“近零排放”技術路線探索

“近零排放”技術路線探索

喬加飛，周洪光

(神華國華(北京)電力研究院有限公司， 北京100025)

摘要：鑒于我國環境壓力的日益嚴峻，燃煤電廠“近零排放”理念不斷升溫。從燃煤電廠對煙塵、二氧化硫和氮氧化物的控制現狀分析入手，梳理了各種煙氣污染物排放控制技術的特征，并在此基礎上完成了“近零排放”技術路線的探索。經新建機組和已投產改造機組的生產實踐證明，該技術路線完全可以滿足“近零排放”的要求。

關鍵詞：火力發電廠；近零排放；技術路線

收稿日期：2015-04-24

作者簡介：喬加飛(1984—)，男，河南商丘人，工程師，博士，主要從事熱力系統設計優化以及節能環保相關研究，E-mail：wenqingqjf@163.com

中圖分類號：X51

收稿日期：2015-04-23

DOI: 10.14068/j.ceia.2015.04.001

我國能源資源的基本國情是富煤貧油少氣，煤炭資源總量為5.9萬億t，占全國一次能源資源總量的94%[1]，石油、天然氣資源僅占6%。從實際消費情況來看，我國2013年煤炭供應在一次能源供應中的份額高達67.5%，占據絕對主導地位。雖然石油和天然氣供應在一次能源供應中也占據一定份額，但其對外依存度已經分別高達58%和30%。因此可以預見，煤炭消費在我國相當長的一段時間內依然會保持主導地位。

燃煤電廠大氣污染物排放達到燃機排放限值，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”。本文結合相關污染物控制技術的分析和優化集成，對煙塵、二氧化硫和氮氧化物的控制進行了深入研究，并對“近零排放”技術路線的探索情況進行介紹，以期為實現燃煤機組“近零排放”提供參考。

1煙塵控制技術

1.1　技術概況

隨著環保標準的逐步提高，一些除塵新技術也逐漸得到應用，如電袋除塵器、旋轉電極技術、煙氣調質技術、高頻電源/三相電源/脈沖電源技術、低低溫電除塵技術、粉塵凝聚技術、分區供電技術、濕式電除塵器技術等。

電袋除塵器的應用相對較多。如大唐洛河電廠于2008年前后將其4臺320 MW機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；北方聯合電力包頭第一熱電廠將固定電極電除塵器改造為旋轉電極式電除塵器，改造完成后出口煙塵排放濃度達到30 mg/m3以下。除塵器高頻電源的改造在國內也有不少應用。如上海外高橋第三電廠對其8號機組的兩臺三室四電場電除塵器進行了改造，24臺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，減排率達到59.5%。

從調研結果來看，近些年，除塵技術發展很快，新技術應用也很多，前期技術積淀為“近零排放”的實施提供了很多借鑒。但無論哪種單一的除塵技術都不能使得煙塵出口濃度降低至5 mg/m3。因此，“近零排放”煙塵控制的研究內容便演變為對各技術方案的論證和不同技術之間的集成[2]。

1.2　技術路線論證

電袋除塵器的工作原理是在電除塵區域利用電場吸收大部分煙塵顆粒，利用煙氣過濾袋收集帶有電荷但未被電除塵區域收集的微細粉塵。因此，電袋除塵器除塵效率一般會比常規靜電除塵器高。但電袋除塵器在實際應用中也出現了諸多問題，該技術的安全可靠性成為阻擋其推廣應用的主要因素。此外，電袋除塵器的使用增加了煙道阻力，部分機組生產數據表明，煙道阻力的增加遠大于設計值，明顯影響廠用電率。基于以上分析，電袋除塵器是本次研究應用的低優先級考慮方案。

高比電阻粉塵所導致的反電暈和振打引起的二次揚塵很大程度上影響了電除塵器的除塵效率，成為常規靜電除塵器所面臨的主要問題之一。旋轉電極技術是通過將除塵器的電場更改為前級固定電極電場加后級旋轉電極電場[3]，旋轉電極電場中陽極部分采用回轉的陽極板和旋轉的清灰刷，附著于回轉陽極板上的粉塵在尚未達到形成反電暈的厚度時，就被布置在非電場區的旋轉清灰刷清除，因此不會產生反電暈，減少了二次揚塵，進而提高了除塵器除塵效率。

高頻電源是將工頻電源經整流橋整流成約530 V的直流電流，再經逆變電路逆變成20 kHz以上的高頻交流電流[4]，然后通過高頻變壓器升壓，再經高頻整流器進行整流濾波，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，從而提高粉塵驅盡速度，提高除塵效率。此外，高頻電源比工頻電源更節能，因為其本身效率和功率因數皆大于0.9，遠高于常規工頻電源。

但即使同時采用旋轉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。鑒于煙氣經過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到5 mg/m3的“近零排放”目標。

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力的作用使集塵極吸附帶有負離子的煙塵顆粒，從而達到除塵目的。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[6]。調研和理論分析皆表明，當濕式除塵器的進口煙塵濃度低于20 mg/m3時，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”煙塵控制技術路線確定為：脫硫裝置前采用“旋轉電極+高頻電源”技術的靜電除塵器+脫硫裝置后采用濕式電除塵器。

2二氧化硫控制技術

2.1　技術概況

火力發電廠應用最廣泛的脫硫技術為濕法煙氣脫硫技術，但是該技術煙氣出口二氧化硫濃度很難達到35 mg/m3的目標。以三河電廠為例，三河一、二期4臺機組皆采用傳統的濕法脫硫，圖1和圖2分別為2010—2013年4臺機組脫硫系統出口的二氧化硫濃度大于35 mg/m3和大于50 mg/ m3的時間統計。

圖1　2010—2013年脫硫系統出口二氧化硫濃度 大于35 mg/m 3時間統計/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年脫硫系統出口二氧化硫 濃度大于50 mg/m 3時間統計/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臺機組煙氣出口二氧化硫濃度超過35 mg/m3較為常見，其中1號、2號和3號機組的二氧化硫排放濃度較高，其出口二氧化硫濃度超過50 mg/m3的小時數也較多。4號機組的二氧化硫排放濃度相對較低，但年均約800 h排放濃度超過35 mg/m3，200 h排放濃度超過50 mg/m3，即：達不到“近零排放”要求的小時數為800 h，不能滿足《火電廠大氣污染物排放標準》(GB 13223—2011)表1排放濃度限值規定的200 h。由此可以看出，傳統脫硫技術難以滿足“近零排放”要求。

2.2　技術路線論證

脫硫裝置提效增容方案主要有以下幾個[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。

改造原噴淋層主要是增加吸收塔體高度及相關設備，并增加漿液池容積，進行增容。國電菏澤發電有限公司三期2×330 MW機組濕法脫硫增容改造工程即采用此方案。系統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增添噴淋層及其他設備的相關改造進行增容。貴州華電大龍發電有限公司2×300 MW機組采用增加吸收塔體高度并設置增加兩層噴淋(共計6層噴淋)方案，脫硫效率達到97%。

(2)雙吸收塔聯合處理方案

雙吸收塔聯合處理方案的具體改造內容為增加一個輔塔，與原脫硫塔形成串聯，從而完成對煙氣的兩級處理。大唐桂冠合山發電公司300 MW等級機組脫硫增容改造工程采用“雙吸收塔串聯”增容改造方案，煙氣脫硫效率達到97.8%，二氧化硫排放濃度降低到200 mg/m3以下，達到了在燃燒劣質煤條件下低排放的目標。

(3)兩爐一塔增一塔方案

針對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爐的煙氣，新建吸收塔處理另一臺爐的煙氣。廣西柳州發電有限責任公司2×220 MW 機組石灰石-石膏濕法脫硫增容改造即采用此方案。原采用石灰石-石膏濕法脫硫系統保持不變，供一臺爐脫硫使用，新建一套脫硫系統供另一臺爐脫硫使用，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量和投資都較大，只有在電廠脫硫系統脫硫能力嚴重不足或者出現重大故障時，才適合采用該方案。

以上方案和技術皆相對比較成熟，針對不同類型的機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”二氧化硫排放目標的完成，還開展了一系列創新研究。對于常規噴淋塔脫硫裝置在提高脫硫效率方面研發了防止煙氣貼壁的專利技術，并增加1～2個噴淋層，以最經濟的改造方式完全可以將在役機組脫硫效率提高到98%以上，實現二氧化硫排放濃度不高于35 mg/m3的目標。以三河電廠1號機(300 MW)為例，改造后，經河北省環境監測站和華北電科院測試，在滿負荷工況下，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和脫硫創新技術相結合，形成高效脫硫技術，是研究確定的“近零排放”二氧化硫控制技術路線。

3氮氧化物控制

“近零排放”氮氧化物控制的技術路線研究起步較早，相對較成熟。從2010年開始便確定了爐內低氮燃燒+SCR脫硝技術路線，鍋爐出口氮氧化物指標為100～200 mg/m3，SCR按80%～85%脫硝效率計算，脫硝出口氮氧化物指標為20～40 mg/m3，優于燃氣輪機50 mg/m3的排放標準。

>>“近零排放”的成功實施是基于先進環保技術和科學系統集成的技術路線的成功

在鍋爐低氮燃燒技術方面，與煙臺龍源和上海鍋爐廠等分別研發了復合式空氣分級低NOx燃燒技術，可有效控制爐內燃燒過程中NOx的生成；同時優化主燃燒器區域的風門結構，確保低負荷和滿負荷時主燃燒器區域的過量空氣系數在同一水平，從而有效控制低負荷的NOx的排放。寧海電廠一期工程3號機通過對鍋爐燃燒系統的改造，鍋爐NOx的排放濃度達到100 mg/m3左右。

SCR脫硝技術成熟可靠，目前在國內大容量機組上大量采用，該技術方案沒有技術風險，適當增加催化劑數量，能夠實現85%的脫硝效率。同時還需加大對全負荷脫硝技術和中、低溫催化劑的研發力度，力爭將催化劑的使用溫度由300℃以上降低到270～280℃，實現鍋爐最低穩燃工況以上全負荷脫硝。

4“近零排放”技術整體應用

舟山4號機組“近零排放”整體技術路線為：鍋爐低氮燃燒+SCR脫硝技術+高頻電源電除塵器+電除塵(4個常規電極+1個旋轉電極)+濕式電除塵器+高效海水脫硫技術。2014年6月25日，舟山電廠4號機組作為全國首臺新建“近零排放”燃煤機組通過168 h試運后，正式投產運行，各項環保指標達到并優于“近零排放”要求，如表1所示。

表1　舟山電廠4號機組大氣污染物排放情況

2014年6月，浙江省環境監測中心對舟山電廠4號機組進行第三方獨立煙氣監測，監測結果顯示：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，均優于現行國內天然氣機組排放限值標準，并達到該標準的1/2。

三河1號機組“近零排放”整體技術路線為：鍋爐低氮燃燒+SCR脫硝技術+高頻電源電除塵器+低溫電除塵(4電場)+濕式電除塵器+高效石灰石濕法脫硫技術+煙塔合一技術。2014年6月23日，作為京津冀地區首臺“近零排放”機組的三河電廠1號機組一次并網成功，1號機組濕式電除塵器、低溫省煤器、高頻電源、脫硫增容提效等“近零排放”改造系統同步投入運行。華北電科院和河北省環保監測站測試數據顯示，負荷350 MW時，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，均小于燃氣發電機組大氣污染物排放限值，成為國內首個現役燃煤機組改造后排放指標優于燃機污染物排放指標的電廠。

5結論

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

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

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

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

“近零排放”的成功實施是基于先進環保技術和科學系統集成的技術路線的成功，將為整個電力及相關工業行業的環保工作提供直接參考和有益借鑒，也將成為推動國家減排治污工作的有利工具。

參考文獻(References)：

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

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

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

[4]奚朝陽. 高頻脈沖電源除塵器的節能效果與除塵效率[J]. 能源與節能, 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用探討[J]. 能源與環境, 2013(6): 95-99.

[6]任自華, 王敏, 邵愛華, 等. 濕式靜電除塵器在火電廠中的應用探討[J]. 能源與環境, 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用實例[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