除塵對(duì)燃煤電廠超低排放工藝特性的影響

呂群

（大唐環(huán)境產(chǎn)業(yè)集團(tuán)股份有限公司，北京 100097）

引言

2014年9月12日，國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)、環(huán)境保護(hù)部、國(guó)家能源局三部委聯(lián)合印發(fā)《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014～2020年）》（以下簡(jiǎn)稱“行動(dòng)計(jì)劃”），首次提出“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、50毫克/立方米）”。在對(duì)現(xiàn)役燃煤電廠排放限值的規(guī)定上，“行動(dòng)計(jì)劃”提出“鼓勵(lì)其他地區(qū)現(xiàn)役燃煤發(fā)電機(jī)組實(shí)施大氣污染物排放濃度達(dá)到或接近燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值的環(huán)保改造”?？梢钥闯?，實(shí)際燃煤電廠超低排放限值參照的目標(biāo)值是燃?xì)廨啓C(jī)組的排放限值，對(duì)于燃?xì)廨啓C(jī)組而言，《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223-2011）對(duì)煙塵、二氧化硫、氮氧化物的排放限值規(guī)定是5、35、50毫克/立方米[1]。

在“行動(dòng)計(jì)劃”的推動(dòng)下，2015年我國(guó)的燃煤電廠陸續(xù)開展了超低排放環(huán)保設(shè)施建設(shè)改造，大部分燃煤電廠以10、35、50毫克/立方米為目標(biāo)，部分燃煤電廠以5、35、50毫克/立方米為目標(biāo)。

2015年12 月，環(huán)境保護(hù)部、國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì)印發(fā)《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》，明確超低排放的目標(biāo)為“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、50毫克/立方米”。

2018年，山東、浙江、山西等省地方政府批準(zhǔn)了對(duì)燃煤電廠超低排放實(shí)施5、35、50毫克/立方米的限值。天津市政府批準(zhǔn)的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（DB12/810-2018），規(guī)定從2018年7月1日起，對(duì)新建燃煤電廠煙塵、二氧化硫、氮氧化物的排放限值不高于5、10、30毫克/立方米。這些標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定，使燃煤電廠在超低排放方面面臨新的挑戰(zhàn)。

目前，燃煤電廠的超低排放工藝路線及經(jīng)濟(jì)性對(duì)比研究已相對(duì)較多，但如何以合理的單位造價(jià)對(duì)保證超低排放工藝路線的論證研究相對(duì)較少[2]。從現(xiàn)有實(shí)施的超低排放技術(shù)來看，對(duì)工藝路線、設(shè)備布局、經(jīng)濟(jì)性等方面影響最大的是粉塵超低排放的工藝措施[3]。因此分析論證粉塵超低排放工藝措施對(duì)超低排放整體工藝特性的影響具有重要的意義。

1 燃煤電廠超低排放主要工藝路線與設(shè)備

2015年開始的燃煤電廠超低排放改造，由于不是建立在2014年國(guó)家能源局確定的13個(gè)環(huán)保改造示范項(xiàng)目進(jìn)行充分總結(jié)的基礎(chǔ)上開展的（《關(guān)于下達(dá)2014年煤電機(jī)組環(huán)保改造示范項(xiàng)目的通知》），因此造成燃煤電廠在進(jìn)行超低排放改造時(shí)，不同發(fā)電企業(yè)采用了不同的超低排放工藝路線與措施，甚至個(gè)別企業(yè)還出現(xiàn)了性價(jià)比不高的投資。目前，經(jīng)過實(shí)踐驗(yàn)證及發(fā)展，燃煤電廠超低排放工藝路線已日趨成熟。主要工藝路線如表1所示[4]。

在表1的工藝路線中，低氮燃燒改造、SCR脫硝改造在燃燒和煙氣系統(tǒng)領(lǐng)域的技術(shù)措施相對(duì)單一，技術(shù)類型并不復(fù)雜。

表1 燃煤電廠超低排放主要工藝路線

脫硫增容改造具體體現(xiàn)在雙塔循環(huán)技術(shù)改造、塔內(nèi)增加噴淋、塔內(nèi)增加提效裝置等技術(shù)措施。在塔內(nèi)增加提效裝置方面，具體有增加托盤、增加管柵、高效除霧器改造等。高效除霧器改造有管式高效除霧器、管柵式高效除霧器、屋脊式高效除霧器、多級(jí)復(fù)合式高效除霧器、高效靜電除霧器等。

除塵器改造具體體現(xiàn)在電除塵改袋除塵、電除塵改電袋除塵、電除塵器高效電源改造、電除塵器增容改造、袋除塵器增容改造、低低溫電除塵器應(yīng)用、電除塵器移動(dòng)電極應(yīng)用、橫置收塵濾槽應(yīng)用等技術(shù)措施。

濕式電除塵器應(yīng)用因陽極結(jié)構(gòu)不同分為板式和管式[5]，其中板式濕電除塵器又因材料的不同分為金屬板式和柔性電極兩種；金屬板式濕電除塵器因極板與煙氣的角度不同，又分為順流式和徑流式濕電除塵器。

MGGH熱回收器（全稱為Mitsubishi Gas-Gas Heater）協(xié)同低低溫電除塵器實(shí)現(xiàn)高效率除塵的同時(shí)，可有效消除和緩解脫硫后的低煙溫、濕煙筒產(chǎn)生的有色煙羽。MGGH熱回收器的類別不考慮換熱元件結(jié)構(gòu)類型，主要是在使用材料方面進(jìn)行劃分。目前，MGGH熱回收器在降溫段通常采用金屬材料，在升溫段通常采用PTFE或PFA氟塑料。

從以上工藝路線與設(shè)備類型可以看出，涉及粉塵超低排放的設(shè)備包括MGGH熱回收器（包含低溫省煤器）、脫硫前除塵器、脫硫后除塵器、脫硫除霧器，這些技術(shù)與裝備的性能，直接影響著工藝路線的類型及經(jīng)濟(jì)性。因此粉塵超低排放技術(shù)與措施在整個(gè)超低排放工藝路線中占有較大的比重。

2 燃煤電廠超低排放改造典型案例

2.1 國(guó)內(nèi)某電廠600MW機(jī)組環(huán)保改造

該項(xiàng)目是2014年國(guó)家能源局確定的13個(gè)環(huán)保改造示范項(xiàng)目之一，因而實(shí)施了高起點(diǎn)、高標(biāo)準(zhǔn)的策劃目標(biāo)。該項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)超低排放共完成了3個(gè)階段的改造，第一階段是SCR煙氣脫硝改造；第二階段主要是電除塵器電源改造、濕電除塵器改造、脫硫增容改造，以及引風(fēng)機(jī)改造；第三階段是MGGH改造。改造后該機(jī)組形成了工藝路線3到工藝路線5的超低排放改造模式。

該機(jī)組鍋爐選用HG-1890/25.4-YM4型直流鍋爐，鍋爐內(nèi)采用高效低NOx軸向旋流燃燒器，爐后煙氣脫硝采用選擇性催化還原（SCR）煙氣脫硝技術(shù)，SCR布置3層催化劑，設(shè)計(jì)要求一層催化劑的脫硝效率不小于50%，二層催化脫硝效率不小于75%。

鍋爐原配套2F456-5型電除塵器，比集塵面積105.56m2/m3/s，陰極線型RSB/RSB-1/螺旋線，除塵器設(shè)計(jì)效率≥99.82%，改造前電除塵器出口實(shí)測(cè)粉塵排放濃度為65mg/Nm3，脫硫塔出口粉塵排放30mg/Nm3。改造方案對(duì)電除塵器的本體進(jìn)行了缺陷消除處理，將原第1、2、3、4電場(chǎng)的工頻電源改為高頻電源供電，第5電場(chǎng)改為脈沖電源。改造后電除塵器出口的粉塵濃度＜40mg/Nm3。

機(jī)組石灰石/石膏濕式脫硫增容改造是在原有吸收塔基礎(chǔ)上進(jìn)行抬高增容，塔內(nèi)漿池部分增加2米，噴淋區(qū)域增加4.4米，新增1層噴淋，原平板除霧器改為2層屋脊+1層管式，脫硫塔增容改造除提高脫硫效率外，需確保脫硫塔出口粉塵排放濃度≤27mg/Nm3。

機(jī)組濕電除塵器采用立式管式濕電除塵器，濕式電除塵器設(shè)計(jì)要求在入口粉塵濃度≤27mg/Nm3時(shí)，出口粉塵濃度≤2.7mg/Nm3，保證除塵效率≥90%。

機(jī)組完成上述改造后，實(shí)測(cè)粉塵排放＜2mg/Nm3；SO2排放＜18mg/Nm3；NOx排放＜27mg/Nm3，滿足了5、35、50mg/Nm3的排放限值要求。此后為消除“石膏雨”及有色煙羽，機(jī)組又進(jìn)行了第三階段的MGGH改造。MGGH改造采用管式熱媒水煙氣換熱技術(shù)，在設(shè)計(jì)工況下，煙氣冷卻器出口煙氣溫度可調(diào)節(jié)到90℃，煙氣加熱器出口煙氣溫度由50℃加熱到80℃。

機(jī)組在原有脫硝、脫硫、除塵設(shè)施的基礎(chǔ)上，投資為1.4億元（不包括新增MGGH改造的費(fèi)用），環(huán)保改造每千瓦233元。MGGH改造后的靜態(tài)總投資為1.7億元，環(huán)保改造每千瓦造價(jià)300元。

該案例的主要特點(diǎn)是，在脫硫前電除塵器排放＜40mg/Nm3的條件下，通過立式管式濕電除塵器穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)了總粉塵排放＜2mg/Nm3，另外，不同階段的改造，為不同工藝路線經(jīng)濟(jì)性分析提供了較好的參考。

2.2 國(guó)內(nèi)某電廠2×320MW機(jī)組超低排放改造

該電廠的2臺(tái)機(jī)組分別于1986年1月和10月建成投產(chǎn)，最初為2×300MW發(fā)電機(jī)組，配套SG-1000/170-M305型亞臨界中間再熱直流鍋爐，2001年進(jìn)行鍋爐擴(kuò)容改造，擴(kuò)容技改后為SG-1025/16.96-M858型亞臨界壓力控制循環(huán)鍋爐，機(jī)組提高到320MW。該機(jī)組投產(chǎn)較早，機(jī)組實(shí)現(xiàn)超低排放主要經(jīng)過三個(gè)階段改造，第一階段是煙氣脫硫改造，第二階段是SCR煙氣脫硝改造，第三階段是除塵器改造、脫硫增容改造和超低排放改造。改造后，機(jī)組形成了工藝路線1的超低排放改造模式。

在超低排放改造中，對(duì)原有選擇性催化還原（SCR）煙氣脫硝備用層新增板式催化劑，催化劑用量約305m3，同時(shí)對(duì)噴氨系統(tǒng)、煙氣流場(chǎng)、吹灰器位置等全部進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整。

該項(xiàng)目原配套的DC24·245m2雙室四電場(chǎng)電除塵器，比集塵面積65m2/m3/s，陰極線型RS/螺旋線，設(shè)計(jì)除塵效率99%。2010年2#除塵器完成了電袋除塵器改造，改造后除塵器入口粉塵濃度為34g/Nm3時(shí)，除塵器出口濃度為28mg/Nm3，除塵效率達(dá)99.92%。2013年1#機(jī)組電除塵器進(jìn)行提效改造，改造后陰極線型RS/RSB型，第1、2電場(chǎng)工頻電源改為高頻電源，新增煙氣雙重調(diào)質(zhì)系統(tǒng)，改造后1#除塵器出口粉塵濃度在40～80mg/Nm3間波動(dòng)。在超低排放改造中，2#電袋除塵器取消旁路煙道，濾袋更換為50%PTFE（纖維）+50%PPS（纖維），面層20%P84纖維+PTFE（基布），改造后實(shí)測(cè)出口粉塵濃度＜20mg/Nm3，脫硫塔出口粉塵濃度為3.5mg/Nm3。1#電除塵器超低排放改造是第3、4電場(chǎng)工頻電源改為高頻電源，第1、2電場(chǎng)原有高頻電源進(jìn)行檢修，另外在第1電場(chǎng)前后以及2、3、4電場(chǎng)末端加裝橫置收塵濾槽，改造后實(shí)測(cè)出口粉塵濃度＜25mg/Nm3，脫硫塔出口粉塵濃度為7.5mg/Nm3。

機(jī)組石灰石/石膏濕式脫硫增容改造方案是將原塔加高9.2m，拆除第一層噴淋層，增加塔內(nèi)煙氣均布裝置，新增兩層噴淋層，采用高效雙頭噴嘴，改造噴嘴數(shù)量由原246枚增加至420枚，每個(gè)噴嘴體積流量為883L/min，以提高噴淋覆蓋率及脫硫效率。1#機(jī)組將原兩級(jí)平板式除霧器全部拆除，更換為三級(jí)屋脊式除霧器。

1#機(jī)組超低排放改造完成后，實(shí)測(cè)煙氣總排放口煙塵排放濃度為7.5mg/Nm3、SO2排放濃度為25mg/Nm3、NOx排放濃度為18mg/Nm3。2#機(jī)組煙氣超低排放改造完成后，實(shí)測(cè)煙氣總排放口煙塵排放濃度為3.5mg/Nm3、SO2排放濃度為13mg/Nm3、NOx排放濃度為40mg/Nm3。兩臺(tái)機(jī)組均滿足超低排放限值要求。

1#機(jī)組在原有脫硝、脫硫、電除塵器設(shè)施的基礎(chǔ)上，總投資6600萬元，超低排放改造每千瓦造價(jià)206元。2#機(jī)組在原有脫硝、脫硫、電袋除塵器設(shè)施的基礎(chǔ)上，總投資4300萬元，超低排放改造每千瓦造價(jià)134元，如考慮2#機(jī)組由電除塵器改為電袋除塵器的首次投資造價(jià)，則超低排放改造每千瓦造價(jià)231元。

該案例的主要特點(diǎn)是兩臺(tái)機(jī)組脫硫前除塵器分別為電袋除塵器和電除塵器，特別對(duì)于電除塵器，在原比集塵面積65m2/m3/s的基礎(chǔ)上，通過改造達(dá)到了總粉塵排放濃度為7.5mg/Nm3，這具有非常大的參考價(jià)值。

3 兩個(gè)典型案例主要工藝特性對(duì)比

對(duì)兩個(gè)典型案例中的工藝路線、技術(shù)措施、實(shí)測(cè)結(jié)果、單位投資造價(jià)進(jìn)行分析對(duì)比，結(jié)果見表2。

有研究認(rèn)為，超低排放改造技術(shù)路線的選取與投資成本間不存在明顯規(guī)律[6]，但表2的結(jié)果證明，現(xiàn)階段保障超低排放限值時(shí)，若追求超低排放總投資造價(jià)最低，粉塵超低排放控制重點(diǎn)應(yīng)放在脫硫前電除塵器、脫硫除霧器的設(shè)計(jì)選型上[7]，而脫硫入口粉塵濃度的高低，對(duì)超低排放總投資造價(jià)影響的規(guī)律并不明顯，這很大程度取決于脫硫前除塵器的型式。另外，案例的主要工藝特性對(duì)比表明，合理規(guī)劃超低排放工藝路線中的粉塵超低排放技術(shù)措施，可節(jié)省單位造價(jià)30元/kW以上的效益。

表2 兩個(gè)典型案例的主要工藝特性對(duì)比

如需穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)粉塵＜2mg/Nm3的超低排放，則粉塵超低排放控制重點(diǎn)應(yīng)放在脫硫前電除塵器、脫硫后濕電除塵器、脫硫除霧器的設(shè)計(jì)選型上，且管式濕電除塵器相對(duì)于板式濕電除塵器更具有優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)語

實(shí)際兩個(gè)案例在測(cè)試時(shí)，脫硝、脫硫方面還保留著一定裕度，因此進(jìn)一步提高超低排放SO2和NOx的控制，首先是對(duì)運(yùn)行費(fèi)用的影響較大。案例同時(shí)表明，對(duì)于燃煤電廠超低排放，目前已具有成熟的技術(shù)和應(yīng)用。

通過總結(jié)燃煤電廠超低排放治理的經(jīng)驗(yàn)，鋼鐵、水泥、有色金屬等領(lǐng)域的超低排放治理，在工藝路線、工藝措施的選擇上，不論是設(shè)備一體化治理技術(shù)，還是裝置性工藝路線治理，對(duì)除塵器、除霧器以及具有一定除塵效果的MGGH方面，都應(yīng)給予足夠的重視。