燃煤電站環(huán)保設施多污染物控制能力分析及對策

薛建明，柏 源，李忠華，許月陽

(國電科學技術研究院， 江蘇 南京 210031)

0 引言

為推進生態(tài)文明建設，建設美麗中國，燃煤電站大氣污染控制技術發(fā)展趨勢由單元式、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)保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，推動多污染物協(xié)同控制技術健康發(fā)展。

應對日趨嚴峻的環(huán)境形勢和嚴格的環(huán)保標準，為有效解決燃煤電站大氣污染物達標排放和“石膏雨”等問題，面向燃煤電站濕式煙氣深度凈化協(xié)同控制過程，基于現(xiàn)有環(huán)保設施多污染物協(xié)同控制規(guī)律，針對協(xié)同控制過程中存在的問題，研究濕式煙氣多污染物深度凈化協(xié)同控制技術及對策，為實現(xiàn)污染物達標排放和形成自主知識產(chǎn)權的煙氣深度凈化技術提供技術支撐。

1 燃煤電站現(xiàn)有環(huán)保設施多污染物協(xié)同控制規(guī)律研究

1.1 脫硝設施

燃煤電廠選擇性催化還原技術(SCR)高效脫除氮氧化物的同時，帶來兩個方面的問題[1]：

(1)脫硝催化劑活性物質在脫硝過程中不可避免新生成三氧化硫；

(2)脫硝系統(tǒng)中氨逃逸形成氣溶膠，形成SCR次生物。這主要是因為噴入的氨與煙氣不能完全混合均勻，在局部區(qū)域造成氨相對過剩，從而形成氨逃逸，此過程難以避免。

1.2 除塵設施

1.2.1 除塵設施細顆粒物控制能力分析

目前我國約90%的火電廠采用的是靜電除塵器。正常運行工況下靜電除塵器的除塵效率可以達到99%；但是對于細顆粒物特別是超細顆粒物而言，靜電除塵器的除塵效率較低。通常，當顆粒物粒徑>10μm時，顆粒物主要受到靜電力和斯托克斯阻力作用；而粒徑<10μm時，細顆粒物運動軌跡主要是隨煙氣漂移。

目前靜電除塵器對細顆粒物控制效率低的主要原因如下[2]：

(1)靜電除塵器電暈放電或者離子風不均勻導致細顆粒物荷電不充分；

(2)等離子電流體或離子風改變細顆粒物運動軌跡，導致細顆粒物被捕集之前又返回煙道氣流中；

(3)反電暈放電和電極振打不合理導致細顆粒二次揚塵；

(4)收集場強不夠強且場強不平穩(wěn)，對顆粒物收集產(chǎn)生影響。

1.2.2 除塵設施控制氣溶膠能力分析

由SO3形成的硫酸氣溶膠與煙氣中的飛灰隨著煙氣進入靜電除塵器，從而將其脫除；煙溫和飛灰成分決定了其脫除效率。一般情況下，靜電除塵器對SO3的脫除效率約為10%～15%。

1.2.3 除塵設施汞控制能力分析

煙氣中以顆粒態(tài)形式存在的固相汞在經(jīng)過靜電除塵器或者布袋除塵器時可以得到有效脫除。

當飛灰粒徑減小時，飛灰中汞的含量隨之增大。通常，飛灰粒徑越小，其比表面積越大，造成固相汞在飛灰上的沉積量越大。靜電除塵器對飛灰的捕獲直接降低了煙氣中顆粒汞的比例。由于煙氣中飛灰含量與煤中的灰成分比例有關，因此靜電除塵器對尾部煙氣汞形態(tài)的影響從根本上依賴于煤中的灰成分。煤中灰成分越多，煙氣中汞被飛灰吸附的可能性越大，顆粒汞的比例越大，最終被靜電除塵器捕獲的顆粒汞數(shù)目也相應增多，脫除效率一般僅24%～27%[3]。相比于靜電除塵器，袋式除塵器由于氣固接觸時間較長、除塵效率較高等原因，其脫汞效率最高可以達到80%。

另外，煙氣通過除塵器前后，煙氣中汞形態(tài)發(fā)生了顯著變化，單質汞被飛灰中金屬氧化物不同程度氧化后轉變成二價汞，進入脫硫系統(tǒng)時有利于被脫硫漿液吸收。

1.3 濕法脫硫設施

1.3.1 脫硫設施細顆粒物控制能力分析

濕法脫硫設施主要通過擴散、攔截和慣性碰撞等作用將煙氣中部分顆粒捕集，脫除效率與煙氣顆粒的大小和質量緊密相連。從細顆粒的控制角度來看，濕法脫硫設施對可吸入顆粒物具有較高的脫除效率，但是脫硫設施排放的顆粒數(shù)量實際上是增加了。這主要是由于吸收塔對細顆粒的捕集效率較低，另外一方面因蒸發(fā)作用形成的細顆粒也不能被吸收塔捕集，因此造成大量的細顆粒外排[4]。

1.3.2 脫硫設施氣溶膠控制能力分析

脫硫設施附帶SO3脫除效果，但是對硫酸氣溶膠的脫除效果不佳。主要有兩個方面的原因[5-6]：一方面，石灰石漿液吸收SO3速率低于SO2，煙氣在吸收塔內(nèi)流速較高；同時SO3轉化成硫酸形成硫酸氣溶膠，當煙氣氣流逆著漿液霧滴群向上流動時，并不能完全脫除煙氣中的SO3。另外一方面，煙氣中的SO3與煙氣中水分子結合形成轉化為H2SO4，在吸收塔內(nèi)過飽和而產(chǎn)生酸霧氣溶膠，酸霧氣溶膠核化速度遠遠高于在吸收劑中的溶解度，不能被漿液吸收。一般情況下，濕法脫硫采用的是石灰石漿液，其表面水蒸汽分壓較大；硫酸分子形成硫酸霧，使得粒徑大于硫酸分子，且狀態(tài)穩(wěn)定；這兩方面的原因造成濕法脫硫系統(tǒng)對SO3的脫除效率較低。

1.3.3 脫硫設施脫除汞能力分析

濕法脫硫設施對汞具有一定的捕集效率。主要原因如下：煙氣中氣態(tài)汞主要以單質汞(Hg0)和氧化態(tài)汞(Hg2+)存在。在WFGD系統(tǒng)中，石灰石漿液可以脫除80%～95%的Hg2+，但就不溶于水的單質汞而言，脫除效率不顯著。

在WFGD系統(tǒng)中，石灰石漿液吸收Hg2+后，漿液中S4+和鐵、猛等金屬離子具有一定的還原作用，將捕集的Hg2+還原成Hg0，使得WFGD出口HgO濃度升高，即汞的二次釋放。如何控制WFGD系統(tǒng)汞的再釋放已成為研究的重點，目前采用的方法主要是提高漿液pH值和漿液中亞硫酸根濃度，降低吸收塔反應溫度等通過采取上述措施可以在一定程度上解決汞的再釋放問題[7-8]。

2 燃煤電站多污染物控制對策分析

總體而言，現(xiàn)有濕法脫硫、脫硝、除塵等環(huán)保設施對SCR次生物、FGD漿液滴、汞的再釋放以及細顆粒物等污染物的控制能力有限，不能滿足電力行業(yè)新標準的排放要求。區(qū)域大氣復合污染、“石膏雨”等已成為全社會關注的民生問題。為了有效地解決上述問題，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)，對燃煤煙氣排放的煙塵、SO2、NOx、SO3等多污染物進行末端協(xié)同控制，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，為電力行業(yè)多污染物協(xié)同控制提供技術支撐。

2.1 技術原理

煙氣深度凈化設施的工作原理與傳統(tǒng)干式電除塵相似，所不同的是煙氣深度凈化設施一般布置于FGD后側，其運行環(huán)境為濕環(huán)境。通過擴散電荷作用，可處理SCR次生物、FGD漿液滴、細顆粒物、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[9]。

2.2 技術特點

針對燃煤電廠“石膏雨”、煙囪腐蝕以及現(xiàn)有環(huán)保設施多污染物控制等存在的問題，基于基礎理論研究與試驗研究相結合，通過產(chǎn)、學、研、用方式組織攻關，創(chuàng)新研發(fā)出燃煤煙氣多污染物協(xié)同控制技術及裝置，目前在益陽(300MW)、滎陽(600MW)、九江電廠機組上運用。主要技術特點如下：

(1)微細顆粒物捕集效率高，并可聯(lián)合脫除煙氣中攜帶的液滴。對微細顆粒物的捕集效率達99%以上，其中對于2.5～5μm的顆粒物具有近100%的脫除率；對于0.1～2.5μm的顆粒物具有88.7%～93.9%的脫除率；同時對濕法脫硫后煙氣中攜帶的液滴有95%以上去除率，能消除脫硫設施因未設置GGH而出現(xiàn)的“石膏雨”現(xiàn)象。使得煙囪出口的煙塵濃度≤10mg/m3。

(2)協(xié)同控制效果。具有協(xié)同控制效果，SO3(70%～95%)、NH3(≤10mg/m3)、重金屬汞(70%～90%)、HCl(30%～40%)、HF(40%～50%)、SO2(10%～30%)。與環(huán)保部《環(huán)境空氣細顆粒物污染防治技術政策》(征求意見稿)中涉及的：鼓勵濕式除塵器(WESP)治理石膏雨和嚴格控制細顆粒物及前體污染物相一致。

3 結語

基于資源約束趨緊、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，按照國家大氣污染防治行動計劃，火電行業(yè)本著創(chuàng)新驅動和推廣應用并重的方針，環(huán)保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，探索形成電力工業(yè)應對新標準的新的煙氣治理技術路線，推動培育煙氣深度凈化技術裝備等新興產(chǎn)業(yè)鏈，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]郭 俊,馬果駿,閻 冬,等.論燃煤煙氣多污染物協(xié)同治理新模式[J].電力科技與環(huán)保,2012,28(3):13-16.

[2]朱繼保.細顆粒物的電收集技術研究[D].杭州:浙江大學,2010.

[3]胡長興,周勁松,何 勝,等.靜電除塵器和濕法煙氣脫硫裝置對煙氣汞形態(tài)的影響與控制[J].動力工程,2009,29(4):400-404.

[4]王 琿,宋 薔,姚 強,等.電廠濕法脫硫系統(tǒng)對煙氣中細顆粒物脫除作用的實驗研究[J].中國電機工程學報,2008,28(5):1-7.

[5]鮑靜靜,楊林軍,顏金培,等.濕法煙氣脫硫系統(tǒng)對細顆粒脫除性能的實驗研究[J].化工學報,2009,60(5):1260-1267.

[6]常景彩.柔性集塵極應用于燃煤脫硫煙氣深度凈化的試驗研究[D].濟南:山東大學,2011.

[7]劉玉坤,禚玉群,陳昌和,等.燃煤電站脫硫系統(tǒng)的脫汞性能[J].中國電力,2011,44(12):68-72.

[8]陳傳敏,張建華,俞 力,等.濕法煙氣脫硫漿液中汞再釋放特性研究[J].中國電機工程學報,2011,31(5):48-51.

[9]柏 源,薛建明,李忠華.濕式燃煤煙氣多污染物協(xié)同控制技術研究[C].2013年中國電機工程學會年會論文集.成都:2013.