張曉魯

（中國電力投資集團公司，北京100033）

燃煤電站煙氣污染物深度脫除技術的分析

張曉魯

（中國電力投資集團公司，北京100033）

近年來霧霾天氣的頻繁出現(xiàn)使得細顆粒物（PM2.5）成為了公眾關注的熱點，PM2.5的控制也已增加到2012年發(fā)布的《環(huán)境空氣質量標準》中，而目前我國現(xiàn)有的煙氣污染物控制技術難以脫除PM2.5，因此，為深度脫除PM2.5、SO2、SO3以及重金屬等煙氣污染物，開發(fā)燃煤電站煙氣污染物深度脫除技術（深度脫除技術）成為亟待解決的問題。本文系統(tǒng)分析了開發(fā)適用于我國燃煤電站的深度脫除技術的必要性以及存在的問題，重點分析研究了PM2.5脫除技術、全負荷下超超臨界鍋爐的低NOx排放以及SCR工作溫度的適應性。最后，以某電廠2×660 MW超臨界機組為例，介紹了煙氣污染物深度脫除系統(tǒng)方案，以此為基礎，分析提出了1 000 MW超超臨界機組煙氣污染物深度脫除的技術路線。

燃煤機組；煙氣污染物；深度脫除；PM2.5脫除

1 前言

細顆粒物（PM2.5）是頻繁引發(fā)、加重霧霾天氣的主要成因之一。隨著我國社會經濟的快速發(fā)展，在不斷增加的火力發(fā)電、冶金、石油、交通、采暖等各種工業(yè)活動和人民日常生活行為中，因燃燒化石燃料而排放的煙塵，是PM2.5的主要來源，大多含有重金屬等有毒物質。

我國一次能源以煤為主，決定了以燃煤發(fā)電為主的發(fā)電格局，燃煤發(fā)電裝機容量占總裝機容量的75%左右，發(fā)電量占總發(fā)電量的80%左右，且長期難以改變。提高燃煤發(fā)電效率、降低污染物排放是電力科技進步的永恒主題，是我國電力工業(yè)和國民經濟可持續(xù)發(fā)展的根本保證。通過關停效率低、污染嚴重的小火電機組，加快發(fā)展大容量、高參數(shù)機組，加快研發(fā)新型煙氣凈化技術，用現(xiàn)代化技術改造老機組，加大燃煤電廠環(huán)保治理的力度等措施[1～3]，電力工業(yè)的節(jié)能減排成效較好。在滿足經濟高速增長需求的同時，污染物排放總量基本控制在了2000年水平。

根據中電聯(lián)的統(tǒng)計數(shù)據[4，5]，與2000年相比，2013年的煙氣脫硫機組容量（不含流化床機組）由5×106kW快速提升到7.15×108kW，占全國煤電機組容量的91%，比美國高出30%；煙氣脫硝機組容量也達到4.3×108kW，占全國煤電機組容量的55%，比美國高出5%；所有燃煤電廠全部配置高效除塵設施。全國平均供電煤耗下降了71 g/kW·h，達到321 g/kW·h。主要污染物排放濃度大幅下降，在燃煤發(fā)電量比2000年增加3倍多的情況下，全國燃煤發(fā)電的SO2排放總量控制在8.2×106t，比2000年（8.9×106t）略有降低；NOx排放總量為8.34×106t，比2000年（4.69×106t）增加78%；煙塵排放總量為1.42×106t，大大低于2000年水平（3.21×106t）。但是，這1.42×106t的煙塵排放就是如今要治理PM2.5的攻關目標。

在燃煤發(fā)電面臨著深度控制PM2.5、SO3、Hg等重金屬排放的新的技術要求下，我國現(xiàn)有的煙氣凈化技術很難達到這一目標。主要難點在于，常規(guī)的電除塵器對于PM2.5不能有效捕集，濕法脫硫吸收塔雖可脫除煙塵中的部分粗顆粒，但卻難以去除PM2.5及以下的細顆粒[6，7]。因此，為解決我國燃煤電站的PM2.5污染問題，同時進一步控制煙氣中SO2、SO3、Hg等重金屬的排放，開發(fā)燃煤機組煙氣污染物深度脫除技術是燃煤發(fā)電健康發(fā)展、助力實現(xiàn)中國夢的戰(zhàn)略選擇。

深度脫除技術俗稱燃煤電站超潔凈技術，是對現(xiàn)有的燃煤機組煙氣污染物脫除系統(tǒng)進行優(yōu)化集成，增加濕式電除塵裝置[8]，深度脫除PM2.5、SO2、SO3、重金屬等煙氣污染物，達到燃氣電站的排放標準：粉塵5～10 mg/Nm3，NOx和SOx＜30 mg/Nm3，同時保持較低的系統(tǒng)能耗。

2 開發(fā)深度脫除技術存在的關鍵技術問題

在系統(tǒng)集成原有的煙氣凈化技術的基礎上，開發(fā)深度脫除技術的主要技術難點有4個：a.PM2.5的脫除問題；b.PM2.5脫除與脫硫、脫硝和除塵系統(tǒng)的協(xié)同問題；c.全負荷和變負荷過程中超超臨界燃煤鍋爐低NOx排放問題；d.深度脫除技術的參數(shù)、設備與系統(tǒng)優(yōu)化問題。

2.1PM2.5的脫除問題

目前，針對燃煤電廠的PM2.5脫除技術主要有新型電除塵技術（如電凝并技術、旋轉電極技術、高頻脈沖電源技術等）和電袋復合技術等，這些技術雖對PM2.5脫除具有一定的效果，但仍達不到深度脫除PM2.5的要求。因此，對于我國的燃煤電廠而言，有必要在濕法脫硫后增加專門的PM2.5脫除設備——濕式電除塵器。國內的濕式電除塵器在化工、冶金、建材等行業(yè)已開始應用，而燃煤電站所采用的濕式電除塵技術與這些行業(yè)相比，存在特殊的要求和技術難題，迫切需要開發(fā)適應于我國燃煤電站的PM2.5脫除工藝及其裝備。

2.2PM2.5脫除與脫硫、脫硝和除塵系統(tǒng)的協(xié)同問題

國外在燃煤電站煙氣污染物治理技術方面，經過了長期研究和發(fā)展，應用的成熟技術主要有：靜電除塵、袋式除塵、低低溫靜電除塵、濕式電除塵、濕法石灰石-石膏脫硫、海水脫硫、選擇性催化還原法（SCR）脫硝、選擇性非催化還原法（SNCR）脫硝等。采用上述技術的協(xié)同處理，達到煙氣污染物深度脫除是國外燃煤電站技術發(fā)展的方向。

我國燃煤電站煙氣污染物治理技術經過多年發(fā)展，也取得了長足的進步。當前我國燃煤電站除塵方式以靜電除塵為主，袋式除塵也逐步得到應用；脫硫方式以石灰石-石膏濕法脫硫為主，其他方式如海水、干法脫硫也得到一定程度的應用；脫硝方式以低氮燃燒及SCR方式為主。總體上，對于粉塵、SO2、NOx等煙氣污染物，我國煙氣污染物治理技術與國外水平基本相當。

但是，我國各類煙氣污染物治理技術主要以獨立或分散的方式使用，沒有系統(tǒng)地研究煙氣中多種污染物的傳遞變化與關聯(lián)影響。部分設備制造企業(yè)為滿足當前排放標準，對濕式電除塵器、高效脫硫等凈化單元展開了試驗研究，還缺乏完整的多污染物深度脫除關鍵技術研究，尚未形成成熟的大型燃煤機組煙氣污染物深度脫除控制技術與應用示范。因此，迫切需要研發(fā)適用于我國燃煤電站的SOx、NOx、PM2.5、重金屬等煙氣污染物深度脫除的協(xié)同技術。

2.3 全負荷和變負荷過程中超超臨界燃煤鍋爐低NOx排放問題

實現(xiàn)全負荷下超超臨界機組NOx控制是深度脫除所面臨的另一個技術難題。所謂全負荷，即從低負荷到滿負荷的全部負荷工況。超超臨界燃煤鍋爐低負荷運行時（<50%最大連續(xù)蒸發(fā)量（BMCR）），為了保證再熱汽溫、SCR入口煙溫以及低負荷穩(wěn)燃，往往需要較高的煙氣氧濃度(風煤比較大）和較短的停留時間（燃燒器上擺），鍋爐在低負荷下NOx排放較高。而簡單地調整鍋爐布置結構，又難以同時在低負荷和滿負荷工況下實現(xiàn)低NOx排放，致使目前鍋爐無法滿足全負荷下低NOx排放的要求。另外，SCR脫硝技術所需要的工作溫度控制在超超臨界鍋爐中也受到受熱面的布置和安全運行的制約。

2.4 煙氣污染物深度脫除技術的參數(shù)、設備與系統(tǒng)優(yōu)化問題

國外燃煤電站煙氣污染物的治理案例及國內的研究表明，采用煙氣污染物深度協(xié)同脫除技術使燃煤電站煙氣排放達到粉塵（含PM2.5）達到5～10 mg/Nm3、SO2和NOx低于30 mg/Nm3是可實現(xiàn)的?，F(xiàn)階段技術推廣的主要障礙是：建設投資高、運維成本大、全工況滿足排放指標的適應性差、長期穩(wěn)定運行的可靠性較低。究其原因主要有：凈化設備增多、系統(tǒng)復雜化；各凈化單元工藝匹配和協(xié)同性不高；部分關鍵技術與裝備的國產化產品不成熟；低負荷工況與變工況下的煙氣污染物脫除效率降低等。

3 需攻關的關鍵技術及技術路線

為同步滿足我國600 MW級和1 000 MW級燃煤發(fā)電機組深度脫除煙氣污染物的大規(guī)模產業(yè)需求，研究確定了2×660 MW超臨界機組的煙氣污染物深度脫除系統(tǒng)方案，系統(tǒng)分析了1 000 MW級超超臨界機組煙氣污染物深度脫除系統(tǒng)的關鍵技術和技術路線。

3.12×660 MW超臨界機組煙氣污染物深度脫除系統(tǒng)方案

某電廠2×660 MW超臨界機組煙氣污染物控制系統(tǒng)采用污染物深度脫除技術，在同步建設煙氣脫硫、脫硝裝置的同時，為減少PM2.5、SO3排放和解決石膏雨問題，在脫硫裝置出口加裝濕式電除塵器（WESP），脫硫后的凈煙氣經濕式靜電吸附進一步收塵處理后，經由煙囪排入大氣。工程設計煙囪出口最大煙塵含量為10 mg/Nm3。

工程設計和校核煤種均為無煙煤，機組的主設備參數(shù)如下。

鍋爐：超臨界參數(shù)變壓運行直流爐，W火焰燃燒方式，П型布置；最大連續(xù)蒸發(fā)量（BMCR）：2090t/h；額定蒸汽參數(shù)：25.4 MPa（g）/571℃。

汽輪機：超臨界參數(shù)、單軸、一次中間再熱、三缸四排汽、凝汽式汽輪機；額定功率：660 MW；額定進汽流量：1 990.3 t/h；額定初參數(shù)：24.2 MPa（g）/ 566℃；額定背壓：5.6 kPa（a）。

深度脫除系統(tǒng)設計方案：低氮燃燒+SCR脫硝+靜電除塵（配置高頻電源）+雙循環(huán)濕法脫硫+濕式電除塵。其中濕式電除塵布置在雙循環(huán)濕法脫硫吸收塔上端，形成一體化裝置，整體布局緊湊、合理，系統(tǒng)順暢，節(jié)省占地和投資。該工程采用濕式電除塵技術（WESP），除塵效率不低于75%，設備年利用小時按 5 000 h考慮，WESP裝置可用率達100%，裝置服務壽命30年。WESP工藝系統(tǒng)主要由煙氣系統(tǒng)、收塵極系統(tǒng)、放電極系統(tǒng)、循環(huán)沖洗系統(tǒng)、保護風系統(tǒng)等組成。

工藝系統(tǒng)設計原則包括以下三點。

1）濕式電除塵裝置采用一臺爐設置一臺濕式電除塵器，每臺濕式電除塵器裝置的煙氣處理能力為一臺鍋爐100%BMCR工況時的煙氣量，并留有適當余量。

2）出口粉塵濃度≤10 mg/Nm3，脫塵效率按不小于75%設計。

3）在設備的沖洗和清掃過程中產生的水流入吸收塔內作為脫硫補給水。

WESP的布置方案主要有兩種：在濕法脫硫吸收塔與煙囪之間單獨布置板式WESP（板式布置），或在濕法脫硫吸收塔上布置管式WESP（管式布置）。這兩種布置方案均為成熟技術，且在國內外均有應用，在技術上是可行的。板式布置因接口煙道和流速等原因，占地面積較大；管式布置利用了脫硫吸收塔本體和出口煙道位置，其占地面積小于板式布置。由于該工程場地狹窄，因此選用高效節(jié)能雙循環(huán)濕法脫硫與管式濕式電除塵一體化技術，該技術可充分減少場地利用，適于新建項目和改造項目，特別適于改造項目。目前已進入施工圖設計階段。

3.21 000 MW級超超臨界機組煙氣污染物深度脫除技術路線分析

以將要工程示范的660 MW超臨界煙氣污染物深度脫除技術為基礎，計劃開發(fā)1 000 MW級超超臨界機組煙氣污染物深度脫除技術，機組的主要設計指標如下。容量：1 000 MW；機組可用率：90%；廠用電率：3.75%；鍋爐效率：94.65%；燃燒效率：99.5%；鍋爐出口NOx：200 mg/Nm3；煙塵排放指標：4.2 mg/Nm3；SO2排放指標：11.9 mg/Nm3；NOx排放指標：30 mg/Nm3（適用范圍為40%～100%的BMCR）。

開發(fā)適用于我國1 000 MW級超超臨界機組煙氣污染物深度脫除技術，同時建設示范工程，需要解決以下關鍵技術。

1）1 000 MW超超臨界鍋爐全負荷和變負荷過程中低NOx排放技術。1 000 MW超超臨界鍋爐由于鍋爐容量大、蒸汽參數(shù)高，要求鍋爐在全負荷和變負荷下均能滿足NOx的排放要求和適應SCR脫硝的工作溫度要求。需要開發(fā)適合鍋爐全負荷下低NOx排放的1 000 MW超超臨界鍋爐低氮燃燒器及燃燒系統(tǒng)、1 000 MW超超臨界鍋爐受熱面布置優(yōu)化設計技術、1 000 MW超超臨界鍋爐變負荷低NOx燃燒控制策略及其控制技術等關鍵技術，研制1 000 MW超凈排放全負荷低NOx鍋爐。

2）濕法脫硫與濕式電除塵一體化技術。在常規(guī)條件下脫硫效率需要達到99%以上才能實現(xiàn)SO2深度脫除，現(xiàn)有煙氣脫硫技術在低能耗下難以實現(xiàn)。PM2.5脫除應采用電除塵器、濕法脫硫裝置和濕式電除塵器組成的一體化煙氣凈化系統(tǒng)才能同時實現(xiàn)SO2、SO3、PM2.5、重金屬等煙氣污染物的深度脫除以及保持較低能耗。

3）1 000 MW超超臨界機組多目標的系統(tǒng)集成優(yōu)化技術。煙氣污染物深度脫除系統(tǒng)是一個由多工藝組成的復雜系統(tǒng)，必須兼顧系統(tǒng)性能、排放指標、系統(tǒng)可靠性、運維成本等進行系統(tǒng)集成與優(yōu)化。

開發(fā)1 000 MW級超超臨界機組煙氣污染物深度脫除技術，建設示范工程的技術路線是：通過濕法脫硫與濕式電除塵器一體化中試裝置開發(fā)深度脫除的關鍵技術，在660 MW超臨界機組濕式電除塵與濕法脫硫一體化技術的基礎上，開發(fā)1000MW超超臨界濕式電除塵與濕法脫硫一體化技術，研制1 000 MW濕式電除塵與濕法脫硫一體化裝置；在現(xiàn)有1 000 MW超超臨界鍋爐技術的基礎上，開發(fā)全負荷下滿足SCR要求的1 000 MW鍋爐低NOx技術，設計出適合1 000 MW全負荷低NOx鍋爐裝置；通過燃煤電站污染物脫除系統(tǒng)集成優(yōu)化，建成1 000 MW燃煤電站污染物深度脫除的示范工程，為我國提供超凈排放關鍵技術的示范。

4 結語

根據我國燃煤電站對霧霾的控制需求，對開發(fā)燃煤電站煙氣污染物深度脫除技術存在的主要問題進行分析，提出了開發(fā)適用于我國1 000 MW超超臨界機組煙氣污染物深度脫除技術的技術路線和需要攻克的關鍵技術。經分析論證，上述安排是可行的。

從研發(fā)到工程應用的全過程管理上，通過建立濕法脫硫和濕式電除塵器一體化中試裝置，開發(fā)了燃煤電站煙氣污染物深度脫除的關鍵技術和工藝。以此為依據，完成660 MW超臨界機組煙氣污染物深度脫除的工程設計與工程建設，對開發(fā)的關鍵技術和關鍵設備進行驗證。利用660 MW超臨界機組煙氣污染物深度脫除的工程技術，開發(fā)1 000 MW超超臨界機組煙氣污染物深度脫除技術，建設示范工程。以示范工程為依托，完成工程技術標準、電廠建設標準和運行標準，最終實現(xiàn)燃煤電站煙氣污染物深度脫除的大規(guī)模推廣。

[1] 張曉魯.發(fā)展先進燃煤發(fā)電技術提高能源利用效率[R].中國工程院—瑞典皇家工程院：能源效率研討會報告，2012.

[2] 張曉魯.超超臨界燃煤發(fā)電技術的研究[C]//中國科協(xié)2004年學術年會電力分會場暨中國電機工程學會2004年學術年會論文集.海口，2004.

[3] 張曉魯.600 MW超超臨界燃煤機組的經濟技術性能分析[C]//清潔高效燃煤發(fā)電技術協(xié)作網2008年會.南京，2008.

[4] 中國電力企業(yè)聯(lián)合會.2013年全國電力工業(yè)統(tǒng)計數(shù)據[R]. 2013.

[5] 中國電力企業(yè)聯(lián)合會.中國電力減排研究2013[R].2013.

[6] 姚 強.PM2.5的形成、來源與火電廠的對策[C]//2013年中國電機工程學會年會論文集.貴陽，2013.

[7] 王 鵬，駱仲泱，徐 飛，等.復合式靜電除塵器脫除電廠排放PM2.5研究[J].環(huán)境科學學報，2007，27（11）：1769-1792.

[8] 莫 華，朱法華，王 圣，等.濕式電除塵器在燃煤電廠的應用及其對PM2.5的減排作用[J].中國電力，2013（11）：66-69.

Analysis of flue gas pollutants deepremoval technology for coal-fired power plant

Zhang Xiaolu
（China Power Investment Corporation，Beijing 100033，China）

In recent years，frequent haze weather makes PM2.5becoming the public hotspot. The control of PM2.5has been added in the 2012 release ambient air quality standard.Under thesituation that our current flue gas pollutant control technology is difficult to remove PM2.5，the development of the Flue Gas Pollutants Deep-removal Technology(DRT）for Coal-fired Power Plant for deep-removing PM2.5，SO2，SO3，heavy metals and other pollutants，is becoming an urgent problem.Basing on the analysis of the necessity and existing problems of developing DRT suitable for China，this study focused on the PM2.5removal technology，low NOxemission of ultra supercritical boiler under full load，and the adaptability of SCR working temperature. Finally，introduces the flue gas pollutant removal system with an example of a 2×660 MW supercritical power plant，and analyses the Roadmap of development of DRT for 1 000 MW ultra supercritical unit.

coal-fired power plant；flue gas pollutants；deep-removal；PM2.5removal

TM611

A

1009-1742（2014）10-0047-05

2014-07-15

張曉魯，1952年出生，女，山東掖縣人，教授級高級工程師，主要從事發(fā)電工程和科技管理研究工作；E-mail：zxl@cpicorp.com.cn