張曉魯

（中國電力投資集團(tuán)公司，北京100033）

燃煤電站煙氣污染物深度脫除技術(shù)的分析

張曉魯

（中國電力投資集團(tuán)公司，北京100033）

近年來霧霾天氣的頻繁出現(xiàn)使得細(xì)顆粒物（PM2.5）成為了公眾關(guān)注的熱點(diǎn)，PM2.5的控制也已增加到2012年發(fā)布的《環(huán)境空氣質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中，而目前我國現(xiàn)有的煙氣污染物控制技術(shù)難以脫除PM2.5，因此，為深度脫除PM2.5、SO2、SO3以及重金屬等煙氣污染物，開發(fā)燃煤電站煙氣污染物深度脫除技術(shù)（深度脫除技術(shù)）成為亟待解決的問題。本文系統(tǒng)分析了開發(fā)適用于我國燃煤電站的深度脫除技術(shù)的必要性以及存在的問題，重點(diǎn)分析研究了PM2.5脫除技術(shù)、全負(fù)荷下超超臨界鍋爐的低NOx排放以及SCR工作溫度的適應(yīng)性。最后，以某電廠2×660 MW超臨界機(jī)組為例，介紹了煙氣污染物深度脫除系統(tǒng)方案，以此為基礎(chǔ)，分析提出了1 000 MW超超臨界機(jī)組煙氣污染物深度脫除的技術(shù)路線。

燃煤機(jī)組；煙氣污染物；深度脫除；PM2.5脫除

1 前言

細(xì)顆粒物（PM2.5）是頻繁引發(fā)、加重霧霾天氣的主要成因之一。隨著我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，在不斷增加的火力發(fā)電、冶金、石油、交通、采暖等各種工業(yè)活動(dòng)和人民日常生活行為中，因燃燒化石燃料而排放的煙塵，是PM2.5的主要來源，大多含有重金屬等有毒物質(zhì)。

我國一次能源以煤為主，決定了以燃煤發(fā)電為主的發(fā)電格局，燃煤發(fā)電裝機(jī)容量占總裝機(jī)容量的75%左右，發(fā)電量占總發(fā)電量的80%左右，且長期難以改變。提高燃煤發(fā)電效率、降低污染物排放是電力科技進(jìn)步的永恒主題，是我國電力工業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的根本保證。通過關(guān)停效率低、污染嚴(yán)重的小火電機(jī)組，加快發(fā)展大容量、高參數(shù)機(jī)組，加快研發(fā)新型煙氣凈化技術(shù)，用現(xiàn)代化技術(shù)改造老機(jī)組，加大燃煤電廠環(huán)保治理的力度等措施[1～3]，電力工業(yè)的節(jié)能減排成效較好。在滿足經(jīng)濟(jì)高速增長需求的同時(shí)，污染物排放總量基本控制在了2000年水平。

根據(jù)中電聯(lián)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)[4，5]，與2000年相比，2013年的煙氣脫硫機(jī)組容量（不含流化床機(jī)組）由5×106kW快速提升到7.15×108kW，占全國煤電機(jī)組容量的91%，比美國高出30%；煙氣脫硝機(jī)組容量也達(dá)到4.3×108kW，占全國煤電機(jī)組容量的55%，比美國高出5%；所有燃煤電廠全部配置高效除塵設(shè)施。全國平均供電煤耗下降了71 g/kW·h，達(dá)到321 g/kW·h。主要污染物排放濃度大幅下降，在燃煤發(fā)電量比2000年增加3倍多的情況下，全國燃煤發(fā)電的SO2排放總量控制在8.2×106t，比2000年（8.9×106t）略有降低；NOx排放總量為8.34×106t，比2000年（4.69×106t）增加78%；煙塵排放總量為1.42×106t，大大低于2000年水平（3.21×106t）。但是，這1.42×106t的煙塵排放就是如今要治理PM2.5的攻關(guān)目標(biāo)。

在燃煤發(fā)電面臨著深度控制PM2.5、SO3、Hg等重金屬排放的新的技術(shù)要求下，我國現(xiàn)有的煙氣凈化技術(shù)很難達(dá)到這一目標(biāo)。主要難點(diǎn)在于，常規(guī)的電除塵器對(duì)于PM2.5不能有效捕集，濕法脫硫吸收塔雖可脫除煙塵中的部分粗顆粒，但卻難以去除PM2.5及以下的細(xì)顆粒[6，7]。因此，為解決我國燃煤電站的PM2.5污染問題，同時(shí)進(jìn)一步控制煙氣中SO2、SO3、Hg等重金屬的排放，開發(fā)燃煤機(jī)組煙氣污染物深度脫除技術(shù)是燃煤發(fā)電健康發(fā)展、助力實(shí)現(xiàn)中國夢的戰(zhàn)略選擇。

深度脫除技術(shù)俗稱燃煤電站超潔凈技術(shù)，是對(duì)現(xiàn)有的燃煤機(jī)組煙氣污染物脫除系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化集成，增加濕式電除塵裝置[8]，深度脫除PM2.5、SO2、SO3、重金屬等煙氣污染物，達(dá)到燃?xì)怆娬镜呐欧艠?biāo)準(zhǔn)：粉塵5～10 mg/Nm3，NOx和SOx＜30 mg/Nm3，同時(shí)保持較低的系統(tǒng)能耗。

2 開發(fā)深度脫除技術(shù)存在的關(guān)鍵技術(shù)問題

在系統(tǒng)集成原有的煙氣凈化技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)深度脫除技術(shù)的主要技術(shù)難點(diǎn)有4個(gè)：a.PM2.5的脫除問題；b.PM2.5脫除與脫硫、脫硝和除塵系統(tǒng)的協(xié)同問題；c.全負(fù)荷和變負(fù)荷過程中超超臨界燃煤鍋爐低NOx排放問題；d.深度脫除技術(shù)的參數(shù)、設(shè)備與系統(tǒng)優(yōu)化問題。

2.1PM2.5的脫除問題

目前，針對(duì)燃煤電廠的PM2.5脫除技術(shù)主要有新型電除塵技術(shù)（如電凝并技術(shù)、旋轉(zhuǎn)電極技術(shù)、高頻脈沖電源技術(shù)等）和電袋復(fù)合技術(shù)等，這些技術(shù)雖對(duì)PM2.5脫除具有一定的效果，但仍達(dá)不到深度脫除PM2.5的要求。因此，對(duì)于我國的燃煤電廠而言，有必要在濕法脫硫后增加專門的PM2.5脫除設(shè)備——濕式電除塵器。國內(nèi)的濕式電除塵器在化工、冶金、建材等行業(yè)已開始應(yīng)用，而燃煤電站所采用的濕式電除塵技術(shù)與這些行業(yè)相比，存在特殊的要求和技術(shù)難題，迫切需要開發(fā)適應(yīng)于我國燃煤電站的PM2.5脫除工藝及其裝備。

2.2PM2.5脫除與脫硫、脫硝和除塵系統(tǒng)的協(xié)同問題

國外在燃煤電站煙氣污染物治理技術(shù)方面，經(jīng)過了長期研究和發(fā)展，應(yīng)用的成熟技術(shù)主要有：靜電除塵、袋式除塵、低低溫靜電除塵、濕式電除塵、濕法石灰石-石膏脫硫、海水脫硫、選擇性催化還原法（SCR）脫硝、選擇性非催化還原法（SNCR）脫硝等。采用上述技術(shù)的協(xié)同處理，達(dá)到煙氣污染物深度脫除是國外燃煤電站技術(shù)發(fā)展的方向。

我國燃煤電站煙氣污染物治理技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，也取得了長足的進(jìn)步。當(dāng)前我國燃煤電站除塵方式以靜電除塵為主，袋式除塵也逐步得到應(yīng)用；脫硫方式以石灰石-石膏濕法脫硫?yàn)橹鳎渌绞饺绾Ｋ?、干法脫硫也得到一定程度的?yīng)用；脫硝方式以低氮燃燒及SCR方式為主?？傮w上，對(duì)于粉塵、SO2、NOx等煙氣污染物，我國煙氣污染物治理技術(shù)與國外水平基本相當(dāng)。

但是，我國各類煙氣污染物治理技術(shù)主要以獨(dú)立或分散的方式使用，沒有系統(tǒng)地研究煙氣中多種污染物的傳遞變化與關(guān)聯(lián)影響。部分設(shè)備制造企業(yè)為滿足當(dāng)前排放標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)濕式電除塵器、高效脫硫等凈化單元展開了試驗(yàn)研究，還缺乏完整的多污染物深度脫除關(guān)鍵技術(shù)研究，尚未形成成熟的大型燃煤機(jī)組煙氣污染物深度脫除控制技術(shù)與應(yīng)用示范。因此，迫切需要研發(fā)適用于我國燃煤電站的SOx、NOx、PM2.5、重金屬等煙氣污染物深度脫除的協(xié)同技術(shù)。

2.3 全負(fù)荷和變負(fù)荷過程中超超臨界燃煤鍋爐低NOx排放問題

實(shí)現(xiàn)全負(fù)荷下超超臨界機(jī)組NOx控制是深度脫除所面臨的另一個(gè)技術(shù)難題。所謂全負(fù)荷，即從低負(fù)荷到滿負(fù)荷的全部負(fù)荷工況。超超臨界燃煤鍋爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)（<50%最大連續(xù)蒸發(fā)量（BMCR）），為了保證再熱汽溫、SCR入口煙溫以及低負(fù)荷穩(wěn)燃，往往需要較高的煙氣氧濃度(風(fēng)煤比較大）和較短的停留時(shí)間（燃燒器上擺），鍋爐在低負(fù)荷下NOx排放較高。而簡單地調(diào)整鍋爐布置結(jié)構(gòu)，又難以同時(shí)在低負(fù)荷和滿負(fù)荷工況下實(shí)現(xiàn)低NOx排放，致使目前鍋爐無法滿足全負(fù)荷下低NOx排放的要求。另外，SCR脫硝技術(shù)所需要的工作溫度控制在超超臨界鍋爐中也受到受熱面的布置和安全運(yùn)行的制約。

2.4 煙氣污染物深度脫除技術(shù)的參數(shù)、設(shè)備與系統(tǒng)優(yōu)化問題

國外燃煤電站煙氣污染物的治理案例及國內(nèi)的研究表明，采用煙氣污染物深度協(xié)同脫除技術(shù)使燃煤電站煙氣排放達(dá)到粉塵（含PM2.5）達(dá)到5～10 mg/Nm3、SO2和NOx低于30 mg/Nm3是可實(shí)現(xiàn)的。現(xiàn)階段技術(shù)推廣的主要障礙是：建設(shè)投資高、運(yùn)維成本大、全工況滿足排放指標(biāo)的適應(yīng)性差、長期穩(wěn)定運(yùn)行的可靠性較低。究其原因主要有：凈化設(shè)備增多、系統(tǒng)復(fù)雜化；各凈化單元工藝匹配和協(xié)同性不高；部分關(guān)鍵技術(shù)與裝備的國產(chǎn)化產(chǎn)品不成熟；低負(fù)荷工況與變工況下的煙氣污染物脫除效率降低等。

3 需攻關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)及技術(shù)路線

為同步滿足我國600 MW級(jí)和1 000 MW級(jí)燃煤發(fā)電機(jī)組深度脫除煙氣污染物的大規(guī)模產(chǎn)業(yè)需求，研究確定了2×660 MW超臨界機(jī)組的煙氣污染物深度脫除系統(tǒng)方案，系統(tǒng)分析了1 000 MW級(jí)超超臨界機(jī)組煙氣污染物深度脫除系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)和技術(shù)路線。

3.12×660 MW超臨界機(jī)組煙氣污染物深度脫除系統(tǒng)方案

某電廠2×660 MW超臨界機(jī)組煙氣污染物控制系統(tǒng)采用污染物深度脫除技術(shù)，在同步建設(shè)煙氣脫硫、脫硝裝置的同時(shí)，為減少PM2.5、SO3排放和解決石膏雨問題，在脫硫裝置出口加裝濕式電除塵器（WESP），脫硫后的凈煙氣經(jīng)濕式靜電吸附進(jìn)一步收塵處理后，經(jīng)由煙囪排入大氣。工程設(shè)計(jì)煙囪出口最大煙塵含量為10 mg/Nm3。

工程設(shè)計(jì)和校核煤種均為無煙煤，機(jī)組的主設(shè)備參數(shù)如下。

鍋爐：超臨界參數(shù)變壓運(yùn)行直流爐，W火焰燃燒方式，П型布置；最大連續(xù)蒸發(fā)量（BMCR）：2090t/h；額定蒸汽參數(shù)：25.4 MPa（g）/571℃。

汽輪機(jī)：超臨界參數(shù)、單軸、一次中間再熱、三缸四排汽、凝汽式汽輪機(jī)；額定功率：660 MW；額定進(jìn)汽流量：1 990.3 t/h；額定初參數(shù)：24.2 MPa（g）/ 566℃；額定背壓：5.6 kPa（a）。

深度脫除系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案：低氮燃燒+SCR脫硝+靜電除塵（配置高頻電源）+雙循環(huán)濕法脫硫+濕式電除塵。其中濕式電除塵布置在雙循環(huán)濕法脫硫吸收塔上端，形成一體化裝置，整體布局緊湊、合理，系統(tǒng)順暢，節(jié)省占地和投資。該工程采用濕式電除塵技術(shù)（WESP），除塵效率不低于75%，設(shè)備年利用小時(shí)按 5 000 h考慮，WESP裝置可用率達(dá)100%，裝置服務(wù)壽命30年。WESP工藝系統(tǒng)主要由煙氣系統(tǒng)、收塵極系統(tǒng)、放電極系統(tǒng)、循環(huán)沖洗系統(tǒng)、保護(hù)風(fēng)系統(tǒng)等組成。

工藝系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則包括以下三點(diǎn)。

1）濕式電除塵裝置采用一臺(tái)爐設(shè)置一臺(tái)濕式電除塵器，每臺(tái)濕式電除塵器裝置的煙氣處理能力為一臺(tái)鍋爐100%BMCR工況時(shí)的煙氣量，并留有適當(dāng)余量。

2）出口粉塵濃度≤10 mg/Nm3，脫塵效率按不小于75%設(shè)計(jì)。

3）在設(shè)備的沖洗和清掃過程中產(chǎn)生的水流入吸收塔內(nèi)作為脫硫補(bǔ)給水。

WESP的布置方案主要有兩種：在濕法脫硫吸收塔與煙囪之間單獨(dú)布置板式WESP（板式布置），或在濕法脫硫吸收塔上布置管式WESP（管式布置）。這兩種布置方案均為成熟技術(shù)，且在國內(nèi)外均有應(yīng)用，在技術(shù)上是可行的。板式布置因接口煙道和流速等原因，占地面積較大；管式布置利用了脫硫吸收塔本體和出口煙道位置，其占地面積小于板式布置。由于該工程場地狹窄，因此選用高效節(jié)能雙循環(huán)濕法脫硫與管式濕式電除塵一體化技術(shù)，該技術(shù)可充分減少場地利用，適于新建項(xiàng)目和改造項(xiàng)目，特別適于改造項(xiàng)目。目前已進(jìn)入施工圖設(shè)計(jì)階段。

3.21 000 MW級(jí)超超臨界機(jī)組煙氣污染物深度脫除技術(shù)路線分析

以將要工程示范的660 MW超臨界煙氣污染物深度脫除技術(shù)為基礎(chǔ)，計(jì)劃開發(fā)1 000 MW級(jí)超超臨界機(jī)組煙氣污染物深度脫除技術(shù)，機(jī)組的主要設(shè)計(jì)指標(biāo)如下。容量：1 000 MW；機(jī)組可用率：90%；廠用電率：3.75%；鍋爐效率：94.65%；燃燒效率：99.5%；鍋爐出口NOx：200 mg/Nm3；煙塵排放指標(biāo)：4.2 mg/Nm3；SO2排放指標(biāo)：11.9 mg/Nm3；NOx排放指標(biāo)：30 mg/Nm3（適用范圍為40%～100%的BMCR）。

開發(fā)適用于我國1 000 MW級(jí)超超臨界機(jī)組煙氣污染物深度脫除技術(shù)，同時(shí)建設(shè)示范工程，需要解決以下關(guān)鍵技術(shù)。

1）1 000 MW超超臨界鍋爐全負(fù)荷和變負(fù)荷過程中低NOx排放技術(shù)。1 000 MW超超臨界鍋爐由于鍋爐容量大、蒸汽參數(shù)高，要求鍋爐在全負(fù)荷和變負(fù)荷下均能滿足NOx的排放要求和適應(yīng)SCR脫硝的工作溫度要求。需要開發(fā)適合鍋爐全負(fù)荷下低NOx排放的1 000 MW超超臨界鍋爐低氮燃燒器及燃燒系統(tǒng)、1 000 MW超超臨界鍋爐受熱面布置優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)、1 000 MW超超臨界鍋爐變負(fù)荷低NOx燃燒控制策略及其控制技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，研制1 000 MW超凈排放全負(fù)荷低NOx鍋爐。

2）濕法脫硫與濕式電除塵一體化技術(shù)。在常規(guī)條件下脫硫效率需要達(dá)到99%以上才能實(shí)現(xiàn)SO2深度脫除，現(xiàn)有煙氣脫硫技術(shù)在低能耗下難以實(shí)現(xiàn)。PM2.5脫除應(yīng)采用電除塵器、濕法脫硫裝置和濕式電除塵器組成的一體化煙氣凈化系統(tǒng)才能同時(shí)實(shí)現(xiàn)SO2、SO3、PM2.5、重金屬等煙氣污染物的深度脫除以及保持較低能耗。

3）1 000 MW超超臨界機(jī)組多目標(biāo)的系統(tǒng)集成優(yōu)化技術(shù)。煙氣污染物深度脫除系統(tǒng)是一個(gè)由多工藝組成的復(fù)雜系統(tǒng)，必須兼顧系統(tǒng)性能、排放指標(biāo)、系統(tǒng)可靠性、運(yùn)維成本等進(jìn)行系統(tǒng)集成與優(yōu)化。

開發(fā)1 000 MW級(jí)超超臨界機(jī)組煙氣污染物深度脫除技術(shù)，建設(shè)示范工程的技術(shù)路線是：通過濕法脫硫與濕式電除塵器一體化中試裝置開發(fā)深度脫除的關(guān)鍵技術(shù)，在660 MW超臨界機(jī)組濕式電除塵與濕法脫硫一體化技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)1000MW超超臨界濕式電除塵與濕法脫硫一體化技術(shù)，研制1 000 MW濕式電除塵與濕法脫硫一體化裝置；在現(xiàn)有1 000 MW超超臨界鍋爐技術(shù)的基礎(chǔ)上，開發(fā)全負(fù)荷下滿足SCR要求的1 000 MW鍋爐低NOx技術(shù)，設(shè)計(jì)出適合1 000 MW全負(fù)荷低NOx鍋爐裝置；通過燃煤電站污染物脫除系統(tǒng)集成優(yōu)化，建成1 000 MW燃煤電站污染物深度脫除的示范工程，為我國提供超凈排放關(guān)鍵技術(shù)的示范。

4 結(jié)語

根據(jù)我國燃煤電站對(duì)霧霾的控制需求，對(duì)開發(fā)燃煤電站煙氣污染物深度脫除技術(shù)存在的主要問題進(jìn)行分析，提出了開發(fā)適用于我國1 000 MW超超臨界機(jī)組煙氣污染物深度脫除技術(shù)的技術(shù)路線和需要攻克的關(guān)鍵技術(shù)。經(jīng)分析論證，上述安排是可行的。

從研發(fā)到工程應(yīng)用的全過程管理上，通過建立濕法脫硫和濕式電除塵器一體化中試裝置，開發(fā)了燃煤電站煙氣污染物深度脫除的關(guān)鍵技術(shù)和工藝。以此為依據(jù)，完成660 MW超臨界機(jī)組煙氣污染物深度脫除的工程設(shè)計(jì)與工程建設(shè)，對(duì)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)和關(guān)鍵設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)證。利用660 MW超臨界機(jī)組煙氣污染物深度脫除的工程技術(shù)，開發(fā)1 000 MW超超臨界機(jī)組煙氣污染物深度脫除技術(shù)，建設(shè)示范工程。以示范工程為依托，完成工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、電廠建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)，最終實(shí)現(xiàn)燃煤電站煙氣污染物深度脫除的大規(guī)模推廣。

[1] 張曉魯.發(fā)展先進(jìn)燃煤發(fā)電技術(shù)提高能源利用效率[R].中國工程院—瑞典皇家工程院：能源效率研討會(huì)報(bào)告，2012.

[2] 張曉魯.超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)的研究[C]//中國科協(xié)2004年學(xué)術(shù)年會(huì)電力分會(huì)場暨中國電機(jī)工程學(xué)會(huì)2004年學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.?？?，2004.

[3] 張曉魯.600 MW超超臨界燃煤機(jī)組的經(jīng)濟(jì)技術(shù)性能分析[C]//清潔高效燃煤發(fā)電技術(shù)協(xié)作網(wǎng)2008年會(huì).南京，2008.

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[7] 王 鵬，駱仲泱，徐 飛，等.復(fù)合式靜電除塵器脫除電廠排放PM2.5研究[J].環(huán)境科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，27（11）：1769-1792.

[8] 莫 華，朱法華，王 圣，等.濕式電除塵器在燃煤電廠的應(yīng)用及其對(duì)PM2.5的減排作用[J].中國電力，2013（11）：66-69.

Analysis of flue gas pollutants deepremoval technology for coal-fired power plant

Zhang Xiaolu
（China Power Investment Corporation，Beijing 100033，China）

In recent years，frequent haze weather makes PM2.5becoming the public hotspot. The control of PM2.5has been added in the 2012 release ambient air quality standard.Under thesituation that our current flue gas pollutant control technology is difficult to remove PM2.5，the development of the Flue Gas Pollutants Deep-removal Technology(DRT）for Coal-fired Power Plant for deep-removing PM2.5，SO2，SO3，heavy metals and other pollutants，is becoming an urgent problem.Basing on the analysis of the necessity and existing problems of developing DRT suitable for China，this study focused on the PM2.5removal technology，low NOxemission of ultra supercritical boiler under full load，and the adaptability of SCR working temperature. Finally，introduces the flue gas pollutant removal system with an example of a 2×660 MW supercritical power plant，and analyses the Roadmap of development of DRT for 1 000 MW ultra supercritical unit.

coal-fired power plant；flue gas pollutants；deep-removal；PM2.5removal

TM611

A

1009-1742（2014）10-0047-05

2014-07-15

張曉魯，1952年出生，女，山東掖縣人，教授級(jí)高級(jí)工程師，主要從事發(fā)電工程和科技管理研究工作；E-mail：zxl@cpicorp.com.cn