火电厂超低排放措施研究

林　伟，赵　斌，武　晟，王子明，贾海娟，海　涛

（西北电力设计院有限公司，西安　710075）

火电厂超低排放措施研究

林伟，赵斌，武晟，王子明，贾海娟，海涛

（西北电力设计院有限公司，西安710075）

介绍了低氮燃烧技术、SCR脱硝等降低NOx排放技术；单塔双循环、托盘塔、串联塔等脱硫新工艺；低低温静电除尘器、电场加设高频电源、湿式静电除尘器等除尘新技术，为火电厂实现超低排放提供系统的设计方案。

火电厂；超低排放；燃机标准；脱硫脱硝；湿式静电除尘器

引言

火电厂以煤炭为原料，煤燃烧会产生SO2、NOx、烟尘等污染物，降低火电厂大气污染物排放对于保护环境具有重要意义。国家环境保护部2011年发布《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）［1］，对一般控制区、重点控制区的火电厂进行了严格的污染控制。国家发展和改革委员会、环境保护部、国家能源局发布了文件《关于印发＜煤电节能减排升级与改造行动计划（2014-2020年）＞的通知》（发改能源〔2014〕2093号文件［2］），要求“东部地区新建燃煤发电机组大气污染物排放浓度基本达到燃气轮机组排放限值（即在基准氧含量6％条件下，烟尘、二氧化硫、氮氧化物排放浓度分别不高于10、35、50mg/Nm3），中部地区新建机组原则上接近或达到燃气轮机组排放限值，鼓励西部地区新建机组接近或达到燃气轮机组排放限值”，为使火电厂达到燃气机组最新标准的排放限值，火电厂应尽量采用环保燃料，禁止燃烧高硫份、高灰份的煤。对于燃煤电厂，应因厂制宜采用成熟适用的环保改造技术，除尘可采用低低温静电除尘器、电袋除尘器、布袋除尘器等装置，加装湿式静电除尘装置；脱硫采用石灰石湿法烟气脱硫技术，可实施脱硫装置增容改造，必要时采用单塔双循环、双塔双循环等更高效率脱硫设施；脱硝可采用低氮燃烧、高效率SCR（选择性催化还原法）脱硝装置等技术，控制SO2、NOx、烟尘等大气污染物的排放。本文结合发改能源〔2014〕2093号文件要求，对火电厂采取环保措施满足燃气轮机组排放限值进行了论述。

1　措施

1.1控制NOx

锅炉炉膛温度和过量空气对NOx的生成影响很大，进入炉内的过量空气越多，炉内燃烧区温度越高，则NOx生成量越大。低氮燃烧是通过改进燃烧技术来降低NOx生成量的一种燃烧方式，可相对减少过量空气、降低燃烧区温度，减少炉内NOx生成。目前在国内外大型火电厂煤粉锅炉中普遍采用的是技术成熟的一种控制NOx装置。

锅炉采用高级复合空气分级技术，通过对燃烧系统的优化设计，采用两级分离燃尽风。通过特殊设计的燃烧器结构以及改变燃烧器的风煤比例，以尽可能降低着火氧的浓度，适当降低着火区的温度，达到最大限度抑制NOx生成，可致锅炉出口NOx的排放浓度不大于250mg/m3。

锅炉采用低氮燃烧技术后，同步安装SCR脱硝装置。SCR脱硝工艺目前属于成熟的处理工艺，催化剂采用上三层，预留一层的布置方案，可保证脱硝效率不低于85％，以控制NOx排放浓度不超过37.5mg/m3。

此外，燃煤的挥发分越高，NOx的产生浓度越低。通过采用较高挥发分煤，控制NOx产生的浓度在较低水平是可行的。

1.2控制SO2

石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺是目前世界上应用最广泛、技术最为成熟的脱硫技术，其工艺原理简单，用石灰石作脱硫吸收剂，适用于高、中、低含硫量的煤，脱硫效率高和吸收剂利用率高（脱硫效率超过95％，Ca/S为1.03），能够适应大容量机组的要求，对SO2浓度变化适应的范围广，可用率高；石灰石资源容易得到且价廉，副产品石膏具有综合利用的商业价值。近年来，随着该工艺系统的不断改进和简化，不但运行和维护更为方便，而且造价也在进一步降低，在国内有单机1000MW机组的业绩，国外有单机700MW直至1200MW机组的业绩。因此，燃煤电厂脱硫采用石灰石-石膏湿法脱硫工艺是合理可行的。

（1）单塔双循环技术

单塔双回路循环塔主要用于处理极高含硫量和极高脱硫效率要求的电厂，其特点是石灰石利用效率高，反应处于最佳pH值要求，所以效率很高，抗负荷变化能力强，副产品石膏品位极高，能耗相对较低。双回路循环塔的实质是将喷淋空塔中的SO2吸收氧化过程分成两个阶段，采用两级吸收氧化串联使用，两级循环分别设有独立的循环浆池和喷淋层，根据不同的控制参数和功能，每个循环阶段具有不同的运行参数，两个阶段各自形成一个回路循环。1）第一阶段（下环回路）起预吸收作用，去除粉尘，HCl和HF，部分去除SO2。第一阶段的脱硫效率根据入口烟气SO2浓度可控制在30％～90％。2）第二阶段（上环回路）实现SO2吸收，效率高，石灰石相对过量，可应付负荷的变化，保证脱硫效率。第二阶段回路中主要发生CaCO3吸收SO2的反应。石灰石浆液从上环循环泵打入吸收塔，吸收SO2后通过塔内集液斗又返回吸收段加料罐循环，吸收段加料罐中的浆液自流进入吸收塔下部反应浆池，通过下环循环泵打入吸收塔对烟气进行预吸收，再进入反应浆池循环。浆液性质分开后，可满足不同的吸收、氧化和结晶工艺阶段对不同浆液性质的要求，可更加精细地控制工艺反应过程，使每个阶段的反应均处于最佳反应条件下。广州恒运热电厂2×300MW机组、国电肇庆热电有限公司2×350MW机组脱硫改造均采用单塔双循环方式，脱硫效率均达到98.6％。浙能嘉兴电厂三期（2×1000MW）工程脱硫采取单塔双循环方式，SO2排放浓度低于35mg/Nm3。

双回路循环吸收塔流程如图1，双回路循环示意如图2。

图1　双回路循环吸收塔流程图

图2　双回路循环示意图

（2）托盘塔技术

托盘塔技术是在喷淋空塔的基础上，设置1层或2层塔板，塔板位于吸收塔浆液喷咀下部，塔板上按照一定的开孔率布满小孔，吸收剂浆液在塔板上形成一定厚度的液层，因此称塔板为多孔托盘。烟气从吸收塔底部进入，气液两相逆相通过托盘上的小孔，烟气在托盘上被分散成小股气流（托盘实际上是布风装置）、均匀分布到整个吸收塔截面、气流在液层中鼓泡，流体剧烈湍动，形成气液接触界面，液体则直接由小孔下落，在此过程中完成SO2的吸收过程。托盘上的液层高度靠烟气托住。

托盘塔的特点是液气比较低、吸收塔的脱硫效率高、操作性能好、结构较复杂、处理能力大，吸收塔内部表面及托盘无结垢和堵塞问题，托盘可同时用作维修喷咀的平台。缺点是烟气阻力较大、抗腐蚀、磨蚀的要求较高。华能太仓电厂二期2×600MW脱硫改造采用托盘塔技术，脱硫效率达到98.7％。

托盘塔吸收塔示意见图3，托盘塔示意见图4。

图3　托盘塔吸收塔示意图

图4　托盘塔示意图

（3）串联塔

为了达到高脱硫效率，将2个吸收塔串联起来，通过2级吸收塔的综合脱硫，最终脱硫效率可达到98％，甚至超过99％。

严格来讲，可将上述的任何同一类型吸收塔进行串联，也可以将不同类型的吸收塔进行串联，但在实际应用上，从设计、供货、运行、备品备件等方面综合考虑，大多数串联吸收塔均使用同一类型的吸收塔，而且在工程实践中，也常用结构最为简单的喷淋空塔，但也有一些改造项目会采取利用原有吸收塔，新建1座其他型式的吸收塔，出现串联不同的吸收塔型式的情况。

串联双塔的特点是每一级吸收塔的本体工艺都较成熟，塔型结构较为简单，脱硫效率要求不是特别高，假设每一级均只有90％的脱硫效率，2级综合脱硫效率就可达到99％，但2级串联塔系统复杂、设备也增加很多，控制要求很高，占地面积庞大、烟气阻力高，投资高，且2级吸收塔实现水平衡相对也较困难。

目前国内实际投运的串联双塔业绩仅限于脱硫增容改造项目。为提高原有脱硫装置的脱硫效率，减少拆迁工作量，缩短改造工期，保留原有吸收塔，新建一个串联吸收塔；新建项目目前没有投运业绩，有个别电厂处于前期分析论证阶段。

1.3控制烟尘

本文仅针对低低温静电除尘器、电场加设高频电源、湿式静电除尘器等新技术进行论述。

（1）低低温静电除尘器

低低温烟气处理技术是在锅炉空预器后设置MGGH（热媒水热量回收系统），使进入除尘器入口的烟气温度由原来的130℃～150℃降低至90℃（日本称为低低温状态）左右，从而提高常规电除尘的收尘性能。具体工艺流程如图5。

图5　低低温烟气处理技术工艺流程图

低低温技术除尘提效的核心措施是在传统干式电除尘器之前布置了一级MGGH（热媒水热量回收系统），将电除尘器的运行温度降低至低低温状态，对于电除尘器来说，有以下几方面优势：

1）有效降低烟气飞灰比电阻，不会发生反电晕现象。一般当烟气温度在130℃～150℃时，烟尘比电阻值处于较高点，电除尘器易出现低电压、大电流的“反电晕”现象，造成除尘效率下降。而烟气温度在90℃～110℃区间时，烟尘比电阻值可以下降1～2个数量级，降至1011以下，使得烟尘比电阻处于最适宜电除尘器收尘的比电阻范围内，从而确保电除尘器的高效收尘，杜绝“反电晕”现象发生。

2）烟气温度降低使得烟气量减小，烟气通过电场的流速降低，停留时间增加，相当于电除尘器的比集尘面积增加。排烟温度每降低10℃，烟气量减少约2.5％～3％。

3）排烟温度降低可使电场击穿电压升高，从而提高电除尘的除尘效率。根据经验公式估算，烟温每降低10℃，电场击穿电压上升约3％。

4）对于整个系统来讲，由于电除尘器前烟温降低至90℃左右，烟气中的气态SO3会完全冷凝成液态，从而被电除尘器前大量的粉尘颗粒所吸附，再通过电除尘器对粉尘的收集而被除去，相当于SO3的调质作用，可以大大提高电除尘器性能。同时SO3的去除避免了下游设备因SO3引起的酸腐蚀问题，节省了防腐投资及维修工作量和费用。对于湿式石灰石-石膏法烟气脱硫工艺来说，由于进入吸收塔的烟气温度降至90℃左右，可以大大减少脱硫喷淋水的耗量，并提高脱硫的反应效果，进一步降低能耗。

此外，环境保护部《关于发布2014年国家鼓励发展的环境保护技术目录（工业烟气治理领域）的公告》（2014年第71号）明确指出，低低温电除尘技术可使除尘器出口烟尘排放浓度低于30mg/m3，除尘效率一般在99.9％以上。

（2）各电场加设高频电源

电除尘用高频高压整流设备（简称：高频电源）是相对于目前常规工频（50Hz）电源而言，高频电源的频率可达40kHz，相当于常规工频电源的800倍。高频电源是高压供电电源的发展方向，具备纯直流供电及脉冲供电两种方式，可提供接近纯直流到脉动幅度很大的各种电压波形，针对各种特定的工况，提供最合适的电压波形，从而提高除尘效率，使其成为电除尘器高压供电的理想电源。

根据环境保护部公告《关于发布2014年国家鼓励发展的环境保护技术目录（工业烟气治理领域）的公告》（2014年第71号），采用高频电源后，粉尘排放可减少10％以上，节电20％～40％。

（3）湿式静电除尘器

湿式静电除尘器（WESP）的部件构成及工作原理与干式静电除尘器（ESP）相近。WESP由电晕线（阴极）、沉淀极（阳极）、绝缘箱和高压直流供电电源组成。接通高压直流电源后，在两极之间形成了非均匀高压静电场，在电场的作用下，电晕线周围产生电晕层，电晕层中的空气发生雪崩式电离，从而产生大量的负离子和少量的阳离子，即电晕放电。

脱硫后烟气进入电场荷电区，酸雾、烟尘等颗粒被荷电。荷电后的酸雾、烟尘等颗粒静电凝聚作用加强，料径增大，荷电量增加，在电场力的作用下迅速抵达阳极（沉淀极）。大量的酸雾颗粒不断地被驱向阳极，同时迅速释放电荷，从而达到酸雾、烟尘等气溶胶微粒与烟气分离的目的。

湿式静电除尘技术已列入环境保护部《2013年国家先进污染防治示范技术名录》，名录中明确该技术适用于湿法脱硫烟气后处理，将湿法脱硫后的烟气进入电场荷电区，烟气中的酸雾和气溶胶颗粒荷电后在电场力作用下不断被驱向阳极后去除。各种有害气体（SO3、SO2、HCl、HF、NH3等）、微细粉尘和重金属等所形成的气溶胶的去除率达99％，酸雾去除率达95％。

根据国电益阳电厂1#机组的静电除雾装置性能验收实验报告，电除尘器烟尘排放浓度为186.9mg/m3，烟囱入口即湿式静电除尘器出口的烟尘排放浓度为19.3mg/m3。可见，在考虑湿法脱硫附带50％的除尘效率之后，湿式静电除尘器仍有79.3％的除尘效率。

2　有关案例

根据华能铜川照金电厂#2机组2015年2月5日的《超低排放改造技术成效报告》，#2机组采取“烟冷器+干式静电除尘器+两级脱硫喷淋塔+湿式电除尘器”的协同处理组合，充分确保了该装置对烟尘、SO2、NOx的高效处理能力。脱硝系统的处理效率为90％，NOx排放浓度为12mg/Nm3；脱硫系统的处理效率为99.8％，SO2排放浓度为15mg/Nm3；除尘系统的处理效率为99.96％，烟尘排放浓度为3.2mg/Nm3。

由此可以看出，环保排放指标要达到甚至超过烟尘≤10mg/Nm3、SO2≤35mg/Nm3、NOx≤50mg/Nm3标准，目前国内燃煤电厂在技术上是可行的。

3　结论

为使火电厂大气污染排放达到燃机标准，火电厂首先应控制煤质，燃烧低硫、低灰煤，其次，根据实际情况选择环保处理技术，除尘可采用“低低温省煤器+静电除尘器+电场加设高频电源”、电袋除尘器、布袋除尘器等装置，根据实际情况加装湿式静电除尘装置；脱硫采用石灰石湿法烟气脱硫技术，必要时采用单塔双循环、托盘塔、串联塔等更高效率脱硫设施；脱硝可采用低氮燃烧、高效率SCR（选择性催化还原法）脱硝装置等技术，从而控制SO2、NOx、烟尘等大气污染物的排放。

［1］环境保护部，国家质量监督检验检疫总局. GB13223-2011 火电厂大气污染物排放标准［S］.北京：中国环境科学出版社，2011.

［2］国家发展和改革委员会、环境保护部、国家能源局.《关于印发<煤电节能减排升级与改造行动计划（2014-2020年）>的通知》（发改能源〔2014〕2093号）［Z］.2014.

Study on Ultra Low Emission Measures in Power Station

LIN Wei，ZHAO Bin，WU Sheng，WANG Zi-ming，JIA Hai-juan，HAI Tao
（Northwest Electric Power Design Institute Limited Company of China Power Engineering Consulting Group Corporation，Xian 710075，China）

The paper introduces the technologies of depressing NOxemission of low nitrogen combustion and SCR denitration；the new technologies of desulphurization of single tower and double circulation，tray tower，columns in series；the new technologies of dust removal of low-low temperature electrostatic precipitator，the increasing high frequency power supply in electric field and wet electrostatic precipitator. The paper provides the systemic designing project for realizing the ultra low emission of power station.

power station；ultra low emission；desulphurization；denitration；removing dust；wet electrostatic precipitator

X701

A

1006-5377（2016）10-0035-05