燃煤電廠超低排放改造的技術路線研究

董銳鋒 王志東 李 媛 郭 陽 王鋒濤 李玉柱

(1.國網河南省電力公司電力科學研究院，河南 鄭州 450052；2.國家電網公司發電企業碳及污染物減排技術河南省工程實驗室，河南 鄭州 450052；3.華電新鄉發電有限公司，河南 新鄉 453000；4.河南恩湃高科集團有限公司，河南 鄭州 450052)

燃煤電廠超低排放改造的技術路線研究

董銳鋒1,2王志東3李 媛4郭 陽1,2王鋒濤1李玉柱4

(1.國網河南省電力公司電力科學研究院，河南 鄭州 450052；2.國家電網公司發電企業碳及污染物減排技術河南省工程實驗室，河南 鄭州 450052；3.華電新鄉發電有限公司，河南 新鄉 453000；4.河南恩湃高科集團有限公司，河南 鄭州 450052)

化石燃料燃燒帶來的環境污染問題日益嚴重，加強對煙氣中污染物的排放治理尤為重要。目前中國要求燃煤機組全面實施超低排放改造。從技術角度和現場試驗經驗出發，研究了煙塵、SO2和NOx的超低排放控制技術，并對各種技術方法進行了分析和對比。根據各污染物控制技術的特性，提出并研究了目前較為成熟的超低排放改造主流技術路線，并對各種技術路線的實際運行效果進行了試驗和監測。各技術路線均可以較好地滿足超低排放的技術要求。考察并分析了河南省進行超低排放改造后的燃煤電廠所存在的一些問題，提出了解決性和建設性的意見，為將要進行超低排放改造的燃煤電廠提供了技術指導。

燃煤電廠 超低排放 改造 技術路線 技術指導

隨著世界經濟以及工業的快速發展，化石燃料的消耗量也持續逐年增加，然而也引發了能源危機、溫室效應、環境污染等眾多嚴重性的后果。為了降低這些危害所帶來的不利影響，現階段最為直接的方法就是發展節能減排技術。燃煤電廠作為煤炭消耗的主要行業之一，開展嚴格的煙氣排放治理工作尤為重要。

2013年國務院推出《大氣污染防治行動計劃》(簡稱“大氣十條”)，要求大力推行清潔生產，加快重點行業脫硫脫硝除塵改造，使主要大氣污染物排放強度到2017年下降30%以上[1]。2014年國務院辦公廳發布了國辦發[2014]31號文，提出要推進煤炭的清潔高效開發利用[2]，隨后國家發改委、環保部、能源局共同提出新建燃煤發電機組污染物排放的超低排放標準，即在基準氧6%(體積分數，下同)的條件下，煙塵、SO2和NOx的排放質量濃度分別不高于10、35、50 mg/m3[3]。2015年國務院常務會議上，決定在2020年前對燃煤機組全面實施超低排放和節能改造，東、中部地區要提前至2017年和2018年達標[4]。河南省提出了全省范圍內在2016年10月底前完成燃煤電廠的超低排放改造目標，對經河南省環保廳驗收合格的機組予以0.1元/(kW·h)的電價補貼，并且對于在基準氧6%的條件下，煙塵、SO2和NOx的排放質量濃度分別不高于5、35、50 mg/m3的發電機組，將年度基礎電量的發電利用增加200 h/a[5]。推進超低排放改造后，同等條件下污染物允許排放濃度大幅降低，其中SO2降低65%、NOx降低50%、煙塵降低83%[6]，對于進一步提升煤電綠色發展水平、促進大氣污染防治和空氣質量改善具有重要意義。

由于環境惡化的巨大壓力和相關政策的適時引導，燃煤電廠必須在近期內完成超低排放改造工作，時間緊任務重，而一套成熟可靠的污染物排放治理設備則是達成超低排放改造工作的基礎和保證。本研究從煙塵、SO2和NOx的超低排放技術方法入手，分析各種可行的燃煤電廠改造技術路線，并對現有改造之后的運行效果開展現場試驗與分析，研究超低排放改造中存在的一些問題和解決方案，以便為接下來將要開展超低排放改造工作的燃煤電廠提供成熟的技術路線和寶貴的改造經驗。

1 超低排放改造技術路線

燃煤電廠的超低排放改造是針對煙氣中污染物排放治理的整體性改造工作。鑒于煙塵、SO2和NOx的超低排放改造均擁有諸多不同的控制技術，因此對于燃煤電廠來說也有多條技術路線可供選擇。本研究結合河南省內已完成超低排放改造的燃煤電廠實際情況，羅列了一些常用的超低排放改造的主流技術路線，通過投資費用、性能效果、技術穩定性等方面的權衡，并結合燃煤電廠的改造空間、燃煤煙塵情況等具體因素，做出綜合選擇。

1.1 技術路線1

技術路線1為選擇性催化還原(SCR)高效脫硝+靜電除塵器+高效脫硫+濕式電除塵器。

SCR高效脫硝系統是通過增加脫硝催化劑層來實現的，可以使整體脫硝效率達到90%以上，并可以采用新型Hg氧化催化劑，協同氧化去除煙氣中的Hg。通過靜電除塵器與濕式電除塵器相配合來實現高效除塵。靜電除塵器通過改進高頻電源，使除塵效率控制在99.8%以上，并可以協同去除煙氣中的SO3等污染物[7]；濕式電除塵器設置在脫硫塔之后，對煙氣中PM2.5的脫除效率可達90%，并協同脫除SO3、Hg等污染物[8]。高效脫硫主要是通過對現有脫硫塔進行升級改造來完成，所采用的技術手段有增加脫硫塔噴淋層、加高氣液接觸反應空間、適當增大漿液循環泵流量等措施，并可以實現高效脫硫協同硝汞控制，整體脫硫效率達到99%以上，脫汞效率達80%以上。通過各個技術手段之間的配合，最終有望實現NOx≤30 mg/m3、SO2≤20 mg/m3、煙塵≤4.5 mg/m3、Hg≤0.005 mg/m3。

該技術路線的優點是可以協同脫除SO3、Hg等污染物，但同時投資費用偏大，且改造量較大。

1.2 技術路線2

技術路線2為SCR高效脫硝+靜電除塵器+脫硫除塵+一體化深度凈化。

該技術路線與技術路線1相類似，其中主要的區別就在于沒有濕式電除塵器，而將脫硫出口的除塵功能集成在脫硫塔內部，實現脫硫除塵一體化深度凈化的效果。所采用的技術主要是在脫硫塔內部加裝高效節能噴淋裝置、離心式管束除塵除霧裝置、高效旋匯耦合脫硫除塵裝置等設備，在實現高效脫硫的同時，對煙氣中攜帶的煙塵和霧滴進行脫除。

該技術路線的優點是投資小、改造量小，然而也存在較為突出的缺點，燃煤電廠在低負荷運行的情況下，煙氣內的煙塵濃度反而會上升。

1.3 技術路線3

技術路線3為SCR高效脫硝+袋式除塵器(或電袋除塵器)+高效脫硫+屋脊式高效除霧器。

該技術路線主要集中在煙塵排放的控制技術上，其采用了袋式除塵器(或電袋除塵器)和屋脊式高效除霧器相配合的形式，煙塵排放控制較好，可在5 mg/m3以下穩定運行。

該技術路線的優點是煙塵排放濃度穩定可靠，但是投資較大，且運行維護量大。

1.4 技術路線4

技術路線4為SCR高效脫硝+低低溫除塵器+高效脫硫+濕式電除塵器+低低溫省煤器(MGGH)。

該技術路線利用濕式電除塵器配合MGGH系統進行除塵。MGGH系統主要使進入低低溫除塵器之前的煙氣溫度降低至酸露點以下，使得SO3冷凝成酸霧吸附在飛灰表面，降低飛灰比電阻，然后使進入煙囪前的煙氣溫度升高，改善煙囪腐蝕及“石膏雨”的發生。低低溫除塵器可有效提升除塵效率，增大煙道出口粉塵粒徑，有利于提高濕法脫硫塔以及濕式電除塵器的除塵效果。

該技術路線在節能方面具有突出的亮點，但在運行過程中需要關注由于煙氣溫度降至酸露點以下所引起的低溫酸腐蝕問題。

2 超低排放運行效果

截至2016年3月中旬，河南省共有15家發電企業共計24臺機組完成了超低排放改造，達到了超低排放的污染物濃度要求，并通過了河南省環保廳的超低排放改造驗收，涉及到的裝機總負荷達到12 590 MW，占全省火電裝機總負荷的20.43%。

通過對已改造燃煤電廠開展超低排放改造技術分析、污染物排放監測以及在不同負荷不同煤質情況下的污染物排放驗收試驗等工作，表1中給出了河南省部分燃煤電廠采用不同技術路線后的運行效果和污染物排放情況。

電廠的超低排放評估監測試驗是在相關行業標準要求下展開的，包括《固定污染源排氣中顆粒物測定與氣態污染物采樣方法》(GB/T 16157—1996)、《固定污染源廢氣 二氧化硫的測定 非分散紅外吸收法》(HJ 629—2011)、《固定污染源廢氣 氮氧化物的測定 非分散紅外吸收法》(HJ 692—2014)等。在超低排放改造之前，對煙塵濃度進行采樣測量均是基于濾筒法開展的，然而超低排放改造之后，濾筒法已無法達到煙塵監測質量濃度5 mg/m3以下的精度要求，因此在試驗過程中參考了《固定污染源排放 低濃度顆粒物(煙塵)質量濃度的測定 手工重量法》(ISO 12141—2002)，采用濾膜法對煙塵濃度進行采樣測量，使測量精度滿足監測要求。

由表1可以看出，超低排放改造技術在不同運行工況下均可以滿足超低排放的標準要求。

在河南省全部完成超低排放改造后，按照2015年全省的火電發電量2 410.56億kW·h進行計算，火電機組全部實現超低排放后，以超低排放改造前后的標準要求差值進行估算，可使全年的煙塵排放量減少211萬t，SO2排放量減少548萬t，NOx排放量減少422萬t，同時減少了Hg、SO3等污染物的排放量，環境效益非常可觀。

3 超低排放改造存在的問題研究

3.1 監測數據濃度過低

燃煤電廠在進行超低排放改造之后，煙氣中的污染物排放水平有了很大程度的下降，且在運行過程中留有充分余量，用以應對負荷和煤質的變動以及工作環境的變化。然而在實際運行過程中，部分電廠片面追求污染物排放濃度最低，出現了污染物排放濃度監測數據低于檢出限和監測下限，甚至出現SO2排放監測濃度為0 mg/m3的情況。

表1 燃煤電廠超低排放驗收試驗結果

雖然盡最大可能地降低煙氣中的污染物排放濃度是科學研究不斷發展的方向，但是以現階段技術水平來維持過低的排放濃度，則可能會引起煙氣凈化設備的非正常運行，帶來其他不良后果。比如片面追求SO2排放濃度降低，可能會引起石膏產品的品質下降，無法再利用；片面追求NOx排放濃度的降低，可能會引起噴氨量過大，空氣預熱器嚴重堵塞等問題。

為了避免燃煤電廠在正常運行過程中煙氣污染物排放濃度過低所帶來的不利影響，可以采取以下措施：

(1) 燃煤電廠在實際操作過程中要進行優化運行，使脫硫系統運行在最佳狀態。

(2) 加強煙氣監測與分析設備的維護，其中脫硝系統中的煙氣排放連續監測系統(CEMS)宜采用多點取樣的方式，降低煙氣分布不均帶來的影響，且盡量使用抽取式氨逃逸表，保證測量的精度和可靠性。

(3) 經常對數據的有效性進行審核，保證數據的準確性。

3.2 監測數據邏輯性差

在燃煤電廠對煙氣中污染物濃度進行監測時，通常會對脫硫塔進出口處的煙氣分別進行采樣和分析。然而在實際過程中，對進出口煙氣中O2、NOx濃度進行監測時可能會發生前后數據偏差過大的情況。

分析燃煤電廠監測數據邏輯性差的發生原因，主要是由于采樣探頭或系統內部存在泄露、比對測孔安裝位置不在采樣探頭前、測孔密封不嚴、煙道內部流場分布不均、氨逃逸濃度監測設備不準確等因素所造成的。同時針對這些原因，所采取的改善措施主要有加強監測設備維護、開展煙道內煙氣流場測試、進行煙道內分布優化調整等方式。

在不同監測位置NOx的濃度數據相差過大可能會對噴氨量的確定帶來影響[9]。目前脫硝系統普遍存在的SCR出口與煙囪入口NOx濃度不一致的問題，有時會出現倒掛和脫硝出口NOx濃度超標兩個極端，因此在超低排放要求下進行噴氨優化調整就顯得尤為重要[10]。通過對不同電廠實施噴氨優化調整試驗，可以有效解決煙道內NOx濃度分布不均的問題，保證了機組的正常穩定運行(見表2和圖1)。

表2 優化調整前后反應器出口NOx分布相對標準偏差1)

注：1)A、B反應器的裝機負荷均為400 MW。

3.3 “壓紅線”運行

與盡量降低污染物排放濃度的做法相反，部分燃煤電廠在實際操作中盡量讓污染物排放濃度接近排放最高限值，“壓紅線”運行。在這種運行狀態下，機組的負荷變動或燃煤煤質的變化等因素會引起煙氣內污染物濃度的波動，從而導致燃煤電廠煙氣污染物排放頻繁超標的現象。

造成這種現象的原因主要是燃煤電廠追求運行小指標考核，而忽略了環保指標，對環保工作的重視度不夠，管理意識有待提高。根據燃煤電廠運行經驗，在穩定運行過程中煙氣污染物排放濃度指標不宜超過標準要求值的80%，否則在燃煤電廠運行工況發生變化的情況下，煙氣污染物排放濃度很容易超標。

3.4 監測技術不夠成熟

燃煤電廠在實際運行過程中，由于煙道內煙氣流動及污染物濃度分布不均，煙氣分析系統采樣點的位置對分析結果的影響非常大，且部分燃煤電廠的采樣裝置安裝位置不合理。

脫硫塔出口煙氣濕度大，伴熱裝置也無法完全保證管路內不會發生水蒸氣的冷凝，而采樣管內液態水的存在對測量結果有一定的影響，且采樣探頭容易腐蝕結垢，影響監測設備的穩定性和可靠性。燃煤電廠煙氣內的濕度在線監測方法仍沒有相應的評價標準，在實際運行過程中存在偏差較大的情況。

目前煙氣中煙塵排放質量濃度要求在5 mg/m3以下，接近煙塵在線監測裝置的檢出限，在線儀表結果誤差較大，有待相關技術的深入研究和發展。

3.5 機組啟停機時NOx排放濃度超標

目前超低排放改造的主流技術路線在機組正常運行工況下均可以滿足污染物排放的標準要求，然而在機組啟停機時(尤其是使用煤粉爐的燃煤電廠)，由于SCR系統處的煙氣溫度無法達到催化劑所需的溫度要求，因此脫硝系統在機組啟停機時短時間內無法運行，加之煙氣含氧量短時間內遠高于6%，從而導致部分時間段內煙氣NOx排放濃度超標。

圖1 SCR裝置噴氨優化調整前后NOx質量濃度分布對比Fig.1 Comparison of NOx concentration distributions before and after ammonia injection optimization for SCR systems

超低排放改造的主流技術均無法有效解決機組啟停機時NOx排放濃度超標的問題，目前相關研究已經很多，但仍沒有較為成熟的解決方法。其中研究最多的技術主要有省煤器分段法、SCR低溫催化劑、選擇性非催化還原(SNCR)分區調控運行等方法，部分技術已經進入工業試驗階段，但仍有待進一步完善和推廣。

4 結語與展望

通過對不同污染物控制方法相互配合和互補，提出了現有燃煤電廠進行超低排放改造的幾種主流技術路線，分析了各種技術路線的適用條件，并對各路線的實際效果進行了試驗和研究。通過對4個燃煤電廠開展超低排放評估監測試驗，從試驗和監測結果得知，目前燃煤電廠所采用的主流技術路線都能夠很好地完成超低排放的技術要求，并且部分技術路線還可以協同脫除煙氣中的SO3、Hg等污染物，具有非常出色的運行效果。

雖然燃煤電廠進行超低排放改造之后可以達到排放要求，但是部分電廠在運行過程中也會存在一定的問題，如煙氣污染物排放濃度控制過低、污染物排放“壓紅線”運行、監測數據邏輯性差等現象。這就為將要進行超低排放改造的燃煤電廠帶來了經驗和警示，發電企業必須提高管理意識和運行人員的技術水平，切勿片面追求個別指標。在穩定運行工況下，推薦煙氣污染物排放濃度指標在標準要求值的80%以下運行。在超低排放形勢下，燃煤電廠的脫硫、脫硝、除塵系統運行方式有待進一步優化，例如在SCR脫硝系統運行過程中必須進行噴氨優化調整，控制SCR反應器出口NOx分布相對標準偏差在10%以內，以保證后續設備和鍋爐機組的安全穩定運行。CEMS運營單位應加強設備維護，保證監測數據的穩定可靠，技術層面上新設備與新方法也有待進一步研究和驗證。全負荷脫硝技術目前亟待完善與推廣，有望解決機組啟停時NOx排放濃度超標的問題。

[1] 國務院．國務院關于印發大氣污染防治行動計劃的通知[EB/OL].[2016-03-16].http://www.gov.cn/zwgk/2013-09/12/content_2486773.htm．

[2] 國務院辦公廳．國務院辦公廳關于印發能源發展戰略行動計劃(2014—2020年)的通知[EB/OL].[2016-03-16].http://www.gov.cn/zhengce/content/2014-11/19/content_9222.htm．[3] 國家發展改革委，環境保護部，國家能源局．關于印發《煤電節能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》的通知[EB/OL].[2016-03-16].http://bgt.ndrc.gov.cn/zcfb/201409/t20140919_626242.html．

[4] 張樵蘇．李克強主持召開國務院常務會議[EB/OL].[2016-03-16].http://news.xinhuanet.com/politics/2015-12/02/c_1117336285.htm．

[5] 河南省發展和改革委員會．關于煙氣超低排放燃煤機組基礎電量獎勵政策的通知[EB/OL].[2016-03-16].http://www.hndrc.gov.cn/ar/20150617000021.htm．

[6] 任玉瓏，王昌海，何屬宴．排污權制度下的電力市場穩定性分析[J]．工業工程，2009，12(1)：5-9．

[7] 潘志強，鐘金鳴．燃煤發電機組電除塵器節能減排改造實踐[J]．環境污染與防治，2014，36(1)：109-112．

[8] 常景彩，張立強，李志強，等．柔性集塵極應用于濕法脫硫煙氣深度凈化的試驗研究[J]．環境污染與防治，2012，34(11)：1-4．

[9] 張志強，宋國升，陳崇明，等．某電廠600 MW機組SCR脫硝過程氨逃逸原因分析[J]．電力建設，2012，33(6)：67-70．

[10] 祝社民，李偉峰，陳英文，等．煙氣脫硝技術研究新進展[J]．環境污染與防治，2005，27(9)：699-703．

Researchonultra-lowemissiontechnologiesofcoal-firedpowerplants

DONGRuifeng1,2,WANGZhidong3,LIYuan4,GUOYang1,2,WANGFengtao1,LIYuzhu4.

(1.StateGridHenanElectricPowerResearchInstitute,ZhengzhouHenan450052;2.StateGridHenanEngineeringLaboratoryofCarbonandOtherPollutantsEmissionReductionTechnologyforPowerGenerationIndustry,ZhengzhouHenan450052;3.HuandianXinxiangPowerCo.,Ltd.,XinxiangHenan453000;4.HenanEPRIHitechGroupCo.,Ltd.,ZhengzhouHenan450052)

With the growing consumption of fossil fuels,the problem of air pollution is getting more serious. It is extremely important to remove the air contaminants from the exhaust gas. So far all the coal-fired power plants are demanded to carry out ultra-low emission technology in China. Therefore,all the ultra-low emission technologies of particulate matter,SO2,NOxand other major air pollutants were analyzed and compared,based on the technical research and field experiments. According to the characteristics of air pollution reduction technologies,several mature technological routes and tactics were proposed and analyzed. The results of experiments revealed that the standard of ultra-low emission could be achieved easily for all the technological routes. The problems existed after the ultra-low emission technology applied in Henan Province were investigated and studied. The solutions for the problems were analyzed,to give technical guidance for the other coal-fired power plants.

coal-fired power plant; ultra-low emission; retrofitting; technological route; technical guidance

董銳鋒，男，1987年生，博士，工程師，研究方向為燃煤電廠污染物排放治理設備與技術。

10.15985/j.cnki.1001-3865.2017.12.023

2016-10-18)