣污染物的達標能力。

對于“增量”機組在新建環(huán)保設施時，可以采用以下兩條綜合控制火電煙塵、SO2和NOx排放的技術路線：一是低氮燃燒+選擇性催化還原脫硝設施(SCR)+靜電除塵器(ESP)(除塵器出口煙塵濃度應<50～100mg/m3)+濕法煙氣脫硫(可取消GGH)+煙氣深度凈化設施(如濕式電除塵器等)；二是低氮燃燒+選擇性催化還原脫硝設施(SCR)+袋式除塵器或電袋復合除塵器(其出口煙塵濃度應<10～20mg/m3)+濕法脫硫(需設GGH)。

對于“存量”機組在對現(xiàn)役環(huán)保設施進行技術改造時，應綜合考慮工程技術和管理技術等因素，采用診斷評估、優(yōu)化調整和技術改造并重的方針，一是要組織相關專家對環(huán)保設施的運行狀態(tài)進行診斷，科學、合理地找出實現(xiàn)標準要求的差異和存在問題，提出相應的對策；二是結合狀態(tài)診斷結果，采用先進的優(yōu)化調整技術，對環(huán)保設施進行最優(yōu)調整；三是如優(yōu)化調整后仍達不到排放要求，則用采用“增量”機組先進的環(huán)保技術進行改造，并形成“五位一體”，即狀態(tài)評價明現(xiàn)狀、分析診斷找差距、優(yōu)化調整挖潛力、技術改進提性能、監(jiān)督管理形體系的全過程閉環(huán)管理。

3.1 氮氧化物控制技術

火電行業(yè)形成了以低氮燃燒和煙氣脫硝相結合的技術路線：

(1)低氮燃燒。技術成熟、投資和運行費用低，是控制火電廠NOx排放的最經(jīng)濟的手段。主要是通過降低燃燒溫度、減少煙氣中氧量等方式減少NOx的生成量(約200～400mg/m3)，但它不利于煤燃燒過程本身，因此低氮燃燒改造應以不降低鍋爐效率為前提。

(2)SCR。技術最成熟、應用最廣泛的煙氣脫硝技術，是控制氮氧化物最根本的措施。其原理是在催化劑存在的情況下，通過向反應器內噴入脫硝還原劑氨，將NOx還原為N2。此工藝的反應溫度在300～450℃之間，脫硝效率通過調整催化劑層數(shù)能穩(wěn)定達到60%～90%。與低氮燃燒相結合可實現(xiàn)100mg/m3及更低的排放要求。SCR工藝主要問題是空預器堵塞、氨逃逸等。

(3)SNCR。在高溫條件下(900～1100℃)，由尿素/氨作為還原劑，將NOx還原成N2和水，脫硝效率為25%～50%。氨逃逸率較高，且隨著鍋爐容量的增大，其脫硝效率呈下降趨勢。

(4)正在研發(fā)的新技術。包括脫硫脫硝一體化技術、低溫SCR技術和炭基催化劑吸附技術。脫硫脫硝一體化技術：針對我國90%以上燃煤電廠采用石灰石—石膏濕法脫硫工藝的特征，國電科學技術研究院開展了“大型燃煤電站鍋爐濕法脫硫脫硝一體化技術與示范”研究，旨在石灰石石膏濕法工藝的基礎上，耦合研究開發(fā)的脫硝液、抑制劑、穩(wěn)定劑等，在不影響脫硫效率的前提下，實現(xiàn)氮氧化物的聯(lián)合控制[3-4]。

低溫SCR技術：其原理與傳統(tǒng)的SCR煙氣脫硝工藝基本相同，兩者的最大區(qū)別是SCR裝置布置在省煤器和空氣預熱器之間的高溫(300～450℃)、高塵(20～50g/m3)端，而低溫SCR是布置在鍋爐尾部除塵器后或引風機后、脫硫裝置前的低溫(100～200℃)、低塵(<200mg/m3)端，可大大減小反應器的體積，改善催化劑運行環(huán)境，具有明顯的技術經(jīng)濟優(yōu)勢，是具有與傳統(tǒng)SCR競爭的技術，是現(xiàn)役機組的脫硝改造性價比更高的技術。目前，國電科學技術研究院已完成低溫SCR技術的試驗研究，正在開展熱態(tài)中間放大試驗[5-6]。

炭基催化劑(活性焦)吸附技術：炭基催化劑(活性焦)具有比表面積大、孔結構好、表面基團豐富、原位脫氧能力高，且具有負載性能和還原性能等特點，既可以作載體制得高分散的催化體系，又可以作還原劑參與反應。在NH3存在的條件下，用炭基催化劑(活性焦)材料做載體催化還原劑可將NOx還原為N2。

3.2 煙塵控制技術

火電行業(yè)形成了以技術成熟可靠的電除塵器為主(90%)，日趨成熟的袋式除塵器和電袋復合除塵器為輔的格局。為適應新標準要求，更高性能的除塵技術的正處于研發(fā)、示范、推廣階段：

(1)電除塵技術。應用廣，技術先進，同時涌現(xiàn)了一些改進技術，如高頻電源、極配方式的改進、煙塵凝聚技術、煙氣調質技術、低低溫電除塵技術、移動電極電除塵技術等。

(2)袋式和電袋復合除塵技術。近5年快速發(fā)展起來的除塵技術，正處于總結應用經(jīng)驗、規(guī)范發(fā)展的階段。

(3)濕式電除塵技術。其工作原理與傳統(tǒng)的干式電除塵相似，依靠的都是靜電力，所不同的是工作環(huán)境為一“濕”一“干”，濕式電除塵裝置通常布置在濕法脫硫設施的尾部。由于其處理的是濕法脫硫后的濕煙氣，在擴散荷電的作用下，能有效地捕集煙氣中的細顆粒物及易在大氣中轉化為PM2.5的前體污染物(SO3、NH3、SO2、NOx)、石膏液滴、酸性氣體(SO3、HCl、HF)、重金屬汞等，實現(xiàn)煙塵排放濃度≤10mg/m3及煙氣多污染物的深度凈化。目前，國電科學技術研究院已開發(fā)了該技術，并建立了300MW、600MW的示范工程。

3.3 二氧化硫控制技術

火電行業(yè)形成了以石灰石—石膏濕法脫硫為主(92%)的技術路線。通過近10年來對脫硫工藝化學反應過程和工程實踐的進一步理解以及設計和運行經(jīng)驗的積累和改善，在脫硫效率、運行可靠性、運行成本等方面有很大的提升，對電廠運行的影響明顯下降，運行、維護更為方便。目前，正處于高效率、高可靠性、高經(jīng)濟性、資源化、協(xié)同控制新技術的研發(fā)、示范、推廣階段。

對新建的“增量”機組，新標準要求SO2排放限值為100mg/m3、重點地區(qū)為50mg/m3。要實現(xiàn)該限值，單靠傳統(tǒng)的濕法脫硫技術難于實現(xiàn)，需采用新技術，如已得到應用的單塔雙循環(huán)、雙塔雙循環(huán)技術，正在開發(fā)的活性焦脫硫技術等。

對現(xiàn)役的“存量”機組，新標準要求的排放限值為50～200mg/m3、高硫煤地區(qū)為400mg/m3，且于2014-07-01開始實施。由于脫硫設施“十一五”期間非常規(guī)的井噴式發(fā)展，無論是技術本身，還是工程建設、安裝調試、運行維護等均需要適合國情的調整、改進和優(yōu)化過程[7-8]。如核心技術的消化、復雜多變工況的適應能力；因建設工期緊造成設計投入力度低，缺乏對個案分析，簡單套用成功案例；受低價競爭影響，大多按400mg/m3設計，設計裕度小，關鍵設備、材料的質量達不到工藝要求；系統(tǒng)調試不充分，缺乏優(yōu)化經(jīng)驗；運行管理水平還達不到主機水平；電煤質量不可控，硫分大多高于設計值等。因此，要滿足新標準要求，超過90%按照2003年版標準建設的現(xiàn)役脫硫設施，需要優(yōu)化調整、技術改造、甚至推倒重建。

3.4 PM2.5控制技術

火電行業(yè)對PM2.5的控制主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)利用ESP、BP和電袋等高效除塵設施，最大限度地減少PM2.5一次顆粒物的排放；

(2)利用高效脫硫設施和脫硝設施，最大限度地減少易在大氣中形成PM2.5的前體污染物(如SO2、NOx、 SO3、NH3等)；

(3)在濕法脫硫設施后建設煙氣深度凈化設施(如濕式電除塵器等)，對燃煤電廠煙氣排放的煙塵、SO2、NOx、SO3等多污染物進行末端協(xié)同控制，最終實現(xiàn)煙塵排放濃度≤10mg/m3、SO2排放濃度≤50mg/m3、NOx排放濃度≤100mg/m3。

4 結語

電力工業(yè)是重要的基礎性行業(yè)，也是社會經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的重要條件和保證，面對資源約束趨緊、環(huán)境污染嚴重、生態(tài)退化的嚴峻形勢，以及生態(tài)文明建設的國家需求，必將按照國家大氣污染防治行動計劃，長期承擔大氣污染物控制的減排重任。為此，火電行業(yè)本著創(chuàng)新驅動和推廣應用并重的方針，以科技創(chuàng)新為動力，以先進環(huán)保技術為依托，以削減大氣污染物排放量為根本，遵循“高效清潔燃燒-污染物協(xié)同控制-廢物資源化”為一體的控制路線，持續(xù)研發(fā)、應用低能耗、低物耗、低污染、低排放，資源利用率高、安全性高、經(jīng)濟性高、環(huán)境性高的先進的環(huán)保技術，“建設好、運行好”環(huán)保設施，既構建綠色環(huán)保型“增量”機組，又全面提高現(xiàn)役機組"存量"的環(huán)保技術水平，在保障電力安全、可靠和有效供應的前提下，以科技進步和產(chǎn)業(yè)升級，實現(xiàn)電力工業(yè)綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展和低碳發(fā)展。

[1]GB13223-2011,火電廠大氣污染物排放標準[S].

[2]中國電力企業(yè)聯(lián)合會.中國電力行業(yè)年度發(fā)展報告(2013)[M].北京:中國市場出版社,2013.

[3]柏 源,李忠華,薛建明,等.煙氣同時脫硫脫硝一體化技術研究[J].電力科技與環(huán)保,2010,26(3):8-12.

[4]柏 源,李忠華,薛建明,等.燃煤煙氣H2O2脫硝性能影響因素的實驗研究[J].化工進展,2012,31(1):208-212.

[5]Sheng Zhongyi,Hu Yufeng,Xue Jianming,et al.SO2poisoning and regeneration of Mn-Ce/TiO2catalyst for low temperature NOxreduction with NH3[J].Journal of rare of earths,2012,30(7):676-682.

[6]胡宇峰,薛建明,王小明,等.Mn-Ce-TiO2低溫選擇性催化還原催化劑二氧化硫中毒及再生特性[J].工業(yè)催化,2013,21(4):27-33.

[7]十八大報告.堅定不移沿著中國特色社會主義道路前進,為全面建設小康社會而奮斗[N].人民日報,2012-11-18.

[8]王志軒,潘 荔,劉志強，等.我國電力行業(yè)中長期燃煤大氣污染物控制技術發(fā)展戰(zhàn)略思考[C].第二屆能源論壇,北京：2012.