燃煤電廠超低排放的技術(shù)探究

徐亞平，王 鵬，徐 達

（浙江環(huán)境監(jiān)測工程有限公司，杭州 310012）

眾所周知，我國是一個多煤少油的國家，煤炭資源是我國能源的重要組成部分。近年來，發(fā)電裝機容量中60%是煤電，發(fā)電量中約70%是煤電。一方面，按照目前的技術(shù)成熟度和成本優(yōu)勢來看，煤電是我國最穩(wěn)定的配套電源，我國煤電規(guī)模巨大，年均發(fā)電量在40 000億kW·h左右。最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，2017年，煤電發(fā)電量約為42 000億kW·h，在發(fā)電量中約占66.7%，雖然比2016年發(fā)電量占比67.5%略有回落，但煤電亦向高效清潔利用轉(zhuǎn)型，其他任何能源在今后相當長時間內(nèi)還不可能完全取代煤電在電源結(jié)構(gòu)中的核心地位。

在化工、電力、焦化和冶煉等行業(yè)，工業(yè)鍋爐均以燒煤為主。燃煤電廠鍋爐以及各種工業(yè)窯爐排放的煙氣尾氣中含有SO2、氮氧化物等有害成分，它們是破壞生態(tài)環(huán)境、造成酸雨和霧霾的罪魁禍首，嚴重影響我國經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展和人類的生存與健康。《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011）指出，重點地區(qū)煙塵排放濃度不超過20 mg/Nm3、二氧化硫排放濃度不超過50 mg/Nm3、氮氧化物排放濃度不超過100 mg/Nm3。國家發(fā)改委、原環(huán)境保護部和國家能源局在2014年9月下發(fā)了《煤炭節(jié)能減排升級與改造計劃（2016-2020年）》，文件要求達到2020年，現(xiàn)役60 kW及以上燃煤機組、東部地區(qū)30 kW及以上公用燃煤發(fā)電機組、10 kW及以上自備燃煤發(fā)電機組及其他有條件的燃煤發(fā)電機組，改造后大氣污染物排放濃度可達到或接近燃氣輪機組排放限值，煙塵排放濃度不超過10 mg/Nm3、二氧化硫排放濃度不超過35 mg/Nm3、氮氧化物排放濃度不超過50 mg/Nm3。

1 實施超低排放會產(chǎn)生的環(huán)境效益

目前，燃煤電廠火電行業(yè)超低排放改造工作正在穩(wěn)步推進中。截至2017年底，全國煤電機組已經(jīng)進行超低排放技術(shù)改造的超過1億kW，正在進行技術(shù)改造的超過8 000萬kW。以浙江省為例，至2017年底，全省統(tǒng)調(diào)大型煤電機組65臺已全部完成煤電超低排放改造，累計完成鋼鐵、水泥、玻璃等重點行業(yè)清潔排放改造項目304個，完成重點行業(yè)揮發(fā)性有機物污染治理項目3 000余個。2013年以來，浙江省空氣質(zhì)量穩(wěn)步改善。2017年，全省11個設區(qū)城市的PM2.5平均濃度從2013年的61 μg/m3下降至39 μg/m3，降幅為36.1%；環(huán)境空氣質(zhì)量優(yōu)良天數(shù)比例從2013年的68.4%上升至82.7%，上升14.3%；重污染天氣從2013年的174天次下降至19天次，減少155天次。浙江省委、省政府連續(xù)四年將霧霾治理列為十方面民生實事，杭州市霧霾天數(shù)在大氣治理下呈現(xiàn)顯著下降趨勢。

事實證明，實行超低排放改造的環(huán)境效益是顯而易見的，不僅有效降低了污染物排放總量，還大大改善了環(huán)境質(zhì)量。隨著經(jīng)濟的快速發(fā)展，能源消耗的需求猛漲，為控制火電行業(yè)的污染物排放總量，實施超低排放將是必經(jīng)之路。而隨著技術(shù)水平的提高和升級，超低排放改造的成本也慢慢下降，火電行業(yè)實施超低排放效率卻不斷上升，實現(xiàn)全國燃煤電廠超低排放改造的全覆蓋目標也將指日可待。

2 燃煤電廠超低排放技術(shù)

2.1 除塵系統(tǒng)技術(shù)

2.1.1 低低溫電除塵技術(shù)

低低溫電除塵技術(shù)是將電除塵器入口煙氣溫度降低至酸露點溫度（一般在85～95℃）以下，在換熱器中將煙氣中的SO3冷凝形成硫酸霧黏附在粉塵上，被堿性物質(zhì)中和，降低了粉塵比電阻和煙氣流速，也避免了反電暈現(xiàn)象，達到有效的除塵效果，同時也去除了大部分的

低低溫電除塵技術(shù)的除塵效率高。經(jīng)研究，低低溫電除塵技術(shù)比低溫電除塵技術(shù)將煙氣下降的溫度和粉塵比電阻更低，將粉塵比電阻降低到最佳除塵效率區(qū)間內(nèi)，從而進一步提高除塵器的除塵效率。采用低低溫電除塵技術(shù)，減低了入口煙氣溫度后，實際煙氣流量明顯減少，從而減輕了引風機和增壓機的負擔，所以改造后電耗費和運行費并沒有增加，反而減少，且在實際使用中操作運行都穩(wěn)定良好。

2.1.2 濕式電除塵技術(shù)

和干式電除塵器相比，濕式電除塵器雖然和干式電除塵器的收塵原理相近，但濕式電除塵器可處理干式電除塵器不能處理的含水高甚至飽和的濕氣體。在粉塵清除方式上，濕式電除塵器替代了干式電除塵器，采用機械振打或聲波清灰方式清灰，采用液體定期沖刷集塵極壁方式來清灰，可有效收集微細顆粒物（PM2.5粉塵、SO3酸霧、氣溶膠）、重金屬（Hg、As、Se、Pb、Cr）、有機污染物（多環(huán)芳烴、二噁英）等。

濕式電除塵技術(shù)具有高除塵效率、操作簡單、耗能低、耐腐蝕、無二次揚塵、低維護費用以及縮短停工期等優(yōu)點，尤其適用在燃煤電廠濕法脫硫之后含塵煙氣的處理上。

2.1.3 高頻電源技術(shù)

高頻電源的脈沖工作原理是把三相工頻電源通過逆變電路將直流電轉(zhuǎn)化成高頻交流電，再升壓整流后經(jīng)整流變壓器形成高頻電流輸送到除塵器。由一系列窄脈沖電流構(gòu)成的供電電流，可以調(diào)整其脈沖幅度、寬度及頻率，提供各種電壓波形輸送給除塵器，因而可根據(jù)電除塵器的實際工況提供最合適的電壓波形，操控很靈活，也節(jié)約電能。

實際的工程安裝案例證明，高頻電源的脈沖工作在純直流電方式下效果顯著，大大提高了荷電性能，進一步提高除塵效率。當前，高頻電源已大規(guī)模地用在超低排放的電除塵器設計中。

2.1.4 增加管束除塵裝置

目前，很多熱電廠采用增加管束除塵裝置來進行超低排放改造。也就是說，利用現(xiàn)有吸收塔除霧器的安裝梁作為離心管束式除塵器的安裝梁，在吸收塔內(nèi)除霧器位置安裝管束式除塵器，經(jīng)過多孔板組的飽和煙氣進入管束式除塵器，通過增速器和分離器使氣流高速旋轉(zhuǎn)，首先將煙氣中的水分離至管束壁面，在壁面形成液膜，隨后煙氣攜帶的粉塵及液滴被分離至管壁并被液膜捕獲吸收；高速旋轉(zhuǎn)的壁面動態(tài)液膜保證同向運動的霧滴接觸后湮滅，不產(chǎn)生二次夾帶；當液膜厚度增大到一定程度時，在重力作用下，液膜沿著管束壁逐漸向下運行，最終從管束脫落，實現(xiàn)粉塵的超凈脫除。這個除塵裝置大大提高了除塵效率，已被廣泛使用。

2.2 脫硫系統(tǒng)改造技術(shù)

2.2.1 濕法脫硫技術(shù)

濕法脫硫技術(shù)是國內(nèi)最成熟的脫硫工藝。其中二級串聯(lián)吸收塔石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)較為成熟，被廣泛應用于燃煤電廠。其主要原理是將廉價的小顆粒石灰石經(jīng)研磨成細粉狀與水混合攪拌制成吸收漿液，作為脫硫吸收劑。在吸收塔內(nèi)，將吸收漿液分兩次與鍋爐煙氣混合，漿液中的碳酸鈣和空氣與煙氣中的二氧化硫進行化學反應，最終生成反應物石膏。煙氣脫硫后經(jīng)換熱器加熱升溫后排入煙囪。脫硫石膏漿液和脫硫廢水經(jīng)脫水裝置處理后供電廠綜合利用[2-4]。另外，人們可以通過適當提高液氣比、增加提效板等技術(shù)，對濕法脫硫裝置進行改進，從而提高脫硫效率。

石灰石-石膏濕法脫硫工藝具有高脫硫效率（脫硫效率可達98%）、高回收利用率、成熟的脫硫裝置、穩(wěn)定的運行效率等特點，在世界上廣泛應用。

2.2.2 增效環(huán)噴淋技術(shù)

增效環(huán)是一種加裝在噴淋層下部的裝置，可有效防止煙氣逃逸及減弱塔壁沖刷。噴淋漿液的分布密度周邊比中心位置薄很多，即分布在邊緣的二氧化硫濃度在吸收塔的覆蓋率比中心區(qū)域低很多，造成煙氣容易在這個區(qū)域“逃逸”，且剩余的漿液順著吸收塔壁流下來，不能與煙氣充分接觸，從而影響整個系統(tǒng)的脫硫效率。為此，國內(nèi)很多電廠使用不同結(jié)構(gòu)的增效環(huán)，將煙氣往中心區(qū)域噴淋，改善氣液接觸面的傳質(zhì)效果，有效避免煙氣溜走。同時，重新布置噴嘴的均勻分布，提高覆蓋率，可有限減弱對吸收塔壁的沖刷，從而進一步提高脫硫效率。

2.3 脫氮系統(tǒng)改造技術(shù)

2.3.1 鍋爐低氮燃燒技術(shù)

低氮燃燒器降低氮氧化物濃度的原理主要是通過改變?nèi)紵鲀?nèi)的風煤比例，讓燃燒器內(nèi)部或外部空氣分流，使燃燒器中燃料與空氣的混合過程得以控制，從而有效減少氮氧化物產(chǎn)生。選擇合適的停留時間和溫度，在高燃燒條件下可使氮氧化物最大程度地轉(zhuǎn)化成氮氣，達到脫氮效果。

人們可以采用鍋爐低氮燃燒技術(shù)來實現(xiàn)脫銷提效，該技術(shù)工藝比較簡單，運行速度快，脫氮效率一般。

2.3.2 SCR脫硝裝置增設催化劑技術(shù)

選擇性催化還原的原理是在鍋爐出口處將煙氣平分為兩路，兩路并行的煙氣分別進入垂直布置的SCR反應器里，煙氣通過設有氨系統(tǒng)的催化劑層，在催化劑的作用下，煙氣與液氨蒸發(fā)產(chǎn)生的氨氣充分混合后發(fā)生催化還原反應，達到脫去氮氧化物的效果[5-6]。

SCR的化學反應機理比較復雜，具有技術(shù)成熟、運行可靠、脫除率高等特點，我國近幾年已在燃煤發(fā)電機組中大面積推廣使用SCR脫硝系統(tǒng)。

3 結(jié)語

對燃煤電廠機組實施煙氣超低排放改造，對現(xiàn)有的除塵、脫硝系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)進行提效，采用高效協(xié)同脫除技術(shù)，使機組煙氣的主要污染物（煙塵、氮氧化物、二氧化硫）排放濃度達到天然氣燃氣輪機組的排放標準。實施超低排放，直觀的是減少煙塵、二氧化硫、氮氧化物這三項污染物的排放量，但實際上它同時也解決了污染控制設備可能導致的二次污染，如三氧化硫污染、氨泄漏、重金屬排放等問題。通過實行超低排放改造，燃煤電廠改造成為清潔電廠的可能性大大提高。

超低排放可能與水電高壩和特高壓輸電一起成為中國電力工業(yè)的世界領(lǐng)先技術(shù)。在工程技術(shù)上，我國的火電環(huán)保產(chǎn)業(yè)不斷進行研究和技術(shù)總結(jié)，從而實現(xiàn)超低排放全面化；在施工技術(shù)上，在嚴格的排放標準下超低排放對環(huán)保設施設備維護和運行工況的要求進一步提高，已投放的設備項目總體運行穩(wěn)定；在監(jiān)測技術(shù)方面，我國已自行開發(fā)研究新的測試技術(shù)，利用新的監(jiān)測儀表，完成超低排放的性能監(jiān)測和日常監(jiān)控。隨著“一帶一路”倡議的持續(xù)推進，超低排放作為“中國制造”也加速走向世界，其在未來必將有更好的發(fā)展。