針對(duì)燃煤電廠煙氣中煙塵、SO2和NOx的超低排放要求，對(duì)現(xiàn)有常用除塵、脫硫、脫硝技術(shù)的原理、改造方法，以及改造后投運(yùn)實(shí)例進(jìn)行了綜合探討，分析了燃煤電廠煙氣污染物超低排放改造后的經(jīng)濟(jì)效益及環(huán)境效益，以期提供參考。

關(guān)鍵詞：燃煤煙氣；超低排放；經(jīng)濟(jì)效益；環(huán)境效益

1引言

2016年入冬以來，全國各地霧霾天氣持續(xù)不斷，已經(jīng)嚴(yán)重影響人們的日常生活和身心健康。我國的能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)以煤炭為主，這是造成我國環(huán)境空氣污染和各類人群呼吸系統(tǒng)疾病頻發(fā)的重要根源，無論是能源政策還是經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展要求，其共同目的都是通過控制煤炭消費(fèi)強(qiáng)度來減少大氣污染物排放，改善區(qū)域環(huán)境質(zhì)量。

煤電超低排放改造是現(xiàn)階段發(fā)電用煤清潔利用的根本途徑，超低排放技術(shù)可以進(jìn)一步減少煙氣污染物的排放總量，這是當(dāng)前復(fù)雜形勢下解決能源、環(huán)境與經(jīng)濟(jì)三者需求的最佳手段，也是破解一次能源結(jié)構(gòu)性矛盾的必由之路[1]。國務(wù)院有關(guān)部門要求燃煤機(jī)組在2020年前完成超低排放改造。實(shí)行對(duì)燃煤電廠的超低排放技術(shù)改造刻不容緩，由此對(duì)超低排放技術(shù)改造的技術(shù)路線并結(jié)合改造案例進(jìn)行綜合介紹。

2超低排放的概念

超低排放[2]是指燃煤火力發(fā)電機(jī)組煙氣污染物排放濃度應(yīng)當(dāng)達(dá)到或者低于規(guī)定限值，即在基準(zhǔn)氧含量為6%時(shí)，煙（粉）塵≤5mg/m3，二氧化硫≤35mg/m3，氮氧化物≤50mg/m3。

3超低排放改造的技術(shù)路線

我國目前大量工業(yè)用電、居民用電，基本都靠燃煤電廠供給，因此選擇合理的改造技術(shù)顯得尤其重要。對(duì)現(xiàn)有凈化設(shè)備利用率高，改造工程量少的技術(shù)成為電廠的首選。以下針對(duì)燃煤電廠常用的幾種除塵、脫硝、脫硫設(shè)備的改造方式進(jìn)行綜合介紹。

3.1除塵技術(shù)

目前燃煤電廠采取的除塵超低排放技術(shù)有：電除塵、電袋復(fù)合除塵、低低溫電除塵、濕式電除塵以及最新的團(tuán)聚除塵技術(shù)等。

3.1.1電除塵技術(shù)

電除塵器[3]的工作原理是通過高壓靜電場的作用，對(duì)進(jìn)入電除塵器主體結(jié)構(gòu)前的煙道內(nèi)煙氣進(jìn)行電離，使兩極板（陰極和陽極）間產(chǎn)生大量的自由電子和正負(fù)離子，致使通過電場的煙（粉）塵顆粒與電離粒子結(jié)合形成荷電粒子，隨后荷電粒子在電場力的作用下分別向異極電極板移動(dòng)，荷電粒子沉積于極板表面，從而使得煙氣中的塵粒與氣體分離，達(dá)到凈化煙氣的目的。

電除塵器運(yùn)行過程中需要定時(shí)啟動(dòng)振打裝置，使沉積于極板表面的煙塵在自重和振動(dòng)的雙重作用下跌落于電除塵器下方的灰斗中，并應(yīng)及時(shí)清空灰斗，確保電除塵器的除塵效果。

結(jié)合已有的電除塵器超低排放改造經(jīng)驗(yàn)可知，電除塵器升級(jí)改造一般遵循的原則[4]如下：

①完善氣體調(diào)質(zhì)系統(tǒng)設(shè)備，使煙氣中粉塵比電阻適應(yīng)高壓靜電場荷電要求；

②增加電場數(shù)量和除塵面積，更換極板極線，確保清灰振打裝置有效運(yùn)行，降低超標(biāo)排放幾率；

③加裝出口槽形板等裝置減少二次揚(yáng)塵；

④增加電流增強(qiáng)器，或者將普通工頻電源更換為電暈效率高、與電除塵器本體匹配度更高的高頻電源、脈沖電源，可拓寬對(duì)粉塵比電阻的適應(yīng)范圍，提高除塵效率。

其中第④項(xiàng)是升級(jí)改造的重點(diǎn)，我國目前大量應(yīng)用的是工頻高壓電源，其與電除塵器本體的匹配度低，電暈效率較低，而新型電源的使用可以有效提升除塵效率，但是因其價(jià)格偏高是普通工頻電源的幾倍到十幾倍，造成實(shí)際工程應(yīng)用中改造成本偏高。

良村熱電對(duì)#1爐燃煤機(jī)組電除塵器進(jìn)行提效升級(jí)改造，將電除塵器本體的極線、工頻電源進(jìn)行更換，并對(duì)相應(yīng)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化。改造后電除塵器的除塵效率達(dá)到99.93%以上，煙氣經(jīng)過電除塵器后濃度排放值為7.7mg/Nm3，再經(jīng)過后續(xù)脫硫系統(tǒng)的協(xié)同除塵效應(yīng)，其煙塵出口濃度排放值≤5mg/Nm3，達(dá)到燃煤火電廠發(fā)電機(jī)組超低排放的規(guī)定限值以下[5]。

3.1.2電袋復(fù)合除塵技術(shù)

電袋復(fù)合除塵器是將靜電除塵和過濾除塵機(jī)理有機(jī)結(jié)合的復(fù)合除塵技術(shù)[6]。它的特點(diǎn)是利用前級(jí)高壓靜電場將煙氣中的塵粒通過荷電粒子（塵粒與電離粒子結(jié)合而荷電）的方式去除，去除煙氣中的大部分塵粒；從而使進(jìn)入濾袋區(qū)的煙氣含塵濃度低，即可避免粗顆粒對(duì)濾袋的沖刷造成磨損，又降低了濾袋負(fù)荷，延長了濾袋的使用壽命，并可確保去除效率。

我國燃煤電廠除塵多采用電除塵器，采用電袋復(fù)合技術(shù)對(duì)電除塵器提效升級(jí)改造已成為多數(shù)電廠的選擇方向。此種改造方式具有以下優(yōu)點(diǎn)[6]：

①適用范圍廣；適用于已經(jīng)投入運(yùn)營，但是達(dá)不到超低排放要求的電除塵器。

②施工工程少、費(fèi)用低；可以對(duì)原有電除塵器的基礎(chǔ)和結(jié)構(gòu)進(jìn)行最大程度的利用，僅在除塵器進(jìn)出口范圍施工，節(jié)省改造成本。

③改造完成后，系統(tǒng)可長期高效穩(wěn)定運(yùn)行；不受煤種變化影響，系統(tǒng)運(yùn)行阻力小，濾袋使用壽命長，污染物排放濃度低。

沙角某電廠600MW燃煤機(jī)組配套電除塵器，采用超凈電袋復(fù)合除塵技術(shù)進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)了5mg/m3以下的超低排放要求[7]。

3.1.3低低溫電除塵技術(shù)

低低溫電除塵技術(shù)原理[8]是通過低溫省煤器或熱媒體氣氣換熱裝置（MGGH）降低電除塵器入口煙氣溫度，使進(jìn)入電除塵器的煙氣溫度保持在酸露點(diǎn)溫度以下（90℃左右）。此時(shí)煙氣中的大部分SO3在低溫省煤器或MGGH中冷凝形成硫酸霧，粘附在粉塵上并被堿性物質(zhì)中和，從而降低了粉塵的比電阻。該技術(shù)可提高除塵效率，同時(shí)去除煙氣中大部分的SO3，減輕了對(duì)煙道的腐蝕作用。

低低溫電除塵技術(shù)具有煙氣適應(yīng)性強(qiáng)、節(jié)能降耗和不產(chǎn)生固體廢棄物等優(yōu)點(diǎn)[9]，但是存在除塵設(shè)施酸腐蝕的問題。根據(jù)日本三菱重工的研究結(jié)果，當(dāng)灰硫比大于10時(shí)，細(xì)顆粒物有足夠的表面積作為SO3非均相凝結(jié)的凝結(jié)核，酸腐蝕速率幾乎為零[10]。該技術(shù)除塵器入口煙氣灰硫比一般都大于100，基本不存在酸腐蝕。

燃煤電廠低低溫電除塵系統(tǒng)典型布置方式主要有兩種（圖1、圖2）[8]。圖1在電除塵器前布置低溫省煤器，具有節(jié)能的效果，是我國主要采用的工藝路線；圖2是在電除塵器前布置MGGH，它的作用是利用原煙氣將脫硫后的凈煙氣進(jìn)行加熱，使排煙溫度達(dá)到露點(diǎn)之上，減輕對(duì)煙道和煙囪的腐蝕，提高污染物的擴(kuò)散度，減弱視覺污染；同時(shí)降低進(jìn)入除塵器的煙氣溫度，降低對(duì)除塵器防腐的工藝技術(shù)要求。



胡斌等[11]對(duì)低低溫電除塵技術(shù)的細(xì)顆粒與SO3的脫除機(jī)理進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果顯示低低溫電除塵中存在顆粒凝結(jié)長大現(xiàn)象，出口顆粒物粒度高于普通電除塵，適當(dāng)降低入口煙溫，有利于增強(qiáng)低低溫電除塵對(duì)細(xì)顆粒與SO3的脫除，細(xì)顆粒物的脫除效率可達(dá)90%，SO3脫除效率為80%。

3.1.4濕式電除塵技術(shù)

濕式電除塵器的工作原理[12]是在濕式電除塵器中，用水霧將粉塵凝結(jié)，在電場中與電離離子結(jié)合形成荷電離子，被捕集到極板上，收集到極板上的水霧在極板表面形成一層水膜，該水膜可清除極板表面積灰，保持極板潔凈。

該技術(shù)存在以下的優(yōu)點(diǎn)：

①采用水流沖洗，不用設(shè)振打裝置，不產(chǎn)生二次揚(yáng)塵。

②煙氣溫度降低、含濕量增高，粉塵比電阻下降，提高了除塵效率。

③拓寬捕集范圍；可有效收集微細(xì)顆粒物（PM2.5粉塵、SO3酸霧、氣溶膠）、重金屬（Hg、As、Se、Pb、Cr）、有機(jī)污染物（多環(huán)芳烴、二噁英）等。

因此濕式電除塵器可作為燃煤電廠污染物綜合治理的終端設(shè)備[12]。

某300MW燃煤機(jī)組采用濕式電除塵器進(jìn)行煙氣深度凈化。監(jiān)測結(jié)果顯示[13]：經(jīng)過濕式電除塵器后，煙塵排放濃度由16.1mg/m3降低至1.8mg/m3，脫除效率達(dá)到88%以上，充分滿足超低排放的要求，其中PM2.5的脫除效率穩(wěn)定在75%以上。

3.1.5團(tuán)聚技術(shù)

團(tuán)聚技術(shù)的工作原理[14]是利用化學(xué)團(tuán)聚劑將煙氣中的細(xì)顆粒物團(tuán)聚成鏈狀和絮狀，附著于大顆粒物上，煙氣經(jīng)過除塵器時(shí)大顆粒物被捕集，從而達(dá)到降塵的目的，該技術(shù)可大幅提高細(xì)顆粒物的脫除效率。

國電豐城發(fā)電有限公司一期4號(hào)34萬kW機(jī)組完成超低排放技術(shù)改造并順利通過168h試運(yùn)行。經(jīng)檢測：顆粒物排放均值為1.7mg/Nm3，與傳統(tǒng)除塵技術(shù)相比，團(tuán)聚技術(shù)除了有技術(shù)優(yōu)勢外，還具有成本優(yōu)勢。該技術(shù)不新增大型設(shè)備，不改變原有煙道布置，改造費(fèi)用約為800萬元左右，僅為濕式電除塵的1/3[15]。PM2.5團(tuán)聚除塵技術(shù)為燃煤鍋爐、窯爐實(shí)現(xiàn)煙塵超凈排放提供了切實(shí)可行、經(jīng)濟(jì)有效的技術(shù)解決方案，可廣泛應(yīng)用于火電、鋼鐵冶煉及水泥建材等行業(yè)，為治理霧霾作出應(yīng)有貢獻(xiàn)[16]。

3.2脫硝技術(shù)

實(shí)現(xiàn)NOx的超低排放技術(shù)主要有：低低氮燃燒器改造、SCR脫硝裝置催化劑加層及SNCR-SCR聯(lián)合脫硝技術(shù)[2]。吳智鵬[17]提出兩條路徑對(duì)脫硝機(jī)組進(jìn)行深度優(yōu)化，一是提高脫硝系統(tǒng)投運(yùn)率；二是增強(qiáng)脫硝側(cè)氮氧化物控制效果。主要從以下兩方面進(jìn)行改造。

3.2.1確保低溫運(yùn)行時(shí)，催化劑的活性和催化效率

煙氣溫度影響催化劑的活性，NOx的脫除效率與催化劑活性直接相關(guān)。催化劑理論應(yīng)用范圍為280～400℃。當(dāng)煙氣溫度較低時(shí)，催化劑的活性就會(huì)降低，進(jìn)而NOx的去除率降低，NH3逃逸率增大。此時(shí)SO2易被氧化成SO3，從而與還原劑氨（NH3）及煙氣中的水分反應(yīng)生成硫酸氫銨（NH4HSO4），NH4HSO4粘性較高容易堵塞空預(yù)器影響機(jī)組正常運(yùn)行，甚至造成安全事故。因此改造完成后應(yīng)通過系統(tǒng)優(yōu)化曲線，在確保催化劑活性和控制NH4HSO4生成的前提下，通過SO2質(zhì)量濃度及入口NOx濃度來確定SCR最低運(yùn)行溫度。

3.2.2對(duì)脫硝系統(tǒng)自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化

控制系統(tǒng)應(yīng)根據(jù)機(jī)組工況、入口NOx濃度變化等因素適時(shí)分析，預(yù)測出后續(xù)NOx變化趨勢，根據(jù)分析結(jié)果提前控制所噴入的NH3量。采用趨勢預(yù)測可以提前響應(yīng)入口NOx的變化，及時(shí)噴入氨氣有效控制NOx的排放。再通過回路優(yōu)化引入智能預(yù)測算法，確保全工況控制過程N(yùn)Ox排放濃度低于50mg/Nm3。

廣東珠海金灣發(fā)電有限公司對(duì)燃煤機(jī)組進(jìn)行超低排放技術(shù)改造后，結(jié)合脫硝系統(tǒng)保護(hù)邏輯的優(yōu)化，及變工況時(shí)最低運(yùn)行溫度的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了鍋爐穩(wěn)燃負(fù)荷以上全工況脫硝投運(yùn)，排放的氮氧化物濃度<50mg/Nm3。

3.3脫硫技術(shù)

燃煤電廠采用的脫硫技術(shù)主要有濕法脫硫和干法脫硫，以及半干法脫硫。高效穩(wěn)定運(yùn)行的脫硫系統(tǒng)在脫硫的同時(shí)也能夠發(fā)揮協(xié)同除塵作用，對(duì)粉塵的脫除效率可達(dá)30%～60%[18]。

3.3.1濕法脫硫技術(shù)

目前世界范圍內(nèi)應(yīng)用最廣的脫硫工藝是濕法脫硫技術(shù)。因其工藝路線成熟、運(yùn)行成本低、脫硫效率高成為眾多燃煤電廠的首選。為了滿足超低排放標(biāo)準(zhǔn)SO2排放濃度小于35mg/m3的要求，改造過程需要從影響脫硫效率的各個(gè)因素著手，主要有石灰石品質(zhì)、液氣比、鈣硫比、漿液pH值、氧硫比、氣液分布和傳質(zhì)情況等因素[12]。進(jìn)一步提高濕法脫硫裝置的效率成為濕法脫硫技術(shù)的改造方向。

3.3.2干法脫硫技術(shù)

干法脫硫技術(shù)的核心是循環(huán)流化床技術(shù)，工作原理是利用反應(yīng)塔入口的文丘里裝置加速煙氣，使塔內(nèi)的脫硫劑從顆粒狀變成流化狀態(tài)，與煙氣中的SO2充分接觸。在噴入霧化水的情況下脫硫劑與SO2產(chǎn)生反應(yīng)，生成硫酸鈣（CaSO4）或亞硫酸鈣（CaSO3），從而實(shí)現(xiàn)脫除SO2等污染物。干法脫硫技術(shù)要求脫硫塔內(nèi)有穩(wěn)定的煙氣流量，確保循環(huán)流化床良好運(yùn)行，保證脫硫系統(tǒng)高效的運(yùn)行[19]。

超低排放改造時(shí)需對(duì)反應(yīng)塔內(nèi)氣、固、液三相反應(yīng)機(jī)制和環(huán)境進(jìn)行優(yōu)化。根據(jù)不同工況調(diào)整吸收塔的床層壓降，控制煙氣回用量和噴入的水量[20]，濾袋更換為超細(xì)材質(zhì)濾袋，可實(shí)現(xiàn)SO2超凈排放。并且這種改造方案是在原有系統(tǒng)上改造，改造工程量小，投資少，同時(shí)煙囪不需防腐處理[21]。

3.3.3半干法脫硫技術(shù)

目前半干法煙氣脫硫的超低排放技術(shù)只適用于低硫燃煤鍋爐和高鈣灰鍋爐。

半干法脫硫技術(shù)是以循環(huán)流化床原理為基礎(chǔ)，通過實(shí)現(xiàn)脫硫劑的多次循環(huán)，增加脫硫劑與煙氣接觸時(shí)間，保證脫硫劑的有效使用，從而提高脫硫效率。在反應(yīng)過程中，脫硫劑會(huì)同時(shí)除去煙氣中的CO2和HF等酸性氣體，其中SO3和HCl的的脫除率達(dá)95%，遠(yuǎn)大于濕法脫硫工藝中的SO3和HCl脫除率[22]。

在循環(huán)流化床脫硫工藝運(yùn)行過程中，可以通過調(diào)節(jié)脫硫塔內(nèi)的固氣比，控制送回反應(yīng)的再循環(huán)干灰量來實(shí)現(xiàn)流化床的正常運(yùn)行；通過控制脫硫塔出口處的煙氣溫度，確保反應(yīng)塔內(nèi)的溫度處于最佳的反應(yīng)溫度范圍內(nèi)；床層壓力可以保證塔內(nèi)的煙氣流動(dòng)速度，防止塌床現(xiàn)象的發(fā)生。可以通過調(diào)節(jié)循環(huán)煙氣量來管制脫硫塔內(nèi)的床層壓力，保證脫硫工藝正常運(yùn)行[23]。

4超低排放改造的效益分析

4.1對(duì)汞的脫除協(xié)同效益分析

對(duì)燃煤電廠煙氣處理設(shè)施進(jìn)行超低排放改造后，煙塵、SO2、NOX等污染物均可實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放，同時(shí)有利于汞的去除。相關(guān)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示[24]，經(jīng)超低排放改造后的某燃煤機(jī)組汞排放濃度保持在0.65μg/m3～4.60μg/m3，河北部分燃煤電廠煙氣中汞排放濃度在3.71～7.32μg/m3，基本都低于0.03mg/m3的排放標(biāo)準(zhǔn)。

4.2經(jīng)濟(jì)效益分析

浙江省某燃煤電廠超低排放改造后單位治污成本增加，導(dǎo)致發(fā)電成本有所增加，達(dá)到0.48元/（kW˙h）。該省天然氣發(fā)電成本為0.904元/（kW˙h）、風(fēng)電發(fā)電成本為0.8元/（kW˙h）、太陽能發(fā)電成本為1元/（kW˙h）。通過綜合對(duì)比分析可知，在環(huán)境治理和用電需求的矛盾中，燃煤機(jī)組煙氣凈化設(shè)施升級(jí)改造仍然是“性價(jià)比”最高的選擇[25]。

4.3環(huán)境效益分析

燃煤電廠超低排放改造，可以有效減少PM2.5排放。山西省煤電行業(yè)的大氣污染物排放占到全省排放總量的將近50%，利用Calpuff模型對(duì)現(xiàn)役機(jī)組執(zhí)行超低排放空氣質(zhì)量改善效益進(jìn)行模擬。結(jié)果顯示在原標(biāo)準(zhǔn)下現(xiàn)役燃煤發(fā)電機(jī)組對(duì)11個(gè)設(shè)區(qū)市市區(qū)的空氣質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)較大，現(xiàn)役燃煤發(fā)電機(jī)組執(zhí)行超低排放后，11個(gè)設(shè)區(qū)市市區(qū)現(xiàn)役燃煤發(fā)電機(jī)組的空氣質(zhì)量濃度貢獻(xiàn)值有明顯的下降[27]。因此實(shí)行超低排放對(duì)改善環(huán)境空氣質(zhì)量十分有效。

5結(jié)語

燃煤電站是可吸入顆粒物的重要來源，高濃度的細(xì)顆粒物，對(duì)人體健康和大氣環(huán)境的危害顯而易見。通過燃煤電站超低排放技術(shù)改造可顯著降低大氣污染物排放水平[28]。燃煤電廠進(jìn)行超低排放改造前，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)有設(shè)備、工藝、場地等條件擬定合理的改造方案，經(jīng)過充分論證確定最優(yōu)技術(shù)路線。超低改造過程中，需要對(duì)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、設(shè)備安裝、運(yùn)行和維護(hù)等各個(gè)環(huán)節(jié)嚴(yán)格把關(guān)，確保環(huán)保設(shè)施長期高效穩(wěn)定運(yùn)行，以滿足污染物超低排放的要求。