薛建明，柏 源，陳 焱 (國電科學技術(shù)研究院，江蘇 南京 210031)

1 發(fā)展現(xiàn)狀

我國能源資源的稟賦決定了以煤為主的能源結(jié)構(gòu)將長期存在，燃煤發(fā)電無論在裝機容量，還是發(fā)電量占據(jù)絕對優(yōu)勢的格局不會發(fā)生根本性改變。為此，電力工業(yè)在安全經(jīng)濟發(fā)展的同時，持續(xù)深化綠色和諧發(fā)展，積極應對生態(tài)文明建設(shè)的國家需求。

我國電力工業(yè)在“十一五”大氣污染物控制取得巨大成就，煙塵、二氧化硫控制達世界先進水平，在超額完成國家節(jié)能減排任務(wù)的基礎(chǔ)上，面臨世界上最嚴排放標準《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223-2011)[1]。該標準與美國、歐盟和日本相關(guān)標準相比，無論是現(xiàn)役機組還是新建機組，煙塵、SO2和NOx排放限值全面超過了發(fā)達國家水平(詳見表1國內(nèi)外火電大氣污染物排放限值比較)，應該科學分析，積極應對，正確處理法規(guī)標準、經(jīng)濟政策和實用技術(shù)與先進技術(shù)的關(guān)系，充分發(fā)揮最佳可行技術(shù)，積極培育新興技術(shù)，健康發(fā)展新興產(chǎn)業(yè)，進一步完善脫硝、除塵和脫硫相結(jié)合的綜合集成技術(shù)，實現(xiàn)大氣污染物的有效控制，以科技進步和產(chǎn)業(yè)升級，促進綠色和諧發(fā)展。

“十二五”前兩年電力工業(yè)在大氣污染控制方面邁出新步伐，取得新成就。截至2012年底為止：

(1)除塵。99%以上的火電機組建設(shè)了高效除塵器，其中電除塵約占90%，布袋除塵和電袋除塵約占10%[2]。煙塵排放總量和排放績效分別由2010年的160萬t和0.50g/(kW·h)，下降到2012年的151萬 t和0.39g/(kW·h)。

(2)脫硫。脫硫裝機容量達到6.8億kW，約占煤電容量的90%(比2011年的美國高30%)，其中石灰石—石膏濕法占92%(含電石渣法等)、海水法占3%、煙氣循環(huán)流化床占2%、氨法占2%[2]。SO2排放總量和排放績效分別由2010年的926萬 t和2.70g/(kW·h)，降至883萬 t、2.26g/(kW·h)，低于美國2011年的2.8克/(kW·h)。

(3)脫硝。約90%的機組建設(shè)或進行了低氮燃燒改造，脫硝裝機容量達2.3億kW，約占煤電容量28.1%，規(guī)劃和在建的脫硝裝機容量超過5億kW，其中SCR法占99%以上[2]。NOx排放總量和排放績效分別由2010年的1055萬t和2.6g/(kW·h)，下降到948萬t和2.4g/(kW·h)，高于美國2010年的249萬t、0.95克/(kW·h)。

表1 國內(nèi)外火電大氣污染物排放限值比較 mg/m3

項 目中國美國歐盟日本煙塵新建20(重點地區(qū))302030(>100MW)50(重點地區(qū))100現(xiàn)役20(重點地區(qū))3020(2005．02．28后)40(1978．09．18-2005．02．28)130(1978．09．28前)50(>500MW)100(<500MW)100(>20萬m3/h)SO2新建50(重點地區(qū))100184200200現(xiàn)役50(重點地區(qū))200400(高硫煤)400(2005．02．28后)740(1978．09．18-2005．02．28)1480(1978．09．28前)400(>500MW)400～2000(100-500MW)2000(<100MW)200～3500(K值法)NOx新建100135200(>300MW)200(>20萬m3/h)現(xiàn)役100200(2013年前建設(shè)、W爐、CFB鍋爐)185(>73MW，2005．2．28后)218(1978．09．18-2005．02．28)756～1008(1978．09．18前)500(>500MW)600(50～500MW)410～615(>70萬m3/h)

2 控制技術(shù)發(fā)展趨勢

隨著《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223-2011)及特別排放限值、《環(huán)境空氣質(zhì)量標準》(GB3095-2012)、《大氣污染防治行動計劃》等極度嚴厲的環(huán)保法規(guī)標準的實施，火電行業(yè)要堅持“創(chuàng)新驅(qū)動”和“推廣應用”并重的方針，一方面要創(chuàng)新發(fā)展國際先進水平的環(huán)保技術(shù)，構(gòu)建綠色環(huán)保型“增量”機組；另一方面要以“增量”的技術(shù)創(chuàng)新驅(qū)動“存量”技術(shù)的升級，持續(xù)提高現(xiàn)役機組“存量”的環(huán)保技術(shù)水平，并把先進的環(huán)保技術(shù)盡快轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實生產(chǎn)力，全面推動除塵、脫硫和脫硝技術(shù)及其裝備的進步和升級，實現(xiàn)火電由煙塵、SO2、NOx治理階段向綜合治理(包括PM2.5、重金屬、SO3和CO2等)、循環(huán)經(jīng)濟和可持續(xù)方向發(fā)展。

總體而言，火電大氣污染控制技術(shù)發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在兩個方面：一是脫硝、除塵、和脫硫單元式控制技術(shù)向高性能、高可靠性、高適用性、高經(jīng)濟性方向發(fā)展；二是由先除塵、再脫硫、再脫硝的單元式、漸進式控制向常規(guī)大氣污染物加重金屬、氣溶膠等深度一體化、綜合治理、協(xié)同控制技術(shù)發(fā)展。實現(xiàn)“存量”環(huán)境保護技術(shù)的單元性向系統(tǒng)性協(xié)同化轉(zhuǎn)變、反應的單一性向交叉性轉(zhuǎn)變，推動多種煙氣污染物共同去除方面具有導向作用的重大技術(shù)產(chǎn)業(yè)化，培育和發(fā)展火電行業(yè)相關(guān)的節(jié)能環(huán)保戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)鏈，并最終從長期目標上實現(xiàn)火電機組更低的大氣污染物排放。

3 控制技術(shù)路線及相關(guān)技術(shù)

為有效應對史上最嚴厲的環(huán)保法規(guī)，實現(xiàn)煙塵20～30mg/m3、SO250mg/m3和NOx100mg/m3的排放限值，火電行業(yè)已在現(xiàn)役先進的除塵、脫硫和脫硝技術(shù)的基礎(chǔ)上，積極研發(fā)、示范、推廣可行的新技術(shù)、新工藝和創(chuàng)新技術(shù)，并有機結(jié)合技術(shù)和管理等因素，“建設(shè)好、運行好”煙氣治理設(shè)施，持續(xù)提高火電大氣污染物的達標能力。

對于“增量”機組在新建環(huán)保設(shè)施時，可以采用以下兩條綜合控制火電煙塵、SO2和NOx排放的技術(shù)路線：一是低氮燃燒+選擇性催化還原脫硝設(shè)施(SCR)+靜電除塵器(ESP)(除塵器出口煙塵濃度應<50～100mg/m3)+濕法煙氣脫硫(可取消GGH)+煙氣深度凈化設(shè)施(如濕式電除塵器等)；二是低氮燃燒+選擇性催化還原脫硝設(shè)施(SCR)+袋式除塵器或電袋復合除塵器(其出口煙塵濃度應<10～20mg/m3)+濕法脫硫(需設(shè)GGH)。

對于“存量”機組在對現(xiàn)役環(huán)保設(shè)施進行技術(shù)改造時，應綜合考慮工程技術(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，一是要組織相關(guān)專家對環(huán)保設(shè)施的運行狀態(tài)進行診斷，科學、合理地找出實現(xiàn)標準要求的差異和存在問題，提出相應的對策；二是結(jié)合狀態(tài)診斷結(jié)果，采用先進的優(yōu)化調(diào)整技術(shù)，對環(huán)保設(shè)施進行最優(yōu)調(diào)整；三是如優(yōu)化調(diào)整后仍達不到排放要求，則用采用“增量”機組先進的環(huán)保技術(shù)進行改造，并形成“五位一體”，即狀態(tài)評價明現(xiàn)狀、分析診斷找差距、優(yōu)化調(diào)整挖潛力、技術(shù)改進提性能、監(jiān)督管理形體系的全過程閉環(huán)管理。

3.1 氮氧化物控制技術(shù)

火電行業(yè)形成了以低氮燃燒和煙氣脫硝相結(jié)合的技術(shù)路線：

(1)低氮燃燒。技術(shù)成熟、投資和運行費用低，是控制火電廠NOx排放的最經(jīng)濟的手段。主要是通過降低燃燒溫度、減少煙氣中氧量等方式減少NOx的生成量(約200～400mg/m3)，但它不利于煤燃燒過程本身，因此低氮燃燒改造應以不降低鍋爐效率為前提。

(2)SCR。技術(shù)最成熟、應用最廣泛的煙氣脫硝技術(shù)，是控制氮氧化物最根本的措施。其原理是在催化劑存在的情況下，通過向反應器內(nèi)噴入脫硝還原劑氨，將NOx還原為N2。此工藝的反應溫度在300～450℃之間，脫硝效率通過調(diào)整催化劑層數(shù)能穩(wěn)定達到60%～90%。與低氮燃燒相結(jié)合可實現(xiàn)100mg/m3及更低的排放要求。SCR工藝主要問題是空預器堵塞、氨逃逸等。

(3)SNCR。在高溫條件下(900～1100℃)，由尿素/氨作為還原劑，將NOx還原成N2和水，脫硝效率為25%～50%。氨逃逸率較高，且隨著鍋爐容量的增大，其脫硝效率呈下降趨勢。

(4)正在研發(fā)的新技術(shù)。包括脫硫脫硝一體化技術(shù)、低溫SCR技術(shù)和炭基催化劑吸附技術(shù)。脫硫脫硝一體化技術(shù)：針對我國90%以上燃煤電廠采用石灰石—石膏濕法脫硫工藝的特征，國電科學技術(shù)研究院開展了“大型燃煤電站鍋爐濕法脫硫脫硝一體化技術(shù)與示范”研究，旨在石灰石石膏濕法工藝的基礎(chǔ)上，耦合研究開發(fā)的脫硝液、抑制劑、穩(wěn)定劑等，在不影響脫硫效率的前提下，實現(xiàn)氮氧化物的聯(lián)合控制[3-4]。

低溫SCR技術(shù)：其原理與傳統(tǒng)的SCR煙氣脫硝工藝基本相同，兩者的最大區(qū)別是SCR裝置布置在省煤器和空氣預熱器之間的高溫(300～450℃)、高塵(20～50g/m3)端，而低溫SCR是布置在鍋爐尾部除塵器后或引風機后、脫硫裝置前的低溫(100～200℃)、低塵(<200mg/m3)端，可大大減小反應器的體積，改善催化劑運行環(huán)境，具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢，是具有與傳統(tǒng)SCR競爭的技術(shù)，是現(xiàn)役機組的脫硝改造性價比更高的技術(shù)。目前，國電科學技術(shù)研究院已完成低溫SCR技術(shù)的試驗研究，正在開展熱態(tài)中間放大試驗[5-6]。

炭基催化劑(活性焦)吸附技術(shù)：炭基催化劑(活性焦)具有比表面積大、孔結(jié)構(gòu)好、表面基團豐富、原位脫氧能力高，且具有負載性能和還原性能等特點，既可以作載體制得高分散的催化體系，又可以作還原劑參與反應。在NH3存在的條件下，用炭基催化劑(活性焦)材料做載體催化還原劑可將NOx還原為N2。

3.2 煙塵控制技術(shù)

火電行業(yè)形成了以技術(shù)成熟可靠的電除塵器為主(90%)，日趨成熟的袋式除塵器和電袋復合除塵器為輔的格局。為適應新標準要求，更高性能的除塵技術(shù)的正處于研發(fā)、示范、推廣階段：

(1)電除塵技術(shù)。應用廣，技術(shù)先進，同時涌現(xiàn)了一些改進技術(shù)，如高頻電源、極配方式的改進、煙塵凝聚技術(shù)、煙氣調(diào)質(zhì)技術(shù)、低低溫電除塵技術(shù)、移動電極電除塵技術(shù)等。

(2)袋式和電袋復合除塵技術(shù)。近5年快速發(fā)展起來的除塵技術(shù)，正處于總結(jié)應用經(jīng)驗、規(guī)范發(fā)展的階段。

(3)濕式電除塵技術(shù)。其工作原理與傳統(tǒng)的干式電除塵相似，依靠的都是靜電力，所不同的是工作環(huán)境為一“濕”一“干”，濕式電除塵裝置通常布置在濕法脫硫設(shè)施的尾部。由于其處理的是濕法脫硫后的濕煙氣，在擴散荷電的作用下，能有效地捕集煙氣中的細顆粒物及易在大氣中轉(zhuǎn)化為PM2.5的前體污染物(SO3、NH3、SO2、NOx)、石膏液滴、酸性氣體(SO3、HCl、HF)、重金屬汞等，實現(xiàn)煙塵排放濃度≤10mg/m3及煙氣多污染物的深度凈化。目前，國電科學技術(shù)研究院已開發(fā)了該技術(shù)，并建立了300MW、600MW的示范工程。

3.3 二氧化硫控制技術(shù)

火電行業(yè)形成了以石灰石—石膏濕法脫硫為主(92%)的技術(shù)路線。通過近10年來對脫硫工藝化學反應過程和工程實踐的進一步理解以及設(shè)計和運行經(jīng)驗的積累和改善，在脫硫效率、運行可靠性、運行成本等方面有很大的提升，對電廠運行的影響明顯下降，運行、維護更為方便。目前，正處于高效率、高可靠性、高經(jīng)濟性、資源化、協(xié)同控制新技術(shù)的研發(fā)、示范、推廣階段。

對新建的“增量”機組，新標準要求SO2排放限值為100mg/m3、重點地區(qū)為50mg/m3。要實現(xiàn)該限值，單靠傳統(tǒng)的濕法脫硫技術(shù)難于實現(xiàn)，需采用新技術(shù)，如已得到應用的單塔雙循環(huán)、雙塔雙循環(huán)技術(shù)，正在開發(fā)的活性焦脫硫技術(shù)等。

對現(xiàn)役的“存量”機組，新標準要求的排放限值為50～200mg/m3、高硫煤地區(qū)為400mg/m3，且于2014-07-01開始實施。由于脫硫設(shè)施“十一五”期間非常規(guī)的井噴式發(fā)展，無論是技術(shù)本身，還是工程建設(shè)、安裝調(diào)試、運行維護等均需要適合國情的調(diào)整、改進和優(yōu)化過程[7-8]。如核心技術(shù)的消化、復雜多變工況的適應能力；因建設(shè)工期緊造成設(shè)計投入力度低，缺乏對個案分析，簡單套用成功案例；受低價競爭影響，大多按400mg/m3設(shè)計，設(shè)計裕度小，關(guān)鍵設(shè)備、材料的質(zhì)量達不到工藝要求；系統(tǒng)調(diào)試不充分，缺乏優(yōu)化經(jīng)驗；運行管理水平還達不到主機水平；電煤質(zhì)量不可控，硫分大多高于設(shè)計值等。因此，要滿足新標準要求，超過90%按照2003年版標準建設(shè)的現(xiàn)役脫硫設(shè)施，需要優(yōu)化調(diào)整、技術(shù)改造、甚至推倒重建。

3.4 PM2.5控制技術(shù)

火電行業(yè)對PM2.5的控制主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

(1)利用ESP、BP和電袋等高效除塵設(shè)施，最大限度地減少PM2.5一次顆粒物的排放；

(2)利用高效脫硫設(shè)施和脫硝設(shè)施，最大限度地減少易在大氣中形成PM2.5的前體污染物(如SO2、NOx、 SO3、NH3等)；

(3)在濕法脫硫設(shè)施后建設(shè)煙氣深度凈化設(shè)施(如濕式電除塵器等)，對燃煤電廠煙氣排放的煙塵、SO2、NOx、SO3等多污染物進行末端協(xié)同控制，最終實現(xiàn)煙塵排放濃度≤10mg/m3、SO2排放濃度≤50mg/m3、NOx排放濃度≤100mg/m3。

4 結(jié)語

電力工業(yè)是重要的基礎(chǔ)性行業(yè)，也是社會經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的重要條件和保證，面對資源約束趨緊、環(huán)境污染嚴重、生態(tài)退化的嚴峻形勢，以及生態(tài)文明建設(shè)的國家需求，必將按照國家大氣污染防治行動計劃，長期承擔大氣污染物控制的減排重任。為此，火電行業(yè)本著創(chuàng)新驅(qū)動和推廣應用并重的方針，以科技創(chuàng)新為動力，以先進環(huán)保技術(shù)為依托，以削減大氣污染物排放量為根本，遵循“高效清潔燃燒-污染物協(xié)同控制-廢物資源化”為一體的控制路線，持續(xù)研發(fā)、應用低能耗、低物耗、低污染、低排放，資源利用率高、安全性高、經(jīng)濟性高、環(huán)境性高的先進的環(huán)保技術(shù)，“建設(shè)好、運行好”環(huán)保設(shè)施，既構(gòu)建綠色環(huán)保型“增量”機組，又全面提高現(xiàn)役機組"存量"的環(huán)保技術(shù)水平，在保障電力安全、可靠和有效供應的前提下，以科技進步和產(chǎn)業(yè)升級，實現(xiàn)電力工業(yè)綠色發(fā)展、循環(huán)發(fā)展和低碳發(fā)展。

[1]GB13223-2011,火電廠大氣污染物排放標準[S].

[2]中國電力企業(yè)聯(lián)合會.中國電力行業(yè)年度發(fā)展報告(2013)[M].北京:中國市場出版社,2013.

[3]柏 源,李忠華,薛建明,等.煙氣同時脫硫脫硝一體化技術(shù)研究[J].電力科技與環(huán)保,2010,26(3):8-12.

[4]柏 源,李忠華,薛建明,等.燃煤煙氣H2O2脫硝性能影響因素的實驗研究[J].化工進展,2012,31(1):208-212.

[5]Sheng Zhongyi,Hu Yufeng,Xue Jianming,et al.SO2poisoning and regeneration of Mn-Ce/TiO2catalyst for low temperature NOxreduction with NH3[J].Journal of rare of earths,2012,30(7):676-682.

[6]胡宇峰,薛建明,王小明,等.Mn-Ce-TiO2低溫選擇性催化還原催化劑二氧化硫中毒及再生特性[J].工業(yè)催化,2013,21(4):27-33.

[7]十八大報告.堅定不移沿著中國特色社會主義道路前進,為全面建設(shè)小康社會而奮斗[N].人民日報,2012-11-18.

[8]王志軒,潘 荔,劉志強，等.我國電力行業(yè)中長期燃煤大氣污染物控制技術(shù)發(fā)展戰(zhàn)略思考[C].第二屆能源論壇,北京：2012.