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）

從我國大氣環(huán)保的嚴峻形勢出發(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)備對煙氣汞、三氧化硫和細顆粒物的協(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)對未來我國環(huán)保形勢的較佳選擇。

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家的高度關(guān)注，隨著環(huán)保形勢的嚴峻化，國家不斷加大環(huán)保力度并提出了愈趨嚴格的排放標準及限值。國家“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，《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011）對燃煤火電廠的煙塵、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19個?。▍^(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，國家發(fā)改委、環(huán)保部、國家能源局聯(lián)合印發(fā)的《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃》提出，東部地區(qū)新建燃煤發(fā)電機組大氣污染物排放濃度基本達到燃氣輪機組排放限值（即在基準氧含量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)新建機組原則上接近或達到燃氣輪機組排放限值，鼓勵西部地區(qū)新建機組接近或達到燃氣輪機組排放限值。支持同步開展大氣污染物聯(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)備單獨控制，各自為戰(zhàn)。這種單一控制模式存在三個問題：1）采用單一的設(shè)備難以滿足上述愈趨嚴格的污染物排放（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，可能影響整個污染物控制系統(tǒng)甚至鍋爐的安全穩(wěn)定運行；3）單一控制模式忽略了設(shè)備對其他類型的污染物脫除的貢獻作用，即污染物控制技術(shù)之間的協(xié)同能力。因此，需要對燃煤電廠各種主流污染物控制工藝進行分析，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)同作用及對其他污染物如汞、三氧化硫及細顆粒物的協(xié)同脫除能力，通過污染物控制設(shè)備之間的綜合作用，實現(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PPS濾袋的腐蝕損壞，延長濾袋的使用壽命。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濕法脫硫設(shè)備的影響

濕法FGD系統(tǒng)對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導(dǎo)致除塵器高濃度粉塵排放。圖1為某機組脫硫塔脫硫效率與其煙氣粉塵含量的關(guān)系。

圖1　某機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脫硫漿液的影響

當除塵器出口粉塵濃度較高時，被吸收于漿液中的粉塵會在一定程度上影響氣液兩相的接觸面，進而增大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離子（如Fe3+，Al3+等）會與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+等對亞硫酸鈣的氧化具有促進作用，但粉塵含量過多會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；在實際運行中，還會出現(xiàn)因電除塵器出口排放粉塵濃度過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脫硫石膏和其他設(shè)備的影響

煙氣粉塵含量過高不僅會影響脫硫反應(yīng)的進行，而且其中大量存在的酸不溶物對石膏品質(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高，細顆粒粉塵將會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，并且二水硫酸鈣含量將達不到保證值，同時會造成石膏白度下降，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量的粉塵，會對吸收塔、除霧器、真空皮帶脫水機、增壓風(fēng)機、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)對其他設(shè)備的影響

目前國內(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)實測，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60%，具有很強的腐蝕性，因而對脫硫系統(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。此外，煙氣中SO3（或H2SO4酸霧）和漿液滴的存在可能形成“石膏雨”“藍煙”等環(huán)境問題；燃煤煙氣經(jīng)過濕法脫硫系統(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，且細顆粒成分也會明顯增加。

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)美國電力研究協(xié)會（EPRI）統(tǒng)計：SCR煙氣脫硝系統(tǒng)在降低煙氣NOx含量的同時也能夠促進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接觸時間，但過高的停留時間會導(dǎo)致NH3還原效應(yīng)增強，使Hg2+還原為Hg0，因此找到最佳停留時間對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，但同時考慮到脫硫漿液對氯離子的控制，應(yīng)保證煙氣含氯不超過限值。

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汞也有一定的脫除能力。靜電除塵裝置對煙氣中的HgO和Hg2+有一定的脫除能力，對顆粒態(tài)汞（Hgp）的脫除具有明顯的效果（脫除率可達90%以上），測試的部分電廠煤粉鍋爐靜電除塵器（ESP）對煙氣汞的形態(tài)（Hgp、Hg2+和Hg0）和濃度的影響如圖3所示。測試結(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布袋的濾料，粉塵在濾料表面形成濾餅，這層濾餅可以強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飛灰顆粒呈現(xiàn)相對較高的效率，而亞微米級飛灰易富集汞，因此電袋和布袋除塵裝置對汞的脫除效果要高于靜電除塵裝置。除塵系統(tǒng)對煙氣中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，ESP的脫汞效率可以達到80.6%，SCR催化劑對煙氣中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的機組靜電除塵器的脫汞效果明顯優(yōu)于未安裝SCR的機組。

圖3　ESP前后煙氣各形態(tài)汞的濃度變化

圖4　除塵器對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+，但對不溶于水的Hg0無控制作用。測試的部分電廠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SCR時，WFGD系統(tǒng)平均脫汞效率為34.2%，有SCR時，WFGD系統(tǒng)平均脫汞效率為40.0%。

圖5　WFGD對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PM2.5超細粉塵和SO3酸霧等污染物有很強的捕集能力，同時在經(jīng)過除塵、脫硫等設(shè)備自身脫汞之后較低的汞濃度條件下，經(jīng)試驗證明還具有協(xié)同脫汞能力，濕式電除塵器可達到75%以上的脫汞效率。

3.2低低溫高效煙氣治理系統(tǒng)對煙氣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，1997年日本三菱率先在大型燃煤火電機組中開始推廣應(yīng)用基于MGGH使電除塵器（ESP）在90℃ 左右運行的低低溫電除塵工藝，由于該技術(shù)的優(yōu)點非常明顯，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，電除塵器進口煙氣溫度降低，顯著降低粉塵比電阻，提高電除塵器運行電壓，同時吸收了SO3的粉塵的比電阻進一步降低，有利于提高電除塵器的效率，很好地實現(xiàn)了污染物的高效協(xié)同脫除。

國內(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給出了國內(nèi)660MW機組大小的工程項目，采用換熱器對電除塵器進口煙氣進行降溫后，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　實測低低溫電除塵器對SO3的協(xié)同控制

3.3燃煤電廠煙氣中細顆粒物的協(xié)同脫除

煤粉燃燒時會產(chǎn)生大量的微細顆粒物，從其粒徑分布來看，包括超細模態(tài)與粗模態(tài)，超細模態(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。這些顆粒物主要來自煤中的礦物質(zhì)，經(jīng)過復(fù)雜的物理化學(xué)過程（如圖7、圖8）最終會形成亞微米顆粒（PM1）和殘灰顆粒（＞0.4μm）。

（1）除塵器對燃煤細顆粒物的協(xié)同控制作用

華中科技大學(xué)劉小偉等選擇國內(nèi)較為典型的200MW機組上海東方鍋爐廠中間再熱、自然循環(huán)鍋爐配套的5電場電除塵器進出口進行測試，測試結(jié)果見表3。國內(nèi)某循環(huán)流化床鍋爐配套的電袋除塵器進出口的測試結(jié)果見表4。

圖7　燃煤內(nèi)在礦物的成灰機理

圖8　燃煤外在礦物質(zhì)的成灰機理

表3　200MW機組電除塵器進出口煙氣顆粒物含量

表4　210t/h鍋爐電袋復(fù)合除塵器進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于PM10以上顆粒的脫除效率大于99.44%，對于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，國外學(xué)者陸續(xù)開展了一些對電廠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（標準狀態(tài)）以下。

國內(nèi)華中科技大學(xué)周科等對某電站1、2號300MW機組燃煤鍋爐進行煙氣顆粒物采樣試驗，對濕法煙氣脫硫進出口顆粒物進行測試與分析，測試結(jié)果見圖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)過脫硫裝置后低壓撞擊器收集到的第1～6級顆粒物濃度由3.7mg/Nm3增至9.6mg/Nm3，總量增加了159.5%；而第7～13級顆粒物的濃度由185.4mg/Nm3減至111.8mg/Nm3，總量減少39.7%。

國內(nèi)部分項目濕法脫硫進出口顆粒物濃度的測試結(jié)果見表5，在除塵器出口（脫硫塔進口）顆粒物濃度為15～45mg/Nm3時，濕法脫硫?qū)︻w粒物脫除效率接近40%～50%，與國內(nèi)外部分研究結(jié)果基本一致。

表5　國內(nèi)部分燃煤電廠濕法煙氣脫硫進出口濃度

4　結(jié)語

隨著燃煤電廠環(huán)保標準的嚴格化及大氣環(huán)保形勢的日益嚴峻，控制指標趨向多樣化，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煙氣治理系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行，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?；诂F(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，且對其他污染物如煙氣Hg、SO3和細顆粒物也存在協(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，實現(xiàn)燃煤電廠多污染物的協(xié)同脫除。

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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