燃煤电厂超低排放的技术探究

徐亚平，王 鹏，徐 达

（浙江环境监测工程有限公司，杭州 310012）

众所周知，我国是一个多煤少油的国家，煤炭资源是我国能源的重要组成部分。近年来，发电装机容量中60%是煤电，发电量中约70%是煤电。一方面，按照目前的技术成熟度和成本优势来看，煤电是我国最稳定的配套电源，我国煤电规模巨大，年均发电量在40 000亿kW·h左右。最新统计数据显示，2017年，煤电发电量约为42 000亿kW·h，在发电量中约占66.7%，虽然比2016年发电量占比67.5%略有回落，但煤电亦向高效清洁利用转型，其他任何能源在今后相当长时间内还不可能完全取代煤电在电源结构中的核心地位。

在化工、电力、焦化和冶炼等行业，工业锅炉均以烧煤为主。燃煤电厂锅炉以及各种工业窑炉排放的烟气尾气中含有SO2、氮氧化物等有害成分，它们是破坏生态环境、造成酸雨和雾霾的罪魁祸首，严重影响我国经济社会的可持续发展和人类的生存与健康。《火电厂大气污染物排放标准》（GB13223-2011）指出，重点地区烟尘排放浓度不超过20 mg/Nm3、二氧化硫排放浓度不超过50 mg/Nm3、氮氧化物排放浓度不超过100 mg/Nm3。国家发改委、原环境保护部和国家能源局在2014年9月下发了《煤炭节能减排升级与改造计划（2016-2020年）》，文件要求达到2020年，现役60 kW及以上燃煤机组、东部地区30 kW及以上公用燃煤发电机组、10 kW及以上自备燃煤发电机组及其他有条件的燃煤发电机组，改造后大气污染物排放浓度可达到或接近燃气轮机组排放限值，烟尘排放浓度不超过10 mg/Nm3、二氧化硫排放浓度不超过35 mg/Nm3、氮氧化物排放浓度不超过50 mg/Nm3。

1 实施超低排放会产生的环境效益

目前，燃煤电厂火电行业超低排放改造工作正在稳步推进中。截至2017年底，全国煤电机组已经进行超低排放技术改造的超过1亿kW，正在进行技术改造的超过8 000万kW。以浙江省为例，至2017年底，全省统调大型煤电机组65台已全部完成煤电超低排放改造，累计完成钢铁、水泥、玻璃等重点行业清洁排放改造项目304个，完成重点行业挥发性有机物污染治理项目3 000余个。2013年以来，浙江省空气质量稳步改善。2017年，全省11个设区城市的PM2.5平均浓度从2013年的61 μg/m3下降至39 μg/m3，降幅为36.1%；环境空气质量优良天数比例从2013年的68.4%上升至82.7%，上升14.3%；重污染天气从2013年的174天次下降至19天次，减少155天次。浙江省委、省政府连续四年将雾霾治理列为十方面民生实事，杭州市雾霾天数在大气治理下呈现显著下降趋势。

事实证明，实行超低排放改造的环境效益是显而易见的，不仅有效降低了污染物排放总量，还大大改善了环境质量。随着经济的快速发展，能源消耗的需求猛涨，为控制火电行业的污染物排放总量，实施超低排放将是必经之路。而随着技术水平的提高和升级，超低排放改造的成本也慢慢下降，火电行业实施超低排放效率却不断上升，实现全国燃煤电厂超低排放改造的全覆盖目标也将指日可待。

2 燃煤电厂超低排放技术

2.1 除尘系统技术

2.1.1 低低温电除尘技术

低低温电除尘技术是将电除尘器入口烟气温度降低至酸露点温度（一般在85～95℃）以下，在换热器中将烟气中的SO3冷凝形成硫酸雾黏附在粉尘上，被碱性物质中和，降低了粉尘比电阻和烟气流速，也避免了反电晕现象，达到有效的除尘效果，同时也去除了大部分的

低低温电除尘技术的除尘效率高。经研究，低低温电除尘技术比低温电除尘技术将烟气下降的温度和粉尘比电阻更低，将粉尘比电阻降低到最佳除尘效率区间内，从而进一步提高除尘器的除尘效率。采用低低温电除尘技术，减低了入口烟气温度后，实际烟气流量明显减少，从而减轻了引风机和增压机的负担，所以改造后电耗费和运行费并没有增加，反而减少，且在实际使用中操作运行都稳定良好。

2.1.2 湿式电除尘技术

和干式电除尘器相比，湿式电除尘器虽然和干式电除尘器的收尘原理相近，但湿式电除尘器可处理干式电除尘器不能处理的含水高甚至饱和的湿气体。在粉尘清除方式上，湿式电除尘器替代了干式电除尘器，采用机械振打或声波清灰方式清灰，采用液体定期冲刷集尘极壁方式来清灰，可有效收集微细颗粒物（PM2.5粉尘、SO3酸雾、气溶胶）、重金属（Hg、As、Se、Pb、Cr）、有机污染物（多环芳烃、二噁英）等。

湿式电除尘技术具有高除尘效率、操作简单、耗能低、耐腐蚀、无二次扬尘、低维护费用以及缩短停工期等优点，尤其适用在燃煤电厂湿法脱硫之后含尘烟气的处理上。

2.1.3 高频电源技术

高频电源的脉冲工作原理是把三相工频电源通过逆变电路将直流电转化成高频交流电，再升压整流后经整流变压器形成高频电流输送到除尘器。由一系列窄脉冲电流构成的供电电流，可以调整其脉冲幅度、宽度及频率，提供各种电压波形输送给除尘器，因而可根据电除尘器的实际工况提供最合适的电压波形，操控很灵活，也节约电能。

实际的工程安装案例证明，高频电源的脉冲工作在纯直流电方式下效果显著，大大提高了荷电性能，进一步提高除尘效率。当前，高频电源已大规模地用在超低排放的电除尘器设计中。

2.1.4 增加管束除尘装置

目前，很多热电厂采用增加管束除尘装置来进行超低排放改造。也就是说，利用现有吸收塔除雾器的安装梁作为离心管束式除尘器的安装梁，在吸收塔内除雾器位置安装管束式除尘器，经过多孔板组的饱和烟气进入管束式除尘器，通过增速器和分离器使气流高速旋转，首先将烟气中的水分离至管束壁面，在壁面形成液膜，随后烟气携带的粉尘及液滴被分离至管壁并被液膜捕获吸收；高速旋转的壁面动态液膜保证同向运动的雾滴接触后湮灭，不产生二次夹带；当液膜厚度增大到一定程度时，在重力作用下，液膜沿着管束壁逐渐向下运行，最终从管束脱落，实现粉尘的超净脱除。这个除尘装置大大提高了除尘效率，已被广泛使用。

2.2 脱硫系统改造技术

2.2.1 湿法脱硫技术

湿法脱硫技术是国内最成熟的脱硫工艺。其中二级串联吸收塔石灰石-石膏湿法脱硫技术较为成熟，被广泛应用于燃煤电厂。其主要原理是将廉价的小颗粒石灰石经研磨成细粉状与水混合搅拌制成吸收浆液，作为脱硫吸收剂。在吸收塔内，将吸收浆液分两次与锅炉烟气混合，浆液中的碳酸钙和空气与烟气中的二氧化硫进行化学反应，最终生成反应物石膏。烟气脱硫后经换热器加热升温后排入烟囱。脱硫石膏浆液和脱硫废水经脱水装置处理后供电厂综合利用[2-4]。另外，人们可以通过适当提高液气比、增加提效板等技术，对湿法脱硫装置进行改进，从而提高脱硫效率。

石灰石-石膏湿法脱硫工艺具有高脱硫效率（脱硫效率可达98%）、高回收利用率、成熟的脱硫装置、稳定的运行效率等特点，在世界上广泛应用。

2.2.2 增效环喷淋技术

增效环是一种加装在喷淋层下部的装置，可有效防止烟气逃逸及减弱塔壁冲刷。喷淋浆液的分布密度周边比中心位置薄很多，即分布在边缘的二氧化硫浓度在吸收塔的覆盖率比中心区域低很多，造成烟气容易在这个区域“逃逸”，且剩余的浆液顺着吸收塔壁流下来，不能与烟气充分接触，从而影响整个系统的脱硫效率。为此，国内很多电厂使用不同结构的增效环，将烟气往中心区域喷淋，改善气液接触面的传质效果，有效避免烟气溜走。同时，重新布置喷嘴的均匀分布，提高覆盖率，可有限减弱对吸收塔壁的冲刷，从而进一步提高脱硫效率。

2.3 脱氮系统改造技术

2.3.1 锅炉低氮燃烧技术

低氮燃烧器降低氮氧化物浓度的原理主要是通过改变燃烧器内的风煤比例，让燃烧器内部或外部空气分流，使燃烧器中燃料与空气的混合过程得以控制，从而有效减少氮氧化物产生。选择合适的停留时间和温度，在高燃烧条件下可使氮氧化物最大程度地转化成氮气，达到脱氮效果。

人们可以采用锅炉低氮燃烧技术来实现脱销提效，该技术工艺比较简单，运行速度快，脱氮效率一般。

2.3.2 SCR脱硝装置增设催化剂技术

选择性催化还原的原理是在锅炉出口处将烟气平分为两路，两路并行的烟气分别进入垂直布置的SCR反应器里，烟气通过设有氨系统的催化剂层，在催化剂的作用下，烟气与液氨蒸发产生的氨气充分混合后发生催化还原反应，达到脱去氮氧化物的效果[5-6]。

SCR的化学反应机理比较复杂，具有技术成熟、运行可靠、脱除率高等特点，我国近几年已在燃煤发电机组中大面积推广使用SCR脱硝系统。

3 结语

对燃煤电厂机组实施烟气超低排放改造，对现有的除尘、脱硝系统、脱硫系统进行提效，采用高效协同脱除技术，使机组烟气的主要污染物（烟尘、氮氧化物、二氧化硫）排放浓度达到天然气燃气轮机组的排放标准。实施超低排放，直观的是减少烟尘、二氧化硫、氮氧化物这三项污染物的排放量，但实际上它同时也解决了污染控制设备可能导致的二次污染，如三氧化硫污染、氨泄漏、重金属排放等问题。通过实行超低排放改造，燃煤电厂改造成为清洁电厂的可能性大大提高。

超低排放可能与水电高坝和特高压输电一起成为中国电力工业的世界领先技术。在工程技术上，我国的火电环保产业不断进行研究和技术总结，从而实现超低排放全面化；在施工技术上，在严格的排放标准下超低排放对环保设施设备维护和运行工况的要求进一步提高，已投放的设备项目总体运行稳定；在监测技术方面，我国已自行开发研究新的测试技术，利用新的监测仪表，完成超低排放的性能监测和日常监控。随着“一带一路”倡议的持续推进，超低排放作为“中国制造”也加速走向世界，其在未来必将有更好的发展。