火電廠超低排放措施研究

林　偉，趙　斌，武　晟，王子明，賈海娟，?！?/p>

（西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，西安　710075）

火電廠超低排放措施研究

林偉，趙斌，武晟，王子明，賈海娟，海濤

（西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，西安710075）

介紹了低氮燃燒技術(shù)、SCR脫硝等降低NOx排放技術(shù)；單塔雙循環(huán)、托盤塔、串聯(lián)塔等脫硫新工藝；低低溫靜電除塵器、電場加設(shè)高頻電源、濕式靜電除塵器等除塵新技術(shù)，為火電廠實(shí)現(xiàn)超低排放提供系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。

火電廠；超低排放；燃機(jī)標(biāo)準(zhǔn)；脫硫脫硝；濕式靜電除塵器

引言

火電廠以煤炭為原料，煤燃燒會(huì)產(chǎn)生SO2、NOx、煙塵等污染物，降低火電廠大氣污染物排放對于保護(hù)環(huán)境具有重要意義。國家環(huán)境保護(hù)部2011年發(fā)布《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223-2011）［1］，對一般控制區(qū)、重點(diǎn)控制區(qū)的火電廠進(jìn)行了嚴(yán)格的污染控制。國家發(fā)展和改革委員會(huì)、環(huán)境保護(hù)部、國家能源局發(fā)布了文件《關(guān)于印發(fā)＜煤電節(jié)能減排升級與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014-2020年）＞的通知》（發(fā)改能源〔2014〕2093號文件［2］），要求“東部地區(qū)新建燃煤發(fā)電機(jī)組大氣污染物排放濃度基本達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值（即在基準(zhǔn)氧含量6％條件下，煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10、35、50mg/Nm3），中部地區(qū)新建機(jī)組原則上接近或達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值，鼓勵(lì)西部地區(qū)新建機(jī)組接近或達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值”，為使火電廠達(dá)到燃?xì)鈾C(jī)組最新標(biāo)準(zhǔn)的排放限值，火電廠應(yīng)盡量采用環(huán)保燃料，禁止燃燒高硫份、高灰份的煤。對于燃煤電廠，應(yīng)因廠制宜采用成熟適用的環(huán)保改造技術(shù)，除塵可采用低低溫靜電除塵器、電袋除塵器、布袋除塵器等裝置，加裝濕式靜電除塵裝置；脫硫采用石灰石濕法煙氣脫硫技術(shù)，可實(shí)施脫硫裝置增容改造，必要時(shí)采用單塔雙循環(huán)、雙塔雙循環(huán)等更高效率脫硫設(shè)施；脫硝可采用低氮燃燒、高效率SCR（選擇性催化還原法）脫硝裝置等技術(shù)，控制SO2、NOx、煙塵等大氣污染物的排放。本文結(jié)合發(fā)改能源〔2014〕2093號文件要求，對火電廠采取環(huán)保措施滿足燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值進(jìn)行了論述。

1　措施

1.1控制NOx

鍋爐爐膛溫度和過量空氣對NOx的生成影響很大，進(jìn)入爐內(nèi)的過量空氣越多，爐內(nèi)燃燒區(qū)溫度越高，則NOx生成量越大。低氮燃燒是通過改進(jìn)燃燒技術(shù)來降低NOx生成量的一種燃燒方式，可相對減少過量空氣、降低燃燒區(qū)溫度，減少爐內(nèi)NOx生成。目前在國內(nèi)外大型火電廠煤粉鍋爐中普遍采用的是技術(shù)成熟的一種控制NOx裝置。

鍋爐采用高級復(fù)合空氣分級技術(shù)，通過對燃燒系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用兩級分離燃盡風(fēng)。通過特殊設(shè)計(jì)的燃燒器結(jié)構(gòu)以及改變?nèi)紵鞯娘L(fēng)煤比例，以盡可能降低著火氧的濃度，適當(dāng)降低著火區(qū)的溫度，達(dá)到最大限度抑制NOx生成，可致鍋爐出口NOx的排放濃度不大于250mg/m3。

鍋爐采用低氮燃燒技術(shù)后，同步安裝SCR脫硝裝置。SCR脫硝工藝目前屬于成熟的處理工藝，催化劑采用上三層，預(yù)留一層的布置方案，可保證脫硝效率不低于85％，以控制NOx排放濃度不超過37.5mg/m3。

此外，燃煤的揮發(fā)分越高，NOx的產(chǎn)生濃度越低。通過采用較高揮發(fā)分煤，控制NOx產(chǎn)生的濃度在較低水平是可行的。

1.2控制SO2

石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝是目前世界上應(yīng)用最廣泛、技術(shù)最為成熟的脫硫技術(shù)，其工藝原理簡單，用石灰石作脫硫吸收劑，適用于高、中、低含硫量的煤，脫硫效率高和吸收劑利用率高（脫硫效率超過95％，Ca/S為1.03），能夠適應(yīng)大容量機(jī)組的要求，對SO2濃度變化適應(yīng)的范圍廣，可用率高；石灰石資源容易得到且價(jià)廉，副產(chǎn)品石膏具有綜合利用的商業(yè)價(jià)值。近年來，隨著該工藝系統(tǒng)的不斷改進(jìn)和簡化，不但運(yùn)行和維護(hù)更為方便，而且造價(jià)也在進(jìn)一步降低，在國內(nèi)有單機(jī)1000MW機(jī)組的業(yè)績，國外有單機(jī)700MW直至1200MW機(jī)組的業(yè)績。因此，燃煤電廠脫硫采用石灰石-石膏濕法脫硫工藝是合理可行的。

（1）單塔雙循環(huán)技術(shù)

單塔雙回路循環(huán)塔主要用于處理極高含硫量和極高脫硫效率要求的電廠，其特點(diǎn)是石灰石利用效率高，反應(yīng)處于最佳pH值要求，所以效率很高，抗負(fù)荷變化能力強(qiáng)，副產(chǎn)品石膏品位極高，能耗相對較低。雙回路循環(huán)塔的實(shí)質(zhì)是將噴淋空塔中的SO2吸收氧化過程分成兩個(gè)階段，采用兩級吸收氧化串聯(lián)使用，兩級循環(huán)分別設(shè)有獨(dú)立的循環(huán)漿池和噴淋層，根據(jù)不同的控制參數(shù)和功能，每個(gè)循環(huán)階段具有不同的運(yùn)行參數(shù)，兩個(gè)階段各自形成一個(gè)回路循環(huán)。1）第一階段（下環(huán)回路）起預(yù)吸收作用，去除粉塵，HCl和HF，部分去除SO2。第一階段的脫硫效率根據(jù)入口煙氣SO2濃度可控制在30％～90％。2）第二階段（上環(huán)回路）實(shí)現(xiàn)SO2吸收，效率高，石灰石相對過量，可應(yīng)付負(fù)荷的變化，保證脫硫效率。第二階段回路中主要發(fā)生CaCO3吸收SO2的反應(yīng)。石灰石漿液從上環(huán)循環(huán)泵打入吸收塔，吸收SO2后通過塔內(nèi)集液斗又返回吸收段加料罐循環(huán)，吸收段加料罐中的漿液自流進(jìn)入吸收塔下部反應(yīng)漿池，通過下環(huán)循環(huán)泵打入吸收塔對煙氣進(jìn)行預(yù)吸收，再進(jìn)入反應(yīng)漿池循環(huán)。漿液性質(zhì)分開后，可滿足不同的吸收、氧化和結(jié)晶工藝階段對不同漿液性質(zhì)的要求，可更加精細(xì)地控制工藝反應(yīng)過程，使每個(gè)階段的反應(yīng)均處于最佳反應(yīng)條件下。廣州恒運(yùn)熱電廠2×300MW機(jī)組、國電肇慶熱電有限公司2×350MW機(jī)組脫硫改造均采用單塔雙循環(huán)方式，脫硫效率均達(dá)到98.6％。浙能嘉興電廠三期（2×1000MW）工程脫硫采取單塔雙循環(huán)方式，SO2排放濃度低于35mg/Nm3。

雙回路循環(huán)吸收塔流程如圖1，雙回路循環(huán)示意如圖2。

圖1　雙回路循環(huán)吸收塔流程圖

圖2　雙回路循環(huán)示意圖

（2）托盤塔技術(shù)

托盤塔技術(shù)是在噴淋空塔的基礎(chǔ)上，設(shè)置1層或2層塔板，塔板位于吸收塔漿液噴咀下部，塔板上按照一定的開孔率布滿小孔，吸收劑漿液在塔板上形成一定厚度的液層，因此稱塔板為多孔托盤。煙氣從吸收塔底部進(jìn)入，氣液兩相逆相通過托盤上的小孔，煙氣在托盤上被分散成小股氣流（托盤實(shí)際上是布風(fēng)裝置）、均勻分布到整個(gè)吸收塔截面、氣流在液層中鼓泡，流體劇烈湍動(dòng)，形成氣液接觸界面，液體則直接由小孔下落，在此過程中完成SO2的吸收過程。托盤上的液層高度靠煙氣托住。

托盤塔的特點(diǎn)是液氣比較低、吸收塔的脫硫效率高、操作性能好、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、處理能力大，吸收塔內(nèi)部表面及托盤無結(jié)垢和堵塞問題，托盤可同時(shí)用作維修噴咀的平臺。缺點(diǎn)是煙氣阻力較大、抗腐蝕、磨蝕的要求較高。華能太倉電廠二期2×600MW脫硫改造采用托盤塔技術(shù)，脫硫效率達(dá)到98.7％。

托盤塔吸收塔示意見圖3，托盤塔示意見圖4。

圖3　托盤塔吸收塔示意圖

圖4　托盤塔示意圖

（3）串聯(lián)塔

為了達(dá)到高脫硫效率，將2個(gè)吸收塔串聯(lián)起來，通過2級吸收塔的綜合脫硫，最終脫硫效率可達(dá)到98％，甚至超過99％。

嚴(yán)格來講，可將上述的任何同一類型吸收塔進(jìn)行串聯(lián)，也可以將不同類型的吸收塔進(jìn)行串聯(lián)，但在實(shí)際應(yīng)用上，從設(shè)計(jì)、供貨、運(yùn)行、備品備件等方面綜合考慮，大多數(shù)串聯(lián)吸收塔均使用同一類型的吸收塔，而且在工程實(shí)踐中，也常用結(jié)構(gòu)最為簡單的噴淋空塔，但也有一些改造項(xiàng)目會(huì)采取利用原有吸收塔，新建1座其他型式的吸收塔，出現(xiàn)串聯(lián)不同的吸收塔型式的情況。

串聯(lián)雙塔的特點(diǎn)是每一級吸收塔的本體工藝都較成熟，塔型結(jié)構(gòu)較為簡單，脫硫效率要求不是特別高，假設(shè)每一級均只有90％的脫硫效率，2級綜合脫硫效率就可達(dá)到99％，但2級串聯(lián)塔系統(tǒng)復(fù)雜、設(shè)備也增加很多，控制要求很高，占地面積龐大、煙氣阻力高，投資高，且2級吸收塔實(shí)現(xiàn)水平衡相對也較困難。

目前國內(nèi)實(shí)際投運(yùn)的串聯(lián)雙塔業(yè)績僅限于脫硫增容改造項(xiàng)目。為提高原有脫硫裝置的脫硫效率，減少拆遷工作量，縮短改造工期，保留原有吸收塔，新建一個(gè)串聯(lián)吸收塔；新建項(xiàng)目目前沒有投運(yùn)業(yè)績，有個(gè)別電廠處于前期分析論證階段。

1.3控制煙塵

本文僅針對低低溫靜電除塵器、電場加設(shè)高頻電源、濕式靜電除塵器等新技術(shù)進(jìn)行論述。

（1）低低溫靜電除塵器

低低溫?zé)煔馓幚砑夹g(shù)是在鍋爐空預(yù)器后設(shè)置MGGH（熱媒水熱量回收系統(tǒng)），使進(jìn)入除塵器入口的煙氣溫度由原來的130℃～150℃降低至90℃（日本稱為低低溫狀態(tài)）左右，從而提高常規(guī)電除塵的收塵性能。具體工藝流程如圖5。

圖5　低低溫?zé)煔馓幚砑夹g(shù)工藝流程圖

低低溫技術(shù)除塵提效的核心措施是在傳統(tǒng)干式電除塵器之前布置了一級MGGH（熱媒水熱量回收系統(tǒng)），將電除塵器的運(yùn)行溫度降低至低低溫狀態(tài)，對于電除塵器來說，有以下幾方面優(yōu)勢：

1）有效降低煙氣飛灰比電阻，不會(huì)發(fā)生反電暈現(xiàn)象。一般當(dāng)煙氣溫度在130℃～150℃時(shí)，煙塵比電阻值處于較高點(diǎn)，電除塵器易出現(xiàn)低電壓、大電流的“反電暈”現(xiàn)象，造成除塵效率下降。而煙氣溫度在90℃～110℃區(qū)間時(shí)，煙塵比電阻值可以下降1～2個(gè)數(shù)量級，降至1011以下，使得煙塵比電阻處于最適宜電除塵器收塵的比電阻范圍內(nèi)，從而確保電除塵器的高效收塵，杜絕“反電暈”現(xiàn)象發(fā)生。

2）煙氣溫度降低使得煙氣量減小，煙氣通過電場的流速降低，停留時(shí)間增加，相當(dāng)于電除塵器的比集塵面積增加。排煙溫度每降低10℃，煙氣量減少約2.5％～3％。

3）排煙溫度降低可使電場擊穿電壓升高，從而提高電除塵的除塵效率。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式估算，煙溫每降低10℃，電場擊穿電壓上升約3％。

4）對于整個(gè)系統(tǒng)來講，由于電除塵器前煙溫降低至90℃左右，煙氣中的氣態(tài)SO3會(huì)完全冷凝成液態(tài)，從而被電除塵器前大量的粉塵顆粒所吸附，再通過電除塵器對粉塵的收集而被除去，相當(dāng)于SO3的調(diào)質(zhì)作用，可以大大提高電除塵器性能。同時(shí)SO3的去除避免了下游設(shè)備因SO3引起的酸腐蝕問題，節(jié)省了防腐投資及維修工作量和費(fèi)用。對于濕式石灰石-石膏法煙氣脫硫工藝來說，由于進(jìn)入吸收塔的煙氣溫度降至90℃左右，可以大大減少脫硫噴淋水的耗量，并提高脫硫的反應(yīng)效果，進(jìn)一步降低能耗。

此外，環(huán)境保護(hù)部《關(guān)于發(fā)布2014年國家鼓勵(lì)發(fā)展的環(huán)境保護(hù)技術(shù)目錄（工業(yè)煙氣治理領(lǐng)域）的公告》（2014年第71號）明確指出，低低溫電除塵技術(shù)可使除塵器出口煙塵排放濃度低于30mg/m3，除塵效率一般在99.9％以上。

（2）各電場加設(shè)高頻電源

電除塵用高頻高壓整流設(shè)備（簡稱：高頻電源）是相對于目前常規(guī)工頻（50Hz）電源而言，高頻電源的頻率可達(dá)40kHz，相當(dāng)于常規(guī)工頻電源的800倍。高頻電源是高壓供電電源的發(fā)展方向，具備純直流供電及脈沖供電兩種方式，可提供接近純直流到脈動(dòng)幅度很大的各種電壓波形，針對各種特定的工況，提供最合適的電壓波形，從而提高除塵效率，使其成為電除塵器高壓供電的理想電源。

根據(jù)環(huán)境保護(hù)部公告《關(guān)于發(fā)布2014年國家鼓勵(lì)發(fā)展的環(huán)境保護(hù)技術(shù)目錄（工業(yè)煙氣治理領(lǐng)域）的公告》（2014年第71號），采用高頻電源后，粉塵排放可減少10％以上，節(jié)電20％～40％。

（3）濕式靜電除塵器

濕式靜電除塵器（WESP）的部件構(gòu)成及工作原理與干式靜電除塵器（ESP）相近。WESP由電暈線（陰極）、沉淀極（陽極）、絕緣箱和高壓直流供電電源組成。接通高壓直流電源后，在兩極之間形成了非均勻高壓靜電場，在電場的作用下，電暈線周圍產(chǎn)生電暈層，電暈層中的空氣發(fā)生雪崩式電離，從而產(chǎn)生大量的負(fù)離子和少量的陽離子，即電暈放電。

脫硫后煙氣進(jìn)入電場荷電區(qū)，酸霧、煙塵等顆粒被荷電。荷電后的酸霧、煙塵等顆粒靜電凝聚作用加強(qiáng)，料徑增大，荷電量增加，在電場力的作用下迅速抵達(dá)陽極（沉淀極）。大量的酸霧顆粒不斷地被驅(qū)向陽極，同時(shí)迅速釋放電荷，從而達(dá)到酸霧、煙塵等氣溶膠微粒與煙氣分離的目的。

濕式靜電除塵技術(shù)已列入環(huán)境保護(hù)部《2013年國家先進(jìn)污染防治示范技術(shù)名錄》，名錄中明確該技術(shù)適用于濕法脫硫煙氣后處理，將濕法脫硫后的煙氣進(jìn)入電場荷電區(qū)，煙氣中的酸霧和氣溶膠顆粒荷電后在電場力作用下不斷被驅(qū)向陽極后去除。各種有害氣體（SO3、SO2、HCl、HF、NH3等）、微細(xì)粉塵和重金屬等所形成的氣溶膠的去除率達(dá)99％，酸霧去除率達(dá)95％。

根據(jù)國電益陽電廠1#機(jī)組的靜電除霧裝置性能驗(yàn)收實(shí)驗(yàn)報(bào)告，電除塵器煙塵排放濃度為186.9mg/m3，煙囪入口即濕式靜電除塵器出口的煙塵排放濃度為19.3mg/m3?？梢?，在考慮濕法脫硫附帶50％的除塵效率之后，濕式靜電除塵器仍有79.3％的除塵效率。

2　有關(guān)案例

根據(jù)華能銅川照金電廠#2機(jī)組2015年2月5日的《超低排放改造技術(shù)成效報(bào)告》，#2機(jī)組采取“煙冷器+干式靜電除塵器+兩級脫硫噴淋塔+濕式電除塵器”的協(xié)同處理組合，充分確保了該裝置對煙塵、SO2、NOx的高效處理能力。脫硝系統(tǒng)的處理效率為90％，NOx排放濃度為12mg/Nm3；脫硫系統(tǒng)的處理效率為99.8％，SO2排放濃度為15mg/Nm3；除塵系統(tǒng)的處理效率為99.96％，煙塵排放濃度為3.2mg/Nm3。

由此可以看出，環(huán)保排放指標(biāo)要達(dá)到甚至超過煙塵≤10mg/Nm3、SO2≤35mg/Nm3、NOx≤50mg/Nm3標(biāo)準(zhǔn)，目前國內(nèi)燃煤電廠在技術(shù)上是可行的。

3　結(jié)論

為使火電廠大氣污染排放達(dá)到燃機(jī)標(biāo)準(zhǔn)，火電廠首先應(yīng)控制煤質(zhì)，燃燒低硫、低灰煤，其次，根據(jù)實(shí)際情況選擇環(huán)保處理技術(shù)，除塵可采用“低低溫省煤器+靜電除塵器+電場加設(shè)高頻電源”、電袋除塵器、布袋除塵器等裝置，根據(jù)實(shí)際情況加裝濕式靜電除塵裝置；脫硫采用石灰石濕法煙氣脫硫技術(shù)，必要時(shí)采用單塔雙循環(huán)、托盤塔、串聯(lián)塔等更高效率脫硫設(shè)施；脫硝可采用低氮燃燒、高效率SCR（選擇性催化還原法）脫硝裝置等技術(shù)，從而控制SO2、NOx、煙塵等大氣污染物的排放。

［1］環(huán)境保護(hù)部，國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局. GB13223-2011 火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)［S］.北京：中國環(huán)境科學(xué)出版社，2011.

［2］國家發(fā)展和改革委員會(huì)、環(huán)境保護(hù)部、國家能源局.《關(guān)于印發(fā)<煤電節(jié)能減排升級與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014-2020年）>的通知》（發(fā)改能源〔2014〕2093號）［Z］.2014.

Study on Ultra Low Emission Measures in Power Station

LIN Wei，ZHAO Bin，WU Sheng，WANG Zi-ming，JIA Hai-juan，HAI Tao
（Northwest Electric Power Design Institute Limited Company of China Power Engineering Consulting Group Corporation，Xian 710075，China）

The paper introduces the technologies of depressing NOxemission of low nitrogen combustion and SCR denitration；the new technologies of desulphurization of single tower and double circulation，tray tower，columns in series；the new technologies of dust removal of low-low temperature electrostatic precipitator，the increasing high frequency power supply in electric field and wet electrostatic precipitator. The paper provides the systemic designing project for realizing the ultra low emission of power station.

power station；ultra low emission；desulphurization；denitration；removing dust；wet electrostatic precipitator

X701

A

1006-5377（2016）10-0035-05