燃煤電廠超低排放改造綜合評(píng)估

劉志超，陶雷行，岳春妹，陳 睿，陸駿超，王妍艷，鄭方棟，萬 迪

(上海明華電力科技有限公司，上海 200090)

煤炭是我國的主體能源，在未來發(fā)展過程中，以燃煤發(fā)電為主的電力供應(yīng)格局將會(huì)繼續(xù)保持較長時(shí)間[1]。燃煤電廠排放的廢氣中，除了SO2、NOx、顆粒物等常規(guī)污染物以外，還含有Hg、SO3等非常規(guī)污染物，會(huì)嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境、危害人體健康[2-5]。2014年9月，國家能源局發(fā)布了《關(guān)于印發(fā)<煤電節(jié)能減排升級(jí)與改造行動(dòng)計(jì)劃(2014—2020年)>的通知》(發(fā)改能源[2014] 2093號(hào))[6]，推進(jìn)燃煤發(fā)電機(jī)組實(shí)施超低排放改造，改造后污染物排放濃度基本達(dá)到燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值(即在基準(zhǔn)氧含量6%條件下，顆粒物、SO2、NOx排放濃度分別不高于10、35、50 mg/m3)[7-8]。截至2018年，全國投運(yùn)的超低排放改造機(jī)組占煤電機(jī)組總量的80%[9-10]。我國開始推行超低排放改造后，實(shí)行的大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)相比美國、歐盟、日本等發(fā)達(dá)國家更為嚴(yán)格[3，11]。

本文以某燃煤機(jī)組超低排放改造為例，利用改造前后各兩個(gè)月的煙氣連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)(CEMS)實(shí)時(shí)監(jiān)測結(jié)果以及國家權(quán)威監(jiān)測部門出具的監(jiān)測結(jié)果，評(píng)估機(jī)組超低排放改造前后對SO2，NOx和顆粒物等污染物脫除的穩(wěn)定性及減排效果。

1 機(jī)組基本情況

本文研究對象為某燃煤電廠12 MW燃煤機(jī)組，于1997年7月投運(yùn)，2008年因?qū)ν夤岬男枰脑鞛槌槟龣C(jī)組，最大供熱能力約為60 t/h。目前電廠主要以發(fā)電、供熱兩大系統(tǒng)服務(wù)于工業(yè)系統(tǒng)、居民、農(nóng)業(yè)等。

機(jī)組改造前采用“高含塵布置方式”的選擇性催化還原法(SCR)工藝脫硝裝置，還原劑采用液氨，配置單室三電場靜電除塵器、石灰石-石膏濕法脫硫系統(tǒng)。為達(dá)到超低排放改造目標(biāo)，脫硝系統(tǒng)采取加裝催化劑及響應(yīng)支撐件的改造，實(shí)現(xiàn)NOx排放低于50 mg/m3；脫硫系統(tǒng)采取增強(qiáng)氣液接觸、相變凝聚綜合減排的工藝路線[12-16]，通過增設(shè)相變增益模塊強(qiáng)化氣液接觸提高脫硫效率，增設(shè)相變凝聚模塊提高除水效率、降低污染排放，同時(shí)更換高效噴嘴，增大漿液泵流量提高脫硫除塵效率，實(shí)現(xiàn)SO2排放濃度低于35 mg/m3；現(xiàn)階段除塵系統(tǒng)能夠滿足國家最新排放標(biāo)準(zhǔn)要求，無需對除塵系統(tǒng)進(jìn)行改造，可實(shí)現(xiàn)顆粒物排放濃度小于5 mg/m3；增設(shè)煙氣換熱器系統(tǒng)，提高出口煙溫，消除白色煙羽。

改造前后工藝系統(tǒng)如圖1所示。

2 數(shù)據(jù)來源

為完成本次評(píng)估，對機(jī)組主要環(huán)節(jié)的污染物CEMS連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)及手工監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了系統(tǒng)匯總和整理。采用的監(jiān)測數(shù)據(jù)點(diǎn)位分布圖如圖2所示。

主要數(shù)據(jù)來源及其用途如下。

(1)CEMS污染物連續(xù)監(jiān)測數(shù)據(jù)。本文采集了改造前(2016年9月1日至2016年10月31日)與改造后(2017年9月1日至2017年10月31日)小時(shí)平均數(shù)據(jù)，共1 139組有效數(shù)據(jù)，含SO2、NOx及顆粒物濃度，用于評(píng)估改造前后SO2、NOx及顆粒物的減排效果。

(2)污染物手工監(jiān)測數(shù)據(jù)。本文采集了國家權(quán)威監(jiān)測部門的監(jiān)測。監(jiān)測部門的監(jiān)測結(jié)果，含SO2、NOx、顆粒物、煙氣參數(shù)(溫度、濕度、流速、含氧量、壓力)，用于超低排放改造后的技術(shù)性能穩(wěn)定性評(píng)估。

3 結(jié)果與分析

3.1 污染物穩(wěn)定達(dá)標(biāo)能力

3.1.1 顆粒物穩(wěn)定達(dá)標(biāo)能力

機(jī)組改造完成后連續(xù)兩個(gè)月運(yùn)行的CEMS顆粒物小時(shí)濃度數(shù)據(jù)的頻率分布如圖3所示。

圖3顯示，該時(shí)段內(nèi)顆粒物的平均排放濃度為(0.53±0.40) mg/m3。按照天然氣燃?xì)廨啓C(jī)排放限值(5 mg/m3)評(píng)價(jià)，監(jiān)測數(shù)據(jù)99.82%達(dá)標(biāo)。

3.1.2 SO2穩(wěn)定達(dá)標(biāo)能力

機(jī)組改造完成后連續(xù)兩個(gè)月運(yùn)行的CEMS SO2小時(shí)濃度數(shù)據(jù)的頻率分布如圖4所示。圖4顯示，在入口二氧化硫濃度為1 113(684～2 200)mg/m3時(shí)，煙囪出口的平均排放濃度為(5.7±4.6)mg/m3。按照天然氣燃?xì)廨啓C(jī)排放限值(35 mg/m3)，監(jiān)測數(shù)據(jù)100%達(dá)標(biāo)。

3.1.3 NOx穩(wěn)定達(dá)標(biāo)能力

1.2 自然地理特征 公園深居亞洲腹地，遠(yuǎn)離海洋，在地勢高、氣壓低的自然條件下形成了典型荒漠草原和森林草原氣候特征，四季不明顯，只有冷暖兩季之分。區(qū)內(nèi)水文資源豐富，黃河蜿蜒曲折，河谷深切，水流湍急。區(qū)內(nèi)林地面積4 200 hm2，森林覆蓋率達(dá)25.9%，林間草叢中棲息有珍禽異獸。1992年被國家林業(yè)部批準(zhǔn)為國家級(jí)森林公園。

機(jī)組改造完成后連續(xù)兩個(gè)月運(yùn)行的CEMS NOx小時(shí)濃度數(shù)據(jù)的頻率分布如圖5所示。在全負(fù)荷范圍內(nèi)，SCR入口NOx波動(dòng)在254(105～499)mg/m3，煙囪出口平均排放濃度為(13.1±6.0)mg/m3。按照天然氣燃?xì)廨啓C(jī)排放限值(50 mg/m3)，監(jiān)測數(shù)據(jù)100%達(dá)標(biāo)。

3.2 污染物減排效果

3.2.1 顆粒物減排效果

機(jī)組改造前后不同機(jī)組負(fù)荷狀態(tài)下煙囪排口顆粒物濃度及其排放速率的比較如圖6所示。在線監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，改造后煙囪出口顆粒物平均濃度為0.5 mg/m3，相比改造前降低約90.6%；顆粒物平均排放速率為0.03 kg/h，相比改造前削減約91.4%。

相對而言，改造項(xiàng)目對顆粒物的減排效果最為突出，顆粒物平均濃度可滿足燃?xì)廨啓C(jī)組排放限值。

3.2.2 SO2減排效果

機(jī)組改造前后不同機(jī)組負(fù)荷狀態(tài)下煙囪排口SO2濃度及其排放速率的比較如圖7所示。煙囪排口在線監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，改造后煙囪出口SO2平均濃度為5.7 mg/m3，相比改造前降低約43.9%；SO2平均排放速率為0.4 kg/h，相比改造前削減約43.7%。

由此可見，該項(xiàng)目脫硫系統(tǒng)改造后，對SO2的減排作用較為顯著。

3.2.3 NOx減排效果

表1 項(xiàng)目改造前后環(huán)境空氣保護(hù)目標(biāo)年均濃度變化

可見，該項(xiàng)目脫硝系統(tǒng)改造后，對NOx的減排作用較為顯著。

3.3 廠區(qū)周邊環(huán)境改善效果

根據(jù)本項(xiàng)目評(píng)價(jià)范圍小于50 km，以及評(píng)價(jià)范圍的氣象特征及地形特征，選擇AERMOD模型來對項(xiàng)目的大氣環(huán)境影響進(jìn)行預(yù)測，選取五個(gè)人口較為集中的環(huán)境敏感點(diǎn)為受體點(diǎn)，研究長期氣象條件下，項(xiàng)目改造前后，環(huán)境空氣保護(hù)目標(biāo)、網(wǎng)格點(diǎn)的地面濃度和評(píng)價(jià)范圍內(nèi)的最大地面年平均濃度，評(píng)價(jià)電廠的污染排放對周邊環(huán)境負(fù)面影響的改善效果[17-20]。

項(xiàng)目改造前后環(huán)境空氣保護(hù)目標(biāo)年均濃度變化如表1所示。改造后，電廠對周邊地區(qū)環(huán)境空氣SO2，NO2，PM10的年均濃度貢獻(xiàn)值顯著降低，其中PM10尤為突出。SO2年均濃度貢獻(xiàn)由改造前0.000 4～0.002 4 μg/m3下降至改造后0.000 3～0.001 3 μg/m3，平均下降44%。NO2年均濃度貢獻(xiàn)由改造前0.001 4～0.006 3 μg/m3下降至改造后0.000 7～0.003 3 μg/m3，平均下降48%。PM10年均濃度貢獻(xiàn)由改造前0.000 3～0.001 4 μg/m3下降至改造后0.000 0-0.000 1 μg/m3，平均下降92%。

4 結(jié)語

(1)機(jī)組改造完成首次啟動(dòng)后，未出現(xiàn)非計(jì)劃停機(jī)，整個(gè)超低排放系統(tǒng)正常運(yùn)行。按照天然氣燃?xì)廨啓C(jī)排放限值評(píng)價(jià)，機(jī)組顆粒物監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)標(biāo)率99.82%(5 mg/m3)；SO2監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)標(biāo)率100%(35 mg/m3)；NOx監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)標(biāo)率100%(50 mg/m3)。該系統(tǒng)對各項(xiàng)污染物的控制效果穩(wěn)定，基本符合超凈排放的標(biāo)準(zhǔn)要求。因此，超低排放系統(tǒng)的運(yùn)行狀況穩(wěn)定、可靠，運(yùn)行操作規(guī)范，持續(xù)運(yùn)行中符合超低排放限值。

(2)超低排放改造對電廠NOx，SO2與顆粒物等污染物的減排作用較為顯著。SO2，NOx，顆粒物排放濃度較改造前分別削減了43.9%，53.0%與90.6%，排放速率較改造前分別下降了43.7%，53.3%與91.4%，顆粒物排放削減效果最為顯著。

(3)模擬結(jié)果顯示，機(jī)組改造后，對周邊地區(qū)環(huán)境空氣SO2，NOx，PM10的濃度貢獻(xiàn)均有明顯下降，PM10改善效果尤為突出，有效改善了電廠排放對周邊環(huán)境的負(fù)面影響。