GB13223的實(shí)施對火電廠環(huán)保技術(shù)的影響

張 璜，趙祥峰，仲衛(wèi)東

(國核電力規(guī)劃設(shè)計研究院，北京 100095)

隨著環(huán)境形勢的日趨嚴(yán)峻，我國加大了十二五期間的環(huán)境保護(hù)力度，國家針對各行業(yè)紛紛出臺新的環(huán)保法規(guī)和政策，這些舉措皆能體現(xiàn)出我國政府在環(huán)境污染治理方面的態(tài)度和決心。在眾多污染型的行業(yè)中火電行業(yè)占據(jù)了主要份額，自《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223－2003)實(shí)施以來，各大發(fā)電集團(tuán)緊跟著國家的環(huán)保政策，從熱電聯(lián)產(chǎn)、以大代小到IGCC，再到新能源(生物質(zhì)、風(fēng)電、太陽能)，從除塵脫硫、再到脫硝脫汞等等，各集團(tuán)在電廠環(huán)保工程的投入力度越來越大，大氣污染物的減排效果日益顯著，同時在一定程度上促進(jìn)了我國環(huán)保產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展。因此，舊標(biāo)準(zhǔn)GB13223－2003的實(shí)施無疑給我國帶來了巨大的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。

隨著環(huán)保技術(shù)的不斷更新和發(fā)展，我國火電行業(yè)已具備了進(jìn)一步降低污染物排放的條件，因此，更嚴(yán)格的大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生，它的實(shí)施必將進(jìn)一步改善當(dāng)前環(huán)境狀況，使我國的環(huán)境保護(hù)水平邁上新的臺階。

1 標(biāo)準(zhǔn)限值的變化

與舊標(biāo)準(zhǔn)GB13223－2003相比，新標(biāo)準(zhǔn)限值的修訂內(nèi)容有如下變化：

(1)取消了以煤矸石、生物質(zhì)等為燃料的發(fā)電鍋爐相對寬松的排放限值，執(zhí)行與燃煤鍋爐相同的限值；取消了按燃煤中的揮發(fā)份執(zhí)行不同NOx排放濃度限值的規(guī)定。

(2)以2012年1月1日作為新建機(jī)組的分界點(diǎn)，同時以2014年7月1日作為現(xiàn)有機(jī)組執(zhí)行與新建機(jī)組相同標(biāo)準(zhǔn)的分界點(diǎn)。新建燃煤鍋爐的煙塵、SO2和NOx的排放濃度分別為30mg/m3、100mg/m3和100mg/m3，相比舊標(biāo)準(zhǔn)，SO2和NOx的濃度限值降幅較大。

(3)對環(huán)境容量小、生態(tài)環(huán)境脆弱的重點(diǎn)地區(qū)執(zhí)行更為嚴(yán)格的特別排放限值，煙塵、SO2和NOx的排放濃度分別為20mg/m3、 50mg/m3和100mg/m3。上述限值要求不區(qū)分新建機(jī)組和現(xiàn)有機(jī)組，具體的地域范圍、實(shí)施時間將由國務(wù)院環(huán)保部規(guī)定。

(4)對燃煤鍋爐提出了汞及其化合物的排放限值要求(0.03mg/m3)，將于2015年1月1日開始執(zhí)行。

因此，新標(biāo)準(zhǔn)中的排放限值較舊標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)格許多，新建和現(xiàn)有電廠必將采取更為先進(jìn)的環(huán)保技術(shù)，標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施將有力推進(jìn)大氣污染物控制技術(shù)的快速發(fā)展。

2 火電廠大氣污染物控制技術(shù)現(xiàn)狀分析

目前我國的火電廠多數(shù)為燃煤電廠，消耗大量的煤炭資源，產(chǎn)生煙塵、SO2和NOx等大氣污染物，對電廠周圍的環(huán)境帶來了不同程度的污染。為了滿足舊標(biāo)準(zhǔn)GB13223－2003規(guī)定的污染物排放限值要求，現(xiàn)有火電廠主要采取以下控制措施：

2.1 煙塵控制技術(shù)

目前我國大型燃煤電廠普遍采用的高效除塵裝置有：靜電除塵器、布袋除塵器以及電袋復(fù)合式除塵器，各種除塵器技術(shù)指標(biāo)比較內(nèi)容見表1。

表1 除塵器技術(shù)指標(biāo)比較

由上可知，上述三種除塵器均能滿足50mg/m3的限值要求。若按照新標(biāo)準(zhǔn)30mg/m3的要求，對于灰分較高的煤質(zhì)，靜電除塵器增加電場后其經(jīng)濟(jì)性較差，運(yùn)行效果也不好，此時選用布袋除塵器和電袋復(fù)合式除塵器有明顯的優(yōu)勢。

2.2 SO2控制技術(shù)

脫硫技術(shù)主要分為燃燒前脫硫、爐內(nèi)脫硫以及燃燒后脫硫。

燃燒前脫硫指采用物理或化學(xué)方法對原煤進(jìn)行清洗，除去煤中黃鐵礦及灰分，采用的方法包括重介質(zhì)選煤、風(fēng)力選煤、斜槽和搖床選煤等；爐內(nèi)脫硫是指爐膛內(nèi)噴入石灰/石灰石吸收劑固化SO2/SO3而進(jìn)行脫硫，如流化床鍋爐摻燒石灰石脫硫；燃燒后脫硫是指鍋爐尾部加設(shè)裝置，利用脫硫劑對煙氣進(jìn)行脫硫，主要分為濕法、干法(半干法)兩類。

我國火電廠目前應(yīng)用的煙氣脫硫技術(shù)主要有：石灰石—石膏濕法、循環(huán)硫化床干法、海水法、氨法、活性焦干法、旋轉(zhuǎn)噴霧半干法、爐內(nèi)噴鈣－尾部加濕活化法等煙氣脫硫工藝。上述幾種脫硫工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較情況見表2。

表2 脫硫工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

由上可知，由于石灰石－石膏濕法脫硫工藝不受燃煤含硫份的限制，吸收劑來源廣泛，價格低廉，設(shè)備運(yùn)行可靠，技術(shù)最為成熟，因此我國運(yùn)行和在建的90%以上電廠采取了該工藝；海水脫硫工藝多適用于濱海電廠；在一些煤矸石較多的地區(qū)鼓勵采用循環(huán)流化床鍋爐，可實(shí)現(xiàn)資源的綜合利用。

2.3 NOx控制技術(shù)

NOx控制技術(shù)分為爐內(nèi)脫硝和煙氣脫硝，這兩種技術(shù)通常聯(lián)合使用。

爐內(nèi)脫硝是指在鍋爐燃燒過程中通過改變?nèi)紵龡l件來抑制NOx的產(chǎn)生或者破壞已生成的NOx，即低氮燃燒技術(shù)。普通的燃煤鍋爐通常采用的低氮燃燒技術(shù)包括低過量空氣燃燒、空氣分級燃燒、煙氣再循環(huán)等，可以將鍋爐出口的NOx濃度一般控制在350mg/m3以下。循環(huán)流化床鍋爐本身就是采用了低氮燃燒技術(shù)，爐內(nèi)溫度控制在800℃～950℃，分級送風(fēng)，抑制了熱反應(yīng)型NOx的產(chǎn)生，鍋爐出口的NOx濃度一般控制在300mg/m3以下，甚至更低。因此，現(xiàn)有電廠通過采用低氮燃燒技術(shù)基本可以滿足GB13223－2003的排放限值，同時按要求預(yù)留了脫硝裝置空間。

處于環(huán)境容量較小區(qū)域的電廠采取了更嚴(yán)格的環(huán)保措施，除了采用低氮燃燒技術(shù)外，還進(jìn)行了煙氣脫硝，即指對燃燒生成后的NOx進(jìn)行脫除。目前電廠所采用的工藝技術(shù)為選擇性催化還原法(SCR)和選擇性非催化還原法(SNCR)。上述三種脫硝工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較情況見表3。

表3 脫硝工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

由上可知，低氮燃燒技術(shù)的投資和操作成本較低，已廣泛應(yīng)用到電廠鍋爐；SCR法具有脫硝效率高、運(yùn)行可靠、便于維護(hù)操作的優(yōu)點(diǎn)，因此目前我國運(yùn)行和在建的電廠多數(shù)選用該工藝。

3 火電廠大氣污染物控制技術(shù)發(fā)展趨勢分析

3.1 除塵技術(shù)的發(fā)展趨勢

火電廠所排放煙塵中含有大量可吸入顆粒物，其易于富集有毒有害的重金屬元素，對環(huán)境和人體產(chǎn)生嚴(yán)重危害，因此顆粒物一直是我國重點(diǎn)控制的大氣污染物，而且日益受到公眾的關(guān)注。目前，在火電廠除塵技術(shù)的發(fā)展過程中，電除塵器因其良好的可操作性、可靠的除塵效率及穩(wěn)定的運(yùn)行效果得到了推廣和應(yīng)用。但隨著GB13223－2011的實(shí)施，現(xiàn)有的傳統(tǒng)電除塵器將面臨改造，新建機(jī)組和老機(jī)組需要根據(jù)自身特點(diǎn)，重新考慮如何選擇適合自己的除塵工藝及設(shè)備。

(1)對于新建煤粉鍋爐，考慮到燃煤成分的不同，電除塵器、袋式除塵器及電袋復(fù)合除塵器都是可以考慮的選擇。煤質(zhì)中灰分較低時(約10%)宜采用靜電除塵器，灰分較高時宜采用布袋除塵器和電袋復(fù)合式除塵器。但由于電除塵器除塵效率受限制因素較多且不穩(wěn)定(對煤種及粉塵條件的變化較為敏感)，而電袋復(fù)合除塵器工藝相對復(fù)雜，可能給設(shè)計工作及日后的運(yùn)行維護(hù)管理帶來不必要的麻煩，因此，建議優(yōu)先選用布袋除塵器。

(2)對于新建循環(huán)流化床鍋爐，在爐內(nèi)摻燒了大量的石灰石后，鍋爐飛灰很細(xì)而且灰分比電阻增大，采用電除塵器后其除塵效率不是很理想，因此建議最好選用布袋除塵器。

(3)對于需要進(jìn)行除塵改造的現(xiàn)有電廠，可充分利用已有靜電除塵器的殼體、灰斗、煙道、框架、輸灰系統(tǒng)等設(shè)施，將電除塵器改為布袋除塵器或者電袋復(fù)合除塵器，后者的改造費(fèi)用相對較低，且除塵效率高(可達(dá)到99.9%以上)，在老廠改造工程中應(yīng)用更具有優(yōu)勢。

目前，我國電廠的除塵技術(shù)已接近國際先進(jìn)水平，能滿足各種容量火電機(jī)組的需求，其中在靜電除塵器的制造、運(yùn)行方面都已積累了豐富的經(jīng)驗。而在近十年的發(fā)展中,袋式除塵器迅速崛起,尤其是大型袋式除塵器的出現(xiàn),新的濾料和脈沖閥的開發(fā),使袋式除塵器更加安全可靠,不僅比電除塵器的除塵效率高,而且受粉塵特性和煙氣成份的影響也較小,相信在不久的將來,性能可靠的大型脈沖袋式除塵器一定能夠在燃煤電廠得到推廣和應(yīng)用，袋式除塵器將成為除塵技術(shù)發(fā)展的主流。

3.2 脫硫技術(shù)的發(fā)展趨勢

SO2作為“十二五”期間的總量控制指標(biāo)之一，仍需繼續(xù)嚴(yán)格控制。新標(biāo)準(zhǔn)中SO2的排放濃度限值大幅度降低，從中可以看出“十二五”期間的脫硫任務(wù)比較艱巨，這就對電廠脫硫技術(shù)提出了更加嚴(yán)格的要求。據(jù)估算目前已運(yùn)行的電廠到2014年之前多數(shù)需要進(jìn)行新一輪的脫硫改造，而新建電廠采用單一的脫硫工藝有時也無法達(dá)到新標(biāo)準(zhǔn)的要求。

(1)脫硫工藝的選擇取決于燃煤中的硫含量，通過降低燃煤中的硫含量可以減輕后續(xù)脫硫系統(tǒng)的壓力，因此，采用低硫煤是電廠的首選。目前的脫硫工藝中濕法脫硫工藝是最為成熟的工藝，也是脫硫效率較高的工藝，適用于各種規(guī)模的機(jī)組；噴霧干燥法脫硫、爐內(nèi)噴鈣尾部增濕法脫硫、海水脫硫和電子束脫硫等脫硫工藝在國內(nèi)已有示范項目，應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)貙?shí)際情況選用合適的工藝，其中爐內(nèi)噴鈣尾部增濕、干法或半干法等幾種簡易脫硫工藝可作為兩級脫硫技術(shù)的一級脫硫工藝予以應(yīng)用；另外，活性焦干法脫硫工藝是目前新興的工藝，可應(yīng)用到大型機(jī)組中，其脫硫效率較高，副產(chǎn)物可以回收利用，節(jié)省大量水資源，將成為脫硫工藝發(fā)展的新方向。

(2)對于新建煤粉鍋爐，一般采用低硫煤+濕法脫硫工藝，條件允許時可采用活性焦干法脫硫工藝；高硫煤則需要進(jìn)行兩級脫硫，可以采取半干法/干法脫硫工藝作為一級脫硫，濕法脫硫工藝作為二級脫硫。對于現(xiàn)有煤粉鍋爐，在進(jìn)行脫硫改造時首先采用低硫煤，然后根據(jù)煤質(zhì)情況判斷是否需要增加脫硫設(shè)施。

對于新建和需要改造的循環(huán)流化床鍋爐，爐內(nèi)脫硫工藝很難滿足新標(biāo)準(zhǔn)的要求，還需要在爐后增設(shè)脫硫設(shè)施，可以根據(jù)鍋爐排放情況選取爐后濕法、干法或者半干法脫硫工藝。

3.3 脫硝技術(shù)的發(fā)展趨勢

隨著NOx排放量的逐年升高，由其引起的臭氧和細(xì)粒子污染問題日益突出，威脅人們的身體健康，成為當(dāng)前迫切需要解決的環(huán)境問題。因此，“十二五”規(guī)劃綱要中明確將NOx首次列入約束性指標(biāo)體系(減少10%)，NOx已經(jīng)成為我國本時期污染減排的重點(diǎn)。

(1)對于新建煤粉鍋爐，一般采取低氮燃燒技術(shù)+SCR法的組合工藝。由于上述兩種技術(shù)都已成熟，運(yùn)行較穩(wěn)定，因此該組合工藝將成為今后火電廠脫硝技術(shù)的主流。

(2)對于現(xiàn)有煤粉鍋爐，鍋爐在低氮燃燒技術(shù)上的改造有利于NOx的減排，因此是很多電廠的首選，但是隨著新標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施，還需要采取進(jìn)一步的脫硝措施。根據(jù)舊標(biāo)準(zhǔn)GB13223－2003，2004年1月1日之后的新建電廠須預(yù)留脫硝裝置的空間，通常設(shè)置在省煤器與空預(yù)器之間的位置(高溫高塵布置方式)，采用SCR法進(jìn)行改造是最佳的選擇。

(3)對于循環(huán)硫化床鍋爐，鍋爐制造廠技術(shù)上可以做到鍋爐出口NOx濃度在200mg/m3以下，在不要求較高脫硝效率的情況下，從滿足環(huán)保排放標(biāo)準(zhǔn)和投資角度考慮，采用SNCR法更具有優(yōu)勢。同時循環(huán)流化床鍋爐本體的低氮燃燒技術(shù)還在繼續(xù)研究，以期達(dá)到在鍋爐出口的NOx濃度降低至100mg/m3的目標(biāo)。

(4)除了SCR和SNCR法外，SNCR－SCR聯(lián)合工藝也是今后發(fā)展的趨勢，該工藝是將還原劑噴入爐膛脫除部分NOx，逸出的氨再與未脫除的NOx進(jìn)行催化還原反應(yīng)的一種脫硝技術(shù)，此種方法所用的催化劑量少，且脫硝效率范圍廣，為25%～75%，可調(diào)節(jié)的范圍較大，應(yīng)用起來較靈活。目前該工藝已在國內(nèi)某200MW熱電廠中成功的應(yīng)用。

目前制約脫硝工藝發(fā)展的關(guān)鍵問題是SCR脫硝專用催化劑及載體制造仍然依賴于進(jìn)口，對于我國“十二五”期間繁榮的脫硝產(chǎn)業(yè)來說是個短板，因此，加快開發(fā)出催化劑和載體制造技術(shù)是我國火電廠脫硝產(chǎn)業(yè)發(fā)展迫在眉睫的事情。

3.4 脫汞技術(shù)的發(fā)展趨勢

汞作為一種劇毒、高揮發(fā)性的物質(zhì)，易于在生物鏈中積累，具有全球性循環(huán)污染的特點(diǎn)。煤在燃燒過程中產(chǎn)生的汞大部分隨著煙氣排入大氣，成為環(huán)境汞污染的主要來源。因此火電廠的汞污染已經(jīng)成為繼SO2污染之后的又一重大污染問題。新標(biāo)準(zhǔn)中明確規(guī)定汞及其化合物濃度限值為0.03mg/m3(2015年1月1日起實(shí)施)，這必將給我國火電廠污染治理帶來嚴(yán)峻的考驗。

燃煤煙氣中的汞主要以三種形態(tài)存在：顆粒態(tài)汞(Hgp)易被除塵設(shè)備捕集去除；氧化態(tài)汞(Hg2+)易溶于水且易被顆粒物所吸附，常規(guī)的煙氣凈化裝置即可收集；元素汞(Hg0)不溶于水且極易揮發(fā)，難于控制，對環(huán)境影響大。影響煙氣中的汞形態(tài)分布因素非常復(fù)雜，包括煤種、鍋爐運(yùn)行狀態(tài)、煙氣凈化設(shè)備以及煙氣停留時間等，這關(guān)系著煙氣中汞污染控制方法的選擇和脫除效率。目前燃煤汞污染的控制技術(shù)包括燃燒前脫汞、燃燒中脫汞和燃燒后脫汞。

(1)燃燒前脫汞：洗煤和煤的熱處理是減少汞排放簡單而有效的方法。①傳統(tǒng)的洗煤技術(shù)可去除煤中30%以上的汞，而先進(jìn)的化學(xué)物理洗煤技術(shù)甚至可達(dá)到65%；②煤的熱處理技術(shù)是基于汞的高揮發(fā)特性發(fā)展的，研究表明在400℃以下可達(dá)到最高80%的脫汞率，但此溫度下煤發(fā)生了熱解，發(fā)熱量有很大的降低，因此還有待進(jìn)一步研究。

(2)燃燒中脫汞：利用改進(jìn)燃燒方式，在降低NOx的同時抑制一部分汞的排放，包括低氮燃燒技術(shù)、循環(huán)流化床技術(shù)等。其中，循環(huán)流化床技術(shù)由于其燃燒溫度較低有利于汞的氧化，同時添加石灰石進(jìn)行脫硫的工藝有利于進(jìn)一步脫汞。

(3)燃燒后脫汞：包括協(xié)同控制技術(shù)、吸附劑脫汞技術(shù)和其他脫汞技術(shù)。①協(xié)同控制技術(shù)是利用現(xiàn)有的煙氣治理設(shè)施對汞及其他污染物進(jìn)行協(xié)同控制，研究表明采用電除塵器/布袋除塵器后加裝脫硫裝置可達(dá)到75%的脫汞率，若加上SCR脫硝裝置可達(dá)到85%以上的脫汞率；②吸附劑脫汞技術(shù)是通過在煙氣中噴入吸附劑，通過氧化、吸附、螯合和絡(luò)合等作用，實(shí)現(xiàn)更高的汞脫除效果。吸附劑一般有活性炭、飛灰、鈣基吸附劑、礦物類吸附劑等。③其他脫汞技術(shù)，如電催化氧化法脫汞、K－Fuel脫汞技術(shù)等，目前處于研發(fā)階段。

上述幾種脫汞工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較情況見表4。

表4 脫汞工藝技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較

由上可知，盡管現(xiàn)有煙氣脫汞技術(shù)種類多，但由于煙氣中的汞形態(tài)分布因素復(fù)雜，暫無任何一種脫汞技術(shù)能在所有機(jī)組上都達(dá)到滿意效果。結(jié)合我國國情以及煤種特性(汞平均含量為0.22mg/kg煤)，煙氣協(xié)同控制技術(shù)是目前我國火電廠控制汞排放最經(jīng)濟(jì)、最實(shí)用的技術(shù)。新標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施后，新建和改建鍋爐的各種脫硝、除塵和脫硫設(shè)施得到廣泛應(yīng)用，對于燃用除褐煤以外的煤種一般可采用煙氣脫硝＋靜電除塵/布袋除塵＋濕法煙氣脫硫的組合技術(shù)進(jìn)行協(xié)同控制之后基本可以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；若對于燃用褐煤的火電機(jī)組以及煙氣協(xié)同控制技術(shù)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)的其他火電機(jī)組，可考慮在爐內(nèi)添加鹵化物、煙道噴入活性炭吸附劑等工藝提高脫汞效率。綜上所述，目前煙氣脫汞技術(shù)研究應(yīng)集中在有效利用現(xiàn)有污染控制設(shè)施并進(jìn)行適當(dāng)改進(jìn)以提高汞的脫除效率，同時結(jié)合燃燒前脫汞技術(shù)，走復(fù)合式污染控制之路。

4 結(jié)語

(1)與舊標(biāo)準(zhǔn)相比，《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB13223－2011)在排放標(biāo)準(zhǔn)限值方面嚴(yán)格許多，因此，新標(biāo)準(zhǔn)實(shí)施后將在一定程度上推進(jìn)大氣污染物控制技術(shù)的發(fā)展。

(2)新標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施不僅對新建機(jī)組提高了要求，也對目前運(yùn)行的老機(jī)組提出了嚴(yán)格的技術(shù)改造要求，這勢必影響我國火電廠今后煙氣脫硫、脫硝、除塵技術(shù)的研究和發(fā)展方向。

(3)新標(biāo)準(zhǔn)明確了汞及其化合物的排放限值要求，這對脫汞技術(shù)的研究和發(fā)展起到了有力的推動作用。

綜上所述，在環(huán)保問題日益突出的今天，火電廠的大氣污染物成為公眾日益關(guān)注的焦點(diǎn)，新標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施將會很大程度地改善我國目前大氣環(huán)境污染狀況。我國火電廠的除塵、脫硫和脫硝技術(shù)在十幾年的發(fā)展中逐漸完善和成熟，脫汞技術(shù)還處于研發(fā)階段，目前以協(xié)同控制技術(shù)為主。因此，在執(zhí)行新標(biāo)準(zhǔn)GB13223－2011的過程中，各電廠需結(jié)合自身的條件選擇最適宜的大氣污染治理工藝，以達(dá)到環(huán)境、經(jīng)濟(jì)和社會效益的協(xié)調(diào)發(fā)展。

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