唐仲愷，段玖祥，劉 濤，張文杰，魏 晗，李軍狀

(1.國能南京電力試驗研究有限公司，江蘇 南京 210023；2.國家能源集團科學技術(shù)研究院有限公司，江蘇 南京 210023；3.天津大學環(huán)境科學與工程學院，天津 300072)

0 引言

在常規(guī)污染物單一控制單元方面，廣大學者在單一環(huán)保設(shè)施實現(xiàn)超低排放研究方面取得了重要進展[1-5]。王樂樂等[1]系統(tǒng)診斷了某660MW燃煤機組脫硝系統(tǒng)在超低排放運行中存在的問題，提出了催化劑性能優(yōu)化、噴氨均勻性優(yōu)化以及脫硝控制系統(tǒng)優(yōu)化等提效措施。黃茹等[2]測試評估了不同負荷工況下CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫+爐外CFB-FGD脫硫除塵技術(shù)實現(xiàn)SO2和顆粒物超低排放的達標能力。陳鴻偉等[3]研究了600MW超低排放燃煤機組細顆粒物排放特性。陶雷行等[4]實測了容量300～1000MW的燃煤機組超低排放設(shè)施，對1000MW機組開展了全流程測試，研究表明超低排放設(shè)施對SO3具有更好的控制效果。華偉等[5]采用EPA Method 29方法，研究了超低排放改造后燃煤電廠重金屬鉛和砷的遷移和排放特性。

目前，我國超低排放技術(shù)已逐漸向不同污染物控制單元之間協(xié)同控制方向發(fā)展[6-11]。張萍等[6]研究認為單一的污染物分級治理模式已不適合我國排污企業(yè)的生產(chǎn)排放要求。王春波等[7]提出了一種基于高溫除塵的新型燃煤污染物協(xié)同控制工藝，并進行了可行性、經(jīng)濟性分析。楊昆[8]認為通過協(xié)同控制的措施進行污染的防治和控制管理，有利于對燃煤發(fā)電過程中產(chǎn)生的污染物進行治理，具有高效性、及時性和有效性。洪志剛等[9]分析了當前如SO3、汞、可凝結(jié)顆粒物等非常規(guī)污染物的檢測技術(shù)優(yōu)缺點及適用條件。本項目組[10]研究表明SO3控制策略應(yīng)由末端治理向源頭預(yù)防和過程控制轉(zhuǎn)變，統(tǒng)籌協(xié)同燃燒系統(tǒng)、熱力系統(tǒng)與環(huán)保系統(tǒng)，實現(xiàn)從常規(guī)污染物治理突破至涵蓋 SO3等次生污染物的深度凈化。柏源等[11]以300MW機組為研究對象，分析了FGD與WESP對顆粒物協(xié)同控制效果。然而，有關(guān)全流程分析脫硝設(shè)施(SCR)、靜電除塵器(ESP)、濕法脫硫設(shè)施(FGD)以及濕式電除塵器(WESP)的超低排放性能，以及考察不同環(huán)保設(shè)施對SO3、PM2.5等非常規(guī)污染物協(xié)同控制作用尚未見文獻報道。

以某660MW燃煤機組為研究對象，基于“SCR+ESP+FGD+WESP”超低排放技術(shù)路線(SCR脫硝以尿素水解為還原劑，蜂窩式催化劑3+1布置；ESP靜電除塵器為雙室五電場，F(xiàn)GD采用單塔雙循環(huán)脫硫技術(shù)，WESP為濕式靜電除塵器立式/管式布置)，通過對SCR、ESP、FGD以及WESP性能試驗分析，全流程考察了各污染物控制單元超低排放性能狀態(tài)，揭示了不同污染物控制單元之間協(xié)同控制效果，為進一步提升燃煤機組污染物控制能力提供技術(shù)參考。

1 全流程試驗

1.1 測試儀器及方法

對660MW機組開展現(xiàn)場測試，設(shè)備與型號、測試方法及標準等如表1所示。

表1 試驗儀器及方法

1.2 測試期間煤質(zhì)情況

測試期間，煤質(zhì)情況如表2所示。

表2 測試期間煤質(zhì)分析

1.3 測試條件

(1)測試工況：2019年8月5日、6日和7日三天開展機組負荷率為100%工況性能測試，分別記為A、B和C；此外，8月3日還對脫硝設(shè)施開展了機組負荷率為50%工況性能試驗，記為D。在8月6日B工況條件下，測試濕式電除塵器PM2.5、SO3、煙塵和液滴時均進行了2次重復性試驗，分別記為B1和B2。

(2)測試期間，鍋爐負荷穩(wěn)定在要求負荷左右，最大波動幅度不超過±5%。煤質(zhì)基本不變、燃料配比不變。脫硝設(shè)施、靜電除塵設(shè)施、脫硫設(shè)施和濕式電除塵設(shè)施均處于穩(wěn)定運行狀態(tài)。

(3)污染物測試數(shù)據(jù)均經(jīng)過標準狀態(tài)、干基、6%O2折算。

(4)污染物脫除效率平均值計算：單一環(huán)保設(shè)施進口污染物濃度平均值減去單一環(huán)保設(shè)施出口污染物濃度平均值所得出的值，再除以單一環(huán)保設(shè)施進口污染物濃度平均值。

(5)污染物脫除貢獻計算：單一環(huán)保設(shè)施進口污染物濃度差除以全流程污染物濃度差。

2 結(jié)果與討論

2.1 脫硝設(shè)施超低排放性能試驗分析

不同工況條件下，脫硝設(shè)施出入口NOx濃度變化情況如圖1所示。從圖1可見，在A、B和C工況下，脫硝設(shè)施入口NOx濃度分別為236.2、242.0、242.5mg/m3，平均值240.2mg/m3，均滿足不高于設(shè)計值300mg/m3的要求；經(jīng)過SCR后其出口NOx濃度分別降至17.8、15.4、19.6mg/m3，其算術(shù)平均值(17.6mg/m3)為超低排放限值的35.2%。脫硝效率分別為92.5%、93.6%和91.9%，平均值92.7%。當機組負荷率降至50%時，脫硝設(shè)施入口NOx濃度為406.2mg/m3，超設(shè)計值35.4%；其出口NOx濃度為34.1mg/m3，為超低排放限值的68.2%。

D工況條件下，脫硝設(shè)施入口煙溫為352.5℃，氧含量為5.37%；在A、B和C三個100%負荷率工況條件下，其入口平均煙溫為381.7℃，平均氧含量為5.05%。當機組負荷降低時，煙氣溫度降低，抑制了熱力型NOx的生成[12-14]；煙氣中含氧量上升，空氣過剩系數(shù)增加，有利于占總生成NOx比例為60%～80%的燃料型NOx的生成[12]。因此，當負荷降低至50%時，脫硝設(shè)施入口NOx濃度高于滿負荷時NOx濃度。

圖1 不同工況條件下脫硝設(shè)施出入口NOx濃度

在滿負荷條件下，脫硝設(shè)施出入口SO3濃度和入口SO2濃度如圖2所示。從圖2可見，在A、B工況下，脫硝設(shè)施入口SO2濃度分別為946.4mg/m3和900.3mg/m3。經(jīng)過SCR脫硝之后，煙氣中SO3在釩鈦催化劑作用下，濃度有所上升，脫硝設(shè)施出口SO3濃度分別由10.6mg/m3和9.4mg/m3上升至15.2mg/m3和13.9mg/m3。SO2/SO3轉(zhuǎn)化率分別為0.4%和0.4%，低于設(shè)計值1%。

圖2 脫硝設(shè)施出入口SO3濃度和入口SO2濃度

2.2 靜電除塵器超低排放性能試驗分析

測試機組配套二臺雙室五電場靜電除塵器，其出入口煙塵濃度變化情況如表3所示。

表3 靜電除塵器出入口煙塵濃度

從表3可見，在100%負荷率工況下，靜電除塵器入口混合煙氣煙塵濃度為13626.8mg/m3，低于設(shè)計值18130mg/m3，這與表2中收到基灰分低于設(shè)計值相一致。出口混合煙塵濃度為13.0mg/m3，低于設(shè)計值20mg/m3。除塵效率為99.90%，低于設(shè)計值99.95%，主要原因是除塵器入口煙塵濃度遠小于設(shè)計值。

2.3 脫硫設(shè)施超低排放性能試驗分析

測試期間，脫硫主塔和AFT塔的循環(huán)泵采取“2+1”組合方式運行，比設(shè)計工況少停運3臺循環(huán)泵。脫硫設(shè)施原煙氣和凈煙氣中SO2濃度變化情況如圖3所示。從圖3可以看出，A、B、C三種工況條件下，脫硫原煙氣SO2濃度分別為994.0、975.4、884.6mg/m3，平均值為951.3mg/m3，遠低于設(shè)計值3800mg/m3，與表2中硫分基本吻合；凈煙氣中SO2濃度分別為4.6、6.4、7.6mg/m3，平均值6.2mg/m3，為超低排放限值的17.7%。脫硫效率則分別為99.5%、99.3%和99.1%，平均值99.3%。

A、B、C三種工況條件下，單塔雙循環(huán)主塔和AFT塔的pH值和漿液密度如表4所示。從表4可見，單塔雙循環(huán)脫硫主塔pH值維持在5.10～5.35，漿液密度為1049.5～1095.4kg/m3，形成了低pH值一級循環(huán)條件，有利于石灰石溶解和亞硫酸鈣的氧化[15]；錐形盤收集的漿液進入AFT塔，通過新鮮漿液調(diào)配，pH值控制在6.37～6.54，較脫硫主塔pH值略高，漿液密度為1044.8～1049.0kg/m3，形成有利于SO2吸收的高pH值二級循環(huán)條件，實現(xiàn)了SO2的高效脫除。

圖4為脫硫原煙氣和凈煙氣SO3濃度變化情況。從圖4可以看出，在A和B工況下，脫硫原煙氣SO3濃度分別為10.1mg/m3、10.0mg/m3，平均值10.1mg/m3，凈煙氣中SO3濃度分別為1.8mg/m3和1.7mg/m3，平均值1.8mg/m3，單塔雙循環(huán)脫硫設(shè)施對SO3協(xié)同脫除效率分別為82.2%、83.0%，平均值為82.2%。

圖5為脫硫原煙氣和凈煙氣煙塵濃度變化情況。從圖5可以看出，A、B、C工況條件下，脫硫原煙氣煙塵濃度分別為8.8、8.4、7.8mg/m3，平均值為8.3mg/m3，而凈煙氣煙塵濃度分別為5.8、3.1、2.9mg/m3，平均值為3.9mg/m3，單塔雙循環(huán)脫硫設(shè)施對煙塵協(xié)同脫除效率分別為34.1%、63.1%和62.8%，平均值53.0%。

圖3 脫硫設(shè)施原煙氣和凈煙氣中SO2濃度

圖4 脫硫原煙氣和凈煙氣中SO3濃度

圖5 脫硫原煙氣和凈煙氣中煙塵濃度

表4 脫硫主塔和AFT塔pH值以及漿液密度

2.4 濕式電除塵器超低排放性能試驗分析

圖6為濕式除塵器出入口煙塵濃度變化情況。從圖6可以看出，濕式除塵器入口煙塵濃度分別為4.7mg/m3和4.7mg/m3，平均值為4.7mg/m3，出口煙塵濃度分別為2.0mg/m3和3.3mg/m3，平均值為2.7mg/m3，為超低排放限值的27.0%。濕式電除塵器對煙塵的脫除效率分別為57.4%和29.8%，平均值為42.6%。濕式電除塵器作為燃煤電站污染物控制終端把關(guān)設(shè)施，有利于協(xié)同控制煙氣中細顆粒物(PM2.5)、SO3和液滴等排放。

圖6 濕式電除塵器出入口煙塵濃度

濕式電除塵器出入口PM2.5濃度變化如圖7所示。在B工況下，濕式除塵器入口PM2.5濃度分別為3.5mg/m3和4.4mg/m3，平均值為4.0mg/m3，出口PM2.5濃度分別降至0.6mg/m3和0.8mg/m3，平均值為0.7mg/m3，濕式電除塵器對PM2.5的脫除效率分別為82.9%和81.8%，平均值82.5%。

圖7 濕式電除塵器出入口PM2.5濃度

兩次測試結(jié)果表明，B工況下濕式除塵器入口，煙塵中PM2.5含量分別為74.5%和93.6%，平均值為85.1%；而在濕式除塵器出口，PM2.5含量分別為30.0%和24.2%，平均為25.9%。經(jīng)過濕式電除塵器之后，煙塵中PM2.5含量明顯降低。文獻報道，燃煤煙氣經(jīng)過靜電除塵、濕法脫硫之后，煙塵中PM2.5含量上升[16]，靜電除塵和濕法脫硫難以脫除煙氣中PM2.5。然而，經(jīng)過濕式電除塵器之后，煙氣中PM2.5比例顯著下降，證實了濕式電除塵對PM2.5具有協(xié)同脫除效應(yīng)，有效減少了PM2.5排放[17]。

濕式電除塵器出入口SO3濃度變化情況如圖8所示。從圖8可以看出，濕式電除塵器入口SO3濃度分別為1.7mg/m3和1.7mg/m3，平均值1.7mg/m3，出口SO3濃度分別降至0.7mg/m3和0.8mg/m3，平均值為0.8mg/m3，濕式電除塵器對SO3協(xié)同脫除效率分別為58.8%和52.9%，平均值52.9%，有效解決了SO3治理難題。

圖8 濕式電除塵器出入口SO3濃度

圖9為濕式電除塵器出入口液滴變化情況。從圖9可見，濕式除塵器入口液滴濃度分別為5.2mg/m3和6.5mg/m3，平均值為5.9mg/m3；而出口液滴濃度分別降為1.2mg/m3和1.8mg/m3，平均值為1.5mg/m3；其對液滴協(xié)同脫除效率分別為76.9%和72.3%，平均值為74.6%。

圖9 濕式電除塵器出入口液滴濃度

2.5 全流程協(xié)同控制SO3和煙塵效果分析

煙氣SO3濃度變化趨勢如圖10所示。從圖10可知，從鍋爐出來的煙氣中SO3濃度為9.4mg/m3，在釩鈦催化劑作用下，SO3的濃度有所上升；依次經(jīng)過ESP、FGD和WESP等常規(guī)污染物控制單元后，因協(xié)同控制效應(yīng)，SO3濃度逐漸下降，WESP出口SO3濃度為0.8mg/m3。SO3綜合脫除效率為91.5%，環(huán)保設(shè)施SCR、ESP、FGD和WESP各自的脫除貢獻分別為-52.3%、45.3%、96.5%和10.5%。

圖10 煙氣SO3濃度變化趨勢

在B工況下，不同取樣位置處煙塵濃度如圖11所示。ESP入口煙塵濃度為13626.8mg/m3，經(jīng)過ESP、FGD和WESP之后，由于環(huán)保設(shè)施對煙塵協(xié)同脫除效應(yīng)，煙塵濃度逐步下降，WESP出口煙塵濃度為2.7mg/m3。煙塵綜合脫除效率為99.98%，其中ESP脫除貢獻為99.92%，而FGD和WESP的脫除貢獻僅為0.03%和0.01%。在圖11中發(fā)現(xiàn)WESP入口煙塵濃度略高于FGD出口，主要原因是取樣樣本間的正常偏差。

圖11 煙氣中煙塵濃度變化趨勢

2.6 超低技術(shù)路線環(huán)境效益

采用本超低技術(shù)路線之后，煙塵、SO2、NOx排放濃度分別為2.7、6.2、17.6mg/m3，在超低排放要求的基礎(chǔ)上，煙塵、SO2、NOx濃度分別降低了7.3、28.8、32.4mg/m3。以B工況為例，WESP出口煙氣量為2235693m3/h，根據(jù)中國電力企業(yè)聯(lián)合會2020年度中國電力行業(yè)發(fā)展報告中火電發(fā)電設(shè)備利用小時數(shù)4307h計算[18]，在超低排放要求基礎(chǔ)上，煙塵、SO2、NOx分別減排了約70.3、277.3、312.0t，環(huán)境效益十分顯著。

3 結(jié)論

(1)對基于“SCR+ESP+FGD+WESP”超低排放技術(shù)路線的660MW燃煤發(fā)電機組，進行污染物控制單元性能試驗分析表明，煙塵、SO2和NOx排放濃度分別為2.7、6.2、17.6mg/m3，分別為超低排放限值的27.0%、17.7%和35.2%。

(2)污染物控制單元之間對SO3和煙塵具有協(xié)同控制效應(yīng)。SO3綜合脫除效率為91.5%，煙塵綜合脫除效率為99.98%。

(3)與超低排放要求相比較，本臺660MW機組煙塵、SO2、NOx分別減排了約70.3、277.3、312.0t，具有十分明顯的環(huán)境效益。