國(guó)家電投集團(tuán)江西電力有限公司分宜發(fā)電廠 衛(wèi) 健 劉世杰 胡榮華 黎 斌

1 燃煤電廠產(chǎn)生煙氣和廢水的危害

1.1 硫化煙氣、顆粒物排放危害

據(jù)研究顯示，在煤粉爐的燃燒，其中大部分的可燃性硫都能氧化轉(zhuǎn)化為氣態(tài)SO2，而0.5%～2.0%的SO2能夠深入被氧化為SO3。一些文獻(xiàn)顯示，煤燃燒時(shí)，0.5%～2.5%的SO3會(huì)被轉(zhuǎn)化，當(dāng)該煤種的硫占比較小時(shí)，其氧化占比會(huì)較高。一些研究機(jī)關(guān)通過研究上海、四川等地的電廠，發(fā)現(xiàn)SO2/SO3轉(zhuǎn)化率在1.8%～2.0%的范圍內(nèi)。當(dāng)燃煤煙氣到達(dá)省煤器，進(jìn)而到達(dá)對(duì)流換熱面的地區(qū)時(shí)，含有氧化硅、氧化鐵、氧化鈉、氧化鋁等成分的灰塵或者是積灰，會(huì)對(duì)SO2在一定程度上有催化作用，當(dāng)鍋爐省煤器溫度是420～600℃時(shí)，一些SO2會(huì)經(jīng)過這些氧化物的催化，轉(zhuǎn)化為SO3[1]。

SO3會(huì)轉(zhuǎn)化為亞微米級(jí)的H2SO4酸霧，而這酸霧會(huì)沿著煙囪排泄到大氣環(huán)境中，從而變成了二次顆粒硫酸鹽，成為造成PM2.5的元兇之一[2]。同時(shí)，SO3還會(huì)腐化設(shè)施，或者和NH3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生（NH4）2SO4以及NH4HSO4，造成SCR催化劑失效。當(dāng)前，根據(jù)《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223—2011）的管理要求，SO2排泄最高值是50mg/m3（重點(diǎn)地區(qū)）、100mg/m3（非重點(diǎn)地區(qū)較新鍋爐）或者是200mg/m3（非重點(diǎn)地區(qū)現(xiàn)存鍋爐），此刻SO3排放份額小，不需要另外的減少排泄措施。

SO2溶于水的特性，將造成亞硫酸的產(chǎn)生，而亞硫酸進(jìn)一步在PM2.5存在的條件下氧化，便會(huì)迅速高效生成硫酸，此物質(zhì)為酸雨的主要成分，對(duì)土壤、植被、人類健康、城市建筑等都存在較大危害。此外，2017年10月27日，世界衛(wèi)生組織國(guó)際癌癥研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)將SO2列在3類致癌物清單中。因此，改善燃煤電廠SO2排放迫在眉睫。

1.2 脫硫廢水排放危害

當(dāng)前，燃煤電廠脫硫主要采用鍋爐煙氣濕法脫硫(石灰石/石膏法)，會(huì)產(chǎn)生污水的后果，其是由于吸收塔在排泄水。若要保持該系統(tǒng)中的質(zhì)量平衡，預(yù)防煙氣中作為可溶物的氯物質(zhì)，其含量大于特定值并且確保石膏品質(zhì)，需要將特定的廢水排出系統(tǒng)。廢水中的廢棄物一般包含漂浮物、處于過飽和狀態(tài)的亞硫酸鹽、硫酸鹽和重金屬，其中包括許多需要嚴(yán)格管控的第一類污染物。

在電廠脫硫廢水中，其含有的廢棄物的組成既繁雜又多種類，這對(duì)管道與設(shè)施水結(jié)構(gòu)有著嚴(yán)重的威脅，脫硫廢水在生態(tài)環(huán)境方面有著嚴(yán)重的影響：第一，脫硫廢水的pH值范圍是4～6，為弱酸性液體，雖然能明顯地減少其中比重較小的重金屬類污染物的含量，但是其對(duì)水生生物卻有較為明顯的迫害作用，以此順著食物鏈能夠直接毒害到其余生物。

腐化設(shè)施。特別是孔洞、裂縫管道，會(huì)遭受到顯著腐化，當(dāng)氯離子濃度比較高時(shí)，會(huì)嚴(yán)重影響到吸收塔工作，從而造成脫硫工作的低生產(chǎn)率，影響設(shè)備的正常運(yùn)作。

在處理脫硫廢水時(shí)，徑直排泄硫酸鹽，硫酸鹽因此會(huì)向沉積層分散，和水中的金屬元素產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)后，產(chǎn)生甲基汞，最后造成水生態(tài)平衡被破壞。

第二，脫硫廢水含有許多的有毒成分，假如這些有毒成分不以約束的排泄，會(huì)徑直破壞整個(gè)生態(tài)圈，其中硒更會(huì)對(duì)水源與土壤造成永久性損害，隨著時(shí)間的遷移，就會(huì)使整個(gè)生態(tài)圈受到顯著的影響，甚至?xí)绊懭祟惿眢w健康。

2 燃煤電廠煙氣凈化處理現(xiàn)狀

燃煤電廠對(duì)大氣污染的過程主要通過以下兩種途徑：一是燃煤電廠通過燃燒大數(shù)量的煤炭生成能量的同時(shí)，也釋放大量的微量元素，其中部分微量元素含有潛在毒害，并通過降塵遷移到周圍環(huán)境中。二是煤炭中的礦物質(zhì)、有機(jī)組分和微量元素會(huì)通過燃燒后的產(chǎn)物底渣、飛灰和廢氣進(jìn)入環(huán)境中。

燃煤電廠的煙氣凈化主要?jiǎng)澐殖擅撓?、除塵和脫硫三類階段，如圖1所示。

圖1 燃煤電廠煙氣凈化系統(tǒng)

步驟一，脫硝。煙氣脫硝技術(shù)包括減少NOx的產(chǎn)生以及高效煙氣脫硝兩種方法，通過這兩種方法來達(dá)到減少鍋爐煙氣NOx排泄含量的目的。減少NOx產(chǎn)生大部分是利用低氮燃燒工藝，高效煙氣脫硝能夠被劃分成選擇性催化還原工藝以及選擇性非催化還原工藝[3]。控制具有揮發(fā)性的氮變成NOx是低氮燃燒技術(shù)的重要作用，其主要方法不僅包括創(chuàng)建初期點(diǎn)火，還利用操控O2含量的燃料/空氣分段燃燒技術(shù)。利用在爐上不一樣的位置安裝緊湊燃盡風(fēng)以及分離燃盡風(fēng)的低NOx燃燒工藝。

把爐膛劃分為三類各自分離的部位：初始燃燒區(qū)，NOx還原區(qū)以及燃料燃盡區(qū)。其中，有以下幾個(gè)影響因子約束著每個(gè)空間的過量空氣系數(shù)：總的分級(jí)燃燒風(fēng)量，緊湊燃盡風(fēng)、分離燃盡風(fēng)風(fēng)量的分配和總的過量空氣系數(shù)。深化所有空間的過量空氣系數(shù)，是這類空氣分級(jí)方法的前衛(wèi)之處，其不僅能夠高效的降低NOx排放，并且能夠盡可能地增加燃燒效率。選擇性催化還原工藝（SCR）定義為在催化劑的促進(jìn)下，根據(jù)還原劑（例如NH3、尿素等）的挑選并與氣體中的N化反應(yīng)，最后產(chǎn)生出無害清潔的N2與H2O。

在SCR工藝中，催化劑的消費(fèi)一般是SCR系統(tǒng)初期投資的40%上下，催化劑使用時(shí)間的長(zhǎng)短會(huì)大幅度的作用在其運(yùn)作本錢，因此選擇性非催化還原法脫硝技術(shù)則避過了這個(gè)缺點(diǎn)而產(chǎn)生了。選擇性非催化還原工藝（SNCR），一類不需要催化劑的工藝，其可以在850～1100℃溫度范疇之間還原NOx，還原劑普遍是氨或者尿素。溫度對(duì)SNCR還原NO的反應(yīng)極其重要，因此抉擇合適的噴入點(diǎn)，即溫度窗口的抉擇，是決定SNCR還原NO成果好壞的重中之重。

步驟二，除塵。最近在大型火電機(jī)組工程中采用最普遍的是隱塵器型，若根據(jù)收塵工作機(jī)理來區(qū)分，主要是兩個(gè)：靜電除塵器以及袋式除塵器。靜電除塵器主要是利用氣體電離，使固體粒子帶電，由于電場(chǎng)的存在，使得粒子運(yùn)動(dòng)到收塵板上，因此被收塵板采集，通過較好的清掃方法（比如拍打），粉塵進(jìn)入灰斗。然而，布袋除塵器的除塵原理與電除塵器截然有異，其過濾除塵的一個(gè)特點(diǎn)就是不需要外部能量的驅(qū)使，而且可以高效率、穩(wěn)固地保持出口處的排放含量低。布袋除塵器具體包括清灰室、濾袋、清灰系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)。其機(jī)理是利用過濾物質(zhì)采用阻截的方式將氣體中的顆粒阻截，由此，被阻截的顆粒在過濾物質(zhì)上面匯集，變成又穩(wěn)固又緊密的過濾設(shè)施，而后清灰系統(tǒng)會(huì)擠壓空氣，利用此動(dòng)力反過來使濾袋產(chǎn)生形狀改變，從而脫落下匯集在該設(shè)施上的灰，脫落后的灰由于重力作用，進(jìn)入灰斗[4]。

濕式電除塵器與干式電除塵器有著一樣的工作機(jī)理，都是會(huì)經(jīng)過荷電、收塵以及清灰這幾個(gè)步驟。由于設(shè)置高的直流電壓，使得放電線把四周的氣體電解分離，讓小固體粒子帶電，然后其因?yàn)殡妶?chǎng)力的影響會(huì)向一極移動(dòng)，同時(shí)匯集在收塵極板上，清理灰塵的方法一般是將水噴灑在板上部，通過重力作用向下運(yùn)動(dòng)，在其上產(chǎn)生一層勻稱穩(wěn)固的膜，而這膜含水，能夠把板上的細(xì)小顆粒物清除，當(dāng)然還有根據(jù)匯集的霧滴產(chǎn)生自留來達(dá)到清灰的目的。

步驟三，脫硫。在研究中最普遍的脫硫技術(shù)是低液氣比B&W濕法脫硫技術(shù)。此項(xiàng)技術(shù)的基本機(jī)理是氣體動(dòng)力學(xué)，將合金帶孔托盤安裝在吸收塔內(nèi)部，這能夠有利于內(nèi)部氣體速度的分布，降低局部煙速過高的現(xiàn)象產(chǎn)生，避免降低脫硫效率；同時(shí)，該托盤能夠維持特定高的液膜，由此能夠延長(zhǎng)氣體在其內(nèi)部的停滯時(shí)長(zhǎng)，促進(jìn)三相接觸完全，使該傳質(zhì)過程能夠高效率完成，顯著的減少液氣比，明顯地增加吸收劑的利用效率，由此能夠滿足氣體凈化的目標(biāo)。

若想要增加設(shè)置托盤裝置，則需要加大吸收塔的高度。最初，含硫煙氣通過管道運(yùn)輸至回旋式的煙氣加熱器中，將自身附帶的高溫輻射于來自脫硫塔的進(jìn)化煙氣之中，使得自身溫度得到下降，進(jìn)而從脫硫塔的低端進(jìn)入到脫硫塔之中，而后向上流動(dòng)。脫硫液則經(jīng)過底部的泵壓至上端脫硫塔的各個(gè)噴口處，通過液體壓強(qiáng)的作用，與脫硫塔中含有的含硫氣體結(jié)合，形成液態(tài)廢水流至脫硫塔廢液處理出口。再經(jīng)過對(duì)廢液的進(jìn)一步分離處理，和脫硫塔中廢液的多次回收利用再噴淋，使得脫硫塔之中含有的脫硫氣體得到充分吸收，最后對(duì)含硫廢水進(jìn)行凈化處理，即可完成脫硫操作。

在這過程中，對(duì)于脫硫液的把控和脫硫后所帶出的廢水的含硫量的管控，多依靠人力監(jiān)督，而如果設(shè)置定量或者定時(shí)變速的方法，也很難做到對(duì)于時(shí)間、脫硫液等資源的利用以及無法保障含硫煙氣是否達(dá)到排放標(biāo)準(zhǔn)。因此，對(duì)于脫硫過程中的智慧型管控系統(tǒng)的處理，要值得關(guān)注。

3 脫硫的智慧化構(gòu)建

3.1 傳統(tǒng)脫硫工作中的問題展現(xiàn)

在燃煤電廠進(jìn)行生產(chǎn)作業(yè)時(shí)，煤炭燃燒的有效程度決定了電廠的能源運(yùn)用的效率，同時(shí)也決定了煤炭在燃燒過程中所產(chǎn)生的煙氣的大小及有害程度和燃燒放熱率的多少，這些都關(guān)乎燃煤電廠在整個(gè)生產(chǎn)過程中的效益性。而這些操作的把控都離開長(zhǎng)期以來堅(jiān)守在一線崗位上的熟料的員工，一線員工對(duì)于用煤量和相關(guān)操作機(jī)器的把控直接性決定電廠后續(xù)的一系列項(xiàng)目。因此，建立一套行之有效的能夠代替日常的專家的經(jīng)驗(yàn)管理水平操作機(jī)器，便成為眾多需要對(duì)廢氣進(jìn)行除硫的工廠的需求。

傳統(tǒng)的生產(chǎn)中，存在有追求短期經(jīng)濟(jì)效益的狀況，且當(dāng)時(shí)的技術(shù)水平有限，對(duì)于智能的自動(dòng)化高昂的費(fèi)用一般很少有廠家引入，大部分都依賴于PLC（可編程邏輯控制器）和DCS（分散控制系統(tǒng)）等半自動(dòng)化系統(tǒng)。而PLC和DCS在自動(dòng)控制方面很難做到不依賴操作人員，其在操作過程中還是會(huì)通過大量的需要經(jīng)驗(yàn)人員的操作，而在長(zhǎng)期的人員作業(yè)情況下，就難免產(chǎn)生疲憊而造成有失誤的情況，使得線上的脫硫工藝在長(zhǎng)期的運(yùn)行操作過程中會(huì)難免紕漏，影響到排放標(biāo)準(zhǔn)的達(dá)成以及正常的操作和生產(chǎn)。

在整個(gè)脫硫煙氣排放處理過程中，對(duì)于操作人員技術(shù)水平的要求相對(duì)較高，如對(duì)PLC和DCS系統(tǒng)的掌控能力需要較大，而從整體上看，作為發(fā)電站的員工來說，對(duì)這部分的認(rèn)知程度總體是偏低的，也就造就了對(duì)于人才缺乏所造成的困擾。

3.2 脫硫問題的智慧化處理

3.2.1 智慧煙氣脫硫處理

為應(yīng)對(duì)在因燃煤所產(chǎn)生廢氣的處理上需要依靠大量操作經(jīng)驗(yàn)而影響到工廠的長(zhǎng)期運(yùn)行上，通過采取新型的AI智慧管控系統(tǒng)，能較好地解決在這方面給燃煤電廠所帶來的困擾。其會(huì)通過對(duì)數(shù)據(jù)的收集感知來進(jìn)行模型的構(gòu)建，從而進(jìn)行無人化的自動(dòng)管控，人員真正參與的知識(shí)設(shè)備的監(jiān)督工作，而脫離了真正的一線。在煙氣的脫硫過程中也較以往的更具檢查力度，能直接從源頭煤炭的燃燒情況便能做出下一步管控。主要的運(yùn)行步驟包括以下幾步：

一是采集相關(guān)數(shù)據(jù)信息。通過在各個(gè)設(shè)備的銜接處及煤炭燃燒、脫銷、除塵、脫硫和后續(xù)的排氣監(jiān)察等重要信息采集處做出合理的定位定時(shí)收集，對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的記錄和推演，為AI算法奠定良好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

二是選定關(guān)鍵數(shù)據(jù)。通過對(duì)前期數(shù)據(jù)的收集和整理，通過AI數(shù)據(jù)分析，配合專業(yè)人士找出實(shí)際影響到煙氣排放中硫含量的關(guān)鍵參數(shù)，在得到關(guān)鍵的數(shù)據(jù)之后，便可將數(shù)據(jù)輸入進(jìn)AI管控的算法平臺(tái)，進(jìn)行多次的算法演練，實(shí)時(shí)展現(xiàn)煙氣處理及煤炭燃燒放電的數(shù)據(jù)情況。通過對(duì)每次預(yù)演的數(shù)據(jù)，構(gòu)建出數(shù)據(jù)處理與分析的基本模型。

三是通過算法模型來進(jìn)行實(shí)時(shí)的結(jié)果分析，通過智能終端接口，可進(jìn)行與工業(yè)機(jī)器人的參數(shù)聯(lián)通，給出合理化的指令，對(duì)各個(gè)部分的決策做出指導(dǎo)性的意見。如需人為進(jìn)行的操作，也可最直接通過顯示器顯示出來。

四是整個(gè)算法模型自動(dòng)化運(yùn)行，通過與電廠燃煤系統(tǒng)的連接，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的操作運(yùn)行。通過對(duì)于燃煤階段及煙氣的脫硫處理自動(dòng)化，降低人的參與度，將人員的工作從實(shí)際一線的操作轉(zhuǎn)變至對(duì)自動(dòng)化流程的定時(shí)監(jiān)督上。

為應(yīng)對(duì)燃煤電廠的廢氣排放標(biāo)準(zhǔn)化的提高，在以上的數(shù)據(jù)模型構(gòu)建中同時(shí)也加入了對(duì)于煙氣中硫化物，尤其是SO2和SO3的檢測(cè)從以往的工人檢測(cè)方面提升至互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)感知。通過對(duì)排放漿液的pH值實(shí)時(shí)性監(jiān)控，持續(xù)有效地使遠(yuǎn)在別處的管理者和監(jiān)督者得到及時(shí)性的信息。一旦pH至超過閾值，管控系統(tǒng)便會(huì)自動(dòng)地警告，有選擇性地及時(shí)調(diào)整燃煤前端端口的投入數(shù)據(jù)或通過自動(dòng)的尾氣再處理來進(jìn)行達(dá)標(biāo)后排放。遇到指標(biāo)超出設(shè)定的合理區(qū)間時(shí)，便可自動(dòng)關(guān)閉生產(chǎn)的流程線路上影響到煙氣排放的非必要性流程，進(jìn)而再轉(zhuǎn)接至操作管理人員，極大地為保障環(huán)境治理和節(jié)省人力資源做出了極大的益處。

同時(shí)，通過以上的四個(gè)步驟有針對(duì)性地對(duì)電廠燃煤的情況及后續(xù)煙氣中脫硫的管控，實(shí)現(xiàn)由人員的高度化參與到現(xiàn)在的人員定時(shí)監(jiān)督機(jī)器，總體流程交由AI管控，既減少了總體的運(yùn)行成本，還不用承擔(dān)來自工廠內(nèi)人員流失的危機(jī)，使得工廠的總體運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)得到有效降低。且這套系統(tǒng)還附帶有及時(shí)的反饋系統(tǒng)，一旦出現(xiàn)與總體大數(shù)據(jù)不符的情況，便會(huì)及時(shí)發(fā)出報(bào)告，提前性告知相關(guān)操作人員，保障生產(chǎn)過程的規(guī)范性和高效性。

此管控工藝不僅對(duì)于燃煤電廠有很好的管控作用，對(duì)于需要進(jìn)行脫硫處理的鋼鐵企業(yè)來說同樣受益。鋼鐵脫硫并不像在燃煤電廠中屬于末端的處理環(huán)節(jié)，其是位于鋼鐵制作過程中的核心環(huán)節(jié)。鋼鐵的整個(gè)質(zhì)量一定程度上也就在于硫的脫除程度，因?yàn)榱蚧锏拇嬖跁?huì)影響到鋼鐵的韌性。而一味地投入除硫劑，一旦過量，也會(huì)影響到出鋼的質(zhì)量，這對(duì)于AI智能管控系統(tǒng)的要求便更高。而通過智能的AI管控系統(tǒng)，就能更好地做到開源節(jié)流的目的。

一是收集數(shù)據(jù)，構(gòu)建模型。同樣的對(duì)于關(guān)鍵流程部位的數(shù)據(jù)監(jiān)督和分析，特別是對(duì)于脫硫過程中脫硫量及比例的數(shù)據(jù)方向上的處理，盡可能做到數(shù)據(jù)的多元性和可靠性。二是模型的檢測(cè)。對(duì)于構(gòu)建好的模型進(jìn)行初步試運(yùn)行，通過多試實(shí)驗(yàn)的回收分析，不斷調(diào)試出合理的符合預(yù)期的模型，再在眾多符合預(yù)期的模型中尋求最小化的脫硫劑的投入方案。三是數(shù)據(jù)輸出。通過對(duì)于模型的合理構(gòu)建，在實(shí)際的脫硫過程中，給出操作機(jī)器人或者相關(guān)的操作人員合理地除硫數(shù)據(jù)及脫硫劑的投入比例。

3.2.2 智慧漿液PH改善

脫硫廢水主要是鍋爐煙氣濕法脫硫（石灰石/石膏法）過程中，為了維持脫硫裝置漿液循環(huán)系統(tǒng)物質(zhì)的平衡，防止煙氣中可溶部分即氯濃度超過規(guī)定值和保證石膏質(zhì)量，從吸收塔系統(tǒng)中排放的廢水。一般來自石膏脫水和清洗系統(tǒng)，或是水力旋流器的溢流水及皮帶過濾機(jī)的濾液。在濕法煙氣脫硫中所產(chǎn)生的脫硫廢水，pH酸堿度多呈弱酸性，同時(shí)含有大量的懸浮物（石膏顆粒、二氧化硅、鋁和鐵的氫氧化物）、氟化物和微量的重金屬。如砷、鎘、鉻、汞等，直接排放將對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。

AI智能管控便在這個(gè)方面做出了很好的貢獻(xiàn)。AI智能管控系統(tǒng)通過對(duì)所排出的漿液的pH值進(jìn)行排放前的測(cè)定，將漿液pH值實(shí)時(shí)的反饋給主機(jī)的管理系統(tǒng)。若pH值過低，呈現(xiàn)出較強(qiáng)的酸性，AI智能管控系統(tǒng)就會(huì)從兩方面進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。一是對(duì)吸收塔中的煙氣進(jìn)行再次監(jiān)測(cè)，加大對(duì)吸收塔中除硫劑的投入；二是根據(jù)所排出漿液PH值的大小，整合脫硫設(shè)備運(yùn)行歷史運(yùn)行數(shù)據(jù)，包括石灰石漿液泵運(yùn)行情況、石膏漿液pH值、氧化風(fēng)機(jī)功率、機(jī)組負(fù)荷、入口硫分來建立數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)AI模型，動(dòng)態(tài)規(guī)劃不同工況下石膏漿液pH值偏離閾值時(shí)的石灰石漿液泵啟停方案，在保障生態(tài)環(huán)境的前提下，再進(jìn)行漿液的供給，達(dá)到人與自然之間和諧共處的真實(shí)理念。

如何讓工廠整體實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的運(yùn)行操作一直以來都是社會(huì)和國(guó)家關(guān)注的發(fā)展重大問題。同時(shí)針對(duì)燃煤電廠的環(huán)境治理問題，在廢煙廢氣的處理上如何做到高效的附帶有解決現(xiàn)行燃煤電廠問題的方案也是人們關(guān)注的重點(diǎn)。通過基于大數(shù)據(jù)分析和處理的智能AI管控系統(tǒng)的建設(shè)，便能為燃煤電廠在現(xiàn)行的環(huán)境治理上的高壓態(tài)勢(shì)帶去高效的求解方案。其突破于對(duì)傳統(tǒng)的人力資源的相對(duì)依賴，只需要在相應(yīng)的模型構(gòu)建以后，對(duì)于特殊情況的處理上以及人員對(duì)于AI管理體系的監(jiān)督上做出投入便可持續(xù)性健康運(yùn)行，對(duì)于工業(yè)現(xiàn)代化的促進(jìn)整體起到了積極的作用。