超低排放煤電機(jī)組主要大氣污染物排放分析

曲立濤，于洪海，李 超，何鳳元，杜 佳，齊曉輝，王德鑫，王 健

（華電電力科學(xué)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110180）

顆粒物、SO2、NOx是燃煤電廠排放的主要大氣污染物[1-2]，也是造成環(huán)境空氣質(zhì)量下降的主要污染物[3-4]。為控制燃煤機(jī)組大氣污染物排放水平以改善環(huán)境空氣質(zhì)量，我國(guó)密集出臺(tái)一系列針對(duì)燃煤電廠節(jié)能減排政策。2014年，國(guó)家三部委聯(lián)合發(fā)布了《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃（2014—2020年）》，要求東部地區(qū)新建機(jī)組基本達(dá)到燃機(jī)排放限值，中部地區(qū)原則上接近或達(dá)到燃機(jī)排放限值，鼓勵(lì)西部地區(qū)接近或達(dá)到燃機(jī)排放限值，穩(wěn)步推進(jìn)東部地區(qū)現(xiàn)役燃煤發(fā)電機(jī)組實(shí)施大氣污染物排放濃度基本達(dá)到燃機(jī)排放限值的環(huán)保改造[5]。2015年，為貫徹落實(shí)第114次國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議精神，三部委聯(lián)合發(fā)布《全面實(shí)施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》，明確提出燃煤電廠超低排放工作具體要求[6]。燃煤機(jī)組超低排放改造技術(shù)中，通常采用低（低）溫靜電除塵器、電袋除塵器、布袋除塵器、濕式靜電除塵裝置控制顆粒物；采用脫硫裝置增容改造、單塔雙循環(huán)、雙塔雙循環(huán)等更高效率脫硫設(shè)施實(shí)現(xiàn)SO2超低排放；采用低氮燃燒、高效率選擇性催化還原（SCR）脫硝等技術(shù)實(shí)現(xiàn)NOx超低排放[7-9]。截至2019年底，達(dá)到超低排放限值的煤電機(jī)組約 8.9億kW，約占全國(guó)煤電總裝機(jī)容量86%[10]，顆粒物、SO2、NOx排放量分別為18萬t、89萬t、93萬t，與2013年超低排放改造前142萬t、780萬t、 834萬t相比，分別相應(yīng)降低了87.3%、88.6%、88.8%[11]，可見實(shí)施超低排放帶來的污染物減排效果十分顯著。

為掌握超低排放燃煤機(jī)組環(huán)保設(shè)施實(shí)際運(yùn)行狀態(tài)與大氣污染物排放水平，進(jìn)一步評(píng)估、挖掘減排潛力，對(duì)30家電廠共64臺(tái)已完成超低排放改造并運(yùn)行1年以上機(jī)組的環(huán)保設(shè)施運(yùn)行現(xiàn)狀進(jìn)行對(duì)比，分析了顆粒物、SO2、NOx排放強(qiáng)度水平，研究超低排放條件下燃煤電廠環(huán)保設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)與大氣污染物超標(biāo)原因。為超低排放機(jī)組運(yùn)行調(diào)整提供參考與借鑒，同時(shí)為研究制定下一步污染物排放標(biāo)準(zhǔn)提供數(shù)據(jù)支撐。

1 研究方法與內(nèi)容

本次研究共選擇30家發(fā)電企業(yè)64臺(tái)已實(shí)施 超低排放改造并達(dá)標(biāo)排放的煤電機(jī)組，總裝機(jī)容量18614 MW。機(jī)組主要分布在黑龍江、遼寧、內(nèi)蒙古、天津、河北等省市，機(jī)組概況見表1。其中，顆粒物、SO2、NOx質(zhì)量濃度數(shù)據(jù)來源于總排口煙氣排放連續(xù)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（CEMS）統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，機(jī)組年運(yùn)行時(shí)間、發(fā)電量數(shù)據(jù)來源于各廠生產(chǎn)報(bào)表統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，氨、石灰石耗量來源于年度采購數(shù)據(jù)。為保證數(shù)據(jù)準(zhǔn)確，統(tǒng)計(jì)周期設(shè)定為2020年度。為掌握大氣污染物實(shí)際排放水平，選擇顆粒物、SO2、NOx年均排放質(zhì)量濃度，單位發(fā)電量排放強(qiáng)度，達(dá)標(biāo)排放情況等維度比較各機(jī)組環(huán)保水平。

表1 機(jī)組概況 Tab.1 Unit overview

2 結(jié)果分析與討論

2.1 顆粒物排放質(zhì)量濃度與排放強(qiáng)度

調(diào)查超低排放機(jī)組總排口顆粒物年均排放質(zhì)量濃度以及其分布情況，結(jié)果如圖1、圖2所示。圖1中，橫坐標(biāo)“機(jī)組編號(hào)”為參與調(diào)查的機(jī)組編號(hào)，共64臺(tái)。

由圖1、圖2可知：超低排放機(jī)組總排口顆粒物年均排放質(zhì)量濃度最大值8.3 mg/m3、最小值 1.0 mg/m3，均值2.9 mg/m3，表明調(diào)查機(jī)組顆粒物年均排放質(zhì)量濃度能夠滿足不大于10 mg/m3的超低排放標(biāo)準(zhǔn)要求（圖1中橫線）；顆粒物年均排放質(zhì)量濃度值主要分布在0～5 mg/m3范圍內(nèi)，若以5 mg/m3作為顆粒物排放質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)限值，當(dāng)前調(diào)查機(jī)組中顆粒物年均排放質(zhì)量濃度值不大于5 mg/m3的占89.06%；另外，調(diào)查機(jī)組顆粒物排放質(zhì)量濃度均值僅達(dá)到排放限值的29.00%。上述數(shù)據(jù)均表明顆粒物排放質(zhì)量濃度限值還有一定提升空間。

污染物排放強(qiáng)度是燃煤發(fā)電企業(yè)清潔生產(chǎn)評(píng)價(jià)重要指標(biāo)[12-13]。圖3列出了超低排放機(jī)組單位發(fā)電量顆粒物排放量。由圖3可見，當(dāng)前機(jī)組單位發(fā)電量顆粒物排放量最大值33.30 mg/(kW·h)，最小值4.16 mg/(kW·h)，平均值11.53 mg/(kW·h)。

按機(jī)組容量劃分，200 MW級(jí)及以下、300 MW級(jí)、600 MW級(jí)及以上機(jī)組單位發(fā)電量顆粒物排放量均值分別為11.38、10.05、15.95 mg/(kW·h)?？梢?，各容量等級(jí)機(jī)組間顆粒物實(shí)際排放強(qiáng)度相差不大。其主要原因在于：1）各等級(jí)機(jī)組超低排放技術(shù)裝備水平一致；2）機(jī)組整體負(fù)荷率較低，導(dǎo)致大容量機(jī)組的清潔生產(chǎn)水平未完全體現(xiàn)。另外，顆粒物排放濃度受除塵器+脫硫裝置協(xié)同去除性能的影響較大，通過運(yùn)行參數(shù)調(diào)整控制總排口顆粒物排放濃度的手段有限。這是因?yàn)轭w粒物采用物理性質(zhì)的高效電、袋除塵設(shè)施脫除，與依靠化學(xué)機(jī)理脫除的SO2和NOx相比，后者更易受到控制參數(shù)（反應(yīng)溫度、接觸時(shí)間、還原劑用量等）的影響[14-15]。

2.2 SO2排放質(zhì)量濃度與排放強(qiáng)度

圖4、圖5分別為SO2年均排放質(zhì)量濃度及其分布。由圖4、圖5可知：參與調(diào)查的超低排放機(jī)組SO2年均排放質(zhì)量濃度最大值28.39 mg/m3、最小值2.91 mg/m3，均值16.81 mg/m3，表明調(diào)查機(jī)組SO2年均排放質(zhì)量濃度能夠滿足不大于35 mg/m3的超低排放標(biāo)準(zhǔn)要求（圖4中橫線）；SO2年均排放質(zhì)量濃度值主要分布在10～25 mg/m3，若以25 mg/m3作為SO2排放質(zhì)量濃度標(biāo)準(zhǔn)限值，當(dāng)前調(diào)查機(jī)組中SO2年均排放質(zhì)量濃度值不大于25 mg/m3的占87.50%；另外，調(diào)查機(jī)組SO2排放質(zhì)量濃度均值僅達(dá)到排放限值的48.02%。上述數(shù)據(jù)均表明SO2排放質(zhì)量濃度限值還有一定提升空間。

此外，參與調(diào)查機(jī)組中有27臺(tái)機(jī)組SO2年均排放質(zhì)量濃度小于15 mg/m3，占全部調(diào)查機(jī)組的48.19%，這部分機(jī)組SO2年均排放質(zhì)量濃度遠(yuǎn)低于超低排放限值。脫除SO2依靠化學(xué)反應(yīng)機(jī)理，受煙氣接觸時(shí)間、氣液比、脫除劑耗量影響較大[16-18]。SO2年均排放質(zhì)量濃度控制過低的機(jī)組在節(jié)能降耗方面有一定潛力，在運(yùn)行中應(yīng)根據(jù)SO2排放質(zhì)量濃度及時(shí)調(diào)整設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)及漿液pH、密度等主要工藝參數(shù)，以達(dá)到節(jié)能降耗的目的。

圖6列出了超低排放機(jī)組SO2排放強(qiáng)度。由 圖6可見：調(diào)查機(jī)組單位發(fā)電量SO2排放量最大值112.47 mg/(kW·h)，最小值11.63 mg/(kW·h)，平均值67.26 mg/(kW·h)；按機(jī)組容量劃分，200 MW級(jí)及以下、300 MW級(jí)、600 MW級(jí)及以上機(jī)組單位發(fā)電量SO2排放量均值分別為63.50、69.88、 70.35 mg/(kW·h)，各容量等級(jí)機(jī)組間SO2實(shí)際排放強(qiáng)度相近。

單位發(fā)電量石灰石耗量在一定程度上能夠反映發(fā)電企業(yè)環(huán)保設(shè)施運(yùn)行成本。圖7為單位發(fā)電量石灰石耗量。由圖7可知，調(diào)查機(jī)組單位發(fā)電量石灰石耗量最大值122.93 g/(kW·h)，最小值3.24 g/(kW·h)，平均值21.87 g/(kW·h)。

2.3 NOx排放質(zhì)量濃度與排放強(qiáng)度

圖8、圖9分別為NOx年均排放質(zhì)量濃度及其分布情況。由圖8可以看出，參與調(diào)查的超低排放機(jī)組NOx年均排放質(zhì)量濃度最大值45.56 mg/m3、最小值8.23 mg/m3，均值34.24 mg/m3，表明調(diào)查機(jī)組NOx年均排放質(zhì)量濃度能夠滿足不大于50 mg/m3的超低排放標(biāo)準(zhǔn)要求（圖8中橫線）。

由圖9可以看出，調(diào)查機(jī)組NOx年均排放質(zhì)量濃度值主要分布在30～45 mg/m3，NOx排放質(zhì)量濃度均值達(dá)到排放限值的68.48%。但各機(jī)組彼此之間差距仍然較大。部分機(jī)組為了提高脫硝效率，將出口NOx質(zhì)量濃度控制在較低的排放水平。與顆粒物、SO2不同，SCR脫硝工藝特性決定在現(xiàn)有設(shè)備基礎(chǔ)上控制過低的NOx排放濃度將會(huì)導(dǎo)致噴氨量及氨逃逸量的增大，增加運(yùn)行成本的同時(shí)還會(huì)造成硫酸氫銨生成加劇，進(jìn)而降低催化劑性能并對(duì)下游設(shè)備產(chǎn)生不利影響[19-21]。因此，應(yīng)當(dāng)合理調(diào)整運(yùn)行控制方式、優(yōu)化噴氨系統(tǒng)，在實(shí)際運(yùn)行過程中將出口NOx質(zhì)量濃度控制在80%排放限值或低于排放限值5～10 mg/m3運(yùn)行較為合理[22-23]。

圖10列出了超低排放機(jī)組NOx排放強(qiáng)度。由圖10可見：調(diào)查機(jī)組單位發(fā)電量NOx排放量最大值182.36 mg/(kW·h)，最小值32.90 mg/(kW·h)，平均值136.96 mg/(kW·h)；按機(jī)組容量劃分，200 MW級(jí)及以下、300 MW級(jí)、600 MW級(jí)及以上機(jī)組單位發(fā)電量NOx排放量均值分別為129.56、136.88、157.18 mg/(kW·h)，各容量等級(jí)機(jī)組間NOx實(shí)際排放強(qiáng)度相近。圖11 為單位發(fā)電量氨耗量情況。由圖11可知，調(diào)查機(jī)組單位發(fā)電量氨耗量最大值2.9 g/(kW·h)，最小值 0.2 g/(kW·h)，平均值0.8 g/(kW·h)。其中，單位發(fā)電量氨耗量最大值為平均值3.6倍。因此，以該單位發(fā)電量氨耗量最大的機(jī)組為研究對(duì)象，研究分析氨耗量偏高的原因。主要有以下方面：1）反應(yīng)器入口邊界條件偏離設(shè)計(jì)值，入口NOx質(zhì)量濃度超設(shè)計(jì)值49.43%，滿負(fù)荷工況入口煙氣溫度偏高（410 ℃）；2）反應(yīng)器出口NOx質(zhì)量濃度分布不均勻，A側(cè)NOx質(zhì)量濃度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差65.7%，B側(cè)NOx質(zhì)量濃度相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差92.3%；3）燃煤砷含量高造成催化劑砷中毒，以反應(yīng)器A側(cè)為例，其上、中、下3層催化劑As質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為1.8534%、1.0886%、1.7456%。

2.4 污染物超標(biāo)排放情況

圖12a)統(tǒng)計(jì)了調(diào)查機(jī)組2020年度各類污染物累計(jì)超標(biāo)時(shí)間。由圖12a)可知：NOx累計(jì)超標(biāo)時(shí)間最長(zhǎng)，為322 h，NOx達(dá)標(biāo)排放率99.927%；顆粒物、SO2累計(jì)超標(biāo)時(shí)間相近，分別為53、98 h，達(dá)標(biāo)排放率分別為99.987%、99.978%。

圖12b)統(tǒng)計(jì)了調(diào)查機(jī)組顆粒物累計(jì)超標(biāo)時(shí)間中各類超標(biāo)原因時(shí)長(zhǎng)占比。由圖12b)可知，各類超標(biāo)原因中，啟停機(jī)占60%，CEMS故障占26%，除塵器故障、主機(jī)故障及其他分別占4%、4%、6%。

圖12c)統(tǒng)計(jì)了調(diào)查機(jī)組NOx累計(jì)超標(biāo)時(shí)間中各類超標(biāo)原因時(shí)長(zhǎng)占比。由圖12c)可知，各類超標(biāo)原因中，啟停機(jī)占63%，設(shè)備故障占18%，主機(jī)故障占4%，CEMS故障占1%，負(fù)荷低占1%，其他占13%。

圖12d)統(tǒng)計(jì)了調(diào)查機(jī)組SO2累計(jì)超標(biāo)時(shí)間中各類超標(biāo)原因時(shí)長(zhǎng)占比。由圖12d)可知，各類超標(biāo)原因中，啟停機(jī)占35%，硫份超設(shè)計(jì)占31%，設(shè)備故障占12%，CEMS故障占9%，漿液中毒占2%，主機(jī)故障占1%，其他占10%。

從各類污染物累計(jì)超標(biāo)原因統(tǒng)計(jì)結(jié)果可知，啟停機(jī)時(shí)段顆粒物、NOx、SO2超標(biāo)排放時(shí)長(zhǎng)在各類污染物超標(biāo)時(shí)長(zhǎng)中占比較高，分別為60%、63%、35%。其主要原因?yàn)?，鍋爐啟動(dòng)初期需要投油點(diǎn)火或穩(wěn)燃，采用電除塵器或電袋除塵器的機(jī)組在啟動(dòng)初期除塵設(shè)施無法投運(yùn)，導(dǎo)致顆粒物超標(biāo)排放。SCR脫硝工藝的技術(shù)特性決定了其正常工作溫度區(qū)間在320～ 420 ℃[24-25]。燃煤機(jī)組在啟停機(jī)時(shí)段或低負(fù)荷期間，SCR脫硝入口煙氣溫度較低。當(dāng)溫度低于300 ℃時(shí)，SCR脫硝系統(tǒng)將被迫退出運(yùn)行，NOx因此超標(biāo)排放。

3 結(jié)論與展望

1）參與調(diào)查的超低排放煤電機(jī)組主要大氣污染物（顆粒物、SO2、NOx）年度達(dá)標(biāo)排放率均高于99.9%，能夠穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)超低排放。SO2、顆粒物排放限值還有一定提升空間。

2）啟停機(jī)時(shí)段顆粒物、NOx、SO2超標(biāo)排放時(shí)長(zhǎng)在各類污染物超標(biāo)時(shí)長(zhǎng)中占比最高，應(yīng)通過技術(shù)措施減緩啟停機(jī)對(duì)環(huán)保設(shè)施的影響。

3）在超低排放技術(shù)裝備水平基本一致的前提下，各容量等級(jí)機(jī)組污染物實(shí)際排放強(qiáng)度較為接近，未完全體現(xiàn)大容量機(jī)組的清潔生產(chǎn)水平。

4）能源結(jié)構(gòu)清潔化變更對(duì)火電機(jī)組靈活性以及深度調(diào)峰能力提出了更高要求，環(huán)保設(shè)施應(yīng)在寬負(fù)荷脫硝技術(shù)、脫硝智能控制技術(shù)、多污染物協(xié)同治理及其他節(jié)能降耗方面加大研究力度，解除環(huán)保設(shè)施對(duì)火電機(jī)組靈活性以及深度調(diào)峰能力限制，推動(dòng)火電機(jī)組綠色發(fā)展。