燃煤電廠超低排放綜合技術(shù)路線

薛建明，柏源，2，管一明，董月紅

(1.國電科學(xué)技術(shù)研究院清潔高效燃煤發(fā)電與污染控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210031; 2.南京信息工程大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇南京210044)

燃煤電廠超低排放綜合技術(shù)路線

薛建明1，柏源1，2，管一明1，董月紅1

(1.國電科學(xué)技術(shù)研究院清潔高效燃煤發(fā)電與污染控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京210031; 2.南京信息工程大學(xué)海洋科學(xué)學(xué)院，江蘇南京210044)

燃煤電廠推行超低排放是電力行業(yè)環(huán)保工作重點(diǎn)和難點(diǎn)。提出了燃煤電廠在實(shí)施超低排放技術(shù)路線過程的控制策略;針對新建和現(xiàn)役機(jī)組，分別研究了各自的綜合控制路線;詳細(xì)闡述了NOx、煙塵、SO2實(shí)行超低排放路線過程中需要注意的事項(xiàng)。

燃煤電廠;超低排放;技術(shù)路線

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，截止2014年底:火電機(jī)組煙塵排放總量和排放績效分別達(dá)到98萬t和0.11g/(kW·h)，二氧化硫的排放總量和排放績效分別為620萬t和1.47g/(kW·h)，NOx的排放總量和排放績效分別為620萬t和1.47g/(kW·h)，燃煤煙氣污染物排放總量和排放績效持續(xù)下降。但是，我國“富煤貧油少氣”的資源稟賦決定著我國能源結(jié)構(gòu)以煤炭為主，盡管多年來一直在調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，煤炭占一次能源的比重持續(xù)下降，從1949年的96.3%下降至2014年的66.03%，但煤炭消費(fèi)量卻持續(xù)增長，2014年我國大陸煤炭消費(fèi)量占全球的50.6%，是排在第二位美國的4.3倍。煤炭燃燒排放的污染物居世界第一，對我國大氣環(huán)境、生態(tài)環(huán)境等均造成了較大的影響。因此，燃煤煙氣超低排放仍是今后電力行業(yè)環(huán)保工作的重點(diǎn)，研究形成綜合性超低排放路線是優(yōu)化我國能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、改善大氣環(huán)境的關(guān)鍵。

1 控制策略

燃煤電廠大氣污染物超低排放是指大氣污染物的排放限值比GB 13223－2011規(guī)定的煙塵、SO2、NOx排放限值和特別排放限值要求更高更嚴(yán)的治理行為，即煙塵、SO2、NOx的排放濃度分別小于等于10mg/m3、35mg/m3和50mg/m3，同時(shí)應(yīng)消除脫硝、脫硫設(shè)施產(chǎn)生的次生物，包括氨、SO3、霧滴、廢水等，協(xié)同控制重金屬汞、氣溶膠、酸性氣體等，實(shí)現(xiàn)煙氣多污染物的綜合控制、深度治理。

在實(shí)施超低排放時(shí)，應(yīng)遵循“創(chuàng)新驅(qū)動和研究開發(fā)”并重，有機(jī)結(jié)合“高效清潔燃燒、污染物高效治理、協(xié)同控制、深度凈化”的控制策略，一方面要創(chuàng)新發(fā)展應(yīng)用先進(jìn)的環(huán)保技術(shù)，構(gòu)建綠色環(huán)保型新建機(jī)組;另一方面要擇優(yōu)應(yīng)用合適的最佳可行技術(shù)，并優(yōu)化提升單項(xiàng)污染物治理技術(shù)，優(yōu)化集成多污染物深度凈化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)的單一性升級并向系統(tǒng)性轉(zhuǎn)變、反應(yīng)的單一性向交叉性轉(zhuǎn)變，持續(xù)提高現(xiàn)役機(jī)組的環(huán)保技術(shù)水平。

同時(shí)構(gòu)建煙氣凈化島(包括所有煙氣治理設(shè)施)，對煙氣凈化島進(jìn)行系統(tǒng)化考慮、差異化設(shè)計(jì)和精細(xì)化管理，挖掘各治理設(shè)施對其它污染物的協(xié)同控制作用，打破當(dāng)前先脫硝、再除塵、再脫硫的單元式、漸進(jìn)式的傳統(tǒng)模式;研發(fā)推廣煙氣深度一體化綜合治理、協(xié)同控制技術(shù)，既考慮煙塵、SO2、NOx常規(guī)大氣污染物，確保超低排放指標(biāo)的實(shí)現(xiàn);還考慮重金屬、氣溶膠、酸性氣體以及脫硝、脫硫設(shè)施產(chǎn)生的次生物、冒白煙等，實(shí)現(xiàn)協(xié)同控制。

2 綜合技術(shù)路線

2.1 污染物控制

燃煤電廠大氣污染物超低排放不僅與煙氣凈化島所采用的煙氣治理技術(shù)密切相關(guān)，還與燃煤特性，特別是燃煤硫分、灰分密不可分。要穩(wěn)定實(shí)現(xiàn)大氣污染物的超低排放，首先必須有效控制燃煤煤質(zhì)。

根據(jù)國內(nèi)已建超低排放改造項(xiàng)目、新建機(jī)組的環(huán)境影響報(bào)告的研究分析，當(dāng)燃煤硫分小于0.8%～1%、灰分小于20%時(shí)，采用合適綜合技術(shù)路線，可實(shí)現(xiàn)大氣污染物的超低排放;當(dāng)燃煤硫分為1%～1.5%、灰分為20%～30%時(shí)，應(yīng)結(jié)合電廠的實(shí)際情況、區(qū)域環(huán)境質(zhì)量要求等，進(jìn)行充分的試驗(yàn)研究和技術(shù)經(jīng)濟(jì)評估;當(dāng)燃煤硫分大于1.5%、灰分大于30%時(shí)，應(yīng)以達(dá)標(biāo)排放為原則，不宜追求超低排放。

2.1.1 新建機(jī)組

在新建機(jī)組實(shí)施大氣污染物超低排放時(shí)，應(yīng)結(jié)合鍋爐形式、燃煤狀況、低氮燃燒方式等，統(tǒng)籌規(guī)劃煙氣凈化島(包括所有煙氣治理設(shè)施)、協(xié)同控制、一體化設(shè)計(jì)、整體優(yōu)化，打破當(dāng)前先除塵、再脫硫、再脫硝的單元式、漸進(jìn)式的傳統(tǒng)理念。既要實(shí)現(xiàn)煙塵、SO2、NOx常規(guī)大氣污染物的超低排放，還要消除脫硝、脫硫設(shè)施產(chǎn)生的次生物，包括氨、SO3、霧滴、廢水等，協(xié)同控制重金屬汞、氣溶膠、酸性氣體等，實(shí)現(xiàn)煙氣多污染物的綜合控制、深度治理。

在統(tǒng)籌規(guī)劃煙氣凈化島時(shí)，可采用以下2條超低排放的技術(shù)路線:

(1)或低低氮燃燒技術(shù)(其出口NOx＜200～300mg/m3或100～200mg/m3)+SCR脫硝技術(shù)(其出口NOx＜50mg/m3)+電除塵技術(shù)(ESP)(其出口煙塵應(yīng)＜30mg/m3)+高效濕法煙氣脫硫技術(shù)(其出口SO2＜35mg/m3、煙塵＜20～30mg/m3、霧滴＜40～50mg/m3)+濕式電除塵器(其出口煙塵＜5～10mg/m3、霧滴＜10～20mg/m3)。

(2)低氮或低低氮燃燒技術(shù)(其出口NOx＜200～300mg/m3或100～200mg/m3)+SCR脫硝技術(shù)(其出口NOx濃度＜50mg/m3)+高效除塵技術(shù)包括低低溫ESP、高效袋式除塵器和電袋復(fù)合除塵器(其出口煙塵濃度應(yīng)＜10～20mg/m3)+濕法脫硫除塵一體化技術(shù)(其出口SO2濃度＜35mg/m3、煙塵濃度＜10mg/m3、霧滴＜20～30mg/m3)。

2.1.2 現(xiàn)役機(jī)組

在對現(xiàn)役機(jī)組進(jìn)行環(huán)保設(shè)施超低排放技術(shù)改造時(shí)，應(yīng)綜合考慮工程技術(shù)和管理技術(shù)等因素，采用診斷評估、優(yōu)化調(diào)整和技術(shù)改造并重的方針，一是要組織專家對環(huán)保設(shè)施的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行診斷，科學(xué)、合理地找出實(shí)現(xiàn)超低排放要求的差異和存在問題，提出相應(yīng)的對策;二是結(jié)合狀態(tài)診斷結(jié)果，采用先進(jìn)的技術(shù)，對環(huán)保設(shè)施進(jìn)行最優(yōu)調(diào)整;三是如優(yōu)化調(diào)整后仍達(dá)不到要求，則參照新建機(jī)組，采用適宜的超低排放技術(shù)進(jìn)行改造，并形成“五位一體”，即狀態(tài)評價(jià)明現(xiàn)狀、分析診斷找差距、優(yōu)化調(diào)整挖潛力、技術(shù)改進(jìn)提性能、監(jiān)督管理形體系的全過程閉環(huán)管理。

在選擇超低排放改造技術(shù)路線時(shí)，必須結(jié)合電廠的實(shí)際情況，一廠一策，仍至一爐一策。通常應(yīng)考慮的因素有以下幾點(diǎn):現(xiàn)有煙氣凈化島所有環(huán)保設(shè)施的技術(shù)裝備和運(yùn)行現(xiàn)狀，分析其與改造目標(biāo)的差距;煙氣條件可能的變化，包括燃煤硫分、灰分、揮發(fā)分，煙氣流量、溫度和成分等;實(shí)施改造可利用的場地條件和空間條件，分析其是否滿足改造要求;額外增加的配套改造，分析因超低排放改造將涉及的非環(huán)保設(shè)施的改造范圍，如空預(yù)器、引風(fēng)機(jī)改造等;改造難度，分析原環(huán)保設(shè)施可利舊情況、可能的障礙物、需要的停爐時(shí)間、對主機(jī)可能產(chǎn)生的影響等;統(tǒng)籌考慮常規(guī)污染物和非常規(guī)污染物(包括氨、SO3、霧滴、重金屬汞、氣溶膠、酸性氣體、廢水等)，且有一定的前瞻性，盡可能一次改造到位或預(yù)留空間，避免重復(fù)改造。

2.2 煙囪冒“白煙”的控制

消除煙囪冒“白煙”，可采用煙氣加熱和煙氣冷卻2種方式，具體措施:

(1)煙氣換熱方式，通常由煙氣冷卻器(或低低溫省煤器)和煙氣加熱器組成。煙氣冷卻器(或低低溫省煤器)布置在電除塵器上游，煙氣被循環(huán)水冷卻到85～90℃后進(jìn)入低低溫電除塵器;煙氣加熱器布置在煙囪上游，煙氣被循環(huán)水加熱到70～80℃后排入大氣，可改善煙囪防腐環(huán)境，抬高煙氣排放高度，消除煙囪冒“白煙”現(xiàn)象。缺點(diǎn)是沒有減少排放大氣的水蒸汽量。

(2)煙氣冷卻方式，目前投入商用的主要是相變凝聚技術(shù)，它通常與濕式電除塵器融為一體，布置在濕式電除塵器入口或出口，其主要功能為:一是水汽凝聚功能，通過水汽相變冷凝技術(shù)(冷卻煙氣3～5℃)，可回收煙氣中50%～60%的水，基本消煙囪冒“白煙”現(xiàn)象;二是相變團(tuán)聚功能，通過熱凝并、熱泳、擴(kuò)散泳作用，可提高細(xì)顆粒物、霧滴、氣溶膠等捕集性能，促進(jìn)煙氣多污染物的協(xié)同控制;三是改善區(qū)域環(huán)境質(zhì)量功能，通過回收煙氣中的水和煙氣多污染物的進(jìn)一步捕集，減少排放大氣中的水蒸汽量50%左右，并減少煙氣中可溶性離子40%～60%。缺點(diǎn)是不能完全消煙囪冒“白煙”現(xiàn)象。

2.3 煙氣排放監(jiān)測

(1)監(jiān)測位置:應(yīng)安裝在煙囪60～80m的位置。

(2)應(yīng)采用低濃度高濕度煙塵、SO2、NOx在線多點(diǎn)測量儀。

(3)NOx在線測量儀增加NO2測量功能。

(4)加強(qiáng)SO3、汞排放監(jiān)測，必要時(shí)加裝汞在線測量儀。

3 建議

3.1 低氮燃燒

低氮燃燒是控制NOx最經(jīng)濟(jì)的手段，目的是通過降低燃燒溫度、減少煙氣中氧量等方式，在不影響鍋爐燃燒效率的前提下，最大限度地降低NOx的生成量。四角切圓燃燒、對沖燃燒和W火焰鍋爐NOx的生成量分別應(yīng)控制在200～250mg/m3、250～300mg/m3、700～800mg/m3以下。

在實(shí)施低氮燃燒改造時(shí)，必須結(jié)合鍋爐爐型、燃料特性、燃燒方式、流場分布等，一爐一策，制定合理的技術(shù)路線，切忌簡單套用它廠的經(jīng)驗(yàn)。建議:一要全面開展鍋爐燃燒情況摸底試驗(yàn)，確定合理的邊界條件，制定切合實(shí)際的低氮燃燒改造方案;二要加強(qiáng)管理，提高低氮燃燒器的制造和施工質(zhì)量;三要系統(tǒng)開展燃燒優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)，制定科學(xué)規(guī)范、操作性強(qiáng)的燃燒調(diào)整指導(dǎo)手冊;四要加強(qiáng)培訓(xùn)管理，提高運(yùn)行人員技能水平，著力解決改造后可能出現(xiàn)的高溫腐蝕、爐膛結(jié)焦、蒸汽參數(shù)異常、鍋爐效率下降等影響機(jī)組安全經(jīng)濟(jì)的突出問題。

3.2 SCR

SCR是目前我國控制NOx最有效、應(yīng)用最廣的技術(shù)，脫硝效率可達(dá)80%～90%。

在實(shí)施SCR超低排放改造時(shí)，必須結(jié)合鍋爐低氮燃燒后NOx的生成量和NOx的排放限值，一爐一策，進(jìn)行針對性設(shè)計(jì)，且脫硝效率不宜超過90%。由于排放限值的降低，影響SCR運(yùn)行特性的因素變得更為敏感，稍有波動就會造成排放超標(biāo)，為此，對實(shí)施超低排放改造的SCR，無論在設(shè)計(jì)階段、還是工程建設(shè)、設(shè)備成套、運(yùn)行調(diào)整、系統(tǒng)優(yōu)化、檢修維護(hù)等階段，都應(yīng)更精細(xì)，確保穩(wěn)定可靠地實(shí)現(xiàn)NOx的超低排放。

建議:一要高度重視設(shè)計(jì)邊界條件，設(shè)計(jì)裕度合理;對于技改項(xiàng)目，一定要掌握當(dāng)前SCR的真實(shí)運(yùn)行情況，并對催化劑的活性和脫硝性能進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。二要強(qiáng)化物模數(shù)模工作，提高入口氣流分布的均勻性(流速的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差宜小于±10%)。三要結(jié)合氣流和NOx濃度分布的均勻性，進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)和運(yùn)行調(diào)整，提高氨氮混合的均勻性(相對標(biāo)準(zhǔn)偏差宜小于±8%)。四要關(guān)注鍋爐啟停、機(jī)組低負(fù)荷和變負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，NOx排放濃度的超標(biāo)問題，結(jié)合機(jī)組的實(shí)際的運(yùn)行情況，制定相應(yīng)的改進(jìn)措施，提高機(jī)組全工況的達(dá)標(biāo)能力。五要加強(qiáng)SCR可能產(chǎn)生的次生物和潛在風(fēng)險(xiǎn)的管理，如氨逃逸的增加、SO3形成量的增加，以及由此引起的空預(yù)器結(jié)垢堵塞、尾部煙道腐蝕、煙塵氨超標(biāo)、脫硫廢水氨氮超標(biāo)等現(xiàn)象。六要開展催化劑全生命周期的管理，掌握催化劑的運(yùn)行狀態(tài)，為科學(xué)合理地制定維護(hù)/再生/更換方案提供技術(shù)依據(jù)。七要配置先進(jìn)的在線氨測量儀，確保氨逃逸濃度測量的準(zhǔn)確性，避免氨過量噴射造成的經(jīng)濟(jì)損失以及由此造成的下游設(shè)備結(jié)垢堵塞等問題。八要配置先進(jìn)的低濃度在線多點(diǎn)NOx測量儀，提高NOx測量的準(zhǔn)確性，進(jìn)而提升SCR系統(tǒng)的自動控制性能。

3.3 FGD

石灰石－石膏濕法是目前我國應(yīng)用最廣的煙氣脫硫技術(shù)，脫硫效率可達(dá)95%～99%。

在實(shí)施FGD超低排放改造時(shí)，必須結(jié)合燃煤硫分和SO2的排放限值，以及協(xié)同除塵要求和場地條件，一爐一策，制定合理的改造方案。由于排放限值的降低，影響FGD運(yùn)行特性的因素變得更為敏感，稍有波動就會造成排放超標(biāo)，為此，對實(shí)施超低排放改造的FGD，一方面要嚴(yán)格控制燃煤質(zhì)量，確保燃煤硫分相對穩(wěn)定;另一方面在FGD設(shè)計(jì)、工程建設(shè)、設(shè)備成套、運(yùn)行調(diào)整、系統(tǒng)優(yōu)化、檢修維護(hù)等階段，都應(yīng)更精細(xì)，確保穩(wěn)定可靠地實(shí)現(xiàn)SO2的超低排放。

建議:一要高度重視設(shè)計(jì)邊界條件，特別是煙氣流量、SO2濃度、煙塵濃度等參數(shù);對于技改項(xiàng)目，一定要掌握當(dāng)前FGD的真實(shí)運(yùn)行情況，并系統(tǒng)開展FGD性能優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)，最大限度地挖掘FGD的潛在功能。二要強(qiáng)化數(shù)模工作，提高入口氣流分布的均勻性(流速的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差宜小于±12%)。三要結(jié)合FGD協(xié)同除塵的要求，合理配置漿液噴嘴數(shù)量和除霧器結(jié)構(gòu)形式。對于協(xié)同除塵50%的要求，漿液噴淋覆蓋率宜控制在200%～250%，除霧器宜采用2～3級屋脊式和管式的組合;對于協(xié)同除塵75%以上的要求，漿液噴淋覆蓋率宜控制在250%～300%，除霧器宜采用3級改進(jìn)型屋脊式，且各級除霧器的葉片間距應(yīng)差異化設(shè)計(jì)，使石膏液滴攜帶量減少到20～30mg/m3。四要關(guān)注脫硫副產(chǎn)物的氧化特性，配置合理的氧化風(fēng)機(jī)和漿池容積，確保脫硫副產(chǎn)物的充分氧化和石膏結(jié)晶。氧化風(fēng)機(jī)宜按氧硫比2.5～3配置，漿池容積宜按漿液停留時(shí)間4～4.5min配置。五要配置先進(jìn)的低濃度在線多點(diǎn)SO2測量儀，提高SO2測量的準(zhǔn)確性;配置先進(jìn)的pH計(jì)、密度計(jì)等在線監(jiān)測儀表，進(jìn)而提升FGD系統(tǒng)的自動控制性能和精細(xì)化控制水平。六要加強(qiáng)FGD可能產(chǎn)生的次生物和潛在風(fēng)險(xiǎn)的管理，如石膏液滴攜帶造成的石膏雨等現(xiàn)象。

3.4 煙塵

對于顆粒物的超低排放，目前國內(nèi)主要采用高效干法除塵(包括電除塵、電袋除塵和布袋除塵)、低低溫電除塵、FGD協(xié)同除塵和濕法電除塵相結(jié)合的方式，綜合除塵效率可達(dá)99.9%～99.99%。

在實(shí)施煙塵超低排放改造時(shí)，必須結(jié)合燃煤灰分和顆粒物的排放限值，以及干法除塵形式、FGD協(xié)同除塵的作用和場地條件等，一爐一策，制定合理的改造方案。由于排放限值的降低，影響顆粒物排放的因素變得更為敏感，稍有波動就會造成排放超標(biāo)，為此，對實(shí)施煙塵超低排放改造的項(xiàng)目，一方面要嚴(yán)格控制燃煤質(zhì)量，確保燃煤灰分相對穩(wěn)定;另一方面要統(tǒng)籌考慮干法除塵、低低溫電除塵、FGD協(xié)同除塵、FGD攜帶液滴和濕法電除塵的除塵性能，分級控制，確保實(shí)現(xiàn)顆粒物的超低排放。

建議:一要高度重視干法除塵的設(shè)計(jì)邊界條件，特別是煙氣流量、煙塵濃度等參數(shù);對于技改項(xiàng)目，一定要掌握當(dāng)前干法除塵的真實(shí)運(yùn)行情況，并系統(tǒng)開展除塵性能優(yōu)化調(diào)整試驗(yàn)，最大限度地挖掘除塵設(shè)施的潛在功能。二要制定切合實(shí)際的干法除塵改造方案。在場地條件許可的情況下，應(yīng)充分利舊，對電除塵器進(jìn)行升級改造，如增加電場、增加極板高度、采用高頻、脈沖、三相、高頻脈沖等先進(jìn)電源、加裝旋轉(zhuǎn)電極、加裝煙塵凝并裝置等，改造后煙塵排放應(yīng)控制在30mg/m3以下;也可在電除塵器入口增設(shè)低低溫省煤器，同時(shí)對電除塵器進(jìn)行防腐、耐磨，以及除塵系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)件和灰斗的優(yōu)化改造，改造后煙塵排放應(yīng)控制在20mg/m3以下。在場地條件不許可的情況下，可將電除塵器改造為電袋或布袋，改造后煙塵排放應(yīng)控制在10～20mg/m3以下。三要結(jié)合FGD升級改造，確定可實(shí)現(xiàn)的協(xié)同除塵效果和液滴攜帶量。對于配置濕法電除塵器的方案，F(xiàn)GD的協(xié)同除塵效果宜不小于50%、液滴攜帶量宜不大于40～50mg/m3;對于不配置濕法電除塵器的方案，F(xiàn)GD的協(xié)同除塵效果宜不小于75%、液滴攜帶量宜不大于20～30mg/m3，且顆粒物的排放濃度應(yīng)控制在5～10mg/m3以下。四要結(jié)合FGD出口顆粒物的濃度和顆粒物排放要求(5mg/m3、10mg/m3或其他)，合理配置濕法電除塵器，且電場風(fēng)速宜不大于2.5～2.8m/s，比集塵面積宜不小于25m2/m3/s。五要配置先進(jìn)的低濃度在線多點(diǎn)濕式顆粒物測量儀，確保顆粒物排放濃度測量的準(zhǔn)確性。

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［8］張潔，孫衛(wèi)民，舒澤平.發(fā)電集團(tuán)應(yīng)對燃煤電廠超低排放的思考［J］.電力科技與環(huán)保，2015，31(4):38－40.

Study on the ultra－low emission comprehensive technology of coal－fired power plants

It is difficult for power plants to implement ultra－low emission technology in power industry.The ultra－low emission control policy was proposed during the implementation of ultra－low emission technology.According to new and active duty units，different integrated control lines were studied，respectively.Attention was elaborated on nitrogen oxides，dust，sulfur dioxides during the implementation of ultra－low emission route.

power plant;ultra－low emission;comprehensive technology

X701.7

B

1674－8069(2016)03－012－04

2016-01-20;

2016-02-21

薛建明(1965-)，男，江蘇常熟人，高級工程師，長期從事火電廠環(huán)保與資源節(jié)約包括SO2、NOx、煙塵、CO2、汞等多污染物控制技術(shù)的研究、開發(fā)和工程應(yīng)用。E－mail:xjm_gdhb@126.com

國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(863計(jì)劃)(2013AA065401)