1000MW燃煤机组大气污染物近零排放特征与减排潜力研究

陈凌云 靳旺宗

摘 要：介绍了火力发电厂大气污染物近零排放下通过现场测试，对多种烟气污染物的排放特征的研究，说明了技术路线的可行性，达到有效减排。

关键词：测试方法;协同脱除特性;经济效益分析;社会效益

中图分类号：TM9334 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）18-0201-04

0 引言

神华集团工程实践表明，在典型神华低硫煤作为燃料的边界条件下，近零排放燃煤机组有潜力在烟尘<1mg/Nm3、SO2<10mg/Nm3、NOx<20mg/Nm3，“1120”新排放限值下实现稳定运行。本文针对2台新建1000MW近零排放燃煤机组，开展常规污染物（烟尘、SO2、NOx）、非常规污染物（PM10、Hg及其化合物、SO3、液滴）的全流程监测，系统分析近零排放机组在“1120”新排放限值下长周期运行时多种烟气污染物的排放特征。

1 研究方法

1.1 近零排放燃煤机组概况和煤质情况

神华国华寿光发电有限责任公司2台机组锅炉形式为超超临界参数变压直流炉、一次再热、平衡通风、露天布置、固态排渣、全钢构架、全悬吊结构Π型，设启动循环泵，布置四分仓回转式空气预热器，采用定-滑-定运行或定-滑运行的方式。

为了实现近零排放的目标，两台机组采用了“低NOx燃烧器+SCR脱硝系统+低温省煤器+静电除尘器+高效FGD脱硫系统+湿式静电除尘器”的技术路线，以达到控制固体颗粒物浓度、SO2、NOx浓度浓度分别为“1、10、20mg/m3”的目标。

脱硝系统采用选择性催化还原法（SCR）脱硝装置，使用尿素作为还原剂，采用热解法制备脱硝还原剂，以提升还原剂制备的安全性。SCR反应器按双反应器布置，SCR催化劑层布置为2+1层（即两运一备的常规布置），催化剂采用蜂窝式。以在BMCR工况、NOx浓度180mg/m3下，实现85%的脱硝效率。

除尘器系统采用两台三室五电场静电除尘器，采用干式、卧式、板式的形式，1-3电场采用整体管状芒刺线以及4-5电场采用不锈钢螺旋线。其中，比比集尘面积为117.15/119.8m2/m3/s，驱进速度为5.67cm/s，烟气流速为0.8536m/s，烟气停留时间为23.43s。在入口浓度为 12.56g/m3时，出口浓低于20mg/m3，除尘效率到99.87%;在入口浓度为19.92g/m3时，出口浓低于30mg/m3，除尘效率到99.89%。

脱硫系统采用全烟气处理的湿式石灰石-石膏湿法烟气脱硫装置。其中，设置5台浆液循环泵，每台14500m3/h;除雾器采用三级屋脊式+一级管式的高效除雾器。当设计煤质为Sar=0.63%时（入口SO2浓度为1458mg/m3），脱硫效率为99.32%，脱硫系统出口SO2排放浓度低于10mg/m3，液滴浓度低于15mg/m3，固体颗粒物浓度小于10mg/m3。

在脱硫系统下游布置两台水膜式湿式静电除尘器，以进一步降低固体颗粒物、液滴、SO3、PM2.5等污染物的浓度。其中，集尘面积为10624m2，烟气流速3.0m/s。

1.2 仪器及采样测试方法

在2台机组的烟气处理系统上布置6个烟气采样点（SCR前后、ESP前后、WESP前后），对常规污染物（烟尘、SO2、NOX）、非常规污染物（PM10、HG及其化合物、SO3、液滴等）以及烟气参数进行测试，具体内容如下：

（1）总排口（WESP后）烟尘、SO2、NOX排放数据的现场监测（手工和CEMS监测）。

在SCR反应器出入口、静电除尘器出入口、脱硫系统出入口、烟囱总排口等烟道位置，采用网格多点测量（引用标准GB/T1617），在机组1000MW、750MW、450MW稳定负荷下，利用紫外烟气分析仪、红外烟气分析仪、低浓度烟尘采样仪等仪器对NOX、SO2、固体颗粒物等污染物进行手工测试，测试结果与CEMS进行对比。

（2）采用荷电低压颗粒物撞击器（ELPI+）对6个测点烟气中PM10的质量浓度、数浓度及粒径分布进行实时测量。

（3）采用EPA METHOD 30B开展气态总汞手工监测。

（4）采用镁离子示踪法对WESP前后烟气中液滴浓度进行测试。（GB/T21508-2008燃煤烟气脱硫设备性能测试方法）。

2 常规污染物减排效果分析

2.1 常规烟气污染物近零排放减排效果分析

（1）通过比对分析手工和CEMS监测结果，两台机组长期运行条件下烟尘、SO2、NOX近零排放的工程达到“1120”的效果。

（2）两台机组在不同负荷工况条件下常规烟气污染物沿着烟气流动路径的浓度变化规律呈趋减。

2.2 非常规烟气污染物的协同脱除特性

（1）污染物控制装备对可吸入颗粒物（PM10）的分级脱除效果（不同采样点位颗粒物质量、数浓度随时间的变化规律以及粒径分布特征）明显。

通过对415个样品的称重;对不同工况条件下采集样品的微观形貌进行了扫描电镜（SEM）观察，并对样品进行了能谱分析，共计样品数90个;对其他工况的样品进行了XRF成分分析，共计样品数60个;用离子色谱测试了PM2.5颗粒物中的水溶性离子F-，Cl-，Br-，SO42-，NO3-和NH4+，Na+，K+，Mg2+，Ca2+，共计样品数90个;对采集采样膜进行消解后，用ICP-MS测量工况下样品重金属离子（Hg、As、Pb、Cd、Cr、Se）共计样品数60个;HydroAA单独测量汞元素共计样品数60个。

测试结果如表1所示。

测试结果如表2所示。

工况3测试结果如表3所示。

工况4测试结果如表4所示。

1号机的测试结果如表5所示。

如表6所示，1号机在SCR入口处PM2.5浓度为248.26 mg/Nm3;在SCR出口处为186.45mg/Nm3;在ESP前为129.76 mg/Nm3;经过ESP后，烟气中PM2.5浓度急剧下降，检测到的浓度平均值为0.31mg/Nm3;經过湿法脱硫工艺后，PM2.5浓度上升至0.58mg/Nm3;在湿除后以及烟囱中，检测到的PM2.5浓度平均值约为0.2mg/Nm3。

通过测试了1号机和2号机在不同工况条件，不同采样点位烟气中PM2.5的浓度。将2号机四种工况下PM2.5浓度值取平均，并与1号机测试结果进行汇总，其结果如表6所示。可以看出，寿光电厂两台机组在SCR前烟气中PM2.5的浓度约为240mg/Nm3;经过ESP之后，烟气中PM2.5浓度降至1mg/Nm3以下，在WESP出口的烟气PM2.5浓度约为0.16～0.21mg/Nm3。在100m烟囱处测得1号机烟气中PM2.5浓度为0.25mg/Nm3。

（2）研究SCR+LLT-ESP+WFGD+WESP对烟气中汞污染物、SO3浓度变化和排放特征的影响。

通过测试比较，此技术路线下，对烟气中汞污染物、SO3的脱除均有较大影响，其排放特征明显降低。通过1号机100%负荷进行取样分析测试可以得出以下结论：

寿光电厂1号机燃烧的煤中汞含量是很低的，平均为16ng/g;

1号机100%负荷时，烟气中大部分的汞都进入了飞灰和石膏中，飞灰中占比50.91%，石膏中占比22.04%，经过电厂的污染物控制设备，最终排放大气中的汞浓度相对较低，为0.85ug/Nm3;其中污染物控制设备对汞的总脱除效率为87.08%，从SCR到ESP，汞的脱除效率为42.32%，脱硫和湿除对汞的脱除效率为44.76%;

1号机组的脱硝催化剂对元素汞具有很强的催化氧化效果，致使SCR后烟气中的汞大部分都被转化为二价汞，对后续的污染物控制设备脱除烟气中的汞起到了至关重要的作用，二价汞的比例由原来的10.12%提高到了45.70%。

（3）研究WESP对液滴的协同脱除效果：WESP对脱硫系统之后的液滴含量具有一定的脱除作用，通过对不同负荷下湿式静电除尘器出入口的液滴含量进行手工测试，来确定其脱除效果。具体数据如图1所示。

由图1可知，在经过吸收塔系统的三层屋脊和一层管式除雾器作用之后，湿式静电除尘器入口的液滴含量在1000MW、750MW、450MW工况下分别为16.3mg/m3、13.9mg/m3、16.5mg/m3，而在湿式静电除尘器后降低为6.5mg/m3、8.6mg/m3、9.2mg/m3。湿式静电除尘器对液滴含量具有一定的脱除作用。

2.3 燃煤机组实现近零排放新标准的效益分析

2.3.1 环保效益

如表7所示，通过现场测试，寿光电厂常规污染物的排放达到近零排放标准，实际排放浓度远低于所在地区的排放标准，优于天然燃气汽轮机组，其排放绩效和排放量大大降低，为国家的节能减排做出了应有的贡献。

2.3.2 经济性分析

国华寿光电厂依据山东省常规大气污染物的排放收费标准，对烟尘、SO2、NOX在不同排放标准下设备电耗、大宗材料的消耗、排污费的缴纳分析比较。如下：

全年发电量108亿Kwh，实际大气污染物的排放浓度为烟尘：0.7mg/Nm3、SO2：5.9mg/Nm3、NOx：15.5mg/Nm3，达到“近零排放”值，在此排放浓度计算，各项费用总计投入5056.64万元（其中排污费507.09万元，大宗材料费1382.26万元，电费3571.06万元，石膏收入114.62万元）。

在此排放浓度下，全年环保设备运行费用相比较“超低排放”标准实际节省：689.47万元，相比“近零排放”标准实际节省：48.72万元。

按当时实际情况进行分析，“近零排放”标准下具有十分可观的经济性。

2.3.3 研究分析

环保设施的能耗、物耗、水耗水平，提出近零排放机组排放满足“1120”标准下的设备优化运行措施。

通过测试分析，在现有设备、保证污染物浓度排放条件下，为了进一步降低环保设备的能耗、物耗、水耗，可采用以下措施：

其一对于脱硫系统，通过提升湿磨出力至设计值，以减少湿磨的运行时间;优化浆液循环泵的运行方式，减少能耗高的泵的的使用，开展两座吸收塔共用一台氧化风机的研究等;去掉例如废水旋流站给料箱、废水预澄清器等利用率低的系统，以降低系统能耗。增加石灰石浆液供应泵与PH计、SO2浓度等的自动控制逻辑，合理增加石灰石的供应，减少石灰石消耗。在烟囱入口处采用烟气冷凝器+热二次风再热技术，在消除烟囱白烟现象的同时，可实现回收冷凝水降低水耗。

其二对于静电除尘器系统，通过将二次电流参数为1100mA调整为500mA，此时，除尘器出口固体颗粒物浓度为由15-20mg/m3调整为25-30mg/m3，静电除尘器的厂用电率为由0.39%降至0.2%。

其三对于脱硝系统，进行燃烧调整，减少锅炉含氧量，降低NOx生成量，同时优化入口流场，保证入口NOx浓度分布的均匀性，增加喷氨系统的精准化控制，以降低尿素耗量，同时降低氨逃逸浓度。

3 结语

在现有煤质条件下，机组为了满足污染物超低排放的要求，采用了“低NOx燃烧器+SCR脱硝系统+低温省煤器+静电除尘器+高效FGD脱硫系统+湿式静电除尘器”的技术路线，经过试验，固体颗粒物、SO2、NOx排放浓度满足“1、10、20mg/m3”的排放要求，对常规污染物具有较强的协同效果，在取得较好的环保社会效益的同时也取得了较大的经济效益，为环保事业的发展做出了应有的贡献。