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

關鍵詞：燃煤煙氣；超低排放；經(jīng)濟效益；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)嚴重影響人們的日常生活和身心健康。我國的能源消費結構以煤炭為主，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)濟社會發(fā)展要求，其共同目的都是通過控制煤炭消費強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，超低排放技術可以進一步減少煙氣污染物的排放總量，這是當前復雜形勢下解決能源、環(huán)境與經(jīng)濟三者需求的最佳手段，也是破解一次能源結構性矛盾的必由之路[1]。國務院有關部門要求燃煤機組在2020年前完成超低排放改造。實行對燃煤電廠的超低排放技術改造刻不容緩，由此對超低排放技術改造的技術路線并結合改造案例進行綜合介紹。

2超低排放的概念

超低排放[2]是指燃煤火力發(fā)電機組煙氣污染物排放濃度應當達到或者低于規(guī)定限值，即在基準氧含量為6%時，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顯得尤其重要。對現(xiàn)有凈化設備利用率高，改造工程量少的技術成為電廠的首選。以下針對燃煤電廠常用的幾種除塵、脫硝、脫硫設備的改造方式進行綜合介紹。

3.1除塵技術

目前燃煤電廠采取的除塵超低排放技術有：電除塵、電袋復合除塵、低低溫電除塵、濕式電除塵以及最新的團聚除塵技術等。

3.1.1電除塵技術

電除塵器[3]的工作原理是通過高壓靜電場的作用，對進入電除塵器主體結構前的煙道內(nèi)煙氣進行電離，使兩極板（陰極和陽極）間產(chǎn)生大量的自由電子和正負離子，致使通過電場的煙（粉）塵顆粒與電離粒子結合形成荷電粒子，隨后荷電粒子在電場力的作用下分別向異極電極板移動，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，達到凈化煙氣的目的。

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

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

①完善氣體調(diào)質(zhì)系統(tǒng)設備，使煙氣中粉塵比電阻適應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行，降低超標排放幾率；

③加裝出口槽形板等裝置減少二次揚塵；

④增加電流增強器，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，可拓寬對粉塵比電阻的適應范圍，提高除塵效率。

其中第④項是升級改造的重點，我國目前大量應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，但是因其價格偏高是普通工頻電源的幾倍到十幾倍，造成實際工程應用中改造成本偏高。

良村熱電對#1爐燃煤機組電除塵器進行提效升級改造，將電除塵器本體的極線、工頻電源進行更換，并對相應控制系統(tǒng)進行優(yōu)化。改造后電除塵器的除塵效率達到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，其煙塵出口濃度排放值≤5mg/Nm3，達到燃煤火電廠發(fā)電機組超低排放的規(guī)定限值以下[5]。

3.1.2電袋復合除塵技術

電袋復合除塵器是將靜電除塵和過濾除塵機理有機結合的復合除塵技術[6]。它的特點是利用前級高壓靜電場將煙氣中的塵粒通過荷電粒子（塵粒與電離粒子結合而荷電）的方式去除，去除煙氣中的大部分塵粒；從而使進入濾袋區(qū)的煙氣含塵濃度低，即可避免粗顆粒對濾袋的沖刷造成磨損，又降低了濾袋負荷，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，采用電袋復合技術對電除塵器提效升級改造已成為多數(shù)電廠的選擇方向。此種改造方式具有以下優(yōu)點[6]：

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

②施工工程少、費用低；可以對原有電除塵器的基礎和結構進行最大程度的利用，僅在除塵器進出口范圍施工，節(jié)省改造成本。

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

沙角某電廠600MW燃煤機組配套電除塵器，采用超凈電袋復合除塵技術進行改造，實現(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

低低溫電除塵技術原理[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，使進入電除塵器的煙氣溫度保持在酸露點溫度以下（90℃左右）。此時煙氣中的大部分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。該技術可提高除塵效率，同時去除煙氣中大部分的SO3，減輕了對煙道的腐蝕作用。

低低溫電除塵技術具有煙氣適應性強、節(jié)能降耗和不產(chǎn)生固體廢棄物等優(yōu)點[9]，但是存在除塵設施酸腐蝕的問題。根據(jù)日本三菱重工的研究結果，當灰硫比大于10時，細顆粒物有足夠的表面積作為SO3非均相凝結的凝結核，酸腐蝕速率幾乎為零[10]。該技術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行加熱，使排煙溫度達到露點之上，減輕對煙道和煙囪的腐蝕，提高污染物的擴散度，減弱視覺污染；同時降低進入除塵器的煙氣溫度，降低對除塵器防腐的工藝技術要求。



胡斌等[11]對低低溫電除塵技術的細顆粒與SO3的脫除機理進行實驗研究。結果顯示低低溫電除塵中存在顆粒凝結長大現(xiàn)象，出口顆粒物粒度高于普通電除塵，適當降低入口煙溫，有利于增強低低溫電除塵對細顆粒與SO3的脫除，細顆粒物的脫除效率可達90%，SO3脫除效率為80%。

3.1.4濕式電除塵技術

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，在電場中與電離離子結合形成荷電離子，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。

該技術存在以下的優(yōu)點：

①采用水流沖洗，不用設振打裝置，不產(chǎn)生二次揚塵。

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；可有效收集微細顆粒物（PM2.5粉塵、SO3酸霧、氣溶膠）、重金屬（Hg、As、Se、Pb、Cr）、有機污染物（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備[12]。

某300MW燃煤機組采用濕式電除塵器進行煙氣深度凈化。監(jiān)測結果顯示[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團聚技術

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

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

3.2脫硝技術

實現(xiàn)NOx的超低排放技術主要有：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[2]。吳智鵬[17]提出兩條路徑對脫硝機組進行深度優(yōu)化，一是提高脫硝系統(tǒng)投運率；二是增強脫硝側氮氧化物控制效果。主要從以下兩方面進行改造。

3.2.1確保低溫運行時，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。催化劑理論應用范圍為280～400℃。當煙氣溫度較低時，催化劑的活性就會降低，進而NOx的去除率降低，NH3逃逸率增大。此時SO2易被氧化成SO3，從而與還原劑氨（NH3）及煙氣中的水分反應生成硫酸氫銨（NH4HSO4），NH4HSO4粘性較高容易堵塞空預器影響機組正常運行，甚至造成安全事故。因此改造完成后應通過系統(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最低運行溫度。

3.2.2對脫硝系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)進行優(yōu)化

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

廣東珠海金灣發(fā)電有限公司對燃煤機組進行超低排放技術改造后，結合脫硝系統(tǒng)保護邏輯的優(yōu)化，及變工況時最低運行溫度的應用實現(xiàn)了鍋爐穩(wěn)燃負荷以上全工況脫硝投運，排放的氮氧化物濃度<50mg/Nm3。

3.3脫硫技術

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

3.3.1濕法脫硫技術

目前世界范圍內(nèi)應用最廣的脫硫工藝是濕法脫硫技術。因其工藝路線成熟、運行成本低、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準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]。進一步提高濕法脫硫裝置的效率成為濕法脫硫技術的改造方向。

3.3.2干法脫硫技術

干法脫硫技術的核心是循環(huán)流化床技術，工作原理是利用反應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，生成硫酸鈣（CaSO4）或亞硫酸鈣（CaSO3），從而實現(xiàn)脫除SO2等污染物。干法脫硫技術要求脫硫塔內(nèi)有穩(wěn)定的煙氣流量，確保循環(huán)流化床良好運行，保證脫硫系統(tǒng)高效的運行[19]。

超低排放改造時需對反應塔內(nèi)氣、固、液三相反應機制和環(huán)境進行優(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]，濾袋更換為超細材質(zhì)濾袋，可實現(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，同時煙囪不需防腐處理[21]。

3.3.3半干法脫硫技術

目前半干法煙氣脫硫的超低排放技術只適用于低硫燃煤鍋爐和高鈣灰鍋爐。

半干法脫硫技術是以循環(huán)流化床原理為基礎，通過實現(xiàn)脫硫劑的多次循環(huán)，增加脫硫劑與煙氣接觸時間，保證脫硫劑的有效使用，從而提高脫硫效率。在反應過程中，脫硫劑會同時除去煙氣中的CO2和HF等酸性氣體，其中SO3和HCl的的脫除率達95%，遠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，控制送回反應的再循環(huán)干灰量來實現(xiàn)流化床的正常運行；通過控制脫硫塔出口處的煙氣溫度，確保反應塔內(nèi)的溫度處于最佳的反應溫度范圍內(nèi)；床層壓力可以保證塔內(nèi)的煙氣流動速度，防止塌床現(xiàn)象的發(fā)生?？梢酝ㄟ^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行[23]。

4超低排放改造的效益分析

4.1對汞的脫除協(xié)同效益分析

對燃煤電廠煙氣處理設施進行超低排放改造后，煙塵、SO2、NOX等污染物均可實現(xiàn)達標排放，同時有利于汞的去除。相關監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示[24]，經(jīng)超低排放改造后的某燃煤機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的排放標準。

4.2經(jīng)濟效益分析

浙江省某燃煤電廠超低排放改造后單位治污成本增加，導致發(fā)電成本有所增加，達到0.48元/（kW˙h）。該省天然氣發(fā)電成本為0.904元/（kW˙h）、風電發(fā)電成本為0.8元/（kW˙h）、太陽能發(fā)電成本為1元/（kW˙h）。通過綜合對比分析可知，在環(huán)境治理和用電需求的矛盾中，燃煤機組煙氣凈化設施升級改造仍然是“性價比”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模型對現(xiàn)役機組執(zhí)行超低排放空氣質(zhì)量改善效益進行模擬。結果顯示在原標準下現(xiàn)役燃煤發(fā)電機組對11個設區(qū)市市區(qū)的空氣質(zhì)量濃度貢獻較大，現(xiàn)役燃煤發(fā)電機組執(zhí)行超低排放后，11個設區(qū)市市區(qū)現(xiàn)役燃煤發(fā)電機組的空氣質(zhì)量濃度貢獻值有明顯的下降[27]。因此實行超低排放對改善環(huán)境空氣質(zhì)量十分有效。

5結語

燃煤電站是可吸入顆粒物的重要來源，高濃度的細顆粒物，對人體健康和大氣環(huán)境的危害顯而易見。通過燃煤電站超低排放技術改造可顯著降低大氣污染物排放水平[28]。燃煤電廠進行超低排放改造前，應根據(jù)現(xiàn)有設備、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)技術路線。超低改造過程中，需要對基礎設施建設、設備安裝、運行和維護等各個環(huán)節(jié)嚴格把關，確保環(huán)保設施長期高效穩(wěn)定運行，以滿足污染物超低排放的要求。