煤電煙氣污染控制技術(shù)與裝備發(fā)展

易 斌，路光杰，劉 媛，王洪亮，彭 溶

(中國環(huán)境保護產(chǎn)業(yè)協(xié)會，北 京 100037)

0 引言

燃煤是大氣污染物產(chǎn)生的主要來源之一，我國是煤炭消費大國，2015年煤炭消費量達39.7億t[1]，其中燃煤電站的消費約占52%。煤電污染物排放以煙氣中的顆粒物、二氧化硫(SO2)和氮氧化物(NOx)為主。過去煤電行業(yè)一直是大氣污染控制的重點行業(yè)，但隨著污染物減排技術(shù)和裝備的發(fā)展應(yīng)用，尤其是超低排放的全面實施，目前已經(jīng)扭轉(zhuǎn)了煤電等于污染的局面。從2005年到2016年，我國電煤消耗量增加約5.5億t，但煙氣污染物排放量卻大幅度下降，SO2、NOx、顆粒物排放量分別下降了86.9%、79.1%和90.3%。

1 煤電煙氣污染控制行業(yè)概況

1.1 市場規(guī)模

煤電消耗了我國50%以上的煤炭，是實施煙氣污染治理最早、規(guī)模最大、要求最高的行業(yè)。據(jù)中國環(huán)境保護產(chǎn)業(yè)協(xié)會不完全統(tǒng)計，從事煤電煙氣脫硫、脫硝、除塵服務(wù)的企業(yè)達上百家，2016年煤電煙氣污染控制市場規(guī)模約490億元，占國內(nèi)燃煤煙氣污染控制市場的70%～80%[2]。

近6年來，煤電煙氣污染控制市場高速增長，除2014年受新建機組下降影響，脫硫脫硝規(guī)模出現(xiàn)下滑以外，煤電煙氣污染控制市場保持平均每年26%的增速(詳見圖1)。

圖1 煤電煙氣污染控制市場規(guī)模

1.2 市場結(jié)構(gòu)

按服務(wù)類別劃分，煤電煙氣污染控制市場以工程建設(shè)為主， 2016年脫硫、脫硝和除塵的新建和改造工程市場規(guī)模約367億元，占比75%。隨著特許經(jīng)營政策的實施和污染第三方治理的推動，特許和運維分別從2012年和2014年開始迅速增長，2016年特許和運維規(guī)模約123億元(見圖2)。

按照專業(yè)領(lǐng)域劃分，煤電煙氣污染控制市場以脫硫為主，2016年脫硫(包括新建、改造、特許、運維)市場約313億元，占比64%；脫硝(包括新建、改造、特許、運維)約95.6億元，占比19%；除塵約82億元，占比17%，如圖3所示。

圖2 煤電污染控制工程、特許經(jīng)營和運維市場規(guī)模

圖3 2016年煤電煙氣污染控制市場比例

1.3 行業(yè)特征

我國煤電煙氣污染控制技術(shù)要求高，污染治理工程建設(shè)和運行系統(tǒng)復(fù)雜，行業(yè)呈現(xiàn)出集中度高、以大型企業(yè)和上市企業(yè)為主的特點。

根據(jù)中電聯(lián)2016年的產(chǎn)業(yè)登記數(shù)據(jù)，以脫硫為例(見圖4)，2016年底累計投運的火電廠煙氣脫硫工程機組容量前11位的公司的業(yè)績之和基本占據(jù)了所有累計投運容量[3]。圖中：1-北京國電龍源環(huán)保；2-北京博奇電力；3-國家電投集團遠達；4-福建龍凈環(huán)保；5-武漢凱迪電力環(huán)保；6-中國華電科工集團；7-浙江天地環(huán)保科技；8-大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團；9-北京清新環(huán)境技術(shù)；10-浙江藍天求是環(huán)保；11-江蘇新世紀江南；12-中鋼集團天澄環(huán)保;13-江蘇科行環(huán)保科技；14-上海電氣電站環(huán)保；15-山東泰開環(huán)保科技；16-北京國能中電節(jié)能環(huán)保。這前11家公司里，有6家是電力集團的下屬公司，3家是上市公司，國有大型企業(yè)和上市公司比例達到82%。

結(jié)合2016年底累計投運的火電廠煙氣脫硝工程機組容量統(tǒng)計可以發(fā)現(xiàn)(見圖5)，脫硫前11位的公司和脫硝前11位的公司中有7家重合，且龍頭公司均開展脫硫、脫硝、除塵、催化劑等系列煙氣污染控制業(yè)務(wù)。圖中：1-北京國電龍源環(huán)保；2-大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團；3-浙江天地環(huán)保科技；4-江蘇科技環(huán)?？萍?；5-西安西熱鍋爐環(huán)保工程；6-上海電氣電站環(huán)保工程；7-浙江藍天求是環(huán)保；8-北京北科歐遠科技；9-武漢凱迪電力環(huán)保；10-山西同煤電力環(huán)?？萍?；11-山東泰開環(huán)?？萍?。

圖4 2016年底累計投運的火電廠煙氣脫硫工程機組容量

圖5 2016年底累計投運的火電廠煙氣脫硝工程機組容量

2 排放標準加嚴驅(qū)動煤電煙氣污染控制技術(shù)與裝備迅速發(fā)展

從2000年到2016年，我國煤電裝機容量從2.4億kW增加到10.54億kW。煤電迅猛發(fā)展，同時環(huán)境問題日益凸顯，迫使國家對《燃煤電廠大氣污染物排放標準》進行了多次修訂，NOx、SO2、煙塵排放標準不斷趨嚴。目前，我國執(zhí)行的GB13223-2011標準規(guī)定的新建機組排放限值全面超過了其他國家和地區(qū)2016年12月之前制定的同類標準，為全世界最嚴標準。

2014年9月三部委發(fā)布《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014-2020年)》，對部分燃煤電廠提出了嚴于排放標準的超低排放要求，即在基準氧含量6%條件下，NOx、SO2、煙塵排放濃度分別不高于50、35、10mg/m3，基本達到燃氣輪機組的排放限值要求。

在環(huán)保高壓下，我國煤電煙氣顆粒物、SO2、NOx控制技術(shù)和裝備取得了卓有成效的進步，在迅速引進、消化吸收的基礎(chǔ)上，結(jié)合中國煤電行業(yè)特征進行了大量創(chuàng)新，開發(fā)了高效電源、電袋復(fù)合除塵器、袋式除塵器、復(fù)合塔脫硫、pH分區(qū)脫硫等完全自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和工藝，形成了支撐全世界最嚴排放要求的煤電煙氣污染控制技術(shù)與裝備系統(tǒng)。所有關(guān)鍵設(shè)備都實現(xiàn)了國產(chǎn)化，整體技術(shù)水平處于國際先進，部分領(lǐng)域達到國際領(lǐng)先。

圖6 煤電煙氣污染物排放標準變化

3 煤電煙氣除塵技術(shù)與裝備主要進展

最初在沒有國家排放標準要求時，火電廠除塵主要采用多管、旋風、文丘里等除塵器；20世紀90年代初，GB13223-91出臺后，電除塵器迅速推廣，逐漸成為主力除塵設(shè)備，當時除塵效率約99%；隨著排放標準進一步提高，到1996年電除塵器已經(jīng)普及。與此同時，能實現(xiàn)除塵效率達到99.7%的布袋除塵設(shè)備實驗成功；2003年，顆粒物排放要求進一步提高，使得燃煤電站電除塵器占比達到95%，布袋及電袋除塵器份額也開始增加，除塵效率達到99.9%；2011年，史上最嚴的顆粒物排放要求出臺后，電除塵器的應(yīng)用有所降低，布袋及電袋復(fù)合除塵器的應(yīng)用不斷增加，占比約30%左右，除塵效率達到99.94%以上。在排放要求不斷嚴格的高壓下，電除塵、布袋除塵和電袋復(fù)合除塵領(lǐng)域的技術(shù)創(chuàng)新和改進層出不窮。

電除塵在引進傳統(tǒng)的技術(shù)基礎(chǔ)上研發(fā)了自主知識產(chǎn)權(quán)的低低溫電除塵、高頻電源、脈沖電源等改進工藝，除塵效率達到99.2%～99.85%，出口顆粒物濃度可實現(xiàn)<20mg/m3，同時還能實現(xiàn)多污染物協(xié)同去除和節(jié)能降耗。為了達到超低排放要求，安裝在常規(guī)除塵和濕法脫硫之后進一步去除微細顆粒物的濕式電除塵技術(shù)也在中國迅速實現(xiàn)了引進、消化、吸收和再創(chuàng)新，出口顆粒物濃度可達10mg/m3甚至5mg/m3以下[4]。

布袋除塵主要在高性能濾料和設(shè)備大型化方面不斷取得突破，成功研制了聚苯硫醚PPS、聚酰亞胺P84、芳綸PI、聚四氟乙烯PTFE等濾料原料，單機最大處理煙氣量超過300萬m3/h，出口煙塵濃度均低于20mg/m3，普遍低于10mg/m3[5]。

電袋復(fù)合除塵是我國完全自主創(chuàng)新研制的高性能除塵設(shè)備，它結(jié)合了電除塵和布袋除塵的優(yōu)點，出口顆粒物排放濃度長期穩(wěn)定小于10mg/m3，甚至達到5mg/m3。我國電袋復(fù)合除塵器在燃煤電廠應(yīng)用總裝機已經(jīng)超過2億kW，總體技術(shù)水平和工程業(yè)績國際領(lǐng)先，榮獲2014年度國家科技進步獎。

4 煤電煙氣脫硫技術(shù)與裝備主要進展

我國1996年提出了煙氣脫硫要求，循環(huán)流化床、海水脫硫、爐內(nèi)噴鈣等多種技術(shù)開始應(yīng)用。2003年以后，要求全面實施煙氣脫硫，脫硫效率高、運行可靠、操作簡單的石灰石-石膏濕法快速發(fā)展、普及，在燃煤電站煙氣脫硫中的應(yīng)用比例達到90%以上，其他應(yīng)用較多的脫硫工藝有海水法、氨法和煙氣循環(huán)流化床法，但每種工藝的應(yīng)用比例都不超過3%。2011年修訂的GB13223-2011要求SO2排放濃度低于50mg/m3，迫使脫硫技術(shù)和運行管理水平進一步提高，各種強化脫硫技術(shù)應(yīng)運而生，脫硫效率提升到98%以上，達到SO2超低排放要求。

我國的石灰石-石膏濕法脫硫以空塔單循環(huán)為主，常規(guī)脫硫效率約95%～98%，但如果按超低排放限值，高硫煤機組要求脫硫塔效率達到99%以上，常規(guī)脫硫塔無法滿足要求。因此，在空塔單循環(huán)技術(shù)基礎(chǔ)上又開發(fā)了沸騰泡沫、旋流鼓泡、湍流管柵、雙托盤等復(fù)合塔技術(shù)，單塔雙循環(huán)、雙塔雙循環(huán)等pH分區(qū)技術(shù)，脫硫除塵一體化技術(shù)等，能實現(xiàn)99.5%以上的脫硫效率，同時還兼有70%以上的協(xié)同除塵作用[6]。

同時，還發(fā)展了海水法、氨法和煙氣循環(huán)流化床法。海水法僅適用于濱海電廠，氨法僅適用于附近有穩(wěn)定氨源且沒有環(huán)境敏感目標的電廠，煙氣循環(huán)流化床僅適用于燃用中低硫煤的中小規(guī)模電廠。但是，這3種工藝應(yīng)用比例比石灰石-石膏濕法脫硫低很多，據(jù)中電聯(lián)統(tǒng)計，截止到2016年底，全國煤電脫硫機組中石灰石-石膏濕法占92.9%，海水法占2.6%，氨法占1.8%，煙氣循環(huán)流化床法占 1.8%，其他脫硫工藝占0.9%[7-9]。

5 煤電NOx控制技術(shù)與裝備主要進展

我國1996年首次提出NOx排放濃度限值，要求新建1000t/h以上的電廠鍋爐采用低氮燃燒器控制NOx排放，但當時絕大多數(shù)NOx排放濃度接近650mg/m3，不需要采取NOx控制措施； 2003年NOx排放標準進一步提高，促使低氮燃燒器，SNCR、SCR煙氣脫硝技術(shù)快速發(fā)展，設(shè)計脫硝效率可分別達到25%～40%、60%～80%；2011年更嚴格的標準出臺，要求NOx排放濃度低于50mg/m3，新型低氮燃燒技術(shù)、脫硝反應(yīng)器優(yōu)化設(shè)計、脫硝催化劑國產(chǎn)化技術(shù)，催化劑再生技術(shù)等一批具有自主知識產(chǎn)權(quán)的高效脫硝技術(shù)產(chǎn)生，最高脫硝效率可達90%以上。NOx控制技術(shù)路線也進一步清晰，常規(guī)燃煤發(fā)電機組(煤粉爐)基本上采用SCR技術(shù)，部分CFB鍋爐及極少數(shù)常規(guī)燃煤發(fā)電機組采用SNCR技術(shù)或者SCR-SNCR技術(shù)。

6 煤電煙氣污染控制技術(shù)與裝備發(fā)展方向

我國的燃煤發(fā)電量居世界第一，燃煤煙氣主要污染物排放標準世界最嚴，促使我國煤電煙氣污染物控制整體技術(shù)達到國際先進水平，部分技術(shù)性能指標達到國際領(lǐng)先。煤電煙氣污染控制技術(shù)與裝備將在低耗、協(xié)同、智能、標準、國際五個方面繼續(xù)優(yōu)化和提升。

降耗主要從提高污染控制設(shè)備效率、降低系統(tǒng)阻力等方面著手，降低能耗、節(jié)約物耗；此外，煙氣中的硫、發(fā)電所產(chǎn)生的粉煤灰、脫硫石膏等也是重要的化工和建材等行業(yè)的原材料，可進一步開發(fā)從中回收硫酸、化肥、有價金屬的技術(shù)工藝，提升資源綜合利用率。

協(xié)同主要考慮煙氣中多種污染物的協(xié)同脫除和煙氣脫硫、脫硝、除塵等各個系統(tǒng)之間的優(yōu)化運行，實現(xiàn)煙氣污染控制系統(tǒng)一體化控制，在保證各種污染物脫除效率的同時，降低運行成本，增加系統(tǒng)的靈活性。

智能是將煤電煙氣污染控制技術(shù)與大數(shù)據(jù)互聯(lián)網(wǎng)充分結(jié)合，將系統(tǒng)設(shè)計、運行參數(shù)、經(jīng)營數(shù)據(jù)、市場政策變化信息充分利用，建立智慧煤電煙氣污染物控制系統(tǒng)，為系統(tǒng)設(shè)計、設(shè)備選型、運行故障排除提供優(yōu)化的解決方案。

標準主要是提升煤電煙氣污染控制設(shè)備的標準化生產(chǎn)和模塊化組裝水平，一方面縮短現(xiàn)場施工周期，減少對主機的影響，另一方面，提升我國煙氣污染控制裝備的國際競爭力。

7 結(jié)語

環(huán)保產(chǎn)業(yè)是典型的政策驅(qū)動型產(chǎn)業(yè)，火電行業(yè)嚴格的排放要求孕育和培養(yǎng)了我國煙氣脫硫脫硝產(chǎn)業(yè)，除塵技術(shù)裝備也在超低排放的嚴格要求下有了進一步的提升，火電煙氣治理技術(shù)裝備達到世界領(lǐng)先水平。

我國幅員遼闊、煤質(zhì)和鍋爐類型等因素差距較大，解決煤電煙氣污染防治問題需要本著因煤制宜、因爐制宜、因地制宜的原則選用系統(tǒng)化的方案，促進煙氣除塵脫硫脫硝技術(shù)多樣化發(fā)展。除了顆粒物、SO2和NOx以外，火電煙氣治理過程中產(chǎn)生的臭氧、氨逃逸、超細粒子等與環(huán)境質(zhì)量密切相關(guān)的污染物也引起了公眾和行業(yè)的廣泛關(guān)注，急需開展相關(guān)領(lǐng)域的科學研究，開發(fā)更為先進的技術(shù)和裝備，進一步提升煤電污染防治產(chǎn)業(yè)能力和水平，實現(xiàn)煤電清潔和綠色發(fā)展。

[1]國家統(tǒng)計局.中國統(tǒng)計年鑒2016[M].北京:中國統(tǒng)計出版社,2016.

[2]中國環(huán)境保護產(chǎn)業(yè)協(xié)會脫硫脫硝委員會.脫硫脫硝行業(yè)2016年技術(shù)發(fā)展概述[J].中國環(huán)保產(chǎn)業(yè),2017(10):5-15.

[3]中國電力企業(yè)聯(lián)合會.中國電力行業(yè)年度發(fā)展報告2017[M].北京:中國市場出版社,2017.

[4]朱法華.火電廠污染防治技術(shù)手冊[M].北京:中國電力出版社,2017.

[5]中國環(huán)境保護產(chǎn)業(yè)協(xié)會袋式除塵委員會.袋式除塵行業(yè)2016年發(fā)展綜述[J].中國環(huán)保產(chǎn)業(yè),2017(6):14-21.

[6]HJ2301-2017,火電廠污染防治可行技術(shù)指南[S].

[7]陳 焱,許月陽,薛建明.燃煤煙氣中SO3成因、影響及其減排對策[J].電力科技與環(huán)保,2011,27(3):35-37.

[8]賈海娟.SCR煙氣脫硝技術(shù)及其在燃煤電廠的應(yīng)用[J].電力科技與環(huán)保,2012,28(6):10-11.

[9]馬雙忱,藏 斌,逯東麗,等.氨法在燃煤電廠煙氣治理中的應(yīng)用[J].電力科技與環(huán)保,2013,29(5):32-35.