煙氣多污染物系統(tǒng)一體化控制技術的研究

王永政，王聆燕，李紫龍

(中電投遠達環(huán)保工程有限公司，重慶 401122)

0 引言

我國的一次能源結構以煤炭為主，2013年全國煤炭消費量大約在36.1億t左右，燃煤煙氣中排放的SO2、NOx、細顆粒物和重金屬(Hg)等污染物已成為大氣污染的主要來源。目前，對煙氣中各種污染物的控制，我國主要采用的是單一控制策略，即單獨的脫硫、脫硝和除塵。單一的脫硫脫硝除塵分級治理模式已不能適應未來煙氣排放控制技術的發(fā)展趨勢。因此，高效、低能耗的燃煤煙氣多污染物一體化控制技術已成為國內外的研究熱點[1-5]。

本文重點論述了多污染物系統(tǒng)一體化控制技術，該技術是在燃煤電廠現(xiàn)有煙氣污染物單獨脫除裝置的基礎上，通過對脫除系統(tǒng)的完善和綜合考慮，充分發(fā)揮各脫除裝置對多種污染物的協(xié)同脫除能力，整合各脫除裝置的控制系統(tǒng)，從而實現(xiàn)對多種污染物的一體化控制，并最終達到燃煤電廠節(jié)能降耗和降低投資運行成本的目的。

1 多污染物一體化控制技術

多污染物一體化控制技術按照一體化的對象不同，可分為裝置一體化技術和系統(tǒng)一體化技術兩類。

1.1 裝置一體化技術

裝置一體化技術是采用一套裝置實現(xiàn)同時脫硫、脫硝、除塵和脫汞等，依據工藝的不同，可分為濕法一體化技術和干法一體化技術。

目前濕法一體化技術的研究重點集中在濕法脫硫系統(tǒng)基礎上采用促進NOx吸收的脫硝吸收劑。通過在液相中加入強氧化性的添加劑、絡合劑或者還原劑，可有效提高NO的脫除率。研究較多的氧化吸收劑有次氯酸鈉、過氧化氫、高錳酸鉀和臭氧等，絡合吸收劑包括亞鐵絡合物、鈷絡合物等，還原吸收劑主要有尿素、亞硫酸銨等。但這些脫硝吸收劑大多還處在試驗探索階段[6-8]，尚未達到大規(guī)模應用的要求。

干法一體化技術的研究方向主要包括固相吸附再生法、催化劑同時脫硫脫硝技術、吸收劑噴射法和等離子體法等。固相吸附再生法主要是活性焦吸附再生法[9]。催化劑同時脫硫脫硝技術采用如氧化、氫化或SCR的催化反應，脫硫率和脫硝率能達到90%以上。該技術的代表工藝流程主要有SNRB工藝、DESONOx工藝等。吸收劑噴射技術的脫除率取決于煙氣中的SO2和NOx的比例、反應溫度、吸收劑的粒度和停留時間。等離子體法同時脫硫脫硝技術可分為：電子束法、脈沖電暈法及流光放電技術等。這些技術都可以對煙氣進行同時脫硫、脫硝，脫硫效率≥90%，脫硝效率≥80%，但普遍存在的高能耗及設備可靠性差等因素制約了其應用。

1.2 系統(tǒng)一體化技術

系統(tǒng)一體化技術是對現(xiàn)有單一污染物控制技術的集成，利用多種污染物控制的協(xié)同效應，實現(xiàn)控制多種污染物的目的。該技術以現(xiàn)有單一污染物成熟技術為基礎，結合最新脫硝、除塵、脫汞和脫硫新型技術，對燃煤電廠污染物處理裝置進行統(tǒng)一規(guī)劃，以鍋爐爐膛出口煙氣參數(shù)為前饋，以電廠煙囪出口污染物排放濃度為后饋，通過系統(tǒng)集成和連鎖控制，實現(xiàn)全系統(tǒng)自動調節(jié)，在滿足最新環(huán)保排放要求的條件下，達到系統(tǒng)配置最佳、運行最優(yōu)的目標。

系統(tǒng)一體化相對于裝置一體化，具有單元技術成熟、可靠性高、工藝原理清晰簡潔等優(yōu)點。通過對現(xiàn)有技術的優(yōu)化整合以及新技術、新設備的引進和研發(fā)，形成適合典型區(qū)域、典型煤種、典型機組的多污染物系統(tǒng)一體化控制技術，該技術可實現(xiàn)減小污染物排放和降低系統(tǒng)綜合能耗的目的。

2 系統(tǒng)一體化技術方案

2.1 一體化技術路線圖

燃煤電廠煙氣多污染物一體化控制技術是低氮燃燒技術、SCR脫硝技術、除塵技術(電除塵、袋式除塵、電袋復合除塵、濕式電除塵)和脫硫技術(濕法、干法/ 半干法)等的有機組合。燃煤電廠具體選用何種技術路線，需要根據電廠自身狀況，結合我國區(qū)域資源情況不同和燃煤機組條件有差異等因素，以實現(xiàn)電廠環(huán)保裝置“滿足排放標準、裝置可靠性高、系統(tǒng)節(jié)能降耗、投資運行成本低”的目標。

(1)對于新建燃煤電廠，需安裝低氮燃燒器和煙氣脫硝裝置；對于現(xiàn)役機組應根據各機組的壽命、NOx濃度等條件，通過技術經濟性分析確定是否安裝低氮燃燒器，但都需進行煙氣脫硝改造。對于燃用煙煤和褐煤的電廠，采用低氮燃燒技術后，NOx排放濃度一般在500mg/m3以下，宜采用低氮燃燒技術+SCR脫硝工藝；對于燃用無煙煤的電廠，采用低氮燃燒技術后，NOx排放濃度仍在800mg/m3左右，NOx排放濃度較高，直接采用SCR工藝時脫硝效率要求在88%以上，存在氨逃逸率超標的可能，為了控制氨逃逸率，宜采用無煙煤與普通煙煤摻燒技術+低氮燃燒技術+SCR脫硝工藝。

(2)電除塵技術適用于新建和改造的機組，適用條件較為廣泛。濕式電除塵技術可有效控制燃煤電廠PM2.5粉塵、SO3酸霧和有機復合污染物的排放，可以解決“石膏雨”問題，還可以將粉塵的排放濃度控制在1mg/m3以下。袋式除塵技術適用于新建和改造的機組，不受煙塵比電阻和物化特性等的影響。適用于高灰分燃煤電廠鍋爐、循環(huán)流化床鍋爐、干法脫硫裝置及排放要求較為嚴格地區(qū)的煙氣治理，適用于600MW及以下機組，而且該技術還可去除煙氣中的部分重金屬。電袋復合除塵技術綜合了電除塵技術和袋式除塵技術的優(yōu)點，適用于高比電阻煙塵、低硫煤煙塵和半干法煙氣脫硫后的煙氣除塵，對現(xiàn)役電除塵器的改造比較適用，適用于600MW及以下機組，可去除煙氣中的部分重金屬。

(3)石灰石-石膏濕法脫硫技術是目前國內市場的主流技術[10-12]。該技術對煤種等的變化具有較強的適應性，脫硫劑價廉易得，適用于600MW及以上大容量機組、高濃度SO2的煙氣脫硫。另外，還有一些濕法脫硫技術，如氨法、鎂法及海水法脫硫等，如電廠所處區(qū)域的脫硫劑資源豐富亦可采用相關方法。濕法脫硫技術要求電廠區(qū)域內水資源豐富，相比而言，干法/ 半干法脫硫技術適用于缺水地區(qū)的新建和改造機組，但采用干法/半干法技術電廠需滿足中小容量機組、煙氣量不大和燃用中低硫煤等條件。

(4)依據新的《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223-2011)要求，燃煤鍋爐煙氣中汞及其化合物的濃度排放值要低于0.03mg/m3。對于該排放濃度限制，燃煤電廠通過現(xiàn)有的脫硫、脫硝和除塵設施的協(xié)同控制后，脫汞效率可達到80%以上，煙氣出口汞的濃度可達0.01mg/m3左右，已經低于排放限值，不需要再修建專門的脫汞裝置。

2.2 全流程模擬

基于計算機三維模擬軟件，建立從省煤器出口至煙囪的全系統(tǒng)的三維模型，綜合考慮煙氣在SCR脫硝系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)、煙囪內的流動過程，通過優(yōu)化反應器及管道的結構和導流板布置，提升系統(tǒng)的流動狀況，提高各系統(tǒng)的可靠性，減小系統(tǒng)壓損和管道磨損等問題。

2.3 DCS集成聯(lián)鎖及智能化控制

一體化方案控制系統(tǒng)采用一套完整的DCS系統(tǒng)，將脫硝、除塵、脫硫相關的工藝設備和流程納入控制系統(tǒng)，通過通訊接口，接入機組DCS。按電廠管理模式的需要，設置獨立的一體化控制系統(tǒng)操作員站，納入主機操作員站統(tǒng)一監(jiān)控管理。

3 系統(tǒng)一體化技術應用案例

貴州某電廠2×660MW機組W型火焰鍋爐煙氣排放需滿足GB13223-2011對于非重點地區(qū)的要求，即煙塵30mg/m3，二氧化硫為400mg/m3，NOx200mg/m3。根據該電廠燃用高硫高灰分無煙煤、“W”火焰鍋爐的特點，制定了適合該電廠機組的多污染物系統(tǒng)一體化技術方案。

該方案的系統(tǒng)組成包括：低氮燃燒系統(tǒng)、SCR脫硝及汞氧化系統(tǒng)、三級除塵系統(tǒng)(靜電除塵器+脫硫吸收塔+濕式電除塵器)、濕法脫硫系統(tǒng)、全流程模擬系統(tǒng)和DCS智能控制系統(tǒng)。采用低氮燃燒技術，在鍋爐燃燒效率不降低的情況下，可預先脫除煙氣中約40%的NOx，將鍋爐出口NOx濃度控制在不高于800mg/m3；再經過SCR脫硝及汞氧化系統(tǒng)，脫除煙氣中的75%NOx、70%的Hg氧化為Hg2+；煙氣經空氣預熱器換熱后進入電除塵器，脫除99.7%的粉塵，出口粉塵濃度控制在不高于200mg/m3；除塵后的煙氣經引風機增壓后，進入脫硫吸收塔內，脫除煙氣中的98.3% SO2，50%的粉塵和70%的Hg2+，保證吸收塔出口SO2不高于168mg/m3、粉塵濃度不高于100mg/m3；脫硫后的煙氣經濕式電除塵器除塵后，出口粉塵濃度不高于30mg/m3。方案從省煤器出口至煙囪出口實施全流程數(shù)字化模擬，優(yōu)化了系統(tǒng)布置，減少了系統(tǒng)阻力，實現(xiàn)了節(jié)能降耗的目的?！耙惑w化”子系統(tǒng)在DCS上進行了集成聯(lián)鎖，通過自主開發(fā)的智能專家控制系統(tǒng)，減少了人工干預，實現(xiàn)了“一體化” 系統(tǒng)DCS自動控制。

該方案可實現(xiàn)NOx脫除效率≥82.5%，煙囪NOx排放濃度≤140mg/m3；三級除塵系統(tǒng)(靜電除塵+脫硫吸收塔+濕式電除塵器)的除塵效率≥99.96%，煙塵排放濃度≤30mg/m3，同時可基本消除“石膏雨”問題；SO2脫除效率≥98.3%，SO2排放濃度≤168mg/m3。

采用多污染物系統(tǒng)一體化控制技術，可有效解決高灰煙氣易造成SCR脫硝催化劑堵塞和中毒、飛灰比電阻變化大導致除塵效率不穩(wěn)定、靜電除塵器+濕式電除塵器對硫酸氫氨等超細粉塵的脫除能力差等問題；同時將脫硫、脫硝、除塵裝置進行整合，克服了各系統(tǒng)分散控制的弊端，建立了有效的聯(lián)動機制，為多污染物排放控制提供了可靠的保證。

4 結語

煙氣多污染物系統(tǒng)一體化控制技術逐漸受到國內外的關注，成為燃煤煙氣污染物治理領域的研究熱點。該技術通過對各污染物治理裝置的統(tǒng)籌考慮，對多污染物實施一體化控制，可有效實現(xiàn)燃煤電廠節(jié)能降耗和降低投資運行成本的目的，同時還可以解決單一污染物治理裝置單獨運行時存在的一些問題。燃煤電廠在確定多污染物系統(tǒng)一體化技術方案的時候，需在滿足國家對煙氣排放要求的基礎上，結合自身的區(qū)域特點、機組條件和燃煤成份等實際情況進行綜合考慮。

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