黃治軍，方 茜，王衛(wèi)群,祁建民,孫 虹,華 偉，周心澄，楊林軍

(1.江蘇方天電力技術有限公司，江蘇 南京 211102；2.紹興市柯橋區(qū)環(huán)保監(jiān)測站，浙江 紹興 312000； 3.東南大學能源與環(huán)境學院，江蘇 南京 210096)

燃煤電站超低排放技術研究綜述

黃治軍，方 茜2，王衛(wèi)群1,祁建民1,孫 虹1,華 偉1，周心澄3，楊林軍3

(1.江蘇方天電力技術有限公司，江蘇 南京 211102；2.紹興市柯橋區(qū)環(huán)保監(jiān)測站，浙江 紹興 312000； 3.東南大學能源與環(huán)境學院，江蘇 南京 210096)

面對嚴峻的大氣環(huán)境形勢，我國提出了燃煤電站超低排放要求，從脫硝、除塵、脫硫三方面介紹了目前超低排放改造技術發(fā)展現(xiàn)狀，包括：低低溫電除塵、雙塔串聯(lián)、濕法脫硫高效除塵、濕式電除塵等技術的原理、特點，給出了不同方案工程應用實例；指出了燃煤電站超低排放存在的問題及進一步研究方向。

超低排放；脫硫；脫硝；除塵；協(xié)同治理

0 引言

《2015中國環(huán)境狀況公報》表明，2015年我國各污染物排放總量與前幾年相比有了明顯下降，但環(huán)保形勢仍然嚴峻。燃煤電站排放是污染物排放重要源頭之一，近年來國家對燃煤電站污染物排放提出的要求越來越高。2014年9月下發(fā)的《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014-2020年)》[2]要求新建燃煤發(fā)電機組大氣污染物排放濃度達到燃氣輪機組排放限值。2015年12月印發(fā)的《全面實施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》[3]進一步提出到 2020 年，全國所有具備改造條件的燃煤電廠力爭實現(xiàn)超低排放，并將東部地區(qū)、中部地區(qū)計劃改造完成時間分別提前至2017年和2018年。

超低排放形勢下，燃煤電站需要充分發(fā)揮減排潛力，優(yōu)化設計指標和工藝流程，集成高效經(jīng)濟的脫硝、除塵、脫硫技術，從綜合治理的角度出發(fā)，利用各煙氣凈化環(huán)節(jié)的相互影響，將各污染物高效協(xié)同脫除。本文將結(jié)合工程實例，簡要介紹近年來燃煤煙氣污染物超低排放技術的研究進展。

1 脫硝系統(tǒng)增效改造技術

我國燃煤電廠NOx排放控制主要采取的是燃燒控制和煙氣脫硝相結(jié)合的綜合防治措施[4]，目前我國大部分燃煤機組基本采用“低NOx燃燒器+SCR煙氣脫硝”的技術路線，超低排放改造主要采取的技術方案有高效SCR脫硝技術，優(yōu)化煙氣脫硝過程運行與監(jiān)測，結(jié)合增加催化劑層數(shù)、更換新催化劑等。

煙氣脫硝技術主要包括SCR脫硝技術、SNCR脫硝技術、SNCR-SCR脫硝技術三種。其中商業(yè)應用最為廣泛的是SCR脫硝技術，由日本在20世紀70年代將其工業(yè)化[5]，技術發(fā)展成熟，運行穩(wěn)定可靠?，F(xiàn)役機組SCR催化劑多為2層填裝，1層備用，在進行SCR脫硝系統(tǒng)超低排放改造時多改為3層填裝，部分電廠采用4層填裝。改造后一般可滿足超低排放要求。SCR脫硝技術下一步的研究重點在于開發(fā)寬溫度窗口、低成本、適應我國煙氣條件的催化劑，減少脫硝過程的氨逃逸，提升催化劑抗毒穩(wěn)定性，以及催化劑再生與無害化處理等[6]。

2 除塵系統(tǒng)增效改造技術

目前國內(nèi)技術成熟且實用性廣的除塵技術主要是靜電除塵和布袋除塵，以這兩種除塵技術為基礎，近年來應用較廣的改造技術有濕式電除塵技術、低低溫電除塵技術、電袋復合除塵技術、旋轉(zhuǎn)電極式電除塵技術、高頻高壓電源技術等。

2.1 濕式電除塵技術

燃煤電站濕法脫硫系統(tǒng)可通過慣性碰撞、布朗擴散等物理作用對燃煤煙氣中細顆粒物進行捕集脫除，在一定程度上可以實現(xiàn)顆粒物的協(xié)同脫除，但同時脫硫過程也會產(chǎn)生新的顆粒物[7-9]。為達到超低排放標準，脫硫系統(tǒng)后一般需要加裝濕式電除塵器(wet electrostatic precipitator,WESP)進行深度除塵。濕式電除塵器與干式除塵器的區(qū)別在于清灰方式，與干式電除塵器的振打清灰不同，濕式電除塵器無振打裝置，而是通過在集塵極上形成連續(xù)的水膜將捕集到的粉塵沖刷到灰斗中。濕式電除塵的清灰方式有效避免了二次揚塵和反電暈問題，對酸霧和重金屬也有一定協(xié)同脫除效果。濕式電除塵器根據(jù)陽極類型不同可分為金屬極板WESP、導電玻璃鋼WESP和柔性極板WESP[10]。

2.2 低低溫電除塵技術

低低溫電除塵技術是通過低溫省煤器或熱媒體氣氣換熱器將除塵器入口煙溫降至酸露點以下，一般在90 ℃左右。該技術優(yōu)勢[11]：(1)煙氣溫度降至酸露點以下，SO3在粉塵表面冷凝，粉塵比電阻降低，避免反電暈現(xiàn)象，提高除塵效率；(2)由于排煙溫度下降，煙氣量降低，減小了電場內(nèi)煙氣流速，增加了停留時間，能更有效地捕獲粉塵；(3)SO3冷凝后吸附在粉塵上，可被協(xié)同脫除。低低溫電除塵布置方案主要有兩種：方案一是在電除塵器前布置換熱器來降低煙溫至90℃～110℃，回收余熱用于加熱汽機冷凝水系統(tǒng)。方案二是在電除塵器前和脫硫吸收塔后各布置1套換熱器，將除塵器前回收的余熱用于脫硫后煙溫的再熱。國際上，日本對低低溫電除塵技術研究較為深入，目前日本多家電除塵器制造廠家均擁有低低溫電除塵技術的工程應用案例[12]。國內(nèi)研究起步較晚，但在超低排放背景下，多家電站進行了成功投運。華能長興電廠2×660MW機組除塵系統(tǒng)采用低低溫電除塵器，2014年投運，電除塵器出口煙塵濃度12mg/m3[13]。

2.3 電袋復合除塵技術

電袋復合技術是基于靜電除塵器和布袋除塵器兩種成熟的除塵技術提出的一種新型復合除塵技術，近幾年來發(fā)展迅速。研究表明[14]，電袋復合除塵器除塵機理不僅僅是靜電除塵和布袋除塵的疊加，兩者在除塵過程中存在相互影響，顆粒在電場中荷電、極化、凝并，增強了布袋對顆粒物的捕集能力。珠海發(fā)電廠1、2號機組(2×700MW)燃煤機組在2014年采用電袋復合技術對原有電除塵器進行超低排放改造，結(jié)果表明，改造后1、2號爐排放濃度由原先的70～100mg/m3降為3.15、2.55mg/m3，提效顯著[15]。

2.4 旋轉(zhuǎn)電極式電除塵技術

旋轉(zhuǎn)電極式靜電除塵器(也被稱為移動電極式靜電除塵器)，是將除塵器電場分為固定電極電場和旋轉(zhuǎn)電極電場兩部分，旋轉(zhuǎn)電極電場中陽極部分采用回轉(zhuǎn)的陽極板和旋轉(zhuǎn)清灰刷清灰，當粉塵隨移動的陽極板運動到非收塵區(qū)域后，被清灰刷刷除。粉塵被收集到收塵極板后尚未達到形成反電暈的厚度就被清灰刷刷除，極板始終保持清潔，避免了反電暈現(xiàn)象[16]。同時由于清灰刷位于非收塵區(qū)，最大限度減少了傳統(tǒng)振打清灰會造成的二次揚塵問題，確保了除塵效率。

2.5 高頻高壓電源技術

高頻高壓電源技術指通過大功率高頻開關，將輸入的工頻三相電流經(jīng)整流變?yōu)橹绷?，再?jīng)過逆變和轉(zhuǎn)換變?yōu)榻普业母哳l交流電源，再經(jīng)變壓器升壓整流，形成直流或窄脈沖等各種適合電除塵器運行的電壓波形。與工頻電源相比，高頻電源具有除塵效率高、轉(zhuǎn)換效率高、節(jié)能降耗等優(yōu)點。目前已有很多高頻高壓電源用于電除塵器改造。國電環(huán)境保護研究院研發(fā)了高頻+脈沖分區(qū)耦合節(jié)能提效電除塵技術，開發(fā)了高頻和脈沖供電電源裝置[18]，提升了電除塵對細顆粒的捕集能力。良村熱電1號機組在進行超低排放改造時采用了高頻電源技術，改造完成投入運行后，電除塵器煙塵出口濃度排放值7.7mg/m3，電除塵效率達到99.93%[19]。

3 脫硫系統(tǒng)增效改造技術

在過去的三十多年來，煙氣脫硫技術逐漸得到了廣泛應用，綜合考慮技術成熟度和費用等因素，廣泛采用的煙氣脫硫技術仍是濕法石灰石脫硫工藝。據(jù)中電聯(lián)統(tǒng)計[20]，截至2015年底，全國已投運火電廠煙氣脫硫機組容量約8.2億kW，其中采用石灰石-石膏濕法工藝的占92%，這為濕法脫硫工藝的增效改造提供了有利條件。

3.1 空塔增效及塔內(nèi)構件改造

影響脫硫效率的因素有很多，可大致分為煙氣性質(zhì)、空塔結(jié)構、運行操作參數(shù)，吸收劑品質(zhì)[21-23]這幾個方面。在原先排放與超低排放標準差別不太大的前提下，通過對空塔的優(yōu)化，如適當增加循環(huán)漿液量，優(yōu)化噴淋層結(jié)構，延長煙氣停留時間，提升脫硫漿液中石灰石品質(zhì)及添加脫硫增效劑等措施[24-26]，可達到超低排放要求。

針對塔內(nèi)構件的改造主要有吸收塔增效環(huán)技術和托盤塔技術。吸收塔增效環(huán)在各研究中的表述不盡相同，有“導流環(huán)”、“聚液環(huán)”、“液體再分配器”等。增效環(huán)設置的主要目的有兩個，一是改善煙氣在塔橫截面上分布不均現(xiàn)象，防止煙氣沿塔壁向上形成“短路”；二是將噴淋至吸收塔壁的漿液收集起來以減少壁流損失，然后將漿液重新分配至塔中部[27-29]。增效環(huán)可單層或多層設置在噴淋層下方，增強塔內(nèi)氣液傳質(zhì)，從而提高脫硫效率。

托盤塔技術指在入口煙道上方與最底層噴淋層間布置1～2塊孔板托盤，使煙氣進入吸收塔后流速分布均勻。另外，托盤產(chǎn)生的一定持液高度會使氣液劇烈摻混產(chǎn)生類似“沸騰”狀態(tài)的泡沫層，強化氣液傳質(zhì)的同時增加了煙氣停留時間，提高了脫硫效率[30-31]。目前，國際主流的托盤是美國巴威公司的專利技術托盤，武漢凱迪電力環(huán)保有限公司引進了該技術[30]。某600MW超超臨界燃煤鍋爐脫硫系統(tǒng)采用石灰石-石膏濕法工藝，一爐一塔布置，吸收塔采用3層噴淋，改造前無托盤，燃用設計煤種(Sar≤1%)時，脫硫效率大于95%。進行超低排放改造時，在吸收塔入口與下層噴淋層間設置托盤，同時對噴淋層進行增容改造，提高液氣比。投入運行后經(jīng)檢測，額定工況下SO2排放濃度為21.6mg/m3[31]。

3.2 高效脫硫協(xié)同除塵技術

石灰石-石膏濕法脫硫系統(tǒng)借助脫硫漿液的洗滌作用可協(xié)同脫除煙氣中顆粒物，超低排放形勢下，近年來針對脫硫過程的協(xié)同除塵技術的研究也有所發(fā)展。其中較為典型的技術有北京國電清新環(huán)保技術股份有限公司自主研發(fā)的旋匯耦合脫硫技術。旋匯耦合脫硫技術在空塔的基礎上加裝湍流裝置，基于多相紊流摻混的強傳質(zhì)機理和氣體動力學原理，通過旋匯耦合裝置產(chǎn)生氣液旋轉(zhuǎn)翻覆湍流空間，氣液固三相充分接觸,迅速完成傳質(zhì)過程,從而實現(xiàn)高效脫硫和除塵[32-34]。2015年4月，華潤首陽山1號機組進行超低排放改造，脫硫和除塵改造采用國電清的“SPC超凈脫硫除塵一體化技術”，包括增加旋匯耦合裝置、優(yōu)化噴淋層、管束式除霧器。改造后SO2排放量由原80mg/m3降至16.7mg/m3[35]。

3.3 單塔雙循環(huán)技術

單塔雙循環(huán)技術是美國Research-Cottrell公司和德國諾爾-克爾茲公司的專利技術[36]，其理論基礎在于SO2吸收過程與氧化過程對脫硫漿液pH值要求不同。具體來說，單塔雙循環(huán)技術指脫硫煙氣在塔中經(jīng)過兩級獨立循環(huán)的漿液噴淋區(qū)，第一級循環(huán)噴淋漿液的pH值為4.5～5.0，主要用于保證亞硫酸鈣的氧化與石灰石在漿液中溶解充分，保證石膏的結(jié)晶回收；第二級循環(huán)噴淋漿液的pH值為5.5～6.0，側(cè)重于剩余煙氣中SO2的吸收脫除，以達到要求的脫硫效率[37]。兩級間設漿液收集裝置，將兩級循環(huán)分開的同時起到均布煙氣流的作用。兩級循環(huán)的操作參數(shù)獨立，煤種、負荷等變化時能夠及時調(diào)整，適應性較好。相較單塔單循環(huán)能在一定程度上降低液氣比，提高脫硫效率。國電龍源引進單塔雙循環(huán)技術，并在2013年將此技術首次運用于國內(nèi)項目廣州恒運熱電廠責任公司8、9號煙氣脫硫改造工程。此項目在原有脫硫塔的基礎上進行改造，設計了國內(nèi)第一臺采用石灰石-石膏法單塔雙循環(huán)脫硫設備。該工程在168h試運行期間，脫硫塔入口SO2的質(zhì)量濃度為1800～4200mg/m3，塔出口SO2濃度穩(wěn)定在50mg/m3以下。

3.4 雙塔技術

雙塔技術包括雙塔串聯(lián)技術與雙塔并聯(lián)技術。雙塔串聯(lián)技術指在原先“一爐一塔”的基礎上再增設一座脫硫塔，與原塔串聯(lián)布置。煙氣首先進入預洗滌塔，脫除部分SO2的同時可除去煙氣中的其他雜質(zhì)，如煙塵、HF、HCl等[38]。預洗滌塔漿液pH值控制較低，有利于石膏的結(jié)晶。煙氣經(jīng)預洗滌塔后進入吸收塔，吸收塔的脫硫漿液pH值控制較高，可以保證很高的脫硫效率。串聯(lián)兩塔的操作參數(shù)一般相互獨立，適應性好，能有效提高整體脫硫效率。除脫硫效率提高以外，測試研究表明雙塔串聯(lián)脫硫系統(tǒng)對燃煤煙氣中細顆粒物脫除效率較單塔系統(tǒng)有明顯提高。測試對象為某600MW電站一和某300MW電站二，兩電站煙氣處理工藝流程相近，脫硫系統(tǒng)均采用石灰石-石膏法煙氣脫硫技術，電站一脫硫塔采用單塔噴淋結(jié)構，煙氣直接進入吸收塔進行脫硫；電站二脫硫塔采用雙塔串聯(lián)結(jié)構，煙氣首先進入預洗滌塔進行降溫除塵及預洗滌，再進入吸收塔脫除煙氣中剩余SO2，脫硫效率均高于99%。經(jīng)過2次噴淋作用，流場更為均勻，對粉塵的攔截效果增大，提高了漿液滴與顆粒物碰撞捕集幾率，實現(xiàn)SO2、細顆粒物的協(xié)同脫除。

雙塔并聯(lián)技術指新建的脫硫塔與原塔在作用上與原塔完全相同，通過煙氣分流減少進入原吸收塔的煙氣量，延長煙氣停留時間。雙塔并聯(lián)系統(tǒng)的安全性較高，當其中一塔出現(xiàn)故障時不影響整個系統(tǒng)的運行，但由于單塔脫硫效率的限制，并聯(lián)運行達到超低排放標準仍有一定難度。

4 結(jié)論與建議

我國燃煤電站現(xiàn)有煙氣治理技術路線在實施過程中主要是對單一污染物配備專用脫除系統(tǒng)，極少考慮各系統(tǒng)間協(xié)同效應，達到相同效率的情況下系統(tǒng)復雜、運行成本大，且常規(guī)設備較難達到超低排放的要求。這就要求燃煤電站采用煙氣協(xié)同治理技術，即綜合考慮脫硫、脫硝、除塵系統(tǒng)之間的協(xié)同作用，在脫除主要目標污染物的同時脫除其他污染物或為其他污染物的脫除創(chuàng)造條件，兼顧環(huán)保效益與經(jīng)濟效益。以低低溫除塵技術為核心和以濕式電除塵技術為核心的煙氣協(xié)同治理技術路線是目前煙氣污染物協(xié)同治理的兩條典型技術路線。以低低溫電除塵技術為核心的煙氣協(xié)同治理典型技術路線為：脫硝裝置(SCR)→熱回收器(WHR)→低低溫電除塵器(低低溫ESP)→石灰石-石膏濕法煙氣脫硫裝置(WFGD)→濕式電除塵器(WESP，可選擇安裝)→再加熱器(FGR，可選擇安裝)。以濕式電除塵技術為核心技術路線采用濕式電除塵器，WESP主要用于解決脫硫塔后煙塵排放問題，一般與除塵器和濕法脫硫裝置配合使用，當除塵設備采用低低溫電除塵器時，關鍵設備主要功能及典型污染物治理技術間的協(xié)同脫除作用與“以低低溫除塵技術為核心的煙氣協(xié)同治理技術路線”相同。

超低排放標準的實施推動了很多新技術的研發(fā)與應用，工程實踐也證明，應用前述脫硫、脫硝、除塵超低排放改造技術，在燃用優(yōu)質(zhì)煤的電廠實現(xiàn)超低排放是可行的。幾個值得注意的問題有：

(1)進一步降低超低排放改造的投資運行費用；雖各污染物排放標準是獨立設定的，但在進行工程改造、技術研發(fā)的過程中卻不能僅把除塵、脫硫、脫硝作獨立考慮，而應充分考慮各污染物脫除過程的相互影響，充分利用各技術間的協(xié)同效應，最大程度降低超低排放改造的投資和運行費用。

(2)開發(fā)適合劣質(zhì)煤的低成本超低排放技術；針對優(yōu)質(zhì)煤可以保證燃煤電廠達到超低排放要求，但對于高硫、高灰、高堿等劣質(zhì)煤的適應性還有待提高：高硫煤(含硫量大于3%)儲量僅西南地區(qū)就達到800億t，高效低成本脫硫難度大，并易引起SO3排放的問題；高灰煤(含灰大于25%)占全國電煤的30%，顆粒物的高效低成本控制難度大，并影響脫硝催化劑的使用壽命；高堿煤，例如準東煤，堿金屬含量3%～10%，儲量3900億t，存在SCR催化劑易中毒及采用低低溫電除塵提效效果不顯著等問題；解決劣質(zhì)煤的低成本超低排放改造問題對全面推行超低排放標準有著重要意義。

(3)增強SO3等可凝結(jié)顆粒物排放控制；燃煤煙氣中SO3的來源主要有兩方面：燃燒過程中，煤中的硫份大部分被氧化成SO2，但是有一小部分的硫會被氧化成SO3，一般約占0.5%～1.5%[39]；在SCR脫硝過程中，少量SO2會被脫硝催化劑氧化為SO3，對于中高硫煤，SCR煙氣脫硝裝置出口SO3濃度可達51～86mg/m3[40]。SO3除造成環(huán)境問題和腐蝕破壞以外，還易造成空預器堵灰等問題[41]，通過聯(lián)合脫除技術，減少SO3、汞、砷等污染物排放，是目前超低排放技術研究不可缺少的部分。

(4)構建污染物控制技術的合理評估方法，對污染物控制技術有效性進行評估，有助于更客觀地認識控制技術實施效果，為后續(xù)的環(huán)境質(zhì)量管理與技術改造決策提供科學依據(jù)。

(5)關注運行該過程中的經(jīng)驗積累。以低低溫電除塵技術和以濕式電除塵技術路線在我國應用時間較短，機組投運時間短，運行和維護經(jīng)驗相對不足，長期運行的穩(wěn)定性有待更長時間的檢驗，需結(jié)合我國燃煤電站實際情況，進行持續(xù)跟蹤、分析、評估與改進。

(6)除對已有技術和設備潛力的挖掘、輔機的改造、系統(tǒng)優(yōu)化以外，應加強技術創(chuàng)新。

(7)積極開展非電行業(yè)污染物超低排放；將電力行業(yè)減排經(jīng)驗推廣到非電行業(yè)，如鋼鐵、化工等，全面控制和削減污染物排放。

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Research of ultra low emission technology in coal-fired power plants

Facingtheharshenvironmentalsituation,ultra-lowemissionstandardforcoal-firedpowerplantshasbeenputforwardbyChina.Concerningthedevelopmentofultra-lowemissiontechnologies,itintroducesthemechanism,characteristicsandsuccessfulindustrialapplicationsofvarioustechnologiesfromthreeaspectsdenitration,desulfurizationanddustremoval.Thesetechnologiesincludelow-lowtemperatureelectrostaticprecipitator,series-connectedabsorptiontower,integratedtechnologyoffuelgasdesulfurationanddedustingandwetelectrostaticprecipitator.Itpointsouttheexistedproblemsofultra-lowemissionandprovidesthekeyorientationforpollutantcontrolofcoal-firedpowerplants.

ultra-lowemission;desulfurization;denitration;dustremoval;cooperativegovernance

X701

B

1674-8069(2017)06-010-05

2017-06-01；

2017-07-05

黃治軍(1984-)，男，工程師，碩士，主要從事電站鍋爐環(huán)保和污染物排放的研究工作。E-mail：hzj0822@163.com