基于高溫除塵的燃煤電站多污染物協(xié)同控制技術(shù)

王春波， 陳 亮， 任育杰， 胡 健， 司 桐

(1.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003； 2.中節(jié)能工業(yè)節(jié)能有限公司，北京 100082)

基于高溫除塵的燃煤電站多污染物協(xié)同控制技術(shù)

王春波1， 陳 亮1， 任育杰2， 胡 健2， 司 桐1

(1.華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)院，河北 保定 071003； 2.中節(jié)能工業(yè)節(jié)能有限公司，北京 100082)

隨著我國環(huán)保態(tài)勢(shì)的不斷嚴(yán)峻，燃煤電廠的污染排放指標(biāo)不斷提高，電站鍋爐的污染處理措施需要進(jìn)一步升級(jí)。目前，燃煤電站主要采用煙塵、SO2、NOx分開治理的污染物控制方式，應(yīng)對(duì)環(huán)保指標(biāo)提高的主要措施也是進(jìn)行單一的技術(shù)升級(jí)，如增加SCR催化劑層數(shù)、串聯(lián)脫硫塔、采用濕式電除塵等。這種進(jìn)行單一技術(shù)升級(jí)的方式，帶來了污染治理成本升高、治污系統(tǒng)龐大復(fù)雜、系統(tǒng)穩(wěn)定性下降等問題，未來隨著污染排放指標(biāo)的進(jìn)一步提升，燃煤電廠勢(shì)必采用多種污染物協(xié)同控制或一體化控制的新型污染治理方式。介紹了目前已經(jīng)研發(fā)的多種污染物協(xié)同治理方法，分析了其發(fā)展?fàn)顩r和優(yōu)缺點(diǎn)，并提出了一種基于高溫除塵的新型燃煤污染物協(xié)同控制工藝，并就該工藝所涉及的高溫除塵、NOx臭氧氧化結(jié)合堿液吸收和新型噴淋散射吸收技術(shù)等三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)的工作原理、發(fā)展?fàn)顩r及其用于燃煤電站鍋爐污染物控制的可行性、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行了分析。

燃煤； 污染物； 協(xié)同控制； 高溫除塵； 臭氧氧化； 噴淋散射

0 引 言

煤炭是我國主要的一次能源，2015年全國一次能源消費(fèi)中煤炭占比超過64%[1]。煤炭燃燒給我國帶來了嚴(yán)重的環(huán)境污染。以河北省為例，2015年衡水、保定、石家莊等市的空氣質(zhì)量達(dá)標(biāo)天數(shù)不足50%[2]，對(duì)北京地區(qū)大氣PM2.5成分的分析表明，冬季大氣PM2.5中有57%來源于煤炭燃燒[3]?？梢?，控制燃煤污染物的排放，對(duì)于我國的環(huán)境保護(hù)是十分迫切的任務(wù)。

燃煤電站、工業(yè)窯爐是主要的燃煤污染排放源，對(duì)各種形式的燃煤鍋爐、窯爐進(jìn)行煙氣污染物處理，是我國進(jìn)行環(huán)境污染治理的關(guān)鍵工作之一。目前，我國燃煤電站已經(jīng)開展了除塵、脫硫、脫硝等污染治理工作。按照《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃2014-2020年》[4]和《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》[5]的規(guī)劃，到2020年我國所有具備改造條件的燃煤電廠和新建燃煤發(fā)電機(jī)組的污染物排放濃度要達(dá)到超低排放水平(在6%氧含量下，煙塵、SO2、NOx排放濃度低于10、35、50 mg/Nm3)，未來燃煤電站必然面臨著能耗越來越低、環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)越來越嚴(yán)格的問題。

表1 傳統(tǒng)脫硫、脫硝、除塵技術(shù)現(xiàn)狀

目前，燃煤電站采用的除塵技術(shù)主要是靜電除塵，傳統(tǒng)的電除塵器出口煙塵濃度能夠控制在20～30 mg/Nm3[6]，單純依靠傳統(tǒng)電除塵已經(jīng)無法滿足煙塵排放限值低于10 mg/Nm3的嚴(yán)格要求。現(xiàn)有電除塵技術(shù)的一個(gè)問題是對(duì)PM2.5的捕集效率不高，雖然現(xiàn)有電除塵器的除塵效率高達(dá)99%以上，但對(duì)粒徑1 μm左右的粉塵捕集率很低，逃逸的粉塵中90%以上屬于PM2.5[7]。燃煤電廠開展了對(duì)現(xiàn)有電除塵技術(shù)進(jìn)行改造升級(jí)，采用更高效的電除塵技術(shù)，如低溫靜電除塵、電袋復(fù)合除塵、濕式電除塵、旋轉(zhuǎn)電極除塵等[8]，目前這些技術(shù)已經(jīng)比較成熟。

石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)是我國燃煤電站主要采用的脫硫技術(shù)，該技術(shù)的占比超過90%以上。雖然傳統(tǒng)的石灰石-石膏濕法脫硫的效率能達(dá)到95%以上，但傳統(tǒng)脫硫塔已很難達(dá)到硫排放限制小于35 mg/Nm3的要求(以FGD入口6% O2下SO2濃度1 500 mg/Nm3為例，脫硫效率需要達(dá)到97.7%才能使其出口SO2低于35 mg/Nm3)，目前各電廠采取的提高脫硫效率的方法主要是對(duì)脫硫塔進(jìn)行改造，增加噴淋層、進(jìn)行雙塔串聯(lián)、單塔雙循環(huán)、單(雙)托盤塔改造等[8]，改造后的石灰石-石膏法脫硫基本能夠達(dá)到出口SO2濃度低于35 mg/Nm3。

目前SCR脫硝面臨的一個(gè)主要問題是催化劑的中毒與失效，由于SCR脫硝反應(yīng)溫度的要求，SCR催化劑一般需要布置在省煤器和空氣預(yù)熱器之間，這個(gè)位置的溫度在400 ℃左右，煙氣環(huán)境惡劣：高灰塵濃度、高SO2濃度。由于煙塵的磨損、重金屬中毒、SO2的腐蝕等原因，脫硝催化劑的壽命一般僅有3～5年左右[9]，由于催化劑的價(jià)格昂貴，無疑增加了電廠的運(yùn)行成本。一個(gè)可能的提高脫硝催化劑壽命的方式，是對(duì)煙氣進(jìn)行高溫除塵，即在SCR脫硝之前，把煙氣中大部分的飛灰通過高溫除塵器除掉，讓相對(duì)干凈的煙氣流過SCR進(jìn)行脫硝，以減少煙塵對(duì)SCR催化劑的磨損和腐蝕，提高催化劑的壽命和脫硝效率，降低運(yùn)行成本，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。

除了煙塵、SO2和NOx外，《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)GB3095-2012》建議各地方環(huán)保部門對(duì)大氣中汞、砷、鎘、鉻、鉛等重金屬污染物的濃度加以限制，這預(yù)示著未來我國在燃煤電廠煙氣污染物治理中將會(huì)逐步限制各種有害重金屬污染物的排放。然而，目前的燃煤電廠并沒有專門針對(duì)重金屬污染物的脫除設(shè)備，對(duì)煙氣中重金屬的脫除主要依靠已有的脫硫脫硝除塵設(shè)備對(duì)重金屬的附加脫除效果來實(shí)現(xiàn)，測(cè)試表明電除塵和濕法脫硫設(shè)施對(duì)燃煤中汞、砷、鉛、鎘的總體脫除率能達(dá)到90%[10]。許多研究探索了專門針對(duì)重金屬的控制技術(shù)，主要方法是在除塵器之前的煙氣中加入固體吸附劑進(jìn)行重金屬吸附，并通過除塵器將吸附了重金屬元素的吸附劑一同脫除，目前研究較多的重金屬吸附劑包括飛灰、活性碳、鈣基吸附劑和礦物吸附劑等[11]。提高現(xiàn)有污染物控制設(shè)施對(duì)重金屬的脫除效率，通過污染物協(xié)同控制的方式除去煙氣中的有害重金屬，也是應(yīng)重點(diǎn)研究的途徑。

從以上分析可以看到，目前我國燃煤電站應(yīng)對(duì)超凈排放的措施，主要的是進(jìn)行單一的技術(shù)升級(jí)可以預(yù)見。隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、居民對(duì)生活環(huán)境要求的提高，我國將來會(huì)實(shí)行更加嚴(yán)格的環(huán)保措施，不僅煙塵、SO2、NOx的排放要求更嚴(yán)格，其他污染物如重金屬(汞、砷、鎘等)、揮發(fā)性有機(jī)污染物等也將列入排放限制的行列，這種對(duì)每種污染物采用單獨(dú)的一個(gè)或多個(gè)環(huán)保設(shè)備串/并聯(lián)的污染控制方式，將會(huì)使未來燃煤鍋爐后續(xù)的環(huán)保處理設(shè)備越來越多，系統(tǒng)越來越復(fù)雜，運(yùn)行穩(wěn)定性下降，占用場(chǎng)地越來越大，運(yùn)行成本不斷增加，如何進(jìn)行更節(jié)能、高效的燃煤煙氣污染處理，是目前燃煤電站面臨的重要問題。該問題的一個(gè)有應(yīng)用前景的解決方案是采用污染物一體化控制技術(shù)或協(xié)同脫除技術(shù)[12, 13]，即通過一個(gè)裝置或一系列協(xié)同互補(bǔ)的過程，同時(shí)脫除煙氣中的多種污染物[14]。

近年來，研究者提出了多種不同路線的污染物協(xié)同控制技術(shù)。各技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)如表2所示。

表2 污染物協(xié)同控制技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)

活性焦協(xié)同控制技術(shù)利用活性焦很大的內(nèi)表面吸附煙氣中的SO2和Hg并噴入NH3催化NOx分解，其脫硫、脫硝、脫汞效率最高分別能夠達(dá)到98%、80%、99%，并且活性焦還有較高的吸附煙塵的能力，該技術(shù)在日本和德國已有商業(yè)應(yīng)用[15]；電子束輻照法通過高速電子流轟擊煙氣產(chǎn)生自由基·OH、·HO2、O3等，這些自由基與SO2、NO反應(yīng)，并與噴入的NH3反應(yīng)生成硫酸銨和硝酸銨，該技術(shù)最近的實(shí)驗(yàn)研究中脫硫、脫硝效率分別達(dá)到了98%和82%[16]，美國、波蘭等已經(jīng)開展了工業(yè)示范，我國京豐熱電在2000年進(jìn)行過該技術(shù)的示范，在100 MW機(jī)組上達(dá)到90%的脫硫效率和20%的脫硝效率[17]；電催化氧化法將除塵后的煙氣通過一個(gè)阻擋放電區(qū)，將其中的SO2轉(zhuǎn)化為硫酸，NOx轉(zhuǎn)化為硝酸，Hg轉(zhuǎn)化為HgO，然后通過濕式電除塵一并去除，其脫硫脫硝脫汞的效率分別能夠達(dá)到98%、90%、90%，但該技術(shù)電耗較高，目前處于研究示范階段[15]。

以上技術(shù)或者存在固有的缺點(diǎn)，如電子束技術(shù)、電催化氧化技術(shù)的電耗較高，或者存在經(jīng)濟(jì)性問題，如活性焦價(jià)格昂貴，經(jīng)過多年的發(fā)展并沒有廣泛應(yīng)用于燃煤電站鍋爐的污染物治理。鑒于我國燃煤電站進(jìn)行多污染物控制的急迫性，急需一種高效、穩(wěn)定、低能耗的污染物協(xié)同處理技術(shù)，本文基于對(duì)已有的燃煤煙氣污染處理技術(shù)的評(píng)估，提出了一種基于高溫除塵和臭氧氧化結(jié)合堿液吸收技術(shù)的高效污染協(xié)同處理方案，介紹了該方案治理污染的原理和關(guān)鍵技術(shù)，并分析了該方案的可行性。

1 基于高溫除塵的多污染物協(xié)同控制方案

本文提出的基于高溫除塵的多種污染物協(xié)同控制技術(shù)，用于協(xié)同脫除燃煤煙氣中的SO2、NOx和PM2.5，其基本技術(shù)思路如圖1所述。

在該方案中，沿?zé)煔饬鞒谭謩e布置有低氮燃燒器、高溫除塵器、SCR脫硝催化反應(yīng)器、O3發(fā)生器、噴淋散射脫硫塔等治污設(shè)備。其污染治理過程描述如下：

(1)爐內(nèi)采用低氮燃燒方式組織煤粉燃燒，從源頭上減少NOx的產(chǎn)生量；(2)在省煤器之后布置高溫除塵器，除去煙氣中的大部分粉塵；(3)高溫除塵后的煙氣進(jìn)入SCR進(jìn)行初步脫硝；(4)在煙氣進(jìn)入脫硫塔之前，向煙道內(nèi)噴入O3，將煙氣中的NO、Hg0等氧化成能夠溶于水的高價(jià)NOx、Hg2+，為深度脫硝、脫汞做準(zhǔn)備；(5)煙氣進(jìn)入脫硫塔，采用堿液(石灰石漿液或氨水等)進(jìn)行脫硫，在高效脫硫的同時(shí)，洗除煙氣中的微塵，并同時(shí)深度脫除煙氣中的NOx、重金屬等。

圖1 基于高溫除塵的新型燃煤污染物協(xié)同控制系統(tǒng)Fig.1 New multi-pollutant control system based on hot gas filtration

該方案采用高溫除塵工藝，使進(jìn)入SCR的煙氣含塵量大大下降，減輕了煙塵對(duì)SCR催化劑的磨損、堵塞、中毒失活等問題，能夠顯著提高SCR催化劑的壽命和脫硝效率；同時(shí)，由于煙氣進(jìn)行了除塵，SCR催化劑可采用微孔催化劑，無論從經(jīng)濟(jì)性還是技術(shù)性，能效都得到大幅度提高。采用臭氧氧化結(jié)合堿液吸收工藝，在脫硫的同時(shí)深度去除煙氣中殘余的NOx和重金屬Hg等；該方案的脫硫塔采用將傳統(tǒng)噴淋塔和鼓泡塔相結(jié)合的新型噴淋散射吸收塔，在高效脫硫的同時(shí)有效脫除煙氣中的微塵。同時(shí)，該方案采用煙氣的低溫余熱回收利用技術(shù)，回收煙氣余熱，并降低進(jìn)入脫硫塔的煙氣溫度。

該方案中所涉及的關(guān)鍵技術(shù)是高溫除塵、臭氧氧化NOx結(jié)合堿液吸收技術(shù)、噴淋散射高效脫硫協(xié)同PM脫除技術(shù)，下面就這三項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的研究現(xiàn)狀、優(yōu)勢(shì)和存在的問題進(jìn)行介紹，并說明其用于燃煤電站污染物控制的可行性。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 高溫除塵技術(shù)

本方案采用高溫除塵器，布置于省煤器和SCR之間，其長期工作溫度高達(dá)450 ℃左右，能夠耐受煙氣中SO2等酸性性氣體的腐蝕，并且需要較高的除塵效率。自20世紀(jì)80年代開始，在發(fā)展整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IGCC)、增壓流化床聯(lián)合循環(huán)(PFBC-CC)等先進(jìn)發(fā)電系統(tǒng)過程中[18, 19]，美國、日本、歐洲各國廣泛開展了高溫除塵技術(shù)的研究。目前高溫除塵技術(shù)分為很多種類，按除塵原理分為電除塵、離心分離和過濾分離等[20]，主要技術(shù)有高溫旋風(fēng)除塵技術(shù)、顆粒層過濾技術(shù)、多孔材料過濾技術(shù)等。

旋風(fēng)除塵技術(shù)利用旋風(fēng)分離器依靠氣流旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力將固體從氣流中分離出來的除塵方法，該技術(shù)只能脫除較大粒徑的顆粒。刁永發(fā)等[21]的試驗(yàn)結(jié)果表明，400 ℃下旋風(fēng)分離器對(duì)粒徑在10 μm以下的粉塵脫除效率不足80%，因此這種技術(shù)對(duì)于某些含塵量要求較低的中間工業(yè)除塵過程是適用的，例如IGCC的初級(jí)除塵過程[22]，對(duì)于除塵效率要求極高的燃煤電站煙氣除塵并不適用。

顆粒層過濾技術(shù)采用耐高溫固體顆粒組成過濾層，通過慣性碰撞、擴(kuò)散沉積、靜電吸引等過濾機(jī)理對(duì)含塵氣體進(jìn)行過濾，目前該技術(shù)還處于研究試驗(yàn)階段，雖然在400 ℃下其總體除塵效率能達(dá)到99%以上，但對(duì)直徑小于10 μm的細(xì)微塵粒的過濾效率不足98.5%[23]。該技術(shù)被認(rèn)為是未來最有發(fā)展前途的用于IGCC和PFBC高溫除塵的技術(shù)，但在大型化時(shí)還面臨著介質(zhì)均勻移動(dòng)和氣流均勻分布等問題[24]。

過濾式除塵是目前常用的高效率高溫除塵方式，其裝置原理如圖2所示[25]。一般的，將多孔過濾材料制成一端封閉的管狀過濾元件即濾管，含塵煙氣通過濾管的外表面向內(nèi)流動(dòng)，煙塵被過濾下來，附著在濾管的外表面上，過濾后的凈煙氣通過濾管的開口繼續(xù)流動(dòng)。隨著濾管外表面附著的煙塵的不斷加厚，煙氣流過濾管的壓降不斷增加，當(dāng)壓降增加到某個(gè)值的時(shí)候，用一股高壓空氣從濾管的內(nèi)部向外反吹，將其外表的灰層吹落，如此周期循環(huán)。

高溫過濾技術(shù)常用的過濾材料有多孔陶瓷材料、多孔金屬材料等。多孔陶瓷材料具有耐高溫、耐腐蝕、物理和化學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，但陶瓷材料有一些固有的缺點(diǎn)，如延展性、韌性較差，機(jī)械加工性能差，易碎、抗熱震性差，因此陶瓷材料難以承受大的熱負(fù)荷波動(dòng)。陶瓷過濾器的除塵效率能達(dá)到99.9%以上，除塵精度達(dá)到1 μm甚至更細(xì)[26]。IGCC中運(yùn)行時(shí)間最長的陶瓷過濾器是由德國Schumacher公司生產(chǎn)的Dia-Schumalith型SiC濾管，用于荷蘭Bueggenon 250 MW的 IGCC工程，濾管壽命長達(dá)4年以上[25]。目前世界范圍在運(yùn)行的大型高溫除塵裝置，90%采用多孔陶瓷濾材[25]。

為了克服陶瓷材料易碎的缺點(diǎn)，各國開發(fā)了耐高溫多孔金屬過濾材料。金屬過濾材料優(yōu)勢(shì)在于良好的耐高溫性能(高達(dá)1 000 ℃)和優(yōu)良的機(jī)械性能，韌性較大，容易焊接加工。高溫金屬過濾材料包含合金、金屬間化合物等，其中如Fe-Al金屬間化合物和310S不銹鋼材料由于優(yōu)良的耐高溫、耐腐蝕特性在高溫除塵中得到應(yīng)用。國外開發(fā)的耐高溫多孔金屬過濾材料有美國Pall、Mott等公司的FeAl、FeAlCr金屬間化合物及310S、Inconel 600多孔金屬濾材等[27]。國內(nèi)自1990年代開始多孔高溫金屬濾材的研究，安泰科技股份有限公司[28]開展了310 s燒結(jié)金屬絲網(wǎng)、Fe3Al燒結(jié)金屬粉末型過濾材料的開發(fā)，用于整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)中煤氣的凈化工藝，其采用310 s燒結(jié)金屬絲網(wǎng)過濾元件進(jìn)行的中試試驗(yàn)在600 ℃下得到的除塵效率大于99.5%，凈化后的氣體含塵量低于20 mg/Nm3；成都易態(tài)科技有限公司[29]研制的FeAl、TiAl多個(gè)種類Al系金屬間化合物多孔過濾材料(如圖3)高溫除塵裝置，已經(jīng)應(yīng)用于礦熱爐的高溫除塵、有色金屬冶煉中脫砷工藝等，長期工作溫度550 ℃，壽命在3年以上，過濾效率大于99.9%，出口煙氣含塵量可以低于5 mg/Nm3,過濾精度最高達(dá)到0.1 μm[30]，能夠有效控制排煙中的PM2.5。目前世界已經(jīng)運(yùn)行的大型高溫除塵裝置中，約10%采用了多孔金屬過濾管[25]。

圖3 易態(tài)科技有限公司研制的Al系金屬間化合物高溫濾管Fig.3 Al-based intermetallic compound hot gas filter tube from Intermet Technology Chengdu Co., Ltd.

綜上，在幾種高溫除塵技術(shù)中，旋風(fēng)分離器除塵精度較低達(dá)不到燃煤煙氣除塵的要求，顆粒層過濾技術(shù)還不成熟，而陶瓷過濾高溫除塵技術(shù)由于陶瓷材料的抗熱震性差、易碎，可能不適合頻繁升降負(fù)荷的燃煤發(fā)電鍋爐。高溫合金或金屬間化合物過濾材料過濾精度較高、機(jī)械性能較好，并且已經(jīng)在冶金、煤氣化等領(lǐng)域得到規(guī)?；瘧?yīng)用，技術(shù)比較成熟，是較有前景的燃煤電站鍋爐煙氣高溫除塵技術(shù)。

2.2 臭氧氧化結(jié)合堿液吸收脫硝技術(shù)

對(duì)于新建電廠，除了單純?cè)黾哟呋瘎訑?shù)，尋找更低成本的脫硝技術(shù)是目前脫硝面臨的一個(gè)問題。在眾多的脫硝技術(shù)中，一個(gè)可行且成本比SCR脫硝技術(shù)成本低的技術(shù)是將NO氧化成高價(jià)的NOx等，并在脫硫塔中將其與SO2一同脫除，實(shí)現(xiàn)NOx的深度脫除[31, 32]。這一技術(shù)主要包括NO氧化和吸收兩個(gè)步驟。

低價(jià)態(tài)的NO并不能直接被水吸收，若要在濕法脫硫塔中除去NO，需要將其氧化成可溶性的NO2或更高價(jià)態(tài)的NOx，這一步驟可以通過添加強(qiáng)氧化劑的方式完成，根據(jù)氧化方式不同分為液相氧化和氣相氧化法，液相氧化是指用含有強(qiáng)氧化性溶質(zhì)的溶液將NO氧化成高價(jià)態(tài)NOx，主要的氧化物有H2O2、次氯酸鈉、KMnO4溶液等，氣相氧化是指煙氣在進(jìn)入吸收塔之前，將煙氣中NO氧化成可溶性NOx的工藝，該工藝采用的氧化方法有黃磷激發(fā)氧化法、光催化氧化法、電子束法、臭氧氧化法等。

與其他氧化劑相比，臭氧是一種沒有二次污染的清潔強(qiáng)氧化劑，能夠?qū)煔庵泻械腘O、Hg0等氧化成易溶性的NO2、N2O5、Hg2+等，反應(yīng)方程式為

NO+O3→NO2+O2

(1)

2NO2+O3→N2O5+O2

(2)

Hg+O3→HgO+O2

(3)

高價(jià)態(tài)NOx和Hg2+能夠在煙氣的濕法堿液(NH3、CaCO3、NaOH等)脫硫中被一并脫除，并且臭氧對(duì)煙氣中的氯化物、氟化物、VOCs及二噁英等都有一定的去除作用。該技術(shù)最早由美國BOC公司提出，稱為低溫臭氧氧化技術(shù)(LoTOxTM)[15]，其原理如圖4所示，臭氧由臭氧發(fā)生器制取，噴入氧化反應(yīng)器與經(jīng)過除塵后的鍋爐煙氣混合，臭氧將其中的NO、Hg等氧化，然后在吸收塔內(nèi)SO2、NOx、Hg2+同時(shí)被吸收除去。

圖4 低溫臭氧氧化污染物脫除原理Fig.4 Pollution control by low-temperature ozone oxidation

目前LoTOx技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入工業(yè)化應(yīng)用階段，最早在美國Ohio州一臺(tái)25 MW燃煤鍋爐進(jìn)行了工程示范，采用NaOH作為脫硫脫硝劑，脫硝效率大于85%[33]。而且該技術(shù)在我國石化、冶金工業(yè)煙氣脫硫脫硝中得到較多應(yīng)用，如中國石化金陵公司、中國石油四川公司等均采用該技術(shù)進(jìn)行石油裂化裝置的脫硝[34]。因此雖然低溫臭氧氧化NOx結(jié)合堿液吸收同時(shí)脫硫脫硝技術(shù)沒有用于大型燃煤發(fā)電鍋爐，但該技術(shù)已經(jīng)比較成熟。

目前限制該技術(shù)推廣的原因之一是制備臭氧的成本較高。由于O3具有自分解特性，不能存儲(chǔ)，只能邊生產(chǎn)邊使用。一臺(tái)600 MW燃煤鍋爐，按煙氣量180萬Nm3/h、NO濃度降低300 mg/Nm3、投放O3∶NO=1∶1(摩爾比)計(jì)算，則需要864 kg/h的臭氧。目前工業(yè)上常用的臭氧大規(guī)模產(chǎn)生方法是電暈放電法，即以氧氣或空氣通過電暈放電區(qū)產(chǎn)生臭氧，該制備方法的電耗較高。國外掌握大型臭氧發(fā)生器設(shè)計(jì)生產(chǎn)技術(shù)的主要有瑞士Ozonia、德國Wedeco、日本富士、三菱等公司，其技術(shù)代表著臭氧發(fā)生器的世界最高水平，電耗大約10 kW·h/kg O3，單機(jī)臭氧產(chǎn)量最高達(dá)到170 kg/h[35]。我國的臭氧發(fā)生器研制起步較晚，2000年我國研制成功50 kg/h級(jí)大型臭氧發(fā)生器，2012年青島國林公司研發(fā)了120 kg/h級(jí)大型臭氧發(fā)生器，電耗低于8 kW·h/kg O3，達(dá)到國際先進(jìn)水平[36]。按照目前的臭氧發(fā)生器8kW·h/kg電耗計(jì)算，生產(chǎn)864 kg/h臭氧需要的功率達(dá)到6 912 kW，占600 MW發(fā)電機(jī)組總發(fā)電量的1.15%，可見制備臭氧對(duì)電廠來講能耗較高。因此研制大型低能耗臭氧發(fā)生器是低溫臭氧氧化技術(shù)用于大型燃煤發(fā)電鍋爐煙氣脫硝的關(guān)鍵。

目前商用大型臭氧源一般采用放電式臭氧發(fā)生器，其產(chǎn)生臭氧的效率與原料氣體、電源、放電類型、電極形式、電介質(zhì)材料等有密切關(guān)系。產(chǎn)生臭氧的理論能耗大約0.83 kWh/kg，因此目前的臭氧發(fā)生器能量利用率只有10%左右，其余能量全部轉(zhuǎn)化成了熱量。楊春等[37]的分析表明，采用混合氣體作為氣源，開發(fā)介電常數(shù)高、耐高壓的介電體材料，開發(fā)高頻高壓電源，采用混合放電或脈沖放電等措施，能夠降低臭氧產(chǎn)生的電耗，提高臭氧產(chǎn)率。章亞芳等[38]進(jìn)行的成本分析比較表明，采用更低能耗的脈沖放電臭氧發(fā)生技術(shù)，能夠?qū)⑷济弘娬境粞跹趸疦Ox工藝中的臭氧制備能耗降低至電廠總發(fā)電量的0.42%。如果以NH3作為吸收劑，結(jié)合低溫臭氧氧化，煙氣中的NOx和SO2最終生成硝酸銨和硫酸銨混合副產(chǎn)品，可以作為氮肥出售，實(shí)現(xiàn)廢物的資源化利用，能進(jìn)一步降低電廠的脫硫脫硝成本。

2.3 噴淋散射吸收技術(shù)

脫硫塔是一個(gè)高效的污染物一體化脫除設(shè)備，除了脫除SO2外，還兼具脫硝、除微塵、脫汞的效果。

傳統(tǒng)的脫硫塔分為噴淋塔、填料塔、液柱塔、鼓泡塔等幾種形式[39]。噴淋塔是目前燃煤電站鍋爐脫硫工藝的主流塔型，其塔內(nèi)氣液接觸面積大、能夠在較小的液氣比下達(dá)到較高的脫硫效率，煙氣流動(dòng)阻力小，實(shí)際運(yùn)行中其脫硫效率能夠達(dá)到95%以上，但考慮除微塵能力，噴淋塔對(duì)于1 μm左右的微塵的脫除效率不高；填料塔通過在塔內(nèi)布置具有較大表面積的填料以增加氣液接觸面積，該方法在實(shí)際運(yùn)行中存在的填料結(jié)垢、堵塞等問題沒有得到很好的解決，因此長期運(yùn)行穩(wěn)定性較低[40]；液柱塔采用自塔底向上噴射液柱然后自由下落的形式，延長了漿液在煙氣中的停留時(shí)間，廣西來賓電廠、永福電廠采用該脫硫塔型，在實(shí)際運(yùn)行中能夠達(dá)到95%以上的脫硫效率[41]。

鼓泡塔技術(shù)由日本千代田公司開發(fā)并形成CT-121型脫硫技術(shù)[42]，該技術(shù)將煙氣通過插入漿液的噴射管直接通入漿液，形成鼓泡區(qū)(泡沫區(qū))，在鼓泡區(qū)內(nèi)發(fā)生SO2的吸收、氧化等過程，脫硫效率能夠達(dá)到99%以上，該技術(shù)省去了再循環(huán)泵、噴嘴等，將氧化區(qū)和脫硫反應(yīng)區(qū)整合在一起，因此節(jié)省了初期投資。由于鼓泡塔的脫硫效率與噴射管插入液面深度正相關(guān)，達(dá)到較高的脫硫效率需要噴射管插入液面更深處，因此存在煙氣阻力較大、電耗高等問題[43]。鼓泡塔相比于噴淋塔的一個(gè)優(yōu)勢(shì)是具有較好的除微塵效果——對(duì)于1 μm左右的粉塵，噴淋塔的捕集效率在40%左右[44]，而鼓泡塔的捕集效率達(dá)到80%[43]。鼓泡塔能夠除塵的原因在于塔內(nèi)存在一個(gè)較厚的泡沫層，泡沫層中存在強(qiáng)烈的氣液接觸過程，具有類似水膜除塵的效果，這對(duì)于細(xì)微粉塵有很高的脫除效率。鼓泡塔脫硫技術(shù)首次在我國廣東臺(tái)山電廠超臨界600 MW機(jī)組上得到成功應(yīng)用[45]，實(shí)際脫硫效率高于96%，出口微塵下降到2 mg/m3以下[40]。

在目前超凈排放的要求下，煙塵排放要求十分嚴(yán)格，噴淋技術(shù)在控制PM方面的效果有限，鼓泡塔的除塵優(yōu)勢(shì)得到重視。為克服鼓泡塔阻力大、易結(jié)垢堵塞的缺點(diǎn)，又能保留其優(yōu)異的除塵效果，北京天壕環(huán)?？萍脊緦娏芎凸呐菁夹g(shù)結(jié)合在一起，形成新型的噴淋散射塔技術(shù)[46]，其原理如圖5所示。

圖5 噴淋散射技術(shù)原理 Fig.5 Spray-and-scattered-bubble reactor

噴淋散射塔內(nèi)設(shè)置上下兩個(gè)隔板，將塔體分為上、中、下、三個(gè)腔室，上腔室布置有除霧器，中腔室頂部布置漿液噴淋裝置，下腔式布置散射器，散射器底部出氣口伸入漿液中，下腔式底部容納吸收漿液，中腔室中間的煙氣上升通道連接上下腔室。煙氣從中腔室側(cè)壁開口進(jìn)入，先經(jīng)過中腔室的漿液噴淋，然后向下經(jīng)過散射管的鼓泡，由于鼓泡的原因漿液池表面會(huì)形成較厚的泡沫層，鼓泡后的煙氣通過泡沫層，再穿過煙氣上升通道至上腔室，經(jīng)過除霧后向上排出塔外。

噴淋散射塔中的煙氣先后經(jīng)過噴淋、水浴、泡沫層三次氣液摻混過程，具有比同等條件下噴淋塔和鼓泡塔更充分的氣液接觸，脫硫、除塵效率得以提高。圖6(a)和(b)分別表示了噴淋塔中液氣比對(duì)其脫硫效率的影響[47]，和鼓泡塔中噴射器插入深度對(duì)其脫硫效率的影響[48]。由圖6(a)可以看到，噴淋塔中脫硫效率隨液氣比的增加先快速上升后緩慢上升，在液氣比大于某個(gè)數(shù)值以后，再增加循環(huán)液體流量，脫硫效率的變化很小；由圖6(b)可以看到鼓泡塔的脫硫效率與噴射器插入深度之間也存在先快速增加后緩慢增加的趨勢(shì)。噴淋散射技術(shù)把圖6中噴淋塔和鼓泡塔脫硫效率曲線的快速上升段結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了在小液氣比和噴射管插入深度較淺的條件下達(dá)到較高的脫硫效率。小液氣比和較淺的噴射管插入深度降低了脫硫塔的液體循環(huán)量和煙氣阻力，從而降低了脫硫系統(tǒng)循環(huán)泵和煙氣系統(tǒng)風(fēng)機(jī)的電耗。

圖6 噴淋塔和鼓泡塔中脫硫效率的變化趨勢(shì)Fig.6 Desulphurization efficiency in spray tower and bubble tower

由于噴淋裝置對(duì)噴射管的連續(xù)沖洗，解決了一般鼓泡塔中存在的噴射管入口結(jié)垢堵塞問題，同時(shí)由于噴射器插入漿液深度比同等脫硫效率下的鼓泡塔淺，也減小了氣體的流動(dòng)阻力?？梢?，噴淋散射塔技術(shù)，結(jié)合了噴淋塔和鼓泡塔在脫硫方面的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)保留了鼓泡塔高效除微塵的特點(diǎn)，解決了鼓泡塔易堵塞的難題，具有更高的節(jié)能和環(huán)保優(yōu)勢(shì)。目前該技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在某75 t/h循環(huán)流化床鍋爐的脫硫除塵上，塔出口實(shí)現(xiàn)了排放煙塵低于12 mg/Nm3、SO2低于20 mg/Nm3[49]。

綜上所述，本方案所采用的高溫除塵、NOx臭氧氧化結(jié)合堿液吸收技術(shù)、噴淋散射高效脫硫技術(shù)，雖然并未在大規(guī)模燃煤發(fā)電鍋爐上應(yīng)用，但已經(jīng)在小型燃煤鍋爐、石化、冶金煙氣治理等領(lǐng)域得到了較多的應(yīng)用，技術(shù)成熟可靠。采用高溫除塵技術(shù)，一方面改善了SCR反應(yīng)器的工作環(huán)境，延長催化劑的使用壽命，另一方面與噴淋散射技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)煙塵的兩級(jí)控制和深度脫除；采用低NOx燃燒、SCR脫硝、臭氧氧化NOx結(jié)合堿液吸收三級(jí)NOx控制，達(dá)到NOx的深度脫除；采用噴淋與鼓泡相結(jié)合的噴淋散射高效脫硫塔技術(shù)，實(shí)現(xiàn)SO2的兩級(jí)控制、高效脫除。同時(shí)，該方案由于采用臭氧氧化工藝，能夠同時(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)Hg、VOCs等其他污染物的協(xié)同脫除。

2.4 污染治理設(shè)備的協(xié)調(diào)與優(yōu)化

對(duì)燃煤電廠而言，治理污染需要投入巨額的設(shè)備建設(shè)和運(yùn)行費(fèi)用，但這些投入并沒有任何的經(jīng)濟(jì)產(chǎn)出，因此如何采用更低的成本達(dá)到更高的污染治理效果，即提高污染治理的能效，是每個(gè)電廠在污染治理中面臨的重要問題。對(duì)于本文提出的基于高溫除塵的燃煤污染物協(xié)同控制方案，同樣面臨著如何用更少的運(yùn)行成本達(dá)到規(guī)定的污染排放指標(biāo)的問題。如上所述，本文的方案包含三級(jí)NOx控制、兩級(jí)SO2控制、兩級(jí)煙塵控制，沿著煙氣流動(dòng)方向污染控制設(shè)施和污染物的濃度變化如圖7所示。

圖7 沿?zé)煔饬鞒涛廴究刂撇襟EFig.7 Pollution control process with flue gas flow

以NOx控制為例，本方案采用了三級(jí)NOx控制：低氮燃燒、SCR脫硝和臭氧氧化NOx結(jié)合堿液吸收技術(shù)，每步NOx控制都需要投入一定的成本。低氮燃燒技術(shù)從本質(zhì)上與強(qiáng)化爐內(nèi)燃燒相矛盾，因此采用低氮燃燒技術(shù)的鍋爐普遍存在著燃燒器結(jié)焦加重、鍋爐燃燒效率下降等問題，更低的爐內(nèi)NOx產(chǎn)量往往伴隨著更高的飛灰可燃物含量，這意味著同等鍋爐出力條件下，采用低氮燃燒技術(shù)需要付出更高的燃煤成本；同樣的，SCR脫硝需要以消耗NH3為成本，臭氧氧化NOx工藝中為制備O3需要消耗較大的電量。因此，機(jī)組脫硝的總成本是此三級(jí)脫硝成本的總和：

MA=M1X1+M2X2+M3X3

(4)

式中：MA是三級(jí)脫硝脫除單位質(zhì)量NOx所需的總成本；M1、M2、M3分別是低氮燃燒、SCR脫硝、臭氧氧化NOx結(jié)合堿液吸收工藝脫除單位質(zhì)量NOx的成本；X1、X2、X3分別是三級(jí)脫硝之間脫硝效率的分配比例，X1+X2+X3=1。在三級(jí)脫硝之間要進(jìn)行分配比例的優(yōu)化，以用最少的投入實(shí)現(xiàn)NOx的達(dá)標(biāo)排放；對(duì)于SO2、煙塵等的控制，同樣存在各個(gè)設(shè)備之間要優(yōu)化“協(xié)同”關(guān)系以實(shí)現(xiàn)污染治理的“低成本高效率”的問題。

對(duì)污染治理系統(tǒng)各設(shè)備之間的協(xié)同關(guān)系進(jìn)行優(yōu)化，能夠?qū)崿F(xiàn)電廠的節(jié)能降耗，目前對(duì)此方面的研究還很少。姚明宇[50]等提出從整體的角度對(duì)各環(huán)保設(shè)備的工程設(shè)計(jì)及運(yùn)行進(jìn)行優(yōu)化，可以更經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)單污染物的多設(shè)備協(xié)同脫除；王永政[14]等人通過對(duì)某660 MW機(jī)組污染治理系統(tǒng)采取減小系統(tǒng)流動(dòng)阻力、進(jìn)行DCS集成聯(lián)鎖和智能專家控制等措施，進(jìn)行各設(shè)備運(yùn)行協(xié)同控制的整合，提高了污染治理系統(tǒng)的穩(wěn)定性，降低了運(yùn)行成本。如何對(duì)現(xiàn)有的或?qū)⒁ㄔO(shè)的污染治理系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)同控制的優(yōu)化，需要進(jìn)一步研究。

2.5 經(jīng)濟(jì)性分析

為了分析本文提出的工藝與傳統(tǒng)的超凈排放工藝在經(jīng)濟(jì)性方面的差異，表3和表4分別對(duì)比了傳統(tǒng)工藝和本文工藝的建設(shè)成本和運(yùn)行成本。此處傳統(tǒng)工藝指布袋除塵與濕法電除塵聯(lián)合除塵、石灰石-石膏濕法脫硫和SCR脫硝的組合。表3和表4中的成本數(shù)據(jù)針對(duì)一臺(tái)300 t/h的高壓蒸汽鍋爐。

表3本文工藝與傳統(tǒng)工藝的建設(shè)成本比較

Tab.3 Comparison of construction cost between traditional technology and technololy of this work

建設(shè)成本傳統(tǒng)工藝/萬元本文工藝/萬元對(duì)比/%除塵系統(tǒng)1309826節(jié)約37脫硫系統(tǒng)15001300節(jié)約13SCR系統(tǒng)800590節(jié)約26臭氧系統(tǒng)0750—總成本36093426節(jié)約4

表4本文工藝與傳統(tǒng)工藝的運(yùn)行成本比較

Tab.4 Comparison of operating cost between traditional technology and technololy of this work

運(yùn)行成本傳統(tǒng)工藝/(萬元/年)本文工藝/(萬元/年)對(duì)比/%環(huán)保用電11031008節(jié)約8.6環(huán)保用水4917節(jié)約65催化劑損耗12548節(jié)約62運(yùn)行總成本12781073節(jié)約16

從表3可見，本文工藝所包含的脫硫、除塵和SCR脫硝系統(tǒng)三項(xiàng)的建設(shè)成本均比傳統(tǒng)工藝低，但本文工藝需要臭氧發(fā)生器，并且目前臭氧發(fā)生器的造價(jià)并不低，這是傳統(tǒng)工藝不需要的。本文工藝的總體建設(shè)成本比傳統(tǒng)工藝略低4%左右。

從表4運(yùn)行成本的比較可見，本文由于采用煙氣低溫余熱回收技術(shù)，降低了進(jìn)入脫硫塔的煙氣溫度，從而有效減少脫硫塔出口蒸汽攜帶，脫硫用水減少。

相比于傳統(tǒng)工藝，本文工藝中除塵裝置和脫硫塔的煙氣流動(dòng)阻力均下降，引風(fēng)機(jī)電耗下降；同時(shí)，噴淋散射脫硫塔的漿液循環(huán)流量比傳統(tǒng)脫硫塔低，漿液泵電耗也下降；傳統(tǒng)工藝中采用濕式電除塵器，其電耗較高；但本文工藝由于采用了臭氧發(fā)生系統(tǒng)，而目前制備臭氧的電耗很高。綜合來看，本文工藝的用電成本比傳統(tǒng)工藝預(yù)計(jì)節(jié)約8.6%左右。

SCR脫硝催化劑是消耗品，傳統(tǒng)工藝中催化劑布置在高灰濃度煙氣中，催化劑磨損、中毒速度快，更換周期短；而本文工藝中，將SCR布置在高溫除塵之后，煙塵濃度大幅下降，SCR催化劑壽命延長。因此，本文工藝中催化劑運(yùn)行成本低于傳統(tǒng)工藝。

綜合運(yùn)行用電、用水和催化劑損耗成本，本文工藝比傳統(tǒng)工藝的運(yùn)行總成本預(yù)計(jì)節(jié)約16%左右。綜合建設(shè)成本和運(yùn)行成本，本文工藝比傳統(tǒng)工藝具有更高的經(jīng)濟(jì)性。

3 結(jié) 論

針對(duì)日益嚴(yán)格的環(huán)保趨勢(shì)，尋找能夠協(xié)同脫除多種污染物的技術(shù)，是未來燃煤電廠污染控制的必由之路。為此，本文提出了基于高溫除塵的燃煤污染物協(xié)同控制技術(shù)。該技術(shù)包含高溫除塵、臭氧氧化NOx脫除和噴淋散射塔高效脫硫協(xié)同PM脫除三個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，這些技術(shù)雖然沒有用于大型燃煤電站鍋爐的煙氣污染物治理，但已經(jīng)在小型燃煤鍋爐、石化等領(lǐng)域得到應(yīng)用，技術(shù)成熟，具備用于大型燃煤電站鍋爐的可行性。高溫除塵技術(shù)是提高SCR催化劑壽命的最直接方法；同時(shí)，尋找合適的強(qiáng)氧化劑如O3將NO氧化成易于溶于水的高價(jià)NOx，結(jié)合噴淋散射高效濕法脫硫技術(shù)，協(xié)同深度脫除NOx和PM2.5，將是一條極有應(yīng)用前景的燃煤污染物協(xié)同控制技術(shù)路線。

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Collaborative Multi-pollutant Control Technology Based on Hot Gas Filtration for Coal-fired Power Plant

WANG Chunbo1, CHEN Liang1, REN Yujie2, HU Jian2, SI Tong1

(1. School of Energy Power and Mechanical Engineering, North China Electric Power University, Baoding 071003, China; 2. CECEP Industrial Energy Conservation Co., Ltd., Beijing 100082, China)

With the environmental protection being more imperative in China, the pollutant emission standards for coal-fired power plants have been improved again and again, and more advanced measures should be taken for controlling pollution. At present, the dust, SO2, and NOxin coal-fired flue gases are disposed separately. To meet stricter emission standards, power plants have upgraded some techniques like adding SCR catalyst layers, connecting desulfurization tower in series, using wet electrostatic precipitator, etc. However, all these measures were not effective enough, they have increased the pollution-control cost and led to a more complex pollution-control system with lower stability. With the emission standards being more strict, new methods will be adopted by power plants for cotrolling pollution, like “collaborative multi-pollutant control” or “integrated multi-pollutant control”. This paper reviewed and analyzed the existing collaborative multi-pollutant control methods. And a new multi-pollutant control system based on hot gas filtration was proposed. Three key technologies of this system—hot gas filtration, NOxabsorption by alkali solution with ozone pre-oxidization, and spray-and-scattered-bubble reactor were introduced, including their working principle, development, feasibility and economic performance for pollution control in coal-fired power plant.

coal; pollutant; collaborative control; hot gas filtration; ozone oxidation; spray and scattered bubble

2017-04-10.

國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2016YFB0600701).

10.3969/j.ISSN.1007-2691.2017.06.13

TK16

A

1007-2691(2017)06-0082-11

王春波(1972-)，男，教授，主要研究方向?yàn)闈崈裘喝紵夹g(shù)。