大型燃煤電廠大氣污染物近零排放技術方案

戴鐵華，李彥，胡昌斌，王新，徐勇

(中能建湖南省電力勘測設計院，湖南長沙410007)

大型燃煤電廠大氣污染物近零排放技術方案

Technical schemes of air pollutants near-zero em ission in large-scale coal-fired power plants

戴鐵華，李彥，胡昌斌，王新，徐勇

(中能建湖南省電力勘測設計院，湖南長沙410007)

本文總結大型燃煤電廠煙氣除塵、脫硫、脫氮、脫汞、PM2.5細微顆粒、CO2捕集等實現近零排放的相關技術，并結合岳州電廠燃煤特性和機組選型提出項目大氣污染物近零排放的技術方案。

環保；減排；大氣污染物；近零排放；工程方案

依托最先進的節能和環保技術，燃煤電廠大氣污染物排放可達到或優于燃氣電廠的排放水平。我國新的火電廠大氣污染物排放標準〔1〕大幅收緊了SO2，NOx、煙塵的排放限制，2014年5月26日國務院印發 《2014—2015年節能減排低碳發展行動方案》，也進一步明確了節能減排降碳指標。各地在新建和待建大型燃煤電廠紛紛開展煙氣污染物“近零排放”，建設真正綠色煤電。

“近零排放”，就是嚴格控制生產過程中產生的廢棄物排放，盡量將其減少到接近零的狀態；對不得不排放的廢棄物，加以充分利用。為滿足日益嚴格的環保要求，走低消耗、低排放和高效率的綠色煤電之路。華能集團要求在岳州項目上執行天然氣燃機排放標準、提出了污染物近零排放的要求，在此背景下，開展了近零排放專題研究〔2〕。

1 工程概況

根據國家能源戰略規劃，“十二五”期間將建成蒙西至華中鐵路煤運大通道 (蒙華鐵路)，華能岳州電廠正是依托蒙華鐵路建設的高效環保型路口電廠，規劃建設4×1 000MW燃煤機組。本期建設2×1 000MW高效二次再熱超超臨界機組，采用高效超超臨界變壓運行直流鍋爐、∏型布置，超超臨界二次中間再熱凝汽式汽輪機組，推薦參數為:主汽壓力31MPa/主汽溫度600℃/一次再熱溫度620℃/二次再熱溫度620℃。電廠同步建設煙氣脫硫、脫硝裝置。

項目設計煤種為內蒙古魏家峁煤；校核煤種為70%內蒙伊泰寶山煤和30%陜西澄合煤的混煤。2臺機組鍋爐耗煤量為766 t/h，年耗煤量則為 367.6×104t/a。大氣污染物排放指標執行GB13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》中燃氣輪機組排放限制指標。

2 大氣污染物近零排放技術方案

燃煤電廠大氣污染物的近零排放，煙氣多污染物治理要能協同脫除SO2，NOx，粉塵、PM2.5超細粉塵和其它強酸性氣體、汞等及CO2的捕集，最大限度地減少煙塵，SO2，NOx，汞等的排放。

2.1 高效除塵技術方案

2.1.1 高效除塵技術

目前火電廠應用成熟的除塵器型式有靜電除塵器、布袋除塵器、電袋復合除塵器。近年又出現了旋轉電極靜電除塵器、低 (低)溫靜電除塵器、高頻電源等新工藝、新技術。但無論采取哪一種單一除塵器均不能達到煙囪出口煙塵排放濃度＜5mg/Nm3的要求。

由于靜電除塵器設備阻力低 (阻力比布袋或電袋低600～1 000 Pa左右)、運行維護較方便且費用低、無廢棄布袋的二次污染，其技術性能優于布袋和電袋除塵器。在岳州工程中，為提高機組經濟性，在除塵器前設置了煙氣余熱回收裝置，考慮到煤種變化時濾袋在露點溫度附近存在易產生腐蝕的可能性，決定選用靜電除塵器。

近年來靜電除塵器與高頻電源、低低溫除塵器、旋轉電極式電除塵等新技術組合，可提高除塵性能，并擴大了適用范圍。

本工程分別在除塵器前和脫硫塔前設置了二級煙氣余熱回收裝置，使得進入除塵器的煙溫降至105℃左右，降低了進入除塵器的煙氣體積和飛灰比電阻。但考慮到設計和校核煤種即使在80℃下比電阻也在1 012Ω·cm左右，再繼續將除塵器進口溫度降至煙氣露點溫度以下無太大意義，因此推薦采用適合高比電阻飛灰的旋轉電極式靜電除塵器。

目前國內一些新建電廠在一級除塵器和脫硫系統后增加濕式電除塵器對脫硫塔出口的煙氣進一步深度凈化。濕式靜電除塵器是一種控制燃煤煙氣PM2.5細微顆粒和 “石膏雨”非常有效的設備。

2.1.2 高效除塵技術方案的選擇

為降低PM2.5的排放，岳州工程采用脫硫前第一級除塵器＋脫硫后設置一電場濕式除塵器的組合除塵方案。除塵方案見圖1。

脫硫前第一級除塵器推薦每爐設置2臺三室五電場旋轉電極除塵器，第一、二電場采用高頻電源，末級電場采用旋轉電極技術，除塵效率≥99.92%、除塵器出口粉塵濃度控制在20 mg/Nm3內。脫硫吸收塔采用較低的吸收塔流速和三級除霧器，采用更高效的霧化噴嘴，保證濕法脫硫吸收塔的除塵效率≥50%。脫硫塔后每爐設置2臺一電場的濕式除塵器，單級除塵器效率≥70%。煙囪出口煙塵排放濃度設計煤種為4.87 mg/Nm3，達到＜5mg/Nm3燃機的排放標準。同時可有效降低PM2.5的排放。

2.2 高效脫硫技術方案

2.2.1 高效脫硫技術

石灰石—石膏濕法脫硫是燃煤電廠中應用最為廣泛的脫硫技術。對于石灰石—石膏濕法脫硫，當脫硫效率超過95%之后，需要采取增效措施。提高效率的脫硫技術有:在常規的脫硫塔基礎上增加噴淋層數量、雙循環石灰石—石膏濕法脫硫技術、雙托盤技術、液柱塔技術。

1)常規石灰石—石膏濕法脫硫工藝，通過增加噴淋層、增加脫硫塔液氣比提高脫硫效率。但一般增至5層已是上限，難以達到98%以上的要求。

2)雙循環脫硫工藝基本原理與石灰石濕法基本相同。其技術特點是將脫硫吸收反應分為兩級循環，即低pH值的一級循環和高pH值的二級循環來保證較高的脫硫效率。

雙循環技術分為單塔雙循環和雙塔雙循環。單塔雙循環方式是將吸收塔分為上、下2級，下段為一次循環，上段為二次循環；雙塔雙循環方式有2個循環吸收塔，阻力相對單塔雙循環較高，一般用于改造項目。

3)托盤技術是武漢凱迪引進的技術。雙托盤脫硫技術在單托盤技術基礎上增加1層托盤，延長煙氣停留時間，達到增加脫硫效率的作用。但托盤會引起煙氣系統阻力增加，系統運行能耗較高，國內目前尚無1 000MW等級煤電的應用業績。

4)液柱塔脫硫工藝的基本原理與噴淋塔是一樣的。但對布置空間有一定的要求，國內尚無1 000MW等級煤電的應用業績。

2.2.2 高效脫硫技術方案的選擇

雙循環脫硫工藝為近年引進的新技術，雖然目前應用業績較少，但已有1 000MW工程訂貨業績。且國內600MW及1 000MW工程煙氣脫硫絕大多數采用石灰石/石膏濕法脫硫，為雙循環石灰石/石膏濕法脫硫工藝的工業應用提供了寶貴的經驗，采用該脫硫技術風險相對較小。岳州工程推薦采用雙循環石灰石/石膏濕法脫硫技術，工藝流程見圖2。相對雙塔雙循環方式，單塔雙循環具有煙氣系統阻力較低、節約初投資、占地面積小等優點，且有國電泰州1 000MW機組工程的訂貨業績。因此，推薦采用單塔雙循環方案設計，設計煤種SO2排放濃度27.41mg/Nm3，低于燃氣輪機35mg/Nm3排放限值。

2.3 高效脫氮技術方案

2.3.1 高效脫氮技術

國內大型燃煤電廠采用爐內低NOx燃燒技術＋煙氣脫硝技術降低NOx排放。常用的低NOx燃燒技術有空氣分級燃燒技術、燃料分級、煙氣再循環、低NOx燃燒器等。

主要煙氣脫硝技術有選擇性催化還原法 (SCR脫硝)、選擇性非催化還原法 (SNCR脫硝)、SNCR－SCR混合脫硝技術。SCR和SNCR－SCR工藝脫硝效率均可達90%以上，而SNCR脫硝效率一般為30%～50%。

2.3.2 脫硝技術方案選擇

鍋爐為 “∏”型爐，國內該爐型均不采用煙氣再循環和燃料分級低NOx燃燒技術。設計中主要采取低低NOx燃燒器、分級燃燒技術、優化燃盡風的配置確保鍋爐出口NOx排放濃度可低于200 mg/Nm3。

結合國內外工程的經驗，SCR脫硝技術及聯合脫硝技術都能基本滿足要求，SCR技術成熟，應用廣泛。因此，本工程推薦采用爐內低NOx燃燒加爐外SCR脫硝技術。同步安裝的SCR采用高含塵煙氣段布置，催化劑按 “2＋1”層設置，保證脫硝效率不低于83%，NOx排放濃度為34mg/Nm3，低于燃機50mg/Nm3的排放標準。同時，為實現各種工況下的全負荷脫硝，結合主機選型情況，采用提高給水溫度或者省煤器分段布置方案，實現全負荷脫硝。

2.4 消除 “石膏雨”技術方案

“石膏雨”主要來自煙氣中未除凈的液滴和冷凝水，其形成與凈煙氣特性、煙囪結構形式、環境氣象條件有關。據資料介紹，濕法脫硫且不設置GGH的機組 “石膏雨”現象較為嚴重〔4〕。

控制 “石膏雨”的技術手段包括:

1)選擇合適的塔內煙氣流速，降低煙氣攜帶的漿液液滴。建議本工程煙氣流速低于3.5m/s。

2)選擇合適的除霧器類型。采用2級屋脊式除霧器＋吸收塔出口一級管式除霧器的設置方案。并通過優化除霧器進出口煙氣流場、噴淋層及除霧器沖洗水的設計及布置，降低液滴攜帶。

3)選擇合適的煙囪內煙氣流速。流速控制在18～20m/s。設計保證煙囪出口處和筒體內均有合理的煙氣流速，煙囪出口設計成收縮過渡段；煙囪或煙道內壁設置導流槽，減少煙氣中冷凝水的二次夾帶〔4〕。

4)減少飽和煙氣含濕量。通過裝設煙氣余熱利用換熱器降低煙氣溫度，減少吸收塔中的水分蒸發。同時使煙氣遠離水的露點溫度，避免水蒸氣凝結形成石膏雨。

5)設置濕式靜電除塵器。采用70%效率的濕式電除塵器，減少石膏顆粒的排放。

岳州工程在脫硫系統及煙囪設計時充分考慮以上措施，通過優化脫硫系統設計、設置煙氣余熱利用換熱器、濕式除塵器等措施，預防 “石膏雨”發生，基本解決 “石膏雨”的污染問題。

2.5 煙氣脫汞技術方案

電廠同步建設的脫硫、脫硝及除塵等煙氣凈化處理裝置有一定的協同脫汞能力。協同除汞就是利用電廠煙氣處理設備，對其他污染物進行處理的同時，實現對汞的協同控制。

1)靜電除塵器除汞:可脫除煙氣99%以上的顆粒態汞〔5〕，但不能去除氣態單質Hg，氣態單質Hg的去除也是煙氣中汞污染控制的難點。電除塵器協同除汞，其脫汞率不低于25%。

2)脫硫設施除汞:脫硫設施溫度相對較低，有利于汞的氧化和Hg2＋的吸收，是汞去除最有效的凈化設備。特別是濕法脫硫 (WFGD)能去除80%左右的氣態二價汞〔5〕。但濕法脫硫洗滌液有時會將氧化態汞還原成元素汞，造成汞的二次污染。如何阻止濕法脫硫中氧化態汞的還原，是利用煙氣處理設備最大限度控制汞的核心問題。濕法脫硫脫汞率不低于50%。

3)脫硝設備協同除汞:SCR只能氧化煙氣中的汞，沒有直接的吸附去除效果。脫硝工藝能夠加強汞的氧化，使經過SCR的煙氣中Hg2＋的濃度有所增加，增加后面FGD對汞的去除率。

岳州工程采用內蒙古低汞煤 (設計煤種汞含量0.15μg/g)，在采用除塵、脫硫和脫硝協同控制脫汞后，脫汞效率一般可達7%～85%，按75%測算，煙氣的汞平均濃度不超過4.66μg/Nm3，遠低于 《火電廠大氣污染物排放標準》規定的30 μg/Nm3限值標準。

2.6 CO2捕集技術方案

作為主要的溫室氣體，CO2減排引起全球廣泛關注。燃煤電廠作為最大的CO2排放源，CO2捕集和封存 (CCS)是應對全球氣候變化最具前景的解決方案。

電廠采取的高效脫硫、除塵、脫硝裝置，為CO2捕集創造了良好的條件。適用于燃煤電站最成熟的CO2捕集技術是醇胺化學法 (MEA法)，華能北京熱電廠3 000 t/a CO2捕集試驗示范裝置、上海石洞口二廠12×104t/a CO2捕集精制工程均是采用MEA法。

本工程初步考慮設置3 000 t/a的CO2捕集裝置，采用化學吸收法 (MEA法)脫碳。

3 結論

大氣污染物的近零排放，煙氣多污染物治理不僅要能脫除傳統污染物SO2，NOx、粉塵，而且要脫除PM2.5超細粉塵、重金屬等。岳州電廠燃用低硫份、中灰分、低汞含量的內蒙古來煤，采用高頻電源＋旋轉電極、單塔雙循環濕式石灰石—石膏脫硫、爐內低NOx燃燒＋全負荷 SCR脫硝裝置、濕式電除塵器相結合的一體化煙氣污染治理設備，協同脫除SO2，NOx、粉塵、汞、捕集PM2.5細微顆粒，排放濃度均低于燃機排放標準。機組同時設置3 000 t/a的CO2捕集裝置，實現了大氣污染物的近零排放。

〔1〕中華人民共和國環境保護部.GB13223-2011火電廠大氣污染物排放標準〔S〕.北京:中國環境科學出版社，2011.

〔2〕湖南省電力勘測設計院.華能湖南岳州電廠近零排放專題研究總報告 〔R〕.2014.

〔3〕何紅兒，酈建國，孫真真.旋轉電極式電除塵器在大型火電機組上的應用 〔J〕.電力科技與環保，2012，28(3):29-31.〔4〕郭彥鵬，潘丹萍，楊林軍.濕法煙氣脫硫中石膏雨的形成及其控制措施〔J〕.中國電力2014，47(3):152-154.

〔5〕李俊華，陳亮奇，王馳中，等.燃煤電廠NOx和Hg排放控制關鍵技術及發展方向 〔C〕//中國環境科學學會.第十五屆二氧化硫、氮氧化物、汞、細顆粒物污染控制技術國際研討會論文集2011:5-11.

TM933.4

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1008-0198(2014)06-0047-04

戴鐵華 (1968)，男，漢族，工學學士，高級工程師，長期從事電廠環境工程與水處理設計工作。

10.3969/j.issn.1008-0198.2014.06.014

2014-06-10 改回日期:2014-11-18