張東輝，莊燁，朱潤(rùn)儒，劉科偉

(1.北京國(guó)電龍?jiān)喘h(huán)保工程有限公司，北京市 100039;2.國(guó)電新能源技術(shù)研究院，北京市 102209)

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燃煤煙氣污染物超低排放技術(shù)及經(jīng)濟(jì)分析

張東輝1,2，莊燁1,2，朱潤(rùn)儒1,2，劉科偉1,2

(1.北京國(guó)電龍?jiān)喘h(huán)保工程有限公司，北京市 100039;2.國(guó)電新能源技術(shù)研究院，北京市 102209)

針對(duì)燃煤煙氣中煙塵、SO2和NOx的超低排放要求，對(duì)包括：低低溫電除塵、濕式靜電除塵、雙循環(huán)脫硫、雙尺度低氮燃燒和選擇性催化還原(selective catalytic reduction, SCR)等技術(shù)的原理、特點(diǎn)和工程應(yīng)用情況進(jìn)行了介紹；提出了“雙尺度低氮燃燒+SCR脫硝+低低溫電除塵+單塔雙循環(huán)脫硫+濕式深度凈化”的超低排放技術(shù)路線(xiàn)；分析了燃煤煙氣污染物超低排放的經(jīng)濟(jì)性。

燃煤煙氣; 超低排放; 干/濕靜電除塵; 脫硫; 脫硝

0 引 言

當(dāng)前我國(guó)大氣污染形勢(shì)嚴(yán)峻，“三區(qū)十群”等重點(diǎn)區(qū)域霧霾頻發(fā)并日趨嚴(yán)重，其主要原因除與社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展模式、能源結(jié)構(gòu)及利用方式等諸多因素有關(guān)外，大氣污染物控制技術(shù)和治理強(qiáng)度跟不上經(jīng)濟(jì)發(fā)展的要求也是重要原因。燃煤電站大氣污染物高效脫除與協(xié)同控制是當(dāng)前國(guó)際能源環(huán)境領(lǐng)域的戰(zhàn)略性前沿課題之一，也是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。

目前國(guó)內(nèi)外并沒(méi)有公認(rèn)的燃煤電廠大氣污染物“超低排放”的定義，實(shí)際應(yīng)用中多種表述共存，如“超低排放”、“近零排放”、“超凈排放”等等。相關(guān)表述和案例的共同點(diǎn)是將燃煤鍋爐排放的煙塵、SO2和NOx這3項(xiàng)污染物濃度與GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》中規(guī)定的天然氣燃?xì)廨啓C(jī)組大氣污染物排放濃度限值相比較，將數(shù)值上達(dá)到或低于天然氣燃?xì)廨啓C(jī)組限值的情況稱(chēng)為燃煤機(jī)組的“超低排放”，即煙塵<5 mg/m3、SO2<35 mg/m3、NOx<50 mg/m3(該濃度為基準(zhǔn)氧含量折算排放濃度，其中燃煤鍋爐基準(zhǔn)氧含量取6%，燃?xì)廨啓C(jī)組取15%)[1]。

我國(guó)燃煤電廠目前采用的除塵、脫硫、脫硝等煙氣凈化技術(shù)，基本上是從歐美和日本在不同時(shí)間段分別引進(jìn)的，形成了一系列功能單一、串聯(lián)使用的煙氣凈化設(shè)備序列，缺乏整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)及一體運(yùn)行優(yōu)化集成，導(dǎo)致這些加裝設(shè)備影響彼此運(yùn)行效果，增加了電廠運(yùn)行成本。因此，針對(duì)國(guó)內(nèi)燃煤煙氣自身高灰、高硫等特性以及超大煙氣處理量的現(xiàn)狀，建立適用我國(guó)煙氣特性的工藝支撐數(shù)據(jù)庫(kù)，通過(guò)煙氣凈化技術(shù)改進(jìn)優(yōu)化及系統(tǒng)集成，實(shí)現(xiàn)多種污染物節(jié)能協(xié)同減排是適合我國(guó)國(guó)情的經(jīng)濟(jì)可行的技術(shù)路線(xiàn)。與此同時(shí)，脫硫、脫硝工藝流程中產(chǎn)生的SO3、“石膏雨”、氨逃逸等的新生污染物排放也增加了燃煤電廠實(shí)現(xiàn)超低排放目標(biāo)的難度。為實(shí)現(xiàn)煙塵、SO2和NOx的同時(shí)超低排放，燃煤電廠需要從煙氣綜合治理出發(fā)，通盤(pán)考慮,合理選擇技術(shù)路線(xiàn)，優(yōu)化設(shè)計(jì)指標(biāo)和運(yùn)行參數(shù)，確保煙氣凈化系統(tǒng)整體長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行，既要提高脫硫、脫硝、除塵各個(gè)環(huán)節(jié)相應(yīng)的脫除效率，還要利用各個(gè)煙氣凈化設(shè)備彼此之間的交互影響，通過(guò)協(xié)同減排，降低能耗、物耗以提高超低排放的經(jīng)濟(jì)可行性。

1 燃煤煙氣污染物超低排放技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 煙塵超低排放技術(shù)

為了適應(yīng)逐漸嚴(yán)格的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)要求，目前對(duì)于燃煤電廠除塵系統(tǒng)超低排放升級(jí)的技術(shù)主要包括脫硫前的增效干式除塵技術(shù)和脫硫后的濕式靜電除塵技術(shù)。

1.1.1 增效干式除塵技術(shù)

干式除塵技術(shù)主要包括靜電除塵、袋式除塵和電袋復(fù)合除塵技術(shù)。其中靜電除塵技術(shù)具有處理煙氣量大、除塵效率高、設(shè)備阻力低、適應(yīng)煙溫范圍寬、使用簡(jiǎn)單可靠等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)應(yīng)用在我國(guó)80%以上的燃煤機(jī)組。針對(duì)電除塵的增效技術(shù)包括：低低溫電除塵、旋轉(zhuǎn)電極式電除塵、微顆粒捕集增效、新型高壓電源技術(shù)等[2-3]。通過(guò)增效的干式除塵技術(shù)，輔以濕法脫硫的協(xié)同除塵，在適宜煤質(zhì)條件下，能實(shí)現(xiàn)煙囪出口煙塵排放濃度低于10 mg/m3。這里重點(diǎn)對(duì)低低溫靜電除塵技術(shù)及其應(yīng)用進(jìn)行介紹。

低低溫靜電除塵技術(shù)通過(guò)低溫省煤器或氣氣換熱器使電除塵器入口煙氣溫度降到90～100 ℃低低溫狀態(tài)，除塵器工作溫度在酸露點(diǎn)之下，具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)煙氣溫度降低，煙塵比電阻降低，能夠提高除塵效率；(2)煙氣溫度降低，煙氣量下降，風(fēng)速降低，有利于細(xì)微顆粒物的捕集；(3)煙氣余熱利用，降低煤耗；(4)煙氣中SO3冷凝并粘附到粉塵表面，被協(xié)同脫除；(5)對(duì)于后續(xù)濕法脫硫系統(tǒng)，由于煙溫降低，脫硫效率提高，工藝降溫耗水量降低[4]。

在國(guó)際上，日本低低溫電除塵技術(shù)應(yīng)用較為廣泛，為應(yīng)對(duì)日本排放標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高并解決SO3引起的酸腐蝕問(wèn)題，三菱公司1997年開(kāi)始研究日本基于煙氣換熱器(gas gas heater，GGH)裝置的低低溫高效煙氣治理技術(shù)，現(xiàn)今在日本已得到大面積的推廣應(yīng)用，三菱、日立等低低溫電除塵器配套機(jī)組容量累計(jì)已超13 GW。日本橘灣電廠1 050 MW機(jī)組應(yīng)用數(shù)據(jù)顯示低低溫?zé)煔馓幚砑夹g(shù)可實(shí)現(xiàn)煙囪出口粉塵排放濃度在5 mg/m3以下，出口SO3排放濃度低于2.86 mg/m3。我國(guó)首臺(tái)低低溫電除塵器應(yīng)用是在2010年12月廣東梅縣粵嘉電廠6號(hào)爐135 MW機(jī)組。2012年6月，我國(guó)首臺(tái)600 MW低低溫電除塵在大唐寧德電廠4號(hào)爐成功投運(yùn)，經(jīng)第三方測(cè)試除塵器出口粉塵排放低于20 mg/m3，同時(shí)具有較強(qiáng)的SO3、PM2.5、汞等污染物協(xié)同脫除能力。2014年浙江嘉華電廠1 000 MW機(jī)組采用低低溫電除塵后除塵器出口粉塵濃度降至15 mg/m3。

相關(guān)的工程應(yīng)用實(shí)踐表明，低低溫電除塵技術(shù)集成了煙氣降溫、高效收塵與減排節(jié)能控制等多種技術(shù)于一體。綜合考慮當(dāng)前我國(guó)極其嚴(yán)峻的“霧霾”大氣污染和煤電為主的能源資源狀況，低低溫電除塵技術(shù)具有粉塵減排、節(jié)煤、節(jié)電、節(jié)水以及SO3減排多重效果，是我國(guó)除塵行業(yè)最急需支持應(yīng)用推廣的技術(shù)之一。

1.1.2 濕式靜電除塵技術(shù)

濕式靜電除塵技術(shù)通常用于燃煤電廠濕法脫硫后飽和濕煙氣中顆粒物的脫除。要實(shí)現(xiàn)煙塵濃度低于5 mg/m3的超低排放，一般情況下需要配套濕式靜電除塵技術(shù)。

濕式靜電除塵工作原理是：煙氣被金屬放電線(xiàn)的直流高電壓作用電離，荷電后的粉塵被電場(chǎng)力驅(qū)動(dòng)到集塵極，被集塵極的沖洗水除去。與電除塵器的振打清灰相比，濕式靜電除塵器是通過(guò)集塵極上形成連續(xù)的水膜高效清灰，不受粉塵比電阻影響，無(wú)反電暈及二次揚(yáng)塵問(wèn)題；且放電極在高濕環(huán)境中使得電場(chǎng)中存在大量帶電霧滴，大大增加亞微米粒子碰撞帶電的機(jī)率，具有較高的除塵效率。濕式靜電除塵技術(shù)突破了傳統(tǒng)干式除塵器技術(shù)局限，對(duì)酸霧、細(xì)微顆粒物、超細(xì)霧滴、汞等重金屬均具有良好的脫除效果[5]。

全世界第1臺(tái)除塵器為濕式靜電除塵器，1907年投入運(yùn)行，主要用來(lái)去除硫酸霧，后來(lái)被拓展用于電廠細(xì)微顆粒捕集。美國(guó)在用于多污染物控制的濕式靜電除塵器研究及應(yīng)用方面處于領(lǐng)先地位。目前已在Dalhousie、Sherburne等多個(gè)電廠大型機(jī)組上取得了成功運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，其中最大機(jī)組容量達(dá)1 000 MW。國(guó)內(nèi)，濕式靜電除塵器在冶金行業(yè)、硫酸工業(yè)已有多年成功的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，是一項(xiàng)非常成熟的技術(shù)，并且針對(duì)微細(xì)霧滴制定出臺(tái)了環(huán)保部標(biāo)準(zhǔn)HJ/T 323—2006《電除霧器》。主要技術(shù)特點(diǎn)：?jiǎn)误w處理煙氣量較小，一般不超過(guò)5 萬(wàn)m3/h，設(shè)計(jì)煙氣流速較低，一般為1 m/s左右，電極多采用PV或FRP材質(zhì)。

隨著濕式靜電技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域和功能也不斷拓展，加之在傳統(tǒng)脫硝、脫硫、除塵技術(shù)均已達(dá)到一定水平，濕式靜電在細(xì)顆粒物、超細(xì)霧滴、SO2、NOx、Hg等霧霾前體污染物進(jìn)一步協(xié)同控制和深度凈化上被寄予更多預(yù)期，這也是今后發(fā)展的趨勢(shì)。

1.2 SO2超低排放技術(shù)

燃煤電廠脫硫技術(shù)經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展已基本成熟，形成了包括石灰石-石膏濕法瓶頸，國(guó)內(nèi)外都做過(guò)一些研究和應(yīng)用。目前高效脫硫的主要技術(shù)包括托盤(pán)塔技術(shù)；雙塔串脫硫、干法/半干法脫硫、海水脫硫、有機(jī)胺脫硫、氨法脫硫、雙堿法等多技術(shù)方向。在實(shí)際應(yīng)用中，石灰石-石膏濕法脫硫居于主導(dǎo)地位，占95%以上。

1.2.1 托盤(pán)塔技術(shù)

托盤(pán)塔技術(shù)指在脫硫噴淋塔中增設(shè)穿流孔板托盤(pán)，使煙氣均布在整個(gè)噴淋塔截面上。煙氣和脫硫漿液在托盤(pán)表面摻混，形成具有較大氣液接觸界面泡沫層，從而實(shí)現(xiàn)高效脫硫。目前國(guó)際主流的托盤(pán)是巴布科克-威爾科克斯公司托盤(pán)，美國(guó)的一些電廠已經(jīng)采用了該技術(shù)并達(dá)到了98%以上的脫硫效率，武漢凱迪電力環(huán)保有限公司引進(jìn)了該技術(shù)[6]。

托盤(pán)塔脫硫技術(shù)也存在一些問(wèn)題：加裝托盤(pán)導(dǎo)致脫硫系統(tǒng)的阻力上升至1 kPa左右，增加了脫硫運(yùn)行能耗；為保證較高的脫硫效率，吸收塔漿液的pH值較高，使石膏結(jié)晶困難，含水率大大增加。

1.2.2 雙塔串聯(lián)技術(shù)

雙塔串聯(lián)技術(shù)是利用兩級(jí)石灰石-石膏濕法噴淋空塔串聯(lián)運(yùn)行，煙氣經(jīng)過(guò)一級(jí)塔，先脫掉煙氣中SO2的一部分，再經(jīng)過(guò)二級(jí)塔，兩次疊加，從而達(dá)到總的脫硫效率大于98%的要求。脫硫系統(tǒng)采用串聯(lián)吸收塔運(yùn)行方式出力高，對(duì)鍋爐負(fù)荷波動(dòng)適應(yīng)性很強(qiáng)，有效地保證了SO2超低排放的要求。

雙塔串聯(lián)技術(shù)較適用于脫硫系統(tǒng)的增效改造，優(yōu)點(diǎn)主要有：原脫硫系統(tǒng)設(shè)備無(wú)需做任何改動(dòng)，改造期間不影響原系統(tǒng)的運(yùn)行。國(guó)電永福電廠320 MW燃煤機(jī)組脫硫系統(tǒng)采用雙塔串聯(lián)技術(shù)改造，改造后燃煤硫含量從2.63%提高到5%以上，脫硫塔入口SO2濃度從5.965 g/m3提高到12.5 g/m3，脫硫效率達(dá)到98.5%[7]。

雙塔串聯(lián)技術(shù)也存在一些問(wèn)題：(1)初投資過(guò)高，跟單塔比較，新增了一座吸收塔和連接煙道；(2)脫硫系統(tǒng)增加的阻力也很大，引風(fēng)機(jī)或脫硫增壓風(fēng)機(jī)的運(yùn)行能耗較高；(3)兩級(jí)吸收塔都必須配置除霧器，否則連接煙道內(nèi)會(huì)大量積漿；(4)場(chǎng)地占用面積較大；(5)石膏脫水需要從兩座吸收塔漿池排石膏，系統(tǒng)復(fù)雜。

1.2.3 單塔雙循環(huán)技術(shù)

單塔雙循環(huán)技術(shù)是對(duì)雙塔串聯(lián)工藝流程的進(jìn)一步優(yōu)化，該工藝中煙氣通過(guò)1臺(tái)吸收塔實(shí)現(xiàn)2次SO2脫除過(guò)程，經(jīng)過(guò)了2級(jí)漿液循環(huán)：一級(jí)循環(huán)的主要功能是保證亞硫酸鈣氧化效果和石灰石的充分溶解，以及充足的石膏結(jié)晶時(shí)間；二級(jí)循環(huán)保證高脫硫效率，而無(wú)需考慮亞硫酸鈣的氧化和石灰石溶解的徹底性，以及石膏結(jié)晶大小問(wèn)題。單塔雙循環(huán)工藝吸收塔系統(tǒng)流程見(jiàn)圖1。

圖1 單塔雙循環(huán)工藝吸收塔流程示意Fig.1 Schematic diagram of dual-loop desulfurization in single tower

單塔雙循環(huán)技術(shù)主要特點(diǎn)是：煙氣分兩級(jí)脫硫，一級(jí)循環(huán)pH值控制在4.5～5.3，有利于石灰石的溶解和石膏的結(jié)晶，能夠得到品質(zhì)很高的石膏；二級(jí)循環(huán)pH值控制在5.8～6.4，能夠在較低液氣比的工況下得到較高的脫硫效率，從而降低能耗。一級(jí)循環(huán)還可減少煙氣中塵、HCl、HF的含量，有利于二級(jí)循環(huán)達(dá)到高脫硫效率；每個(gè)循環(huán)獨(dú)立控制，易于優(yōu)化和快速調(diào)整，能適應(yīng)含硫量和負(fù)荷的大幅變化；獨(dú)立的一級(jí)循環(huán)漿池和二級(jí)循環(huán)漿池能夠減小事故漿罐的儲(chǔ)存容積；錐型收集碗能夠均布煙氣流場(chǎng)，提高除霧器除霧效果。因此單塔雙循環(huán)技術(shù)更適合于高硫煤的高效脫硫，能夠較好地適應(yīng)工況的波動(dòng)。此外，單塔雙循環(huán)特殊的煙氣流場(chǎng)分布，更有利于漿液對(duì)顆粒物的捕集，能夠輔助實(shí)現(xiàn)煙塵的超低排放。

廣州恒運(yùn)熱電廠責(zé)任公司煙氣脫硫改造工程是國(guó)內(nèi)第1臺(tái)投運(yùn)的采用單塔雙循環(huán)工藝的項(xiàng)目，運(yùn)行期間脫硫塔入口SO2質(zhì)量濃度為1.8～4.2 g/m3，出口SO2質(zhì)量濃度始終保持在50 mg/m3以下，出口煙氣中塵質(zhì)量濃度在20 mg/m3以下[8]。

1.3 NOx超低排放技術(shù)

目前國(guó)內(nèi)外能夠?qū)嶋H應(yīng)用于電廠燃煤鍋爐的NOx減排技術(shù)包括低氮燃燒技術(shù)和選擇性催化還原(selective catalytic reduction，SCR)脫硝技術(shù)。低氮燃燒技術(shù)因其投資少、運(yùn)行費(fèi)用低、無(wú)二次污染等優(yōu)點(diǎn)，我國(guó)將其作為首選技術(shù)，但當(dāng)前的低氮燃燒技術(shù)水平仍難以達(dá)到最新的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》關(guān)于NOx的排放指標(biāo)以及超低排放要求，因此仍需要在尾部煙道加SCR，目前低氮燃燒技術(shù)+SCR已成為我國(guó)NOx減排控制的大趨勢(shì)。

1.3.1 低氮燃燒技術(shù)

低氮燃燒技術(shù)的主要思路是抑制燃燒過(guò)程中NOx的生成反應(yīng)速率，或使已生成的NOx被部分還原。要實(shí)現(xiàn)NOx的超低排放，同時(shí)降低脫硝成本，則必然需要對(duì)低氮燃燒技術(shù)進(jìn)行深入研究以降低鍋爐出口NOx的排放濃度，以減輕SCR的負(fù)擔(dān)[9]。

雙尺度低氮燃燒技術(shù)是近年來(lái)較為常用的一種新技術(shù)，通過(guò)爐內(nèi)射流組合使在空間尺度上中心區(qū)和近壁區(qū)溫度場(chǎng)、速度場(chǎng)、顆粒濃度場(chǎng)特性差異化，在過(guò)程尺度上相關(guān)節(jié)點(diǎn)區(qū)段對(duì)一次風(fēng)射流特殊組合，從而在2個(gè)尺度上形成低氮、防渣、穩(wěn)燃功能的特性[10]。雙尺度低氮改造完成臺(tái)數(shù)已近400余臺(tái)，其中2013年完成106臺(tái)，國(guó)華寧海電廠3號(hào)爐低氮改造后，NOx可實(shí)現(xiàn)低于100 mg/m3。墻式布置的旋流燃燒器低氮改造已完成近50臺(tái)，W火焰鍋爐完成5臺(tái)爐改造，均取得很好的改造效果。

1.3.2 SCR脫硝技術(shù)

SCR脫硝工藝由美國(guó)Englehard公司開(kāi)發(fā)，而由日本在20世紀(jì)70年代工業(yè)化，目前商業(yè)應(yīng)用最為廣泛[11-12]。SCR脫硝的原理是：一定溫度條件下(320～420 ℃)，在催化劑作用下，噴入NH3與NOx反應(yīng)生成N2和H2O，從而達(dá)到脫硝的目的[13]。國(guó)外SCR技術(shù)供應(yīng)商主要包括：美國(guó)Babcock公司、美國(guó)Foster Wheeler公司、日本三菱重工公司、日本石川島公司、德國(guó)Balcke Durr公司；國(guó)內(nèi)目前已經(jīng)有國(guó)電龍?jiān)础⒅须娡哆h(yuǎn)達(dá)、華電工程、東方電氣等單位引進(jìn)或開(kāi)發(fā)該技術(shù)，并且已經(jīng)在國(guó)內(nèi)擁有較多的工程業(yè)績(jī)。

催化劑是SCR反應(yīng)器的核心元件。國(guó)外催化劑工廠主要包括：丹麥Topsoe公司、德國(guó)Argillon公司，美國(guó)Cormetech公司。目前我國(guó)催化劑生產(chǎn)技術(shù)和原材料還依賴(lài)國(guó)外，價(jià)格較高，導(dǎo)致脫硝成本較高。因此，實(shí)現(xiàn)催化劑的生產(chǎn)技術(shù)和原材料的國(guó)產(chǎn)化、降低催化劑成本并生產(chǎn)出適應(yīng)我國(guó)煙氣條件的 SCR 催化劑，是我國(guó)脫硝產(chǎn)業(yè)當(dāng)前面臨的最迫切難題，是推動(dòng)NOx減排的必由之路。

2 燃煤煙氣污染物超低排放技術(shù)路線(xiàn)

為了達(dá)到煙氣超低排放的技術(shù)指標(biāo)，必須對(duì)目前使用的煙氣治理技術(shù)進(jìn)行整合、優(yōu)化，統(tǒng)籌考慮，充分發(fā)掘各自技術(shù)的潛力，發(fā)揮各技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)又能做到關(guān)聯(lián)技術(shù)的互相配合互補(bǔ)，達(dá)到有效利用煙氣的資源，實(shí)現(xiàn)煙氣綜合治理，從而形成一體化的煙氣治理工藝體系的目的，實(shí)現(xiàn)超低排放的要求。要實(shí)現(xiàn)燃煤煙氣污染物的超低排放，需要對(duì)煤質(zhì)條件提出要求，一般情況下低硫、低灰、高揮發(fā)份、高熱值的煙煤較為理想。針對(duì)煙氣中的煙塵、SO2、NOx主要污染物超低排放的要求，即煙塵<5 mg/m3、SO2<35 mg/m3、NOx<50 mg/m3，本文結(jié)合某電廠新建600 MW機(jī)組選用的超低排放技術(shù)路線(xiàn)進(jìn)行說(shuō)明，如圖2所示。需要指出的是，該方案僅是可選技術(shù)路線(xiàn)之一，還需根據(jù)燃煤電廠污染物排放要求，燃煤煤質(zhì)、燃燒器型號(hào)、鍋爐爐型等因素進(jìn)行調(diào)整。

圖2 燃煤煙氣污染物超低排放技術(shù)路線(xiàn)Fig.2 Technical route of ultra-low air pollutant control technologies for coal-fired power plants

為了控制NOx濃度，首先采用低氮燃燒技術(shù)，在保證鍋爐效率和穩(wěn)定的同時(shí)，最大限度降低鍋爐出口NOx的濃度，然后采用SCR脫硝工藝實(shí)現(xiàn)NOx超低排放，與常規(guī)SCR脫硝相比，超低排放機(jī)組SCR脫硝的區(qū)別主要在于氨煙混合系統(tǒng)的升級(jí)和催化劑用量的調(diào)整。某電廠新建600 MW機(jī)組選用雙尺度低氮燃燒聯(lián)合精細(xì)SCR的系統(tǒng)脫除技術(shù)，即在爐內(nèi)通過(guò)燃燒過(guò)程的空間尺度和過(guò)程尺度的全方位優(yōu)化達(dá)到超低氮生成的效果，將燃燒器出口NOx濃度控制在200 mg/m3以?xún)?nèi)，從而減少后續(xù)SCR催化劑用量及噴氨量，提高脫硝系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)型；爐外采用精細(xì)SCR脫硝技術(shù)，通過(guò)對(duì)噴氨量和噴氨位置的精細(xì)調(diào)控，對(duì)氨煙混合系統(tǒng)——渦流混合器升級(jí)，提高氨煙混合效果，從而達(dá)到煙氣NOx超低排放的要求，同時(shí)引入旁路熱煙氣以適應(yīng)機(jī)組負(fù)荷波動(dòng)導(dǎo)致的煙溫變化，以提高SCR系統(tǒng)高效運(yùn)行時(shí)間。此外，通過(guò)催化劑改性提高汞氧化率(>70%)，使其在脫硫系統(tǒng)協(xié)同脫除。

為了控制SO2濃度，實(shí)現(xiàn)超低排放可選用的技術(shù)主要有雙循環(huán)脫硫工藝和托盤(pán)塔等技術(shù)。綜合高效脫硫以及煤種、負(fù)荷適應(yīng)性，同時(shí)兼顧協(xié)同除塵、脫汞，本文選用單塔雙循環(huán)技術(shù)。雙循環(huán)工藝在一座吸收塔內(nèi)完成了2次脫硫，達(dá)到了雙塔串聯(lián)效果，同時(shí)噴淋系統(tǒng)對(duì)煙氣的洗滌，實(shí)現(xiàn)對(duì)粉塵和Hg2+的協(xié)同脫除。與傳統(tǒng)濕法脫硫工藝相比，在較低液氣比的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行工況下實(shí)現(xiàn)SO2超低排放，由于吸收塔持液量降低，“石膏雨”問(wèn)題也可以得到緩解。

為了減少煙氣中的煙塵，為實(shí)現(xiàn)低于5 mg/m3的超低排放，除了采用增效干式除塵技術(shù)和單塔雙循環(huán)協(xié)同除塵之外，還配套濕式靜電除塵器。本文采用的技術(shù)路線(xiàn)是低低溫電除塵+濕式深度凈化技術(shù)。煙氣通過(guò)低低溫電除塵脫除大部分粉塵、部分SO3和顆粒汞，同時(shí)通過(guò)煙氣余熱的回收利用，節(jié)約電煤消耗，降低煙溫和煙氣量，使后續(xù)濕法脫硫節(jié)水、提效，緩解“石膏雨”現(xiàn)象；然后通過(guò)濕式靜電除塵，一方面使得煙氣含塵量達(dá)到超低排放要求，另一方面對(duì)SO3、重金屬、NH3等多污染物協(xié)同凈化，并有效減少“石膏雨”；此外濕式深度凈化裝置作為系統(tǒng)的最后治理單元，還可根據(jù)需要對(duì)SO2或NOx進(jìn)行終極調(diào)控，通過(guò)添加脫硫液或脫硝液的方式，實(shí)現(xiàn)其深度凈化。

在綜合各自技術(shù)的研發(fā)成果和工業(yè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，統(tǒng)籌考慮污染物脫除效果、經(jīng)濟(jì)性、安全性、穩(wěn)定性等工程應(yīng)用要素，形成燃煤機(jī)組超低排放整體工藝技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)電廠的超低排放。

3 燃煤煙氣污染物超低排放經(jīng)濟(jì)分析

目前大氣污染治理壓力巨大，“超低排放”成為一些地區(qū)的必然選擇，燃煤發(fā)電超低排放與天然氣發(fā)電相比，具有較好的經(jīng)濟(jì)性。以某300 MW機(jī)組為例，燃煤鍋爐超低排放、燃?xì)忮仩t及燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電成本如表1所示，其中燃料價(jià)格以燃?xì)?.6 元/m3，煤炭600 元/t計(jì)算，可以看到燃煤鍋爐超低排放的發(fā)電成本可以控制在燃?xì)忮仩t及燃?xì)庹羝?lián)合循環(huán)發(fā)電成本的50%以?xún)?nèi)[14]。

表1 不同發(fā)電方式的發(fā)電成本對(duì)比

Table 1 Power generation cost comparison of different methods

除了與燃?xì)鈾C(jī)組對(duì)比，將煤電超低排放與常規(guī)燃煤機(jī)組進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性對(duì)比也很有實(shí)際意義。以某電廠新建600 MW機(jī)組為例計(jì)算，以含硫量最高的煤質(zhì)(Sar=1%)作為其設(shè)計(jì)煤質(zhì)，常規(guī)煙氣治理和超低排放治理工藝投資測(cè)算如表2所示，可以看到超低排放比常規(guī)治理投資增加了大約29%；此外結(jié)合運(yùn)行費(fèi)用對(duì)超低排放一體化環(huán)保島進(jìn)行成本核算，當(dāng)脫硫電價(jià)0.013 9元/(kW·h)，脫硝電價(jià)0.010 5元/(kW·h)，除塵電價(jià)0.004 5元/(kW·h)時(shí)，才能補(bǔ)償超低排放設(shè)置的運(yùn)營(yíng)成本。

表2 超低排放與常規(guī)煙氣治理投資對(duì)比

Table 2 Investment comparison between ultra-low air pollutant control technology and general techniques

對(duì)于燃煤機(jī)組的環(huán)保升級(jí)而言，一般來(lái)說(shuō)，裝機(jī)容量越大，單位發(fā)電量的投資越低，經(jīng)濟(jì)性越顯著。相關(guān)研究顯示：對(duì)于600 MW級(jí)燃煤機(jī)組，其超低排放環(huán)保改造單位發(fā)電量的投資額在345～439元。此外，根據(jù)相關(guān)燃煤機(jī)組的費(fèi)用測(cè)算，實(shí)現(xiàn)超低排放不同裝機(jī)容量機(jī)組需要增加的成本如表3[15]所示。

表3 不同裝機(jī)容量燃煤機(jī)組超低排放增加的成本

Table 3 Additional cost of ultra-low air pollutant control technologies for coal-fired power plants with different installed capacity

4 結(jié) 語(yǔ)

(1)燃煤煙氣污染物超低排放從技術(shù)層面上看是可行的，不同的排放要求、鍋爐爐型、燃煤煤質(zhì)可采用的技術(shù)路線(xiàn)并不唯一，某電廠新建600 MW機(jī)組選用的技術(shù)路線(xiàn)為：雙尺度低氮燃燒+精細(xì)SCR脫硝+低低溫電除塵+單塔雙循環(huán)脫硫+濕式濕式深度凈化。

(2)燃煤煙氣污染物超低排放相對(duì)于燃?xì)獍l(fā)電經(jīng)濟(jì)性顯著，相對(duì)于常規(guī)煙氣治理投資較高，綜合考慮技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益，建議有序發(fā)展，做到有所側(cè)重，東部重點(diǎn)地區(qū)可優(yōu)先開(kāi)展。

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(編輯：蔣毅恒)

Ultra-Low Air Pollutant Control Technologies for Coal-fired Flue Gas and Its Economic Analysis

ZHANG Donghui1,2, ZHUANG Ye1,2, ZHU Runru1,2, LIU Kewei1,2

(1. Beijing Guodian Longyuan Environmental Engineering Co., Ltd., Beijing 100039, China;2. Guodian New Energy Technology Research Institute, Beijing 102209, China)

According to the requirement on the ultra-low emission of fly ash, SO2and NOxfrom coal-fired plants, the mechanism, characteristics, and industry applications of various air pollution control technologies, including low-low temperature electrostatic precipitation, wet electrostatic precipitator, dual-loop desulfurization, two-dimension low NOxcombustior, and selective catalytic reduction (SCR) were introduced. An ultra-low air pollutant reduction protocol was proposed, including two dimension low NOxcombustion, SCR denitration, low-low temperature electrostatic precipitation, dual-loop desulfurization in single tower and wet electrostatic precipitator. The economy of the ultra-low air pollutant control technologies for coal-fired power plants was analyzed.

coal-fired flue gas; ultra-low emission; dry/wet electrostatic precipitator; desulfurization; denitration

國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2015BAA05B01)。

TM 611; X 773

A

1000-7229(2015)05-0125-06

10.3969/j.issn.1000-7229.2015.05.020

2015-02-02

2015-02-26

張東輝(1984)，男，博士后，工程師，主要研究方向?yàn)槿济簾煔馕廴疚锟刂萍夹g(shù)；

莊燁(1969)，男，通信作者，博士，高級(jí)工程師，“千人計(jì)劃”國(guó)家特聘專(zhuān)家，主要研究方向?yàn)槿济簾煔馕廴疚锟刂萍夹g(shù)；

朱潤(rùn)儒(1984)，男，博士，工程師，主要研究方向?yàn)槿济簾煔馕廴疚锟刂萍夹g(shù)；

劉科偉(1971)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要研究方向?yàn)槿济簾煔馕廴疚锟刂萍夹g(shù)。

Project Supported by the National Science & Technology Pillar Program (2015BAA05B01).