燃煤電廠煙氣多污染物協(xié)同治理技術(shù)

楊 丁，葉 凱，郭 ?。ǜ＝垉舡h(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

燃煤電廠煙氣多污染物協(xié)同治理技術(shù)

楊 丁，葉 凱，郭 俊
（福建龍凈環(huán)保股份有限公司，福建 龍巖 364000）

從我國(guó)大氣環(huán)保的嚴(yán)峻形勢(shì)出發(fā)，論述并分析了燃煤電廠現(xiàn)有常規(guī)除塵、脫硫、脫硝設(shè)備之間的相互影響及多污染物協(xié)同治理的潛力，討論了燃煤煙氣污染控制設(shè)備對(duì)煙氣汞、三氧化硫和細(xì)顆粒物的協(xié)同脫除技術(shù)，提出了燃煤煙氣多污染物協(xié)同治理技術(shù)是應(yīng)對(duì)未來(lái)我國(guó)環(huán)保形勢(shì)的較佳選擇。

燃煤電廠；脫硝；除塵；脫硫；煙氣汞；多污染物；協(xié)同控制

1　背景

作為我國(guó)大氣污染物排放大戶，燃煤火電行業(yè)的污染物排放一直受到國(guó)家的高度關(guān)注，隨著環(huán)保形勢(shì)的嚴(yán)峻化，國(guó)家不斷加大環(huán)保力度并提出了愈趨嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)及限值。國(guó)家“十二五”規(guī)劃提出了主要污染物排放總量減少8%～10%的減排目標(biāo)，《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223-2011）對(duì)燃煤火電廠的煙塵、二氧化硫、氮氧化物的排放限值要求均有大幅提高（現(xiàn)有鍋爐煙塵限值30mg/m3，二氧化硫限值200mg/m3，氮氧化物限值100mg/m3），并首次提出了煙氣Hg排放限值為0.03mg/m3的要求。2013年3月環(huán)保部對(duì)19個(gè)省（區(qū)、市）包括火電在內(nèi)的六大重污染行業(yè)提出特別排放限值要求，進(jìn)一步提高了排放控制要求（燃煤電廠煙塵排放限值20mg/m3、二氧化硫限值50mg/m3）。2014年9月12日，國(guó)家發(fā)改委、環(huán)保部、國(guó)家能源局聯(lián)合印發(fā)的《煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃》提出，東部地區(qū)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10mg/m3、35mg/m3、50mg/m3），中部地區(qū)新建機(jī)組原則上接近或達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值，鼓勵(lì)西部地區(qū)新建機(jī)組接近或達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值。支持同步開(kāi)展大氣污染物聯(lián)合協(xié)同脫除，減少三氧化硫、汞、砷等污染物排放。

盡管我國(guó)目前已經(jīng)具備高效除塵、脫硫、脫硝技術(shù)及設(shè)備，但一般均是污染物控制設(shè)備單獨(dú)控制，各自為戰(zhàn)。這種單一控制模式存在三個(gè)問(wèn)題：1）采用單一的設(shè)備難以滿足上述愈趨嚴(yán)格的污染物排放（如煙塵）要求；2）各單一污染物控制設(shè)備之間存在相互不利的影響，可能影響整個(gè)污染物控制系統(tǒng)甚至鍋爐的安全穩(wěn)定運(yùn)行；3）單一控制模式忽略了設(shè)備對(duì)其他類型的污染物脫除的貢獻(xiàn)作用，即污染物控制技術(shù)之間的協(xié)同能力。因此，需要對(duì)燃煤電廠各種主流污染物控制工藝進(jìn)行分析，研究主要煙氣污染物控制設(shè)備之間的相互影響，充分利用燃煤電廠煙氣中粉塵、二氧化硫、氮氧化物脫除設(shè)備之間的協(xié)同作用及對(duì)其他污染物如汞、三氧化硫及細(xì)顆粒物的協(xié)同脫除能力，通過(guò)污染物控制設(shè)備之間的綜合作用，實(shí)現(xiàn)煙氣污染物的協(xié)同治理。

2　主要污染物治理設(shè)備的相互影響

2.1SCR煙氣脫硝系統(tǒng)對(duì)下游除塵設(shè)備的影響

加裝SCR脫硝系統(tǒng)后，煙氣組成中的陰電性氣體分子（如SO2、O2、H2O和CO2等），特別是SO3濃度的含量顯著提高，有利于改善電除塵器的性能和降低飛灰比電阻，提高電除塵器的除塵效率。而對(duì)于電袋復(fù)合除塵器，煙氣中氮氧化物濃度的降低也能夠減輕NO2對(duì)PPS濾袋的腐蝕損壞，延長(zhǎng)濾袋的使用壽命。SO3、NH3及水反應(yīng)生成黏性沉積物銨鹽可能造成空預(yù)器或除塵器的堵塞及腐蝕。

2.2除塵器高粉塵濃度排放對(duì)濕法脫硫設(shè)備的影響

濕法FGD系統(tǒng)對(duì)其入口煙氣粉塵濃度有較高的要求，除塵器的除塵效率下降會(huì)導(dǎo)致除塵器高濃度粉塵排放。圖1為某機(jī)組脫硫塔脫硫效率與其煙氣粉塵含量的關(guān)系。

圖1　某機(jī)組脫硫塔脫硫效率與其煙氣粉塵含量的關(guān)系

（1）除塵器高粉塵濃度排放對(duì)脫硫漿液的影響

當(dāng)除塵器出口粉塵濃度較高時(shí)，被吸收于漿液中的粉塵會(huì)在一定程度上影響氣液兩相的接觸面，進(jìn)而增大SO2吸收的傳質(zhì)阻力，影響SO2的吸收性能；高濃度的煙氣粉塵會(huì)阻礙SO2與脫硫劑的接觸，降低石灰石的溶解速率，且粉塵在漿液中溶解的金屬陽(yáng)離子（如Fe3+，Al3+等）會(huì)與CO32-結(jié)合，形成難溶的碳酸鹽沉淀覆蓋在石灰石顆粒表面，阻礙H+向石灰石顆粒表面的擴(kuò)散從而抑制其溶解，影響脫硫漿液中吸收劑活性；粉塵溶解的部分金屬離子，如Fe3+、Mn2+等對(duì)亞硫酸鈣的氧化具有促進(jìn)作用，但粉塵含量過(guò)多會(huì)在漿液中懸浮并覆蓋在亞硫酸鈣固體表面，阻礙其溶解和向液相中釋放亞硫酸根離子，從而降低亞硫酸鈣的氧化速率；在實(shí)際運(yùn)行中，還會(huì)出現(xiàn)因電除塵器出口排放粉塵濃度過(guò)高或者是油污而造成吸收塔內(nèi)漿液起泡現(xiàn)象。

（2）除塵器高粉塵濃度排放對(duì)脫硫石膏和其他設(shè)備的影響

煙氣粉塵含量過(guò)高不僅會(huì)影響脫硫反應(yīng)的進(jìn)行，而且其中大量存在的酸不溶物對(duì)石膏品質(zhì)也有較大的影響，主要體現(xiàn)在石膏的色度、純度、重金屬含量上。如果漿液中的粉塵含量過(guò)高，細(xì)顆粒粉塵將會(huì)夾雜在石膏晶體中阻塞結(jié)晶水通道，并導(dǎo)致石膏脫水困難，使得石膏含水率超標(biāo)，并且二水硫酸鈣含量將達(dá)不到保證值，同時(shí)會(huì)造成石膏白度下降，甚至呈黑色或灰褐色稀泥狀。此外，脫硫塔內(nèi)煙氣和吸收漿液中含有過(guò)量的粉塵，會(huì)對(duì)吸收塔、除霧器、真空皮帶脫水機(jī)、增壓風(fēng)機(jī)、漿液循環(huán)泵葉輪和管道、攪拌器、石膏旋流器等關(guān)鍵設(shè)備造成磨損，影響使用壽命。

2.3濕法煙氣脫硫系統(tǒng)對(duì)其他設(shè)備的影響

目前國(guó)內(nèi)大部分電廠的濕法脫硫系統(tǒng)都不設(shè)GGH，在完成煙氣SO2的吸收后，吸收塔出口的煙氣溫度較低，且含有飽和水蒸汽，煙氣處于結(jié)露現(xiàn)象。低溫下含飽和水蒸汽的凈煙氣很容易產(chǎn)生冷凝酸。據(jù)實(shí)測(cè)，在凈煙道或煙囪中的凝結(jié)物pH值約在1～2之間，硫酸濃度可達(dá)60%，具有很強(qiáng)的腐蝕性，因而對(duì)脫硫系統(tǒng)的后續(xù)設(shè)備（如尾部煙道及煙囪）存在一定的腐蝕風(fēng)險(xiǎn)。此外，煙氣中SO3（或H2SO4酸霧）和漿液滴的存在可能形成“石膏雨”“藍(lán)煙”等環(huán)境問(wèn)題；燃煤煙氣經(jīng)過(guò)濕法脫硫系統(tǒng)的噴淋洗滌后，煙氣中顆粒物的粒徑分布峰值向小粒徑方向遷移，且細(xì)顆粒成分也會(huì)明顯增加。

3　燃煤電廠煙氣多污染物協(xié)同治理技術(shù)

燃煤電廠的常規(guī)除塵、脫硫、脫硝設(shè)備不僅能夠脫除各自的主要污染對(duì)象，很多設(shè)備還具備脫除其他類型污染物的潛力，所以可以充分利用現(xiàn)有污染物控制設(shè)備的多污染物協(xié)同控制潛力，實(shí)現(xiàn)燃煤電廠煙氣多污染物的綜合治理。以下介紹煙氣中幾種典型污染物的協(xié)同脫除作用。

3.1燃煤電廠煙氣Hg的協(xié)同脫除

根據(jù)美國(guó)電力研究協(xié)會(huì)（EPRI）統(tǒng)計(jì)：SCR煙氣脫硝系統(tǒng)在降低煙氣NOx含量的同時(shí)也能夠促進(jìn)Hg2+的生成，從而有利于汞在后續(xù)的除塵、脫硫裝置去除。圖2為國(guó)內(nèi)某電廠SCR脫硝系統(tǒng)前后各種形態(tài)的汞含量及總汞變化情況。SCR脫汞機(jī)理研究表明，Hg0首先吸附在催化劑活性中心上，煙氣中的O2和HCl再將Hg0氧化為Hg2+，Hg2+最后從活性中心脫附，而且汞的氧化效率受煙氣流速、氨濃度和HCl濃度共同影響，低流速利于增大催化劑與Hg0接觸時(shí)間，但過(guò)高的停留時(shí)間會(huì)導(dǎo)致NH3還原效應(yīng)增強(qiáng)，使Hg2+還原為Hg0，因此找到最佳停留時(shí)間對(duì)SCR催化劑協(xié)同脫汞有重要意義。另外，Hg0的氧化效率隨HCl濃度升高而增加，提高煙氣HCl含量有助于Hg0的氧化，但同時(shí)考慮到脫硫漿液對(duì)氯離子的控制，應(yīng)保證煙氣含氯不超過(guò)限值。

圖2　SCR前后各形態(tài)汞及總汞變化情況

燃煤電廠的煙氣除塵裝置對(duì)汞也有一定的脫除能力。靜電除塵裝置對(duì)煙氣中的HgO和Hg2+有一定的脫除能力，對(duì)顆粒態(tài)汞（Hgp）的脫除具有明顯的效果（脫除率可達(dá)90%以上），測(cè)試的部分電廠煤粉鍋爐靜電除塵器（ESP）對(duì)煙氣汞的形態(tài)（Hgp、Hg2+和Hg0）和濃度的影響如圖3所示。測(cè)試結(jié)果表明，煙氣中HgP所占比例平均值由ESP前的28.4%下降到ESP后的5.3%；電袋和布袋除塵裝置均具有良好的脫汞性能。煙氣以較低的流速通過(guò)布袋的濾料，粉塵在濾料表面形成濾餅，這層濾餅可以強(qiáng)化汞在飛灰上的吸附和為Hg0的多相氧化提供催化介質(zhì)，且電袋和布袋除塵裝置在脫除亞微米級(jí)飛灰顆粒呈現(xiàn)相對(duì)較高的效率，而亞微米級(jí)飛灰易富集汞，因此電袋和布袋除塵裝置對(duì)汞的脫除效果要高于靜電除塵裝置。除塵系統(tǒng)對(duì)煙氣中HgT的脫除效果如圖4所示。

SCR裝置與ESP具有協(xié)同脫汞作用，具有SCR脫硝系統(tǒng)時(shí)，ESP的脫汞效率可以達(dá)到80.6%，SCR催化劑對(duì)煙氣中Hg0有催化氧化作用，使得部分Hg0轉(zhuǎn)化成Hg2+，Hg2+易于吸附在飛灰顆粒物表面，在靜電除塵器內(nèi)被協(xié)同脫除，安裝SCR的機(jī)組靜電除塵器的脫汞效果明顯優(yōu)于未安裝SCR的機(jī)組。

圖3　ESP前后煙氣各形態(tài)汞的濃度變化

圖4　除塵器對(duì)HgT的脫除效率

由于Hg2+易溶于水的特性，所以濕法脫硫裝置能夠有效脫除Hg2+，但對(duì)不溶于水的Hg0無(wú)控制作用。測(cè)試的部分電廠WFGD系統(tǒng)的協(xié)同脫汞效率如圖5所示。需要特別注意的是，脫硫漿液中的亞硫酸鹽的存在會(huì)將吸收的部分Hg2+還原為Hg0。SCR裝置與WFGD系統(tǒng)具有協(xié)同脫汞作用，無(wú)SCR時(shí)，WFGD系統(tǒng)平均脫汞效率為34.2%，有SCR時(shí)，WFGD系統(tǒng)平均脫汞效率為40.0%。

圖5　WFGD對(duì)HgT的脫除效率

為滿足更高的排放要求，部分電廠在濕法脫硫裝置后安裝濕式電除塵器，濕式電除塵器對(duì)PM2.5超細(xì)粉塵和SO3酸霧等污染物有很強(qiáng)的捕集能力，同時(shí)在經(jīng)過(guò)除塵、脫硫等設(shè)備自身脫汞之后較低的汞濃度條件下，經(jīng)試驗(yàn)證明還具有協(xié)同脫汞能力，濕式電除塵器可達(dá)到75%以上的脫汞效率。

3.2低低溫高效煙氣治理系統(tǒng)對(duì)煙氣SO3的協(xié)同控制

低低溫電除塵技術(shù)是從電除塵器及濕法煙氣脫硫工藝的單一除塵和脫硫工藝路線演變而來(lái)，1997年日本三菱率先在大型燃煤火電機(jī)組中開(kāi)始推廣應(yīng)用基于MGGH使電除塵器（ESP）在90℃ 左右運(yùn)行的低低溫電除塵工藝，由于該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)非常明顯，之后在日本得到了迅速發(fā)展（其工程應(yīng)用案例見(jiàn)表1，工藝流程如圖6）。

表1　三菱公司高效煙氣治理系統(tǒng)的工程應(yīng)用

圖6　低低溫高效煙氣治理系統(tǒng)工藝流程圖

電除塵器入口煙氣溫度降至酸露點(diǎn)溫度以下，氣態(tài)SO3將轉(zhuǎn)化為液態(tài)的硫酸霧。因電除塵器入口含塵濃度很高，粉塵總表面積很大，為硫酸霧凝結(jié)附著提供了良好條件，80℃～90℃低低溫電除塵系統(tǒng)對(duì)H2SO4酸霧的脫除效率明顯高于130℃～150℃的常規(guī)電除塵系統(tǒng)。此外，電除塵器進(jìn)口煙氣溫度降低，顯著降低粉塵比電阻，提高電除塵器運(yùn)行電壓，同時(shí)吸收了SO3的粉塵的比電阻進(jìn)一步降低，有利于提高電除塵器的效率，很好地實(shí)現(xiàn)了污染物的高效協(xié)同脫除。

國(guó)內(nèi)諸多傳統(tǒng)電除塵器廠家，在借鑒三菱與日立高效煙氣治理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，將電除塵器進(jìn)口煙氣換熱降溫與電除塵器提效相結(jié)合，換熱裝置所吸收的熱量供給鍋爐給水。表2給出了國(guó)內(nèi)660MW機(jī)組大小的工程項(xiàng)目，采用換熱器對(duì)電除塵器進(jìn)口煙氣進(jìn)行降溫后，使得煙氣中SO3濃度從電除塵器入口的30mg/Nm3下降到5mg/Nm3左右，通過(guò)低低溫電除塵器的協(xié)同作用，有效去除煙氣中的SO3。

表2　實(shí)測(cè)低低溫電除塵器對(duì)SO3的協(xié)同控制

3.3燃煤電廠煙氣中細(xì)顆粒物的協(xié)同脫除

煤粉燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的微細(xì)顆粒物，從其粒徑分布來(lái)看，包括超細(xì)模態(tài)與粗模態(tài)，超細(xì)模態(tài)顆粒物粒徑在1μm以下，稱為亞微米顆粒，占飛灰總質(zhì)量的0.2%～2.2%；粗模態(tài)顆粒物粒徑通常大于1μm，稱為超微米顆粒，主要是焦炭燃燒后的殘留物。這些顆粒物主要來(lái)自煤中的礦物質(zhì)，經(jīng)過(guò)復(fù)雜的物理化學(xué)過(guò)程（如圖7、圖8）最終會(huì)形成亞微米顆粒（PM1）和殘灰顆粒（＞0.4μm）。

（1）除塵器對(duì)燃煤細(xì)顆粒物的協(xié)同控制作用

華中科技大學(xué)劉小偉等選擇國(guó)內(nèi)較為典型的200MW機(jī)組上海東方鍋爐廠中間再熱、自然循環(huán)鍋爐配套的5電場(chǎng)電除塵器進(jìn)出口進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表3。國(guó)內(nèi)某循環(huán)流化床鍋爐配套的電袋除塵器進(jìn)出口的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表4。

圖7　燃煤內(nèi)在礦物的成灰機(jī)理

圖8　燃煤外在礦物質(zhì)的成灰機(jī)理

表3　200MW機(jī)組電除塵器進(jìn)出口煙氣顆粒物含量

表4　210t/h鍋爐電袋復(fù)合除塵器進(jìn)出口煙氣顆粒物含量

從表3、表4所示數(shù)據(jù)分析，除塵器進(jìn)口PM10占比小于10%，PM2.5占比小于3%，PM1占比小于1%，電除塵器與電袋除塵器對(duì)于PM10以上顆粒的脫除效率大于99.44%，對(duì)于PM1以下顆粒物去除率大于95%。

（2）濕法煙氣脫硫?qū)︻w粒物的協(xié)同去除作用

近年來(lái)，國(guó)外學(xué)者陸續(xù)開(kāi)展了一些對(duì)電廠WFGD系統(tǒng)前后顆粒物成分的研究，荷蘭的Meij等發(fā)現(xiàn)，靜電除塵裝置（eleclrostatic precipitator，ESP）排放的煙氣經(jīng)過(guò)WFGD系統(tǒng)后，顆粒物質(zhì)量濃度由WFGD入口處的約100mg/Nm3下降到出口的10mg/Nm3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)）以下。

國(guó)內(nèi)華中科技大學(xué)周科等對(duì)某電站1、2號(hào)300MW機(jī)組燃煤鍋爐進(jìn)行煙氣顆粒物采樣試驗(yàn)，對(duì)濕法煙氣脫硫進(jìn)出口顆粒物進(jìn)行測(cè)試與分析，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖9。

圖9 脫硫裝置入口和出口PM10的濃度與粒徑分布

圖9表明，經(jīng)過(guò)脫硫裝置后低壓撞擊器收集到的第1～6級(jí)顆粒物濃度由3.7mg/Nm3增至9.6mg/Nm3，總量增加了159.5%；而第7～13級(jí)顆粒物的濃度由185.4mg/Nm3減至111.8mg/Nm3，總量減少39.7%。

國(guó)內(nèi)部分項(xiàng)目濕法脫硫進(jìn)出口顆粒物濃度的測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表5，在除塵器出口（脫硫塔進(jìn)口）顆粒物濃度為15～45mg/Nm3時(shí)，濕法脫硫?qū)︻w粒物脫除效率接近40%～50%，與國(guó)內(nèi)外部分研究結(jié)果基本一致。

表5　國(guó)內(nèi)部分燃煤電廠濕法煙氣脫硫進(jìn)出口濃度

4　結(jié)語(yǔ)

隨著燃煤電廠環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)格化及大氣環(huán)保形勢(shì)的日益嚴(yán)峻，控制指標(biāo)趨向多樣化，一味地增設(shè)環(huán)保設(shè)備可能使得電廠的污染物治理系統(tǒng)龐大復(fù)雜，可能影響鍋爐及整個(gè)煙氣治理系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，采用燃煤煙氣多污染物協(xié)同控制技術(shù)已然成為較佳的選擇。基于現(xiàn)有的除塵、脫硫、脫硝設(shè)備存在著相互協(xié)同的有利因素，且對(duì)其他污染物如煙氣Hg、SO3和細(xì)顆粒物也存在協(xié)同控制，可以在研究污染物控制設(shè)備之間相互影響及多污染物控制技術(shù)的協(xié)同效應(yīng)的基礎(chǔ)上，充分利用設(shè)備間的協(xié)同控制能力，采用合理的治理方案，實(shí)現(xiàn)燃煤電廠多污染物的協(xié)同脫除。

［1］ 郭俊，馬果駿，閻冬，等．論燃煤煙氣多污染協(xié)同治理新模式［J］．電力科技與環(huán)保，2012．

［2］ 劉軼，蔣潔，文杰，等．脫硝裝對(duì)袋式除塵器運(yùn)行的影響及其防治措施［J］．污染防治技術(shù)，2013，26（5）．

［3］ 劉鵬程，吳樹(shù)志．煙氣飛灰對(duì)濕法脫硫工藝影響探討［C］．2009年全國(guó)電力行業(yè)脫硫脫硝技術(shù)協(xié)作網(wǎng)年會(huì)暨脫硫脫硝企業(yè)CEO論壇論文集，2009．

［4］ Mori T，Marsuda S，Nakajima F，et al． Effect of A13+ and F- desulfurization reaction in the limestone slurry scrubbing process．Ⅰnd Eng Chem Process Des Dev，1981，20（1）．

［5］ 姜孝國(guó)，邵愛(ài)華，任自華．關(guān)于SCR脫硝SO3轉(zhuǎn)化率問(wèn)題的探討［J］．鍋爐制造，2014（2）．

［6］ 酈建國(guó)，龍輝，酈祝海，等．低低溫電除塵技術(shù)研究及應(yīng)用［C］．第十五屆中國(guó)電除塵學(xué)術(shù)會(huì)議論文集，2013．

［7］ 周科，聶劍平，張廣才，等．濕法煙氣脫硫燃煤鍋爐煙氣顆粒物的排放特性研究［J］．熱力發(fā)電，2013（8）．

Technology for Treatment of Flue Gas Multi-pollutants in Coal-fired Power Plant

YANG Ding， YE Kai， GUO Jun
（Fujian Longking Environmental Protection Co.， Ltd， Fujian Longyan 364000， China）

The paper discusses and analyzes the mutual influence between the general dust removal， desulfurization，denitration equipment and potential of multi-pollutant treatment in coordination in coal-fired power plant； talks over the works of coal-fired flue gas pollution control equipment in coordination with the removal technologies of flue gas mercury， SO3and fine particulates； points out that the system treatment technologies of coal-fired flue gas multi-pollutant are the best choices to confront the future environmental protection situation in our country.

coal-fired power plant； denitration； dust removal； desulfurization； flue gas mercury； multi-pollutant； coordinating control

X701

A

1006-5377（2016）07-0055-06