大型燃煤電廠大氣污染物近零排放技術(shù)方案

戴鐵華，李彥，胡昌斌，王新，徐勇

(中能建湖南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖南長(zhǎng)沙410007)

大型燃煤電廠大氣污染物近零排放技術(shù)方案

Technical schemes of air pollutants near-zero em ission in large-scale coal-fired power plants

戴鐵華，李彥，胡昌斌，王新，徐勇

(中能建湖南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖南長(zhǎng)沙410007)

本文總結(jié)大型燃煤電廠煙氣除塵、脫硫、脫氮、脫汞、PM2.5細(xì)微顆粒、CO2捕集等實(shí)現(xiàn)近零排放的相關(guān)技術(shù)，并結(jié)合岳州電廠燃煤特性和機(jī)組選型提出項(xiàng)目大氣污染物近零排放的技術(shù)方案。

環(huán)保；減排；大氣污染物；近零排放；工程方案

依托最先進(jìn)的節(jié)能和環(huán)保技術(shù)，燃煤電廠大氣污染物排放可達(dá)到或優(yōu)于燃?xì)怆姀S的排放水平。我國(guó)新的火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)〔1〕大幅收緊了SO2，NOx、煙塵的排放限制，2014年5月26日國(guó)務(wù)院印發(fā) 《2014—2015年節(jié)能減排低碳發(fā)展行動(dòng)方案》，也進(jìn)一步明確了節(jié)能減排降碳指標(biāo)。各地在新建和待建大型燃煤電廠紛紛開展煙氣污染物“近零排放”，建設(shè)真正綠色煤電。

“近零排放”，就是嚴(yán)格控制生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢棄物排放，盡量將其減少到接近零的狀態(tài)；對(duì)不得不排放的廢棄物，加以充分利用。為滿足日益嚴(yán)格的環(huán)保要求，走低消耗、低排放和高效率的綠色煤電之路。華能集團(tuán)要求在岳州項(xiàng)目上執(zhí)行天然氣燃機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)、提出了污染物近零排放的要求，在此背景下，開展了近零排放專題研究〔2〕。

1 工程概況

根據(jù)國(guó)家能源戰(zhàn)略規(guī)劃，“十二五”期間將建成蒙西至華中鐵路煤運(yùn)大通道 (蒙華鐵路)，華能岳州電廠正是依托蒙華鐵路建設(shè)的高效環(huán)保型路口電廠，規(guī)劃建設(shè)4×1 000MW燃煤機(jī)組。本期建設(shè)2×1 000MW高效二次再熱超超臨界機(jī)組，采用高效超超臨界變壓運(yùn)行直流鍋爐、∏型布置，超超臨界二次中間再熱凝汽式汽輪機(jī)組，推薦參數(shù)為:主汽壓力31MPa/主汽溫度600℃/一次再熱溫度620℃/二次再熱溫度620℃。電廠同步建設(shè)煙氣脫硫、脫硝裝置。

項(xiàng)目設(shè)計(jì)煤種為內(nèi)蒙古魏家峁煤；校核煤種為70%內(nèi)蒙伊泰寶山煤和30%陜西澄合煤的混煤。2臺(tái)機(jī)組鍋爐耗煤量為766 t/h，年耗煤量則為 367.6×104t/a。大氣污染物排放指標(biāo)執(zhí)行GB13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中燃?xì)廨啓C(jī)組排放限制指標(biāo)。

2 大氣污染物近零排放技術(shù)方案

燃煤電廠大氣污染物的近零排放，煙氣多污染物治理要能協(xié)同脫除SO2，NOx，粉塵、PM2.5超細(xì)粉塵和其它強(qiáng)酸性氣體、汞等及CO2的捕集，最大限度地減少煙塵，SO2，NOx，汞等的排放。

2.1 高效除塵技術(shù)方案

2.1.1 高效除塵技術(shù)

目前火電廠應(yīng)用成熟的除塵器型式有靜電除塵器、布袋除塵器、電袋復(fù)合除塵器。近年又出現(xiàn)了旋轉(zhuǎn)電極靜電除塵器、低 (低)溫靜電除塵器、高頻電源等新工藝、新技術(shù)。但無論采取哪一種單一除塵器均不能達(dá)到煙囪出口煙塵排放濃度＜5mg/Nm3的要求。

由于靜電除塵器設(shè)備阻力低 (阻力比布袋或電袋低600～1 000 Pa左右)、運(yùn)行維護(hù)較方便且費(fèi)用低、無廢棄布袋的二次污染，其技術(shù)性能優(yōu)于布袋和電袋除塵器。在岳州工程中，為提高機(jī)組經(jīng)濟(jì)性，在除塵器前設(shè)置了煙氣余熱回收裝置，考慮到煤種變化時(shí)濾袋在露點(diǎn)溫度附近存在易產(chǎn)生腐蝕的可能性，決定選用靜電除塵器。

近年來靜電除塵器與高頻電源、低低溫除塵器、旋轉(zhuǎn)電極式電除塵等新技術(shù)組合，可提高除塵性能，并擴(kuò)大了適用范圍。

本工程分別在除塵器前和脫硫塔前設(shè)置了二級(jí)煙氣余熱回收裝置，使得進(jìn)入除塵器的煙溫降至105℃左右，降低了進(jìn)入除塵器的煙氣體積和飛灰比電阻。但考慮到設(shè)計(jì)和校核煤種即使在80℃下比電阻也在1 012Ω·cm左右，再繼續(xù)將除塵器進(jìn)口溫度降至煙氣露點(diǎn)溫度以下無太大意義，因此推薦采用適合高比電阻飛灰的旋轉(zhuǎn)電極式靜電除塵器。

目前國(guó)內(nèi)一些新建電廠在一級(jí)除塵器和脫硫系統(tǒng)后增加濕式電除塵器對(duì)脫硫塔出口的煙氣進(jìn)一步深度凈化。濕式靜電除塵器是一種控制燃煤煙氣PM2.5細(xì)微顆粒和 “石膏雨”非常有效的設(shè)備。

2.1.2 高效除塵技術(shù)方案的選擇

為降低PM2.5的排放，岳州工程采用脫硫前第一級(jí)除塵器＋脫硫后設(shè)置一電場(chǎng)濕式除塵器的組合除塵方案。除塵方案見圖1。

脫硫前第一級(jí)除塵器推薦每爐設(shè)置2臺(tái)三室五電場(chǎng)旋轉(zhuǎn)電極除塵器，第一、二電場(chǎng)采用高頻電源，末級(jí)電場(chǎng)采用旋轉(zhuǎn)電極技術(shù)，除塵效率≥99.92%、除塵器出口粉塵濃度控制在20 mg/Nm3內(nèi)。脫硫吸收塔采用較低的吸收塔流速和三級(jí)除霧器，采用更高效的霧化噴嘴，保證濕法脫硫吸收塔的除塵效率≥50%。脫硫塔后每爐設(shè)置2臺(tái)一電場(chǎng)的濕式除塵器，單級(jí)除塵器效率≥70%。煙囪出口煙塵排放濃度設(shè)計(jì)煤種為4.87 mg/Nm3，達(dá)到＜5mg/Nm3燃機(jī)的排放標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)可有效降低PM2.5的排放。

2.2 高效脫硫技術(shù)方案

2.2.1 高效脫硫技術(shù)

石灰石—石膏濕法脫硫是燃煤電廠中應(yīng)用最為廣泛的脫硫技術(shù)。對(duì)于石灰石—石膏濕法脫硫，當(dāng)脫硫效率超過95%之后，需要采取增效措施。提高效率的脫硫技術(shù)有:在常規(guī)的脫硫塔基礎(chǔ)上增加噴淋層數(shù)量、雙循環(huán)石灰石—石膏濕法脫硫技術(shù)、雙托盤技術(shù)、液柱塔技術(shù)。

1)常規(guī)石灰石—石膏濕法脫硫工藝，通過增加噴淋層、增加脫硫塔液氣比提高脫硫效率。但一般增至5層已是上限，難以達(dá)到98%以上的要求。

2)雙循環(huán)脫硫工藝基本原理與石灰石濕法基本相同。其技術(shù)特點(diǎn)是將脫硫吸收反應(yīng)分為兩級(jí)循環(huán)，即低pH值的一級(jí)循環(huán)和高pH值的二級(jí)循環(huán)來保證較高的脫硫效率。

雙循環(huán)技術(shù)分為單塔雙循環(huán)和雙塔雙循環(huán)。單塔雙循環(huán)方式是將吸收塔分為上、下2級(jí)，下段為一次循環(huán)，上段為二次循環(huán)；雙塔雙循環(huán)方式有2個(gè)循環(huán)吸收塔，阻力相對(duì)單塔雙循環(huán)較高，一般用于改造項(xiàng)目。

3)托盤技術(shù)是武漢凱迪引進(jìn)的技術(shù)。雙托盤脫硫技術(shù)在單托盤技術(shù)基礎(chǔ)上增加1層托盤，延長(zhǎng)煙氣停留時(shí)間，達(dá)到增加脫硫效率的作用。但托盤會(huì)引起煙氣系統(tǒng)阻力增加，系統(tǒng)運(yùn)行能耗較高，國(guó)內(nèi)目前尚無1 000MW等級(jí)煤電的應(yīng)用業(yè)績(jī)。

4)液柱塔脫硫工藝的基本原理與噴淋塔是一樣的。但對(duì)布置空間有一定的要求，國(guó)內(nèi)尚無1 000MW等級(jí)煤電的應(yīng)用業(yè)績(jī)。

2.2.2 高效脫硫技術(shù)方案的選擇

雙循環(huán)脫硫工藝為近年引進(jìn)的新技術(shù)，雖然目前應(yīng)用業(yè)績(jī)較少，但已有1 000MW工程訂貨業(yè)績(jī)。且國(guó)內(nèi)600MW及1 000MW工程煙氣脫硫絕大多數(shù)采用石灰石/石膏濕法脫硫，為雙循環(huán)石灰石/石膏濕法脫硫工藝的工業(yè)應(yīng)用提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，采用該脫硫技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小。岳州工程推薦采用雙循環(huán)石灰石/石膏濕法脫硫技術(shù)，工藝流程見圖2。相對(duì)雙塔雙循環(huán)方式，單塔雙循環(huán)具有煙氣系統(tǒng)阻力較低、節(jié)約初投資、占地面積小等優(yōu)點(diǎn)，且有國(guó)電泰州1 000MW機(jī)組工程的訂貨業(yè)績(jī)。因此，推薦采用單塔雙循環(huán)方案設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)煤種SO2排放濃度27.41mg/Nm3，低于燃?xì)廨啓C(jī)35mg/Nm3排放限值。

2.3 高效脫氮技術(shù)方案

2.3.1 高效脫氮技術(shù)

國(guó)內(nèi)大型燃煤電廠采用爐內(nèi)低NOx燃燒技術(shù)＋煙氣脫硝技術(shù)降低NOx排放。常用的低NOx燃燒技術(shù)有空氣分級(jí)燃燒技術(shù)、燃料分級(jí)、煙氣再循環(huán)、低NOx燃燒器等。

主要煙氣脫硝技術(shù)有選擇性催化還原法 (SCR脫硝)、選擇性非催化還原法 (SNCR脫硝)、SNCR－SCR混合脫硝技術(shù)。SCR和SNCR－SCR工藝脫硝效率均可達(dá)90%以上，而SNCR脫硝效率一般為30%～50%。

2.3.2 脫硝技術(shù)方案選擇

鍋爐為 “∏”型爐，國(guó)內(nèi)該爐型均不采用煙氣再循環(huán)和燃料分級(jí)低NOx燃燒技術(shù)。設(shè)計(jì)中主要采取低低NOx燃燒器、分級(jí)燃燒技術(shù)、優(yōu)化燃盡風(fēng)的配置確保鍋爐出口NOx排放濃度可低于200 mg/Nm3。

結(jié)合國(guó)內(nèi)外工程的經(jīng)驗(yàn)，SCR脫硝技術(shù)及聯(lián)合脫硝技術(shù)都能基本滿足要求，SCR技術(shù)成熟，應(yīng)用廣泛。因此，本工程推薦采用爐內(nèi)低NOx燃燒加爐外SCR脫硝技術(shù)。同步安裝的SCR采用高含塵煙氣段布置，催化劑按 “2＋1”層設(shè)置，保證脫硝效率不低于83%，NOx排放濃度為34mg/Nm3，低于燃機(jī)50mg/Nm3的排放標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，為實(shí)現(xiàn)各種工況下的全負(fù)荷脫硝，結(jié)合主機(jī)選型情況，采用提高給水溫度或者省煤器分段布置方案，實(shí)現(xiàn)全負(fù)荷脫硝。

2.4 消除 “石膏雨”技術(shù)方案

“石膏雨”主要來自煙氣中未除凈的液滴和冷凝水，其形成與凈煙氣特性、煙囪結(jié)構(gòu)形式、環(huán)境氣象條件有關(guān)。據(jù)資料介紹，濕法脫硫且不設(shè)置GGH的機(jī)組 “石膏雨”現(xiàn)象較為嚴(yán)重〔4〕。

控制 “石膏雨”的技術(shù)手段包括:

1)選擇合適的塔內(nèi)煙氣流速，降低煙氣攜帶的漿液液滴。建議本工程煙氣流速低于3.5m/s。

2)選擇合適的除霧器類型。采用2級(jí)屋脊式除霧器＋吸收塔出口一級(jí)管式除霧器的設(shè)置方案。并通過優(yōu)化除霧器進(jìn)出口煙氣流場(chǎng)、噴淋層及除霧器沖洗水的設(shè)計(jì)及布置，降低液滴攜帶。

3)選擇合適的煙囪內(nèi)煙氣流速。流速控制在18～20m/s。設(shè)計(jì)保證煙囪出口處和筒體內(nèi)均有合理的煙氣流速，煙囪出口設(shè)計(jì)成收縮過渡段；煙囪或煙道內(nèi)壁設(shè)置導(dǎo)流槽，減少煙氣中冷凝水的二次夾帶〔4〕。

4)減少飽和煙氣含濕量。通過裝設(shè)煙氣余熱利用換熱器降低煙氣溫度，減少吸收塔中的水分蒸發(fā)。同時(shí)使煙氣遠(yuǎn)離水的露點(diǎn)溫度，避免水蒸氣凝結(jié)形成石膏雨。

5)設(shè)置濕式靜電除塵器。采用70%效率的濕式電除塵器，減少石膏顆粒的排放。

岳州工程在脫硫系統(tǒng)及煙囪設(shè)計(jì)時(shí)充分考慮以上措施，通過優(yōu)化脫硫系統(tǒng)設(shè)計(jì)、設(shè)置煙氣余熱利用換熱器、濕式除塵器等措施，預(yù)防 “石膏雨”發(fā)生，基本解決 “石膏雨”的污染問題。

2.5 煙氣脫汞技術(shù)方案

電廠同步建設(shè)的脫硫、脫硝及除塵等煙氣凈化處理裝置有一定的協(xié)同脫汞能力。協(xié)同除汞就是利用電廠煙氣處理設(shè)備，對(duì)其他污染物進(jìn)行處理的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)對(duì)汞的協(xié)同控制。

1)靜電除塵器除汞:可脫除煙氣99%以上的顆粒態(tài)汞〔5〕，但不能去除氣態(tài)單質(zhì)Hg，氣態(tài)單質(zhì)Hg的去除也是煙氣中汞污染控制的難點(diǎn)。電除塵器協(xié)同除汞，其脫汞率不低于25%。

2)脫硫設(shè)施除汞:脫硫設(shè)施溫度相對(duì)較低，有利于汞的氧化和Hg2＋的吸收，是汞去除最有效的凈化設(shè)備。特別是濕法脫硫 (WFGD)能去除80%左右的氣態(tài)二價(jià)汞〔5〕。但濕法脫硫洗滌液有時(shí)會(huì)將氧化態(tài)汞還原成元素汞，造成汞的二次污染。如何阻止?jié)穹摿蛑醒趸瘧B(tài)汞的還原，是利用煙氣處理設(shè)備最大限度控制汞的核心問題。濕法脫硫脫汞率不低于50%。

3)脫硝設(shè)備協(xié)同除汞:SCR只能氧化煙氣中的汞，沒有直接的吸附去除效果。脫硝工藝能夠加強(qiáng)汞的氧化，使經(jīng)過SCR的煙氣中Hg2＋的濃度有所增加，增加后面FGD對(duì)汞的去除率。

岳州工程采用內(nèi)蒙古低汞煤 (設(shè)計(jì)煤種汞含量0.15μg/g)，在采用除塵、脫硫和脫硝協(xié)同控制脫汞后，脫汞效率一般可達(dá)7%～85%，按75%測(cè)算，煙氣的汞平均濃度不超過4.66μg/Nm3，遠(yuǎn)低于 《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的30 μg/Nm3限值標(biāo)準(zhǔn)。

2.6 CO2捕集技術(shù)方案

作為主要的溫室氣體，CO2減排引起全球廣泛關(guān)注。燃煤電廠作為最大的CO2排放源，CO2捕集和封存 (CCS)是應(yīng)對(duì)全球氣候變化最具前景的解決方案。

電廠采取的高效脫硫、除塵、脫硝裝置，為CO2捕集創(chuàng)造了良好的條件。適用于燃煤電站最成熟的CO2捕集技術(shù)是醇胺化學(xué)法 (MEA法)，華能北京熱電廠3 000 t/a CO2捕集試驗(yàn)示范裝置、上海石洞口二廠12×104t/a CO2捕集精制工程均是采用MEA法。

本工程初步考慮設(shè)置3 000 t/a的CO2捕集裝置，采用化學(xué)吸收法 (MEA法)脫碳。

3 結(jié)論

大氣污染物的近零排放，煙氣多污染物治理不僅要能脫除傳統(tǒng)污染物SO2，NOx、粉塵，而且要脫除PM2.5超細(xì)粉塵、重金屬等。岳州電廠燃用低硫份、中灰分、低汞含量的內(nèi)蒙古來煤，采用高頻電源＋旋轉(zhuǎn)電極、單塔雙循環(huán)濕式石灰石—石膏脫硫、爐內(nèi)低NOx燃燒＋全負(fù)荷 SCR脫硝裝置、濕式電除塵器相結(jié)合的一體化煙氣污染治理設(shè)備，協(xié)同脫除SO2，NOx、粉塵、汞、捕集PM2.5細(xì)微顆粒，排放濃度均低于燃機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)。機(jī)組同時(shí)設(shè)置3 000 t/a的CO2捕集裝置，實(shí)現(xiàn)了大氣污染物的近零排放。

〔1〕中華人民共和國(guó)環(huán)境保護(hù)部.GB13223-2011火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)〔S〕.北京:中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2011.

〔2〕湖南省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院.華能湖南岳州電廠近零排放專題研究總報(bào)告 〔R〕.2014.

〔3〕何紅兒，酈建國(guó)，孫真真.旋轉(zhuǎn)電極式電除塵器在大型火電機(jī)組上的應(yīng)用 〔J〕.電力科技與環(huán)保，2012，28(3):29-31.〔4〕郭彥鵬，潘丹萍，楊林軍.濕法煙氣脫硫中石膏雨的形成及其控制措施〔J〕.中國(guó)電力2014，47(3):152-154.

〔5〕李俊華，陳亮奇，王馳中，等.燃煤電廠NOx和Hg排放控制關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展方向 〔C〕//中國(guó)環(huán)境科學(xué)學(xué)會(huì).第十五屆二氧化硫、氮氧化物、汞、細(xì)顆粒物污染控制技術(shù)國(guó)際研討會(huì)論文集2011:5-11.

TM933.4

B

1008-0198(2014)06-0047-04

戴鐵華 (1968)，男，漢族，工學(xué)學(xué)士，高級(jí)工程師，長(zhǎng)期從事電廠環(huán)境工程與水處理設(shè)計(jì)工作。

10.3969/j.issn.1008-0198.2014.06.014

2014-06-10 改回日期:2014-11-18