GB13223的實施對火電廠環保技術的影響

張 璜，趙祥峰，仲衛東

(國核電力規劃設計研究院，北京 100095)

隨著環境形勢的日趨嚴峻，我國加大了十二五期間的環境保護力度，國家針對各行業紛紛出臺新的環保法規和政策，這些舉措皆能體現出我國政府在環境污染治理方面的態度和決心。在眾多污染型的行業中火電行業占據了主要份額，自《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223－2003)實施以來，各大發電集團緊跟著國家的環保政策，從熱電聯產、以大代小到IGCC，再到新能源(生物質、風電、太陽能)，從除塵脫硫、再到脫硝脫汞等等，各集團在電廠環保工程的投入力度越來越大，大氣污染物的減排效果日益顯著，同時在一定程度上促進了我國環保產業鏈的快速發展。因此，舊標準GB13223－2003的實施無疑給我國帶來了巨大的環境效益和經濟效益。

隨著環保技術的不斷更新和發展，我國火電行業已具備了進一步降低污染物排放的條件，因此，更嚴格的大氣污染物排放標準應運而生，它的實施必將進一步改善當前環境狀況，使我國的環境保護水平邁上新的臺階。

1 標準限值的變化

與舊標準GB13223－2003相比，新標準限值的修訂內容有如下變化：

(1)取消了以煤矸石、生物質等為燃料的發電鍋爐相對寬松的排放限值，執行與燃煤鍋爐相同的限值；取消了按燃煤中的揮發份執行不同NOx排放濃度限值的規定。

(2)以2012年1月1日作為新建機組的分界點，同時以2014年7月1日作為現有機組執行與新建機組相同標準的分界點。新建燃煤鍋爐的煙塵、SO2和NOx的排放濃度分別為30mg/m3、100mg/m3和100mg/m3，相比舊標準，SO2和NOx的濃度限值降幅較大。

(3)對環境容量小、生態環境脆弱的重點地區執行更為嚴格的特別排放限值，煙塵、SO2和NOx的排放濃度分別為20mg/m3、 50mg/m3和100mg/m3。上述限值要求不區分新建機組和現有機組，具體的地域范圍、實施時間將由國務院環保部規定。

(4)對燃煤鍋爐提出了汞及其化合物的排放限值要求(0.03mg/m3)，將于2015年1月1日開始執行。

因此，新標準中的排放限值較舊標準嚴格許多，新建和現有電廠必將采取更為先進的環保技術，標準的實施將有力推進大氣污染物控制技術的快速發展。

2 火電廠大氣污染物控制技術現狀分析

目前我國的火電廠多數為燃煤電廠，消耗大量的煤炭資源，產生煙塵、SO2和NOx等大氣污染物，對電廠周圍的環境帶來了不同程度的污染。為了滿足舊標準GB13223－2003規定的污染物排放限值要求，現有火電廠主要采取以下控制措施：

2.1 煙塵控制技術

目前我國大型燃煤電廠普遍采用的高效除塵裝置有：靜電除塵器、布袋除塵器以及電袋復合式除塵器，各種除塵器技術指標比較內容見表1。

表1 除塵器技術指標比較

由上可知，上述三種除塵器均能滿足50mg/m3的限值要求。若按照新標準30mg/m3的要求，對于灰分較高的煤質，靜電除塵器增加電場后其經濟性較差，運行效果也不好，此時選用布袋除塵器和電袋復合式除塵器有明顯的優勢。

2.2 SO2控制技術

脫硫技術主要分為燃燒前脫硫、爐內脫硫以及燃燒后脫硫。

燃燒前脫硫指采用物理或化學方法對原煤進行清洗，除去煤中黃鐵礦及灰分，采用的方法包括重介質選煤、風力選煤、斜槽和搖床選煤等；爐內脫硫是指爐膛內噴入石灰/石灰石吸收劑固化SO2/SO3而進行脫硫，如流化床鍋爐摻燒石灰石脫硫；燃燒后脫硫是指鍋爐尾部加設裝置，利用脫硫劑對煙氣進行脫硫，主要分為濕法、干法(半干法)兩類。

我國火電廠目前應用的煙氣脫硫技術主要有：石灰石—石膏濕法、循環硫化床干法、海水法、氨法、活性焦干法、旋轉噴霧半干法、爐內噴鈣－尾部加濕活化法等煙氣脫硫工藝。上述幾種脫硫工藝技術經濟比較情況見表2。

表2 脫硫工藝技術經濟比較

由上可知，由于石灰石－石膏濕法脫硫工藝不受燃煤含硫份的限制，吸收劑來源廣泛，價格低廉，設備運行可靠，技術最為成熟，因此我國運行和在建的90%以上電廠采取了該工藝；海水脫硫工藝多適用于濱海電廠；在一些煤矸石較多的地區鼓勵采用循環流化床鍋爐，可實現資源的綜合利用。

2.3 NOx控制技術

NOx控制技術分為爐內脫硝和煙氣脫硝，這兩種技術通常聯合使用。

爐內脫硝是指在鍋爐燃燒過程中通過改變燃燒條件來抑制NOx的產生或者破壞已生成的NOx，即低氮燃燒技術。普通的燃煤鍋爐通常采用的低氮燃燒技術包括低過量空氣燃燒、空氣分級燃燒、煙氣再循環等，可以將鍋爐出口的NOx濃度一般控制在350mg/m3以下。循環流化床鍋爐本身就是采用了低氮燃燒技術，爐內溫度控制在800℃～950℃，分級送風，抑制了熱反應型NOx的產生，鍋爐出口的NOx濃度一般控制在300mg/m3以下，甚至更低。因此，現有電廠通過采用低氮燃燒技術基本可以滿足GB13223－2003的排放限值，同時按要求預留了脫硝裝置空間。

處于環境容量較小區域的電廠采取了更嚴格的環保措施，除了采用低氮燃燒技術外，還進行了煙氣脫硝，即指對燃燒生成后的NOx進行脫除。目前電廠所采用的工藝技術為選擇性催化還原法(SCR)和選擇性非催化還原法(SNCR)。上述三種脫硝工藝技術經濟比較情況見表3。

表3 脫硝工藝技術經濟比較

由上可知，低氮燃燒技術的投資和操作成本較低，已廣泛應用到電廠鍋爐；SCR法具有脫硝效率高、運行可靠、便于維護操作的優點，因此目前我國運行和在建的電廠多數選用該工藝。

3 火電廠大氣污染物控制技術發展趨勢分析

3.1 除塵技術的發展趨勢

火電廠所排放煙塵中含有大量可吸入顆粒物，其易于富集有毒有害的重金屬元素，對環境和人體產生嚴重危害，因此顆粒物一直是我國重點控制的大氣污染物，而且日益受到公眾的關注。目前，在火電廠除塵技術的發展過程中，電除塵器因其良好的可操作性、可靠的除塵效率及穩定的運行效果得到了推廣和應用。但隨著GB13223－2011的實施，現有的傳統電除塵器將面臨改造，新建機組和老機組需要根據自身特點，重新考慮如何選擇適合自己的除塵工藝及設備。

(1)對于新建煤粉鍋爐，考慮到燃煤成分的不同，電除塵器、袋式除塵器及電袋復合除塵器都是可以考慮的選擇。煤質中灰分較低時(約10%)宜采用靜電除塵器，灰分較高時宜采用布袋除塵器和電袋復合式除塵器。但由于電除塵器除塵效率受限制因素較多且不穩定(對煤種及粉塵條件的變化較為敏感)，而電袋復合除塵器工藝相對復雜，可能給設計工作及日后的運行維護管理帶來不必要的麻煩，因此，建議優先選用布袋除塵器。

(2)對于新建循環流化床鍋爐，在爐內摻燒了大量的石灰石后，鍋爐飛灰很細而且灰分比電阻增大，采用電除塵器后其除塵效率不是很理想，因此建議最好選用布袋除塵器。

(3)對于需要進行除塵改造的現有電廠，可充分利用已有靜電除塵器的殼體、灰斗、煙道、框架、輸灰系統等設施，將電除塵器改為布袋除塵器或者電袋復合除塵器，后者的改造費用相對較低，且除塵效率高(可達到99.9%以上)，在老廠改造工程中應用更具有優勢。

目前，我國電廠的除塵技術已接近國際先進水平，能滿足各種容量火電機組的需求，其中在靜電除塵器的制造、運行方面都已積累了豐富的經驗。而在近十年的發展中,袋式除塵器迅速崛起,尤其是大型袋式除塵器的出現,新的濾料和脈沖閥的開發,使袋式除塵器更加安全可靠,不僅比電除塵器的除塵效率高,而且受粉塵特性和煙氣成份的影響也較小,相信在不久的將來,性能可靠的大型脈沖袋式除塵器一定能夠在燃煤電廠得到推廣和應用，袋式除塵器將成為除塵技術發展的主流。

3.2 脫硫技術的發展趨勢

SO2作為“十二五”期間的總量控制指標之一，仍需繼續嚴格控制。新標準中SO2的排放濃度限值大幅度降低，從中可以看出“十二五”期間的脫硫任務比較艱巨，這就對電廠脫硫技術提出了更加嚴格的要求。據估算目前已運行的電廠到2014年之前多數需要進行新一輪的脫硫改造，而新建電廠采用單一的脫硫工藝有時也無法達到新標準的要求。

(1)脫硫工藝的選擇取決于燃煤中的硫含量，通過降低燃煤中的硫含量可以減輕后續脫硫系統的壓力，因此，采用低硫煤是電廠的首選。目前的脫硫工藝中濕法脫硫工藝是最為成熟的工藝，也是脫硫效率較高的工藝，適用于各種規模的機組；噴霧干燥法脫硫、爐內噴鈣尾部增濕法脫硫、海水脫硫和電子束脫硫等脫硫工藝在國內已有示范項目，應結合當地實際情況選用合適的工藝，其中爐內噴鈣尾部增濕、干法或半干法等幾種簡易脫硫工藝可作為兩級脫硫技術的一級脫硫工藝予以應用；另外，活性焦干法脫硫工藝是目前新興的工藝，可應用到大型機組中，其脫硫效率較高，副產物可以回收利用，節省大量水資源，將成為脫硫工藝發展的新方向。

(2)對于新建煤粉鍋爐，一般采用低硫煤+濕法脫硫工藝，條件允許時可采用活性焦干法脫硫工藝；高硫煤則需要進行兩級脫硫，可以采取半干法/干法脫硫工藝作為一級脫硫，濕法脫硫工藝作為二級脫硫。對于現有煤粉鍋爐，在進行脫硫改造時首先采用低硫煤，然后根據煤質情況判斷是否需要增加脫硫設施。

對于新建和需要改造的循環流化床鍋爐，爐內脫硫工藝很難滿足新標準的要求，還需要在爐后增設脫硫設施，可以根據鍋爐排放情況選取爐后濕法、干法或者半干法脫硫工藝。

3.3 脫硝技術的發展趨勢

隨著NOx排放量的逐年升高，由其引起的臭氧和細粒子污染問題日益突出，威脅人們的身體健康，成為當前迫切需要解決的環境問題。因此，“十二五”規劃綱要中明確將NOx首次列入約束性指標體系(減少10%)，NOx已經成為我國本時期污染減排的重點。

(1)對于新建煤粉鍋爐，一般采取低氮燃燒技術+SCR法的組合工藝。由于上述兩種技術都已成熟，運行較穩定，因此該組合工藝將成為今后火電廠脫硝技術的主流。

(2)對于現有煤粉鍋爐，鍋爐在低氮燃燒技術上的改造有利于NOx的減排，因此是很多電廠的首選，但是隨著新標準的實施，還需要采取進一步的脫硝措施。根據舊標準GB13223－2003，2004年1月1日之后的新建電廠須預留脫硝裝置的空間，通常設置在省煤器與空預器之間的位置(高溫高塵布置方式)，采用SCR法進行改造是最佳的選擇。

(3)對于循環硫化床鍋爐，鍋爐制造廠技術上可以做到鍋爐出口NOx濃度在200mg/m3以下，在不要求較高脫硝效率的情況下，從滿足環保排放標準和投資角度考慮，采用SNCR法更具有優勢。同時循環流化床鍋爐本體的低氮燃燒技術還在繼續研究，以期達到在鍋爐出口的NOx濃度降低至100mg/m3的目標。

(4)除了SCR和SNCR法外，SNCR－SCR聯合工藝也是今后發展的趨勢，該工藝是將還原劑噴入爐膛脫除部分NOx，逸出的氨再與未脫除的NOx進行催化還原反應的一種脫硝技術，此種方法所用的催化劑量少，且脫硝效率范圍廣，為25%～75%，可調節的范圍較大，應用起來較靈活。目前該工藝已在國內某200MW熱電廠中成功的應用。

目前制約脫硝工藝發展的關鍵問題是SCR脫硝專用催化劑及載體制造仍然依賴于進口，對于我國“十二五”期間繁榮的脫硝產業來說是個短板，因此，加快開發出催化劑和載體制造技術是我國火電廠脫硝產業發展迫在眉睫的事情。

3.4 脫汞技術的發展趨勢

汞作為一種劇毒、高揮發性的物質，易于在生物鏈中積累，具有全球性循環污染的特點。煤在燃燒過程中產生的汞大部分隨著煙氣排入大氣，成為環境汞污染的主要來源。因此火電廠的汞污染已經成為繼SO2污染之后的又一重大污染問題。新標準中明確規定汞及其化合物濃度限值為0.03mg/m3(2015年1月1日起實施)，這必將給我國火電廠污染治理帶來嚴峻的考驗。

燃煤煙氣中的汞主要以三種形態存在：顆粒態汞(Hgp)易被除塵設備捕集去除；氧化態汞(Hg2+)易溶于水且易被顆粒物所吸附，常規的煙氣凈化裝置即可收集；元素汞(Hg0)不溶于水且極易揮發，難于控制，對環境影響大。影響煙氣中的汞形態分布因素非常復雜，包括煤種、鍋爐運行狀態、煙氣凈化設備以及煙氣停留時間等，這關系著煙氣中汞污染控制方法的選擇和脫除效率。目前燃煤汞污染的控制技術包括燃燒前脫汞、燃燒中脫汞和燃燒后脫汞。

(1)燃燒前脫汞：洗煤和煤的熱處理是減少汞排放簡單而有效的方法。①傳統的洗煤技術可去除煤中30%以上的汞，而先進的化學物理洗煤技術甚至可達到65%；②煤的熱處理技術是基于汞的高揮發特性發展的，研究表明在400℃以下可達到最高80%的脫汞率，但此溫度下煤發生了熱解，發熱量有很大的降低，因此還有待進一步研究。

(2)燃燒中脫汞：利用改進燃燒方式，在降低NOx的同時抑制一部分汞的排放，包括低氮燃燒技術、循環流化床技術等。其中，循環流化床技術由于其燃燒溫度較低有利于汞的氧化，同時添加石灰石進行脫硫的工藝有利于進一步脫汞。

(3)燃燒后脫汞：包括協同控制技術、吸附劑脫汞技術和其他脫汞技術。①協同控制技術是利用現有的煙氣治理設施對汞及其他污染物進行協同控制，研究表明采用電除塵器/布袋除塵器后加裝脫硫裝置可達到75%的脫汞率，若加上SCR脫硝裝置可達到85%以上的脫汞率；②吸附劑脫汞技術是通過在煙氣中噴入吸附劑，通過氧化、吸附、螯合和絡合等作用，實現更高的汞脫除效果。吸附劑一般有活性炭、飛灰、鈣基吸附劑、礦物類吸附劑等。③其他脫汞技術，如電催化氧化法脫汞、K－Fuel脫汞技術等，目前處于研發階段。

上述幾種脫汞工藝技術經濟比較情況見表4。

表4 脫汞工藝技術經濟比較

由上可知，盡管現有煙氣脫汞技術種類多，但由于煙氣中的汞形態分布因素復雜，暫無任何一種脫汞技術能在所有機組上都達到滿意效果。結合我國國情以及煤種特性(汞平均含量為0.22mg/kg煤)，煙氣協同控制技術是目前我國火電廠控制汞排放最經濟、最實用的技術。新標準實施后，新建和改建鍋爐的各種脫硝、除塵和脫硫設施得到廣泛應用，對于燃用除褐煤以外的煤種一般可采用煙氣脫硝＋靜電除塵/布袋除塵＋濕法煙氣脫硫的組合技術進行協同控制之后基本可以滿足標準要求；若對于燃用褐煤的火電機組以及煙氣協同控制技術達不到標準的其他火電機組，可考慮在爐內添加鹵化物、煙道噴入活性炭吸附劑等工藝提高脫汞效率。綜上所述，目前煙氣脫汞技術研究應集中在有效利用現有污染控制設施并進行適當改進以提高汞的脫除效率，同時結合燃燒前脫汞技術，走復合式污染控制之路。

4 結語

(1)與舊標準相比，《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223－2011)在排放標準限值方面嚴格許多，因此，新標準實施后將在一定程度上推進大氣污染物控制技術的發展。

(2)新標準的實施不僅對新建機組提高了要求，也對目前運行的老機組提出了嚴格的技術改造要求，這勢必影響我國火電廠今后煙氣脫硫、脫硝、除塵技術的研究和發展方向。

(3)新標準明確了汞及其化合物的排放限值要求，這對脫汞技術的研究和發展起到了有力的推動作用。

綜上所述，在環保問題日益突出的今天，火電廠的大氣污染物成為公眾日益關注的焦點，新標準的實施將會很大程度地改善我國目前大氣環境污染狀況。我國火電廠的除塵、脫硫和脫硝技術在十幾年的發展中逐漸完善和成熟，脫汞技術還處于研發階段，目前以協同控制技術為主。因此，在執行新標準GB13223－2011的過程中，各電廠需結合自身的條件選擇最適宜的大氣污染治理工藝，以達到環境、經濟和社會效益的協調發展。

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