“近零排放”技術(shù)路線探索

喬加飛，周洪光

(神華國(guó)華(北京)電力研究院有限公司， 北京100025)

摘要：鑒于我國(guó)環(huán)境壓力的日益嚴(yán)峻，燃煤電廠“近零排放”理念不斷升溫。從燃煤電廠對(duì)煙塵、二氧化硫和氮氧化物的控制現(xiàn)狀分析入手，梳理了各種煙氣污染物排放控制技術(shù)的特征，并在此基礎(chǔ)上完成了“近零排放”技術(shù)路線的探索。經(jīng)新建機(jī)組和已投產(chǎn)改造機(jī)組的生產(chǎn)實(shí)踐證明，該技術(shù)路線完全可以滿足“近零排放”的要求。

關(guān)鍵詞：火力發(fā)電廠；近零排放；技術(shù)路線

收稿日期：2015-04-24

作者簡(jiǎn)介：?jiǎn)碳语w(1984—)，男，河南商丘人，工程師，博士，主要從事熱力系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化以及節(jié)能環(huán)保相關(guān)研究，E-mail：wenqingqjf@163.com

中圖分類號(hào)：X51

收稿日期：2015-04-23

DOI: 10.14068/j.ceia.2015.04.001

我國(guó)能源資源的基本國(guó)情是富煤貧油少氣，煤炭資源總量為5.9萬(wàn)億t，占全國(guó)一次能源資源總量的94%[1]，石油、天然氣資源僅占6%。從實(shí)際消費(fèi)情況來(lái)看，我國(guó)2013年煤炭供應(yīng)在一次能源供應(yīng)中的份額高達(dá)67.5%，占據(jù)絕對(duì)主導(dǎo)地位。雖然石油和天然氣供應(yīng)在一次能源供應(yīng)中也占據(jù)一定份額，但其對(duì)外依存度已經(jīng)分別高達(dá)58%和30%。因此可以預(yù)見(jiàn)，煤炭消費(fèi)在我國(guó)相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)依然會(huì)保持主導(dǎo)地位。

燃煤電廠大氣污染物排放達(dá)到燃機(jī)排放限值，煙塵、二氧化硫和氮氧化物排放濃度分別降至5 mg/m3、35 mg/m3、50 mg/m3，即為燃煤電廠“近零排放”。本文結(jié)合相關(guān)污染物控制技術(shù)的分析和優(yōu)化集成，對(duì)煙塵、二氧化硫和氮氧化物的控制進(jìn)行了深入研究，并對(duì)“近零排放”技術(shù)路線的探索情況進(jìn)行介紹，以期為實(shí)現(xiàn)燃煤機(jī)組“近零排放”提供參考。

1煙塵控制技術(shù)

1.1　技術(shù)概況

隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的逐步提高，一些除塵新技術(shù)也逐漸得到應(yīng)用，如電袋除塵器、旋轉(zhuǎn)電極技術(shù)、煙氣調(diào)質(zhì)技術(shù)、高頻電源/三相電源/脈沖電源技術(shù)、低低溫電除塵技術(shù)、粉塵凝聚技術(shù)、分區(qū)供電技術(shù)、濕式電除塵器技術(shù)等。

電袋除塵器的應(yīng)用相對(duì)較多。如大唐洛河電廠于2008年前后將其4臺(tái)320 MW機(jī)組由電除塵器改為電袋除塵器，改造后煙塵排放濃度控制在30 mg/m3以內(nèi)；北方聯(lián)合電力包頭第一熱電廠將固定電極電除塵器改造為旋轉(zhuǎn)電極式電除塵器，改造完成后出口煙塵排放濃度達(dá)到30 mg/m3以下。除塵器高頻電源的改造在國(guó)內(nèi)也有不少應(yīng)用。如上海外高橋第三電廠對(duì)其8號(hào)機(jī)組的兩臺(tái)三室四電場(chǎng)電除塵器進(jìn)行了改造，24臺(tái)工頻電源全部更換為高頻電源，電除塵器出口煙塵排放濃度由改造前的42 mg/m3降低到17 mg/m3，減排率達(dá)到59.5%。

從調(diào)研結(jié)果來(lái)看，近些年，除塵技術(shù)發(fā)展很快，新技術(shù)應(yīng)用也很多，前期技術(shù)積淀為“近零排放”的實(shí)施提供了很多借鑒。但無(wú)論哪種單一的除塵技術(shù)都不能使得煙塵出口濃度降低至5 mg/m3。因此，“近零排放”煙塵控制的研究?jī)?nèi)容便演變?yōu)閷?duì)各技術(shù)方案的論證和不同技術(shù)之間的集成[2]。

1.2　技術(shù)路線論證

電袋除塵器的工作原理是在電除塵區(qū)域利用電場(chǎng)吸收大部分煙塵顆粒，利用煙氣過(guò)濾袋收集帶有電荷但未被電除塵區(qū)域收集的微細(xì)粉塵。因此，電袋除塵器除塵效率一般會(huì)比常規(guī)靜電除塵器高。但電袋除塵器在實(shí)際應(yīng)用中也出現(xiàn)了諸多問(wèn)題，該技術(shù)的安全可靠性成為阻擋其推廣應(yīng)用的主要因素。此外，電袋除塵器的使用增加了煙道阻力，部分機(jī)組生產(chǎn)數(shù)據(jù)表明，煙道阻力的增加遠(yuǎn)大于設(shè)計(jì)值，明顯影響廠用電率?；谝陨戏治觯姶龎m器是本次研究應(yīng)用的低優(yōu)先級(jí)考慮方案。

高比電阻粉塵所導(dǎo)致的反電暈和振打引起的二次揚(yáng)塵很大程度上影響了電除塵器的除塵效率，成為常規(guī)靜電除塵器所面臨的主要問(wèn)題之一。旋轉(zhuǎn)電極技術(shù)是通過(guò)將除塵器的電場(chǎng)更改為前級(jí)固定電極電場(chǎng)加后級(jí)旋轉(zhuǎn)電極電場(chǎng)[3]，旋轉(zhuǎn)電極電場(chǎng)中陽(yáng)極部分采用回轉(zhuǎn)的陽(yáng)極板和旋轉(zhuǎn)的清灰刷，附著于回轉(zhuǎn)陽(yáng)極板上的粉塵在尚未達(dá)到形成反電暈的厚度時(shí)，就被布置在非電場(chǎng)區(qū)的旋轉(zhuǎn)清灰刷清除，因此不會(huì)產(chǎn)生反電暈，減少了二次揚(yáng)塵，進(jìn)而提高了除塵器除塵效率。

高頻電源是將工頻電源經(jīng)整流橋整流成約530 V的直流電流，再經(jīng)逆變電路逆變成20 kHz以上的高頻交流電流[4]，然后通過(guò)高頻變壓器升壓，再經(jīng)高頻整流器進(jìn)行整流濾波，形成40 kHz以上的高頻電流。高頻電源可以供給電場(chǎng)更高的平均電壓，其電壓一般比工頻電源高1/4左右。高頻電源還可以使粉塵荷電量提高，從而提高粉塵驅(qū)盡速度，提高除塵效率。此外，高頻電源比工頻電源更節(jié)能，因?yàn)槠浔旧硇屎凸β室驍?shù)皆大于0.9，遠(yuǎn)高于常規(guī)工頻電源。

但即使同時(shí)采用旋轉(zhuǎn)電極和高頻電源改造，除塵器出口的煙塵濃度也很難降低至10 mg/m3。鑒于煙氣經(jīng)過(guò)脫硫裝置后一般要帶出一定量的石膏粉塵，因此該方案下最終煙塵排放濃度很難達(dá)到5 mg/m3的“近零排放”目標(biāo)。

與干式除塵器的主要工作原理基本相同[5]，濕式靜電除塵器利用電場(chǎng)力的作用使集塵極吸附帶有負(fù)離子的煙塵顆粒，從而達(dá)到除塵目的。濕式電除塵器將水噴至極板上使粉塵沖刷到灰斗中隨水排出。同時(shí)噴到煙道中的水霧既能捕獲微小煙塵又能降電阻率，利于微塵向極板移動(dòng)[6]。調(diào)研和理論分析皆表明，當(dāng)濕式除塵器的進(jìn)口煙塵濃度低于20 mg/m3時(shí)，其出口煙塵濃度可減少至5 mg/m3以下。

基于以上分析，“近零排放”煙塵控制技術(shù)路線確定為：脫硫裝置前采用“旋轉(zhuǎn)電極+高頻電源”技術(shù)的靜電除塵器+脫硫裝置后采用濕式電除塵器。

2二氧化硫控制技術(shù)

2.1　技術(shù)概況

火力發(fā)電廠應(yīng)用最廣泛的脫硫技術(shù)為濕法煙氣脫硫技術(shù)，但是該技術(shù)煙氣出口二氧化硫濃度很難達(dá)到35 mg/m3的目標(biāo)。以三河電廠為例，三河一、二期4臺(tái)機(jī)組皆采用傳統(tǒng)的濕法脫硫，圖1和圖2分別為2010—2013年4臺(tái)機(jī)組脫硫系統(tǒng)出口的二氧化硫濃度大于35 mg/m3和大于50 mg/ m3的時(shí)間統(tǒng)計(jì)。

圖1　2010—2013年脫硫系統(tǒng)出口二氧化硫濃度 大于35 mg/m 3時(shí)間統(tǒng)計(jì)/h Fig.1　The length of time when the SO 2 concentration exceeds 35 mg/m 3 at the desulfurization system outlet during 2010-2013

圖2　2010—2013年脫硫系統(tǒng)出口二氧化硫 濃度大于50 mg/m 3時(shí)間統(tǒng)計(jì)/h Fig.2　The length of time when the SO 2 concentration exceeds 50 mg/m 3 at the desulfurization system outlet during 2010-2013

從圖中可以看出，4臺(tái)機(jī)組煙氣出口二氧化硫濃度超過(guò)35 mg/m3較為常見(jiàn)，其中1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)機(jī)組的二氧化硫排放濃度較高，其出口二氧化硫濃度超過(guò)50 mg/m3的小時(shí)數(shù)也較多。4號(hào)機(jī)組的二氧化硫排放濃度相對(duì)較低，但年均約800 h排放濃度超過(guò)35 mg/m3，200 h排放濃度超過(guò)50 mg/m3，即：達(dá)不到“近零排放”要求的小時(shí)數(shù)為800 h，不能滿足《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223—2011)表1排放濃度限值規(guī)定的200 h。由此可以看出，傳統(tǒng)脫硫技術(shù)難以滿足“近零排放”要求。

2.2　技術(shù)路線論證

脫硫裝置提效增容方案主要有以下幾個(gè)[7]：

(1)原吸收塔改造方案

改造原吸收塔的具體方法包括改造原有噴淋層、增加噴淋層和改造其他系統(tǒng)。

改造原噴淋層主要是增加吸收塔體高度及相關(guān)設(shè)備，并增加漿液池容積，進(jìn)行增容。國(guó)電菏澤發(fā)電有限公司三期2×330 MW機(jī)組濕法脫硫增容改造工程即采用此方案。系統(tǒng)增容改造后脫硫率不小于96.2%，且FGD出口二氧化硫濃度小于200 mg/m3。增加噴淋層主要是通過(guò)增添噴淋層及其他設(shè)備的相關(guān)改造進(jìn)行增容。貴州華電大龍發(fā)電有限公司2×300 MW機(jī)組采用增加吸收塔體高度并設(shè)置增加兩層噴淋(共計(jì)6層噴淋)方案，脫硫效率達(dá)到97%。

(2)雙吸收塔聯(lián)合處理方案

雙吸收塔聯(lián)合處理方案的具體改造內(nèi)容為增加一個(gè)輔塔，與原脫硫塔形成串聯(lián)，從而完成對(duì)煙氣的兩級(jí)處理。大唐桂冠合山發(fā)電公司300 MW等級(jí)機(jī)組脫硫增容改造工程采用“雙吸收塔串聯(lián)”增容改造方案，煙氣脫硫效率達(dá)到97.8%，二氧化硫排放濃度降低到200 mg/m3以下，達(dá)到了在燃燒劣質(zhì)煤條件下低排放的目標(biāo)。

(3)兩爐一塔增一塔方案

針對(duì)兩爐一塔的脫硫方式，將兩爐一塔改為一爐一塔，原有吸收塔處理一臺(tái)爐的煙氣，新建吸收塔處理另一臺(tái)爐的煙氣。廣西柳州發(fā)電有限責(zé)任公司2×220 MW 機(jī)組石灰石-石膏濕法脫硫增容改造即采用此方案。原采用石灰石-石膏濕法脫硫系統(tǒng)保持不變，供一臺(tái)爐脫硫使用，新建一套脫硫系統(tǒng)供另一臺(tái)爐脫硫使用，脫硫效率大于97%。

(4)重建吸收塔方案

重建吸收塔方案的改動(dòng)量和投資都較大，只有在電廠脫硫系統(tǒng)脫硫能力嚴(yán)重不足或者出現(xiàn)重大故障時(shí)，才適合采用該方案。

以上方案和技術(shù)皆相對(duì)比較成熟，針對(duì)不同類型的機(jī)組采用不同的方案是“近零排放”二氧化硫控制的原則。此外，為了更好地確保“近零排放”二氧化硫排放目標(biāo)的完成，還開(kāi)展了一系列創(chuàng)新研究。對(duì)于常規(guī)噴淋塔脫硫裝置在提高脫硫效率方面研發(fā)了防止煙氣貼壁的專利技術(shù)，并增加1～2個(gè)噴淋層，以最經(jīng)濟(jì)的改造方式完全可以將在役機(jī)組脫硫效率提高到98%以上，實(shí)現(xiàn)二氧化硫排放濃度不高于35 mg/m3的目標(biāo)。以三河電廠1號(hào)機(jī)(300 MW)為例，改造后，經(jīng)河北省環(huán)境監(jiān)測(cè)站和華北電科院測(cè)試，在滿負(fù)荷工況下，二氧化硫排放濃度下降到9～12.62 mg/m3。

將成熟的濕法脫硫技術(shù)和脫硫創(chuàng)新技術(shù)相結(jié)合，形成高效脫硫技術(shù)，是研究確定的“近零排放”二氧化硫控制技術(shù)路線。

3氮氧化物控制

“近零排放”氮氧化物控制的技術(shù)路線研究起步較早，相對(duì)較成熟。從2010年開(kāi)始便確定了爐內(nèi)低氮燃燒+SCR脫硝技術(shù)路線，鍋爐出口氮氧化物指標(biāo)為100～200 mg/m3，SCR按80%～85%脫硝效率計(jì)算，脫硝出口氮氧化物指標(biāo)為20～40 mg/m3，優(yōu)于燃?xì)廨啓C(jī)50 mg/m3的排放標(biāo)準(zhǔn)。

>>“近零排放”的成功實(shí)施是基于先進(jìn)環(huán)保技術(shù)和科學(xué)系統(tǒng)集成的技術(shù)路線的成功

在鍋爐低氮燃燒技術(shù)方面，與煙臺(tái)龍?jiān)春蜕虾ｅ仩t廠等分別研發(fā)了復(fù)合式空氣分級(jí)低NOx燃燒技術(shù)，可有效控制爐內(nèi)燃燒過(guò)程中NOx的生成；同時(shí)優(yōu)化主燃燒器區(qū)域的風(fēng)門(mén)結(jié)構(gòu)，確保低負(fù)荷和滿負(fù)荷時(shí)主燃燒器區(qū)域的過(guò)量空氣系數(shù)在同一水平，從而有效控制低負(fù)荷的NOx的排放。寧海電廠一期工程3號(hào)機(jī)通過(guò)對(duì)鍋爐燃燒系統(tǒng)的改造，鍋爐NOx的排放濃度達(dá)到100 mg/m3左右。

SCR脫硝技術(shù)成熟可靠，目前在國(guó)內(nèi)大容量機(jī)組上大量采用，該技術(shù)方案沒(méi)有技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)，適當(dāng)增加催化劑數(shù)量，能夠?qū)崿F(xiàn)85%的脫硝效率。同時(shí)還需加大對(duì)全負(fù)荷脫硝技術(shù)和中、低溫催化劑的研發(fā)力度，力爭(zhēng)將催化劑的使用溫度由300℃以上降低到270～280℃，實(shí)現(xiàn)鍋爐最低穩(wěn)燃工況以上全負(fù)荷脫硝。

4“近零排放”技術(shù)整體應(yīng)用

舟山4號(hào)機(jī)組“近零排放”整體技術(shù)路線為：鍋爐低氮燃燒+SCR脫硝技術(shù)+高頻電源電除塵器+電除塵(4個(gè)常規(guī)電極+1個(gè)旋轉(zhuǎn)電極)+濕式電除塵器+高效海水脫硫技術(shù)。2014年6月25日，舟山電廠4號(hào)機(jī)組作為全國(guó)首臺(tái)新建“近零排放”燃煤機(jī)組通過(guò)168 h試運(yùn)后，正式投產(chǎn)運(yùn)行，各項(xiàng)環(huán)保指標(biāo)達(dá)到并優(yōu)于“近零排放”要求，如表1所示。

表1　舟山電廠4號(hào)機(jī)組大氣污染物排放情況

2014年6月，浙江省環(huán)境監(jiān)測(cè)中心對(duì)舟山電廠4號(hào)機(jī)組進(jìn)行第三方獨(dú)立煙氣監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示：粉塵排放濃度為2.46 mg/m3，二氧化硫濃度為2.76 mg/m3，氮氧化物濃度為19.8 mg/m3，均優(yōu)于現(xiàn)行國(guó)內(nèi)天然氣機(jī)組排放限值標(biāo)準(zhǔn)，并達(dá)到該標(biāo)準(zhǔn)的1/2。

三河1號(hào)機(jī)組“近零排放”整體技術(shù)路線為：鍋爐低氮燃燒+SCR脫硝技術(shù)+高頻電源電除塵器+低溫電除塵(4電場(chǎng))+濕式電除塵器+高效石灰石濕法脫硫技術(shù)+煙塔合一技術(shù)。2014年6月23日，作為京津冀地區(qū)首臺(tái)“近零排放”機(jī)組的三河電廠1號(hào)機(jī)組一次并網(wǎng)成功，1號(hào)機(jī)組濕式電除塵器、低溫省煤器、高頻電源、脫硫增容提效等“近零排放”改造系統(tǒng)同步投入運(yùn)行。華北電科院和河北省環(huán)保監(jiān)測(cè)站測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，負(fù)荷350 MW時(shí)，煙塵濃度為3.62～5 mg/m3、二氧化硫濃度為9～12.62 mg/m3、氮氧化物濃度為30～43.22 mg/m3，均小于燃?xì)獍l(fā)電機(jī)組大氣污染物排放限值，成為國(guó)內(nèi)首個(gè)現(xiàn)役燃煤機(jī)組改造后排放指標(biāo)優(yōu)于燃機(jī)污染物排放指標(biāo)的電廠。

5結(jié)論

從煙塵、二氧化硫和氮氧化物控制的技術(shù)論證和集成角度， “近零排放”技術(shù)路線探索結(jié)論如下：

(1)通過(guò)高頻電源等改造輔以濕式除塵器，燃煤機(jī)組的煙塵排放可低于5 mg/m3；

(2)通過(guò)采用高效濕式脫硫技術(shù)，燃煤機(jī)組的二氧化硫排放可低于35 mg/m3；

(3)通過(guò)采用低氮燃燒改造和SCR脫硝技術(shù)，燃煤機(jī)組的氮氧化物排放可低于50 mg/m3。

“近零排放”的成功實(shí)施是基于先進(jìn)環(huán)保技術(shù)和科學(xué)系統(tǒng)集成的技術(shù)路線的成功，將為整個(gè)電力及相關(guān)工業(yè)行業(yè)的環(huán)保工作提供直接參考和有益借鑒，也將成為推動(dòng)國(guó)家減排治污工作的有利工具。

參考文獻(xiàn)(References)：

[1]王顯政. 煤炭主體能源地位突出以煤為基、多元發(fā)展是我國(guó)能源安全戰(zhàn)略的必然選擇[J]. 中國(guó)煤炭工業(yè), 2014(4): 24-25.

[2]朱法華, 王圣. 煤電大氣污染物超低排放技術(shù)集成與建議[J]. 環(huán)境影響評(píng)價(jià), 2014(5): 25-29.

[3]姚淑勇, 郭峰, 徐小峰, 等. 旋轉(zhuǎn)電極式電除塵器性能及可靠性研究[J].電站系統(tǒng)工程, 2012, 28(2): 73-74.

[4]奚朝陽(yáng). 高頻脈沖電源除塵器的節(jié)能效果與除塵效率[J]. 能源與節(jié)能, 2011(6): 45-46.

[5]趙鵬, 陳勇, 蹇浪. 濕式靜電除塵器在火電廠中的應(yīng)用探討[J]. 能源與環(huán)境, 2013(6): 95-99.

[6]任自華, 王敏, 邵愛(ài)華, 等. 濕式靜電除塵器在火電廠中的應(yīng)用探討[J]. 能源與環(huán)境, 2013(6): 95-99.

[7]張雷. 石灰石-石膏濕法煙氣脫硫增容改造主要方案與應(yīng)用實(shí)例[J]. 科技信息, 2011(23):

The Technology Route Exploration for “Near Zero Emission”

QIAO Jia-fei, ZHOU Hong-guang

(Shenhua Guohua (Beijing) Power Research Institute Co., Ltd, Beijing 100025, China)

Abstract:In light of the severer environmental problems, “near zero emission” concept attracts more and more attention in coal-fired power plants. In this article, based on the current situations of flue pollutant (flue dust, sulfur dioxide, nitrogen oxide) control, an exploration of technological route to “near zero emission” is made by analyzing the characteristics of flue gas pollutants controlling technologies. The data in newly built units and modified units shows that the technology route proposed in the paper can meet the requirement of “near zero emission”.

Key words: coal-fired power plant; near zero emission; technology route