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燃煤电厂污染物超净排放的发展及现状


  第 40 卷第 11 期   2015 年 11 月

JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY

煤    炭    学    报

Vol. 40  No. 11  Nov.   2015 

赵永椿,马斯鸣,杨建平,等. 燃煤电厂污染物超净排放的发展及现状 [ J] . 煤

炭学报,2015,40(11) :2629 -2640. doi:10. 13225 / j. cnki. jccs. 2015. 8001 Zhao Yongchun,Ma Siming,Yang Jianping,et al. Status of ultra-low emission technology in coal-fired power plant[ J] . Journal of China Coal Society,2015,40(11) :2629-2640. doi:10. 13225 / j. cnki. jccs. 2015. 8001

燃煤电厂污染物超净排放的发展及现状
赵永椿,马斯鸣,杨建平,张军营,郑楚光
( 华中科技大学 煤燃烧国家重点实验室,湖北 武汉  430074)

摘  要:随着国家对燃煤电厂大气污染防治力度的加大,尤其是近期提出的 《 煤电节能减排升级与 改造行动计划》 ,对燃煤电厂提出了巨大的挑战,推广燃煤机组超净排放技术改造是煤电行业生存 和发展的必由之路。 本文较为全面系统地总结了燃煤电厂超净排放标准、技术路线以及实施现状。 现有燃煤电厂经不同的污染物超净排放技术改造后,SO2 、NO x 、烟尘排放浓度达到甚至低于燃气轮 机组排放限值( SO2 <35 mg / m3 、NO x <50 mg / m3 、烟尘 <5 mg / m3 ) 。 推广燃煤电厂超净排放技术将为 煤电的绿色发展提供一种新思路。 关键词:燃煤电厂;污染物;超净排放;发展现状 中图分类号:X773      文献标志码:A      文章编号:0253 -9993 ( 2015 ) 11 -2629 -12

Status of ultra-low emission technology in coal-fired power plant
ZHAO Yong-chun,MA Si-ming,YANG Jian-ping,ZHANG Jun-ying,ZHENG Chu-guang Abstract :With the more restrict regulation of gas pollution,especially the issue of “ Reformation and Upgrading Action Plan for Coal Energy Conservation and Emission Reduction” ,the power plants face huge challenge to reduce the emission of gas pollution. To meet the ultra-low emission standard,developing ultra-clean emission technology is essential. In this paper,the ultra-low emission standard,the ultra-clean emission technology,and the status of the utilization of the emission of SO2 ,NO x ,and PM is lower than the emission limitation of gas turbine ( SO2 <35 mg / m3 ,NO x <50 mg / m3 ,PM<5 mg / m3 ) . The ultra-clean emission technology will promote the development of coal-fired power plant. Key words:coal-fired power plant;pollution;ultra-low emission;research process     煤炭是我国的主体能源, 截至 2014 年底全国火 在未来相当一段长的时间里,我国以燃煤发电为主的 电力供应格局不会发生根本改变。 燃煤电厂是我国 67% 的 NO x 、70% 的粉尘和 43% 的汞来源于燃煤电 厂 [1-2] 。 在“ 十一五 ” 期间电力工业大气污染物控制 电装机已达到 9. 1 亿 kW, 占电力装机总量的 67% 。 大气中各种污染物的重要排放源, 大约 90% 的 SO2 、
( State Key Laboratory of Coal Combustion,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan  430074,China)

ultra-clean emission technology are summarized. After reformation of power plants via ultra-clean emission technology,

取得巨大成就,对烟尘、 二氧化硫的控制达世界先进 水平。 在超额完成国家节能减排任务的基础上,提高 燃煤发电效率、降低污染物排放是电力科技进步的永 恒主题,是我国电力工业和国民经济可持续发展的根 本保证。 随着人们对环保要求的日益提高,针对燃煤 电厂污染物排放的标准也日趋严格。 2011 -07 - 29 我 国环境保护部颁布了最新的 《 火电厂大气污染物排

收稿日期:2015 - 08 - 22    责任编辑:张晓宁     基金项目:国家重点基础研究发展计划(973) 资助项目(2014CB238904) ;国家自然科学基金资助项目(51176060,51376074)     作者简介:赵永椿(1982—) ,男,湖北荆州人,副教授。 Tel:027-87542417-8312,E-mail:yczhao@ hust. edu. cn

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放标准( GB 13223—2011) 》 , 要求燃煤锅炉从 2014 07 -01 起执行烟尘 30 mg / m3 、 二氧化硫 200 mg / m3 、 氮氧化物 100 mg / m3 的排放限值 [3] , 无论是现役机 组还是新建机组, 该标准中烟尘、SO2 和 NO x 排放限 值均超过了美国、欧盟和日本等发达国家水平。 2014 划(2014—2020 年) 》
[4]

煤    炭    学    报

2015 年第 40 卷

1  燃煤超净排放标准

厂超净排放标准、技术路线以及实施现状。 《 煤电 节 能 减 排 升 级 与 改 造 行 动 计 划 ( 2014—

年 9 月,国家发展改革委、环境保护部、国家能源局联 合制定 出 台 的 《 煤 电 节 能 减 排 升 级 与 改 造 行 动 计 发电机组的大气污染物排放浓度要基本达到燃气轮 ,计划要求东部地区新建燃煤

2020 年) 》 发布以来, 我国部分省市地区及发电集团 表 1,2 分别为世界主要国家燃煤电厂污染物排放标 准和我国不同地区、发电集团超净排放指标汇总。 由 表 1,2 可看出:① 相比美国、 日本、 欧盟等发达国家 及地区的燃煤电厂污染物排放标准,我国实行的污染 物排放标准更加严格,SO2 ,NO x 及烟尘排放限值均有 明显降低;② 我国东部发达地区均制定了比国家标 准更严苛的烟尘超低排放指标, 而由于政策、 经济等 原因,我国部分中、西部地区尚未出台相关超净排放 标准;③ 相比于其他发电集团, 国华电力集团电厂超 低排放指标更低,并对集团京津冀、长三角、珠三角地 区燃煤机组甚至制订了比国家标准低一半以上的污 染物排放指标。

依据自身实际相继制定了不同的燃煤超净排放指标。

机组排放限值,即在基准氧含量 6% 的条件下, 烟尘、 50 mg / m3 ;一些现役大型燃煤机组环保改造后也要 达到这一限值。 这对燃煤电厂提出了巨大的挑战,推 超净排放,就是通过多污染物高效协同控制技术, 对 燃煤机组现有脱硝、 脱硫和除尘设备进行提效, 使电 厂排放的烟气污染物达到甚至低于天然气燃气轮机 组的排放标准。 本文较为全面系统的总结了燃煤电 二氧化硫、 氮 氧 化 物 排 放 浓 度 分 别 不 高 于 10,35, 广“ 超净排放 ” 是煤电行业生存和发展的必由之路。

表 1  世界主要国家燃煤电厂污染物排放标准 Table 1  Air pollutant emission standards of coal-fired power plants for different countries
排放指标 新建 烟尘 现役 中国 20( 重点地区) 20( 重点地区) 50( 重点地区) 200 a 200 100 100 100 30 30 美国 20 20 欧盟 30( >100 MW) 50( >500 MW) 日本 50( 重点地区) 100

mg / m3

100( <500 MW) 200 400( >500 MW)

100( >20 万 m3 / h)

新建 SO x 现役

184

200

50( 重点地区) 400
a

400 135 185

400 ~ 2 000(100 ~ 500 MW) 2 000( <100 MW) 200( >300 MW) 500( >500 MW)

200 ~ 3 500 200( >20 万 m3 / h) 410 ~ 615( >70 万 m3 / h)

新建 NO x 现役

200 b

600(50 ~ 500 MW)

    注:a 表示位于广西壮族自治区、重庆市、四川省和贵州省的火力发电锅炉执行该限值;b 表示采用 W 型火焰炉膛的火力发电锅炉, 现有循环 流化床火力发电锅炉,以及 2003-12-31 前建成投产后通过建设项目环境影响报告书审批的火力发电锅炉执行该限值。

2  烟气超净排放的技术路线
集团 、 环保公 司 等 对 烟 尘 、 二 氧 化 硫 和 氮 氧 化 物 的 超低排放控制进行了一系列的探索研究 , 目前已有 许多脱硫 、 脱硝 、 除尘新技术得到了实际应用 , 下面 详细总结了 针 对 各 污 染 物 的 烟 气 超 净 排 放 技 术 路 线。 针对燃煤机组的超净排放要求 , 我国各大发电

2. 1  烟尘超净排放技术

有低低温静 电 除 尘 技 术 、 湿 式 电 除 尘 技 术 、 电 袋 复 合除尘技术 、 旋 转 电 极 静 电 除 尘 技 术 、 高 频 电 源 技 术等 。 (1) 低低温静电除尘技术。

目前超净 排 放 燃 煤 机 组 应 用 较 多 的 除 尘 技 术

低温省煤器以使除尘器入口处烟气温度降至 90 ~

低低温静电除尘技术是指在静电除尘器前增设

第 11 期

赵永椿等:燃煤电厂污染物超净排放的发展及现状 表 2  不同地区、发电集团燃煤超净排放指标汇总 Table 2  Ultra low emission targets of different areas and power generation groups

2631

国家、省、 发电集团 中国 浙江省 a 江苏省 b 山西省 c 河北省 陕西省 d 广州市
e

污染物排放限值 / ( mg·m -3 ) SO2 35 35 35 35 35 35 35 35 35 17. 5 35 35 NO x 50 50 50 50 50 50 50 50 50 25 50 50 烟尘 10 5 5 10 10 10 5 10 1 5 3 5

适用范围 东部地区新建燃煤发电机组、现役 300 MW 及以上公用燃煤发电机组、 100 MW 及以上自备燃煤发电机组以及其他有条件的燃煤发电机组 300 MW 及以上燃煤发电机组 全省所有燃煤发电机组

完成年限

2014—2020 年底 2014—2017 年底 2014—2017 年底 2014—2017 年底 2014—2015 年底 2014—2017 年底 2014—2016 年底 2014—2017 年底 2015—2020 年底 —

300 MW 及以上常规燃煤发电机组 300 MW 及以上低热值煤发电机组 关中地区新建燃煤发电机组 燃煤热电联产机组 集团 600 MW 以上燃煤发电机组 集团京津冀、长三角、珠三角地区燃煤机组 集团西北地区燃煤机组 集团其它地区燃煤机组 集团 300 MW 燃煤发电机组 300 MW 以上燃煤发电机组

浙能集团

国华电力集团 f

    注:以上污染物排放限值均为基准氧含量为 6% 下的数值;a 表示标准取自于浙江省 《 大型燃煤机组清洁排放实施计划 (2014—2017 年 ) 》 ;b

表示标准取自于江苏省环保厅《 关于推进燃煤发电机组大气污染物超低排放示范工程的通知 》 ;c 表示标准取自于山西省 《 关于推进全省燃煤发 电机组超低排放的实施意见》 ;d 表示标准取自于陕西省《 关于关中机组实施烟气超低排放技术改造的通知》 ;e 表示标准取自于《 广州市燃煤电厂 “ 超洁净排放” 改造工作方案》 ;f 表示标准取自于《 国华电力推进“1245” 清洁能源发展战略行动计划(2015—2020) 》 。

100 ℃ 低低温状态 [5] 。 烟气温度降低,飞灰比电阻相 应降低至 10 ~ 10
8 11

量减少,静电除尘器除尘效率得到提高。 同时, 由于 除尘器入口烟温降低, 烟气中部分 SO x 、HCl、 蒸汽等 将凝结吸附在 飞 灰 颗 粒 表 面 并 形 成 液 膜。 Wang C 等
[6]

Ω·cm, 同时除尘器入口烟气流

象也更加严重;相较于螺旋肋片管,H 型鳍片管鳍片 布置与烟气流向平行且鳍片间有一定间隙,气流可吹 扫鳍片上积灰,防积灰性能更好, 且鳍片管基管两侧 流速较低,磨损相对较轻。 用,目前我国华能长兴电厂、华能北京热电厂、国华三 河电厂等超低排放燃煤机组也采用了此项技术。 根 据国华三河电厂的实际运行数据,350 MW 亚临界锅 炉加装低温省煤器后,机组额定工况下电除尘器效率 提高至 99. 91% ,静电除尘器出口处烟尘排放浓度由 (2) 湿式电除尘技术。 低低温电除尘技术在国际范围内已获得成熟应

面 S 含量显著增加,而几乎所有粒径范围的飞灰颗粒 表面 Cl 含量也有明显增加。 飞灰表面含 S,Cl 成分 液膜的形成,一方面增大了飞灰表面的电导性, 有助 于飞灰比电阻的进一步降低
[7]

研究发现,当低温省煤器运行时, 亚微米颗粒表

颗粒的黏性增加,从而使一部分细微飞灰颗粒团聚为 粗颗粒,从而更容易被除尘器捕获 [8] 。 此外, 低温省 煤器的安装回收了部分烟气余热并降低了脱硫系统 的入口烟温,从而可降低电厂供电煤耗及脱硫系统水 耗
[9]

; 另一方面也使飞灰

17 mg / m3 降至 11. 68 mg / m3[12] 。

    除尘器上游烟尘浓度大,安装低温省煤器后烟温 低于酸露点温度,烟气中硫酸蒸汽易在管壁上凝结并 黏附飞灰,因此低温省煤器运行过程中易出现低温腐 蚀、积灰、磨损等现象。 低低温除尘技术中通常在省 煤器入口设置散布钢球装置来保证换热器表面的清 洁
[10]



基本相同,主要区别在于使用水膜清灰方式代替传统 的振打清灰,以达到更高的除尘效率。 根据布置方式 立式布置占地面积小, 适用于现有电厂超净排放改 典型卧式和立式湿式电除尘器结构如图 1 所示 [13] 。 与干式电除尘技术相比,湿式电除尘技术无振打 的不同,湿式电除尘器可分为卧式和立式两种形式。 造,而卧式相对投资较小,无布置限制时可优先选用, 装置,通过在集尘极上形成连续的水膜高效清灰, 除 尘效率不受烟尘比电阻影响,可有效避免二次扬尘及 反电晕现 象, 且 可 同 时 去 除 含 湿 气 体 中 PM2. 5、 酸 雾、有毒重金属、 气溶胶等有害物质。 但湿式静电除

湿式电除尘技术与干式静电除尘技术工作原理

省煤器积灰、磨损现象。 赵虹等

。 此外,选用合适的扩展换热面也有利于减轻
[11]

片管背风面肋基处有速度接近于 0 的空间区域,易形 成黏结性积灰,且肋片管基管两侧流速较高, 磨损现

研究发现, 螺旋肋

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尘极,但刚性合金材料存在制造成本高、须防腐处理、 表面水膜难以分布均匀等问题,因此目前许多学者开 展了对纤维织物收尘极的研究。 常景彩等 [14] 考察了 丙纶和涤纶柔性集尘极材料与传统刚性玻璃钢集尘 极材料的性能差别, 实验结果表明: 在相同的试验条 件下,丙纶和涤纶纤维集尘极的伏安特性、 冲洗水量 Bayless D J 等 [15] 开发了纤维膜湿式电除尘器, 以纤 维膜代替金属电极板,液体在纤维膜上形成毛细流连 续带走表面沉积物, 实验显示施加相同电压时, 采用 和实际工作性能均优于传统刚性玻璃钢集尘极材料。

20% ~ 35% 。

纤维膜集 尘 极 时 粉 尘 收 集 效 率 比 刚 性 合 金 材 料 高 极板材料不同,湿式电除尘器水耗也不相同。 湿

式除尘器运行温度通常低于冲刷液的绝热饱和温度。 因此,如采用刚性合金材料作集尘极, 则需连续不断 地喷淋以保持极板清洁, 防止极板腐蚀, 且需增加循 环水处理系统。 以 300 MW 机组为例, 日本三菱技 3 t / h。 而柔性电极或导电玻璃钢电极本身耐腐蚀性 能优异,无需进行连续的喷淋, 定期断电冲洗即可满 足运行要求,耗水量接近 0。 环水处理系统,喷淋水在除尘器下部灰斗收集后流至 循环水箱。 灰斗中所收集的喷淋水溶解了部分烟气
图 1  湿式除尘器结构 [13]

术、科特雷尔技术湿式除尘器耗水量分别为 7 ~ 10 和

采用连续喷淋方式的湿式静电除尘器须增设循

中的 SO3 和从 FGD 携带的水滴, 因此 pH 值呈酸性,
Fig. 1  Structural diagram of wet ESP [13]

5 ~ 7 范围内 [13] 。 喷淋水循环利用过程中含尘量会 相应增加,循环系统需不断补入原水, 排除废水。 循 环水箱所排废水可作为湿式脱硫装置的补充水,但水 量不宜过大,以免影响脱硫装置正常运行。 5 mg / m3 以下 [16] 。 浓度低于 20 mg / m3 时, 其 出 口 烟 尘 浓 度 可 减 小 至 (3) 电袋复合除尘技术。 电厂实际运行数据显示,当湿式除尘器入口烟尘

需加入一定量的 NaOH 以维持循环水箱的 pH 值在

尘器不宜在高粉尘浓度或高 SO x 浓度下运行,且其入 口烟气温度须低于冲刷液饱和温度,因此湿式静电除 尘器常布置于脱硫系统下游。 干式、湿式静电除尘器 各技术指标差异见表 3。
表 3  干式、湿式静电除尘器技术指标差异 [13] a dry and wet ESP
技术指标 处理烟气温度 / ℃ 烟气流速 / ( m·s -1 ) 飞灰比电阻 二次扬尘 电极材料 处理时间 / s 处理烟气湿度 / % 干式静电除尘器 121 ~ 454 ~ 1. 5 显著影响 有 低碳钢 >10 <10
[ 13 ]

Table 3  Major technical index differences between
湿式静电除尘器 48 ~ 54 100 ~3

紧凑安装电场区和滤袋区,电场区利用高压电场去除 大部分烟尘颗粒,而后利用烟气滤袋收集带有电荷但 未被电除尘区域收集的微细粉尘 [17] 。 典型电袋复合 除尘器结构如图 2 所示 [18] 。 电袋除尘器除尘效率高 于常规静电除尘器,但电袋除尘器安装后会导致烟道 阻力增高,电耗增加,影响风机正常运行,且滤袋还存 在寿命短、运行维护费用高、 废旧滤袋无有效回收处 理方法等问题。 因此,电袋复合技术在烟尘超净排放 中的应用并不多。 (4) 旋转电极静电除尘技术。

电袋复合除尘技术的工作原理为在一个箱体内

无影响 无 合金、导电玻璃 钢、纤维织物等

1 ~5

    传统湿式电除尘器常采用刚性合金材料作为集

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赵永椿等:燃煤电厂污染物超净排放的发展及现状

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直流” 的能量转换方式, 供给除尘器电场高频脉冲电 流以提高烟尘荷电量,增强除尘效率。 高频电源技术 具有高达 93% 以上的电能转换效率, 在相同的所需 具有节能效果。 同时高频电源的适应性及火花控制 特性要优于工频电源。 高频电源技术的缺点在于对 烟尘比电阻高的煤种适应性差 [21] 。 99. 8% ~ 99. 85% 时, 一 般 采 用 电 除 尘 器 加 高 频 电
Fig. 2  Structural diagram of electrostatic fabric precipitator 图 2  电袋复合除尘器结构 [18]

功率下,比常规电源具有更小的输入功率 ( 约 20% ) ,

烟 尘 超 净 排 放 技 术 中, 当 要 求 除 尘 效 率 在

源、旋转电极等技术; 而要求除尘效率高于 99. 85%

[18]

时,则不宜选用常规的电除尘器, 可考虑采用低低温 电除尘器技术、 超净电袋除尘器技术 [22] 。 我国现有 超净排放燃煤机组中,除尘系统大体上有两种技术路 线:① 烟气冷却器 + 五电场低低温静电除尘器 + 高效 除尘 FGD +湿式静电除尘器;② 五电场旋转极板静 电除尘器 +高效除尘 FGD + 湿式静电除尘器。 该两条 2. 2  SO2 超净排放技术 石灰石 -石膏法由于具有技术成熟、 吸收剂来源 广泛、煤种适应性强、价格低廉、副产物可回收利用等 特点是我国燃煤电厂最主流的脱硫工艺,但传统的石 灰石 -石膏法已无法满足 35 mg / m3 的排放限值, 基 于此,各燃煤电厂因地制宜采用了增加喷淋层、 性能 增强环、双塔串联技术、单塔双循环技术、海水脱硫技 术、单( 双) 托盘塔技术、单塔一体化脱硫除尘深度净 化技术等新型超净排放技术。 (1) 双塔串联技术。 技术路线均可满足超净排放 PM<5 mg / m3 的要求。

旋转电极静电除尘技术将除尘器电场分为固定
[19]

电极电场和旋转电极电场两部分

中阳极部分采用回转的阳极板和旋转清灰刷清灰,当 粉尘随旋转的阳极板运动到非收尘区域后,被正反旋 转的一对清灰刷刷除, 如图 3 所示 [20] 。 旋转清灰刷 可清除高比电阻、黏性烟尘,避免反电晕现象,同时旋 转清灰刷置于非收尘区, 可最大限度地减少二次扬 尘。 旋转电极除尘技术具有装置占地面积小,在有限 的场地条件下,相对常规静电除尘技术具有明显的优 势,但其同时也存在结构较复杂、 发生机械故障时无 法进行在线检修等缺点。

, 旋转电极电场

双塔串联技术是指在原有喷淋塔基础上新增一 座喷淋塔,并将两座石灰石 - 石膏湿法喷淋塔串联运 行,完成对烟气的两级处理。 燃煤烟气经过一级塔脱 除部分 SO2 ,再经过二级塔对 SO2 进行深度脱除, 两 次效果相叠加可使总的脱硫效率大于 98% 。 该技术 适用于对现有电厂脱硫系统的增效改造,改造期间原 脱硫系统仍可正常运行,无需做任何变动。 国电永福 电厂的运行数据显示经双塔串联技术改造后,脱硫系 统整体脱硫效率可达 98. 5% [23] 。 但是, 双塔串联技
图 3  旋转电极示意 [20]

术的缺陷在于装置占地面积大, 系统复杂, 初始投资 高;脱硫系统阻力升高, 引风机及脱硫增压风机运行 能耗升高;连接烟道内存在大量积浆的可能性。 (2) 单塔双循环技术。 石灰石 -石膏法脱硫工艺中,SO2 的脱除可分为

(5) 高频电源技术。 高频电源技术是将工频电源经整流桥整流成约 530 V 的直流电流,再经逆变电路逆变成 20 kHz 以上 的高频交流电流,然后通过高频变压器升压, 再经高 频整流器进行整流滤波, 形成 40 kHz 以上的高频电 流。 通过 “ 工频交流—直流—高频交流—高频脉冲

Fig. 3  Schematic diagram of rotating electrode [20]

2 个阶段: 首先,SO2 与石灰石浆液反应生成 CaSO3 或 CaHSO3 ,这一阶段, 较高的浆液 pH 值有利于 SO2

的吸收; 而后,CaSO3 或 CaHSO3 被空气中 O2 氧化, 最终结晶生成 CaSO4 ·5H2 O, 这一阶段发生的氧化

2634

结晶反 应 适 宜 在 酸 性 条 件 下 进 行。 而 传 统 的 石 灰 石 -石膏法脱硫装置中,SO2 的吸收与 CaSO3 ,CaHSO3 的氧化在一级浆液循环中同时发生,为兼顾 2 个阶段 5. 5。 针对这一缺点, 单塔双循环技术将原有脱硫塔 分为吸收区和氧化区 2 个区域: 吸收区循环浆液 pH 值控制在 5. 8 ~ 6. 4,以保证较高的脱硫效率, 而无需 考虑亚硫酸钙的氧化和石灰石溶解的彻底性,以及石 4. 5 ~ 5. 3,以保证 CaSO3 ,CaHSO3 的氧化和石灰石的 充分溶解,以及充足的石膏结晶时间。 典型单塔双循 环工艺流程如图 4 所示。 氧化区浆液循环可减少烟 气中烟尘、HCl 等的含量, 有利于提高吸收区脱硫效 率且两级浆液循环相互独立,对燃煤煤质变化及锅炉 负荷波动适应性良好,适用于高硫煤的高效脱硫。 膏结晶 大 小 问 题; 氧 化 区 循 环 浆 液 pH 值 控 制 在 的效率, 现 行 脱 硫 循 环 浆 液 pH 值 一 般 选 为 5. 0 ~

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率的变 化, 实 验 结 果 表 明 SO2 吸 收 效 率 与 溶 液 中 Cl - ,Fe2+ ,Mn2+ 浓度呈正相关关系。 SO2 ( aq) + H2 O
3 +

H2 SO3 ?? = H + HSO HSO ?? = H + SO
+ 3 3 + +

→ H2 SO3
23 3

(1) (2) (3)
24

2 HSO + O2 H2 CO3 2SO
23

HCO + H ?? = H2 CO3 + O2
24

    除利用天然海水进行脱硫外,国内外研究学者同 时尝试向天然海水中添加额外碱性物质以提高海水 碱度,增加吸收效率。 美国 Bechtel 公司向天然海水 中添加石灰浆,石灰浆与海水中镁盐反应生成氢氧化 镁,从而提高海水碱度。 我国学者将纯碱生产过程中 产生的废弃物白泥加入到海水中同样取得了良好效 果。 相比于石灰石 - 石膏法, 海水脱硫技术具有脱硫

→ 2SO → CO2 + H2 O( 吹脱)

→ 2H + 2SO

(4) (5) (6) (7)

效率高、工艺简单、 运行可靠性高、 不需额外消耗淡 水、不需添加任何化学添加剂、 不会产生额外的污染 此外,海水脱硫工艺不存在石膏液滴的携带问题, 并 具有良好的粉尘协同脱除效果。 但海水脱硫工艺存 在地理局限性,其工艺特点决定了只有沿海燃煤电厂 才有可能采用这一工艺。 海水脱硫工艺一般要求海
Fig. 4  Schematic diagram of dual-loop desulfurization 图 4  单塔双循环工艺流程 in single tower
[24] [24]

物、不存在废弃物处理、 设备结垢堵塞问题等优点。

域 pH 在 7. 8 ~ 8. 3,天然碱度为 2. 2 ~ 2. 7 mg / L,燃料 含硫量在 1% 以下。 (4) 单( 双) 托盘塔技术。 烟气与石灰石浆液均匀有效地接触可促进 SO2

(3) 海水脱硫技术。

的 SO2 , 吸 收 SO2 后 的 海 水 经 曝 气 池 曝 气 处 理 将 S( IV) 氧化成为稳定的 S( VI) 后排入大海 。 海 水 脱 硫 工 艺 中, SO2 经 海 水 吸 收 首 先 转 化 为
[25]

海水脱硫技术利用天然海水的碱度中和烟气中

的脱除,而传统脱硫塔中, 烟气由侧面进入塔内后截 面流速分布不均匀, 易形成涡流区, 削弱了烟气与浆 液的混合效果。 美国巴威公司发明的托盘塔技术在 传统脱硫塔喷淋区下部布置多孔合金托盘,对烟气进 行整流,使烟气均匀通过脱硫塔喷淋区以强化烟气与 浆液的接触,从而进一步提高脱硫效率。 典型的托盘 喷淋塔内部结构如图 5 所示 [29] 。 图 6 为加装托盘前 后脱硫喷淋塔内流场模拟 [30] ,可以看出, 在相同入口 参数条件下,未安装托盘喷淋塔内部两侧贴壁处烟气 流速相对较高,而安装托盘喷淋塔内烟气经托盘整流 后,流速分布明显均匀。 向下流的浆液密切接触,同时托盘上保持一定高度的 浆液泡沫层进一步增强了烟气与液相的碰撞接触,二 者共同作用进一步增加 SO2 脱除效率。 托盘塔脱硫技术存在的问题有:加装托盘导致脱 此外, 当烟气向上通过托盘筛孔时, 与从筛孔内

HSO ,SO ,海水中 HCO 可与 HSO ,SO
3 + 23 3 3

的 H 发生中和反应生成 H2 CO3 , 从而促进 SO2 的吸 反应最终生成稳定的 SO24 ; 同时 , 由于烟气中 CO2 的 溶解以及 HCO 的中和反应, 脱硫海水中 H2 CO3 含 量增加,须将海水中 CO2 吹脱。 式 (1) ~ (7) 为海水
3 [26]

23

电离形成

2收;随后的曝气处理中,HSO 3 ,SO 3 与空气中 O2 发生

脱硫工艺的整体反应路径 。 除自发氧化作用外, 研究发现海水中所含的 Cl - 及 Fe2+ ,Mn2+ 等过渡金属 离子对 S( IV) 向 S( VI) 的转变同样起催化作用 [27] 。 Zhao Y 等 [28] 在去离子水中分别添加了不同浓度的 Cl - ,Fe2+ ,Mn2+ 等离子并观察模拟烟气中 SO2 吸收效

第 11 期

赵永椿等:燃煤电厂污染物超净排放的发展及现状

2635

硫系统的阻力上升, 增加了脱硫运行能耗; 为保证较 高的脱硫效率, 吸收塔浆液的 pH 值较高, 使石膏结 晶困难,含水率大大增加 [31] 。 (5) 单塔一体化脱硫除尘深度净化技术。 单塔一体化脱硫除尘深度净化技术 ( SPC - 3D)

Fig. 5  Structure diagram of FGD spray scrubber with trays [29]

图 5  托盘喷淋塔内部结构 [29]

由我国国电集团清新环保公司研发,该技术集高效旋 汇耦合脱硫除尘技术、高效节能喷淋技术和离心管束 式除尘技术于一体, 可实现对燃煤电厂 SO2 、 烟尘的 一体化脱除 [32] 。 脱除过程中烟气首先通过旋汇耦合 装置与浆液产生可控的湍流空间,使气液固三相充分 接触混合,完成一级脱硫除尘, 同时实现快速降温及 烟气均布;其后,烟气继续经过高效喷淋装置, 对 SO2 粉尘进行二次脱除; 最终, 烟气进入管束式除尘除雾 装置,在离心力作用下, 雾滴和粉尘最终被壁面的液 膜捕获,实现粉尘和雾滴的深度脱除。 该技术具有单 塔高效、能耗低、适应性强、工期短、占地小、操作简便 等特点。 可在一个吸收塔内同时实现脱硫、 除尘, 满 足 SO2 排放 35 mg / m3 、 烟尘 5 mg / m3 的超净排放要 2. 3  NO x 超净排放技术 求。 我国大部分燃煤机组现在均已实现以低 NO x 燃
Fig. 6  Flow field simulation diagram in FGD spray scrubber 图 6  加托盘前后喷淋塔内流场模拟 [30] with / without a tray [30]

为常用的一种新技术,其将炉内燃烧区域在空间尺度 上划分为中心区和近壁区,在垂直方向划分为 2 个燃 烧区段,每个区段均包含氧化区、还原区和燃烬区,通 过改变炉内射流组合使炉内空间尺度及过程尺度上 相关节点区段三场( 温度场、 速度场、 颗粒浓度场 ) 特 性差异化,并运用分区优化调试方法, 从而在 2 个尺 度上形成低氮、 防渣、 防腐、 稳燃功能的特性 [33] 。 双 8 所示 [34-35] 。 对于 SCR 脱硝系统改造, 大多数超净排放燃煤 机组多将原有的 2 + 1(2 层填装,1 层备用 ) 层催化剂 直接更改为 3 层全部填装, 部分电厂 ( 华能集团高碑 店、华电集团永利) 采用 4 层 SCR 催化剂。 改造后系 统脱硝效率可以提升至 85% ~ 90% , 采用现有技术 尺度低氮燃烧器结构及其燃烧区域划分分别如图 7,

烧器 + SCR 催化剂为基础的脱硝技术路线, 该系统技 术成熟,运行可靠。 与常规燃煤机组相比, 超净排放 燃煤机组脱硝系统并无本质上的变化,主要是优化低 氮燃烧以及增加 SCR 脱硝催化剂填装层数。 常规低 氮燃烧器约 75% 的 NO x 是在燃烬风区域产生的, 通 过改造燃烧器,调整二次风和燃烬风的配比, 增加燃 烬风的比例,可降低燃烬风区域产生的 NO x , 从而有 效降低 NO x 排放。 双尺度低氮燃烧技术是近年来较

2636

煤    炭    学    报

2015 年第 40 卷

Fig. 7  Structure of the double scale low nitrogen burner [34]

图 7  双尺度低氮燃烧器结构 [34]

Fig. 9  Install capacity of reconstructive and new built ultra low emission units of different power generation groups

图 9  各电力集团超净排放改造 / 新建装机总容量

Fig. 10  Numbers of reconstructive and new built ultra-low 图 8  双尺度燃烧区域划分
[35]

图 10  各电力集团改造 / 新建超净排放机组数

即可以满足超净排放 NO x <50 mg / m 要求。 SCR 脱
3

Fig. 8  Region division of the double scale low nitrogen burner [35]

排放技术的燃煤火力发电厂 ( 部分代表电厂 ) 汇总于 表 4。 现有燃煤电厂采用了不同的脱硫、 脱硝、 除尘 超低排放改造技术路线, 总体来看, 脱硫超低排放改 造技术路线因各电厂自身条件而异;脱硝超低排放改 造技术路线基本相似,以优化低氮燃烧、 增加 SCR 催 化剂为主;除尘超低排放改造多选用加装低温省煤器 和湿式除尘器( WESP) ,同时结合电除尘高频电源改 造、电场布置优化、 改善除尘器通流等技术。 经超低 排放改造后, 现役燃煤机组可达到 SO2 ,NO x , 烟尘排 放浓度不高于 35,50,5 mg / m3 的排放水平,基本达到 燃气轮机组排放限值。

现将国内已建成或正在实施、准备实施采用超净

emission units of different power generation groups

硝技术下一步的研究重点在于开发宽温度窗口无毒 催化剂、降低氨逃逸、 保持催化剂活性以及催化剂再 生及无害化处理。

3  燃煤电厂超净排放实施现状
方意见不一、火电企业观望徘徊的阶段,在应不应该建 设这个层面取得了共识,进入了在什么样的范围内建 设或改造、如何选择技术路线并积极推进的新阶段,五 规划和明确的工作目标。 据不完全统计[36] ,截至 2015 大发电集团对其燃煤电厂的“ 超低排放” 都提出了改造 年 2 月,全国改造和新建超低排放机组共 16 059 MW, 各电力集团超净排放改造 / 新建装机容量如图 9 所示, 其中浙江省能源集团有限公司 ( 浙能集团) 超净排放 改造机组总量为 4 600 MW, 国华集团为 2 700 MW, 中电投、国电、大唐等也开展了相应的超净排放改造。 350 MW 居多,共 17 台机组;600 ~ 660 MW 机组共改 造 7 台;1 000 MW 机组共改造 6 台( 图 10) 。 各 电 力 集 团 改 造 / 新 建 超 净 排 放 机 组 以 300 ~ 国神集团为 2 634 MW,其他电力集团,如华能、华电、 从当前的发展现状来看, 超低排放已经摆脱了各

4  总结和展望

的现状,燃煤电厂面对节能减排与环境污染严重的双 重压力,必将按照国家大气污染防治行动计划, 长期 承担大气污染物控制的减排重任。 超低排放将会是 火电企业节能减排的发展趋势,总结了燃煤电厂超净 排放标准、超净排放技术路线以及燃煤电厂超净排放 实施现状。 现有燃煤电厂采用不同的脱硫、 脱硝、 除 尘超净排放改造技术路线改造后,SO2 、NO x 、 烟尘排 放浓 度 基 本 达 到 燃 气 轮 机 组 排 放 限 值 ( SO2 <

以煤为主的能源结构造成了我国大气污染严重

第 11 期

赵永椿等:燃煤电厂污染物超净排放的发展及现状 表 4  全国燃煤电厂超低排放机组( 不完全统计) Table 4  Ultra low emission units in China ( incomplete statistics)

2637

集团

单位 名称 华能黄 台电厂

改造( 新 建) 机组 9 号机组 (300 MW) 1 号机组 (1 000 MW)

超低排放技术路线 完工时间 脱硫技术 2014-09-22 脱硫二级 吸收塔 改 造 GGH + 改 造吸收塔+增加 1 层喷淋层 +1 层持液层 脱硝技术 加装第 3 层催化剂 除尘技术 WESP

放浓度 8. 7

SO2 排

放浓度 38

NO x 排

烟尘排 放浓度 1. 3

供电 煤耗

华   能

华能 金 陵电厂

2014-12-23

优化低 氮燃烧

低低温 除尘器

5

11

2

278. 56

华能白 杨河电 厂

6 号、7 号机组 (2×300 MW)

2014-09-26

增加二级串塔

低氮 燃 烧 器改造 + 加装 第 4 层催化剂 增加催 化剂

WESP

22

46

<5

大唐 南 京发 电 厂 大   唐

2 号机组 (660 MW)

2014-11-25

加装 托 盘 + 新 建塔外浆池 增加浆 液 循 环 泵及喷淋系统+ 增加 1 层喷淋 层+安装高效旋 汇耦合装置+原 脱硫系 统 除 雾 器改造

低温省煤 器 +WESP

29

35

4. 9

287. 63

大唐 国 际云 冈 热电 有 限责 任 公司 河北 华 电石 家 庄裕 华 热电 有 限公司

3 号机组 (300 MW)

2014-12-24

脱硝 尿 素 喷淋 系 统 优化 + 增 加 1 层催 化剂

<12

<26

<3. 9

249. 30

1 号机组 (300 MW) 2 号机组 (300 MW) 9 号机组 (350 MW) 10 号机组 (350 MW) 3 号机组 (335 MW) 1 号机组 (660 MW) 2 号机组 (660 MW)

2014-09-09 2014-11-21 2014-11-24 2014-12-24 石灰 石 - 石 膏 湿法脱硫技 术, 采用 “ 新增 串联二级脱硫 塔 + 烟塔合一” 湿法串联 双吸收塔

增加催 化剂 低 NO x 燃 烧器+SCR 脱 硝, 加 装 1 层新 催化剂 低 氮 燃 烧+3 层 催化剂

WESP

7 29 <15 <15

27 29 24 30. 5

4 4 3. 28 3. 59

309. 03 283. 17 302. 24 298. 09

华   电

华电 天 津军 粮 城发 电 有限 公 司 华电 章 丘发 电 有限 公 司 神华 国 能集 团 宁夏 煤 电有 限 公司 鸳 鸯湖 电 厂

布袋除尘器 + 湿式电除尘器

2014-12-10

WESP

12

46

<1

2015-03-11

国   神

2015-03-11

双托盘喷淋空 塔+高效除雾 器

电除尘 器 高 效 三相电源 + 烟 气调温

<35

<40

<10

319. 2

<35

<40

<5 1 2 3 4

318. 5 号:331. 83 号:335. 86 号:339. 31 号:339. 31

国神 大 1 ~ 4 号机组 港电厂 (4×328. 5 MW)

2014-08-24

湿法高效 脱硫装置

三相高效电 源+优化电场 布置 + 改 善 除 尘器 通 流 + 低 温省煤器 增 加 1 层 SCR 脱 硝催化剂 湿式电除尘 器+三相高频 高压整流电源

<35

<40

<5

国   电

国电 常 州发 电 有限 公 司

1 号机组 (630 MW)

2015-01-09

拆除 GGH + 增 加二级吸收 塔+ 双 塔 双 循 环湿法脱硫工 艺

9

40

3

299. 96

2638

煤    炭    学    报
单位 名称 中电投 上海漕 泾发电 有限公 司 国华 舟 山电厂 改造( 新 建) 机组 超低排放技术路线 完工时间 脱硫技术 脱硝技术 除尘技术 SO2 排 NO x 排

2015 年第 40 卷   续  表

集团

烟尘排 放浓度

供电 煤耗

放浓度

放浓度

中   电   投

2 号机组 (1 000 MW) 4 号机组 (350 MW) 1 号机组 (350 MW) 2 号机组 (350 MW) 3 号机组 (660 MW) 4 号机组 (660 MW)

2015-12-25

脱硫增 容改造

WESP

9

21

1. 41

282. 39

2015-06-25

海水脱硫装置

低氮燃 烧 +SCR

WESP 低温省煤器 + 电除尘 高 频 电 源改 造 + 湿 式 电除 尘 器 + 排 烟经 FRP 管道 引至 4 号烟塔 排放

2. 86

20. 5

2. 55

294. 10

河北 国 华三 河 电厂

2014-08-15 脱硫系统增容 2014-10-31 2014-12-23 2015-01-05 脱硫塔的 2 层 平板式除雾器 改造 ( 2 层 屋 脊式加 1 层管 式除雾器模 式)

低氮 燃 烧 器改造 + SCR 脱 硝 改造

9

35

5

275. 23

10 6 7

25 17 21

3 2 2

293. 34 320. 66 321. 92

国   华

国华 定 州电厂

WESP

国华 惠 州电厂

1 号机组 (330 MW)

2014-12-28

脱硫增容

高效 低 氮 燃烧 器 改 造+全负 荷脱 硝 改 造(分级 省煤器) 超 低 NO x 燃烧器 + 增加 预 留 层新 型 改 性催化剂

低温省 煤 器 改 造+电除尘高 效电源改造 + 加装湿 式 电 除 尘器改造

8

18

1. 4

7 号机组 (1 000 MW) 浙江 嘉 兴发 电 厂 8 号机组 (1 000 MW) 4 号机组 (600 MW)

2014-06-08 2014-05-30 2014-12-06 2014-07-10 2014-09-17

浙   能

浙能 六 横电厂

1 号机组 (1 000 MW) 2 号机组 (1 000 MW)

石灰石-石膏湿 法脱硫系统,3+ 1 台浆液泵 + 增 加 1 层托盘+除 雾器改造 (1 级 管式除雾器 +2 层屋脊 式 除 雾 器) 石灰 石 - 石 膏 湿法脱硫系 统( 托盘技术 + 增效环)

11. 81 采用低低温 除尘 + 湿式电 除尘技术 9. 02 11. 20 电 除 尘 器 ( ESP ) + 旋 转 极板 + 湿 式 除 尘器 22. 59 20. 92

13. 15 20. 58 22. 10 28. 42 28. 63

1. 25 1. 25 1. 23 2. 03 2. 54

286 286 318 289 289

低 NO x 燃 烧器 +SCR 脱硝工艺

    注:SO x 、NO x 、烟尘排放浓度的单位为 mg / m3 ;供电煤耗的单位为 g / ( kW·h) 。

35 mg / m3 ,NO x <50 mg / m3 、烟尘 <5 mg / m3 ) 。 燃煤烟 气污染物超净排放从技术层面上看是可行的,各电厂 可根据不同的地方排放标准、 锅炉炉型、 燃煤煤质等 选用合适的超净排放改造技术路线。 燃煤电厂超净 排放技术的广泛运用将进一步提高我国以煤炭为主 的能源结构的清洁化水平,而且也为煤电的生存与发 展提供了一种新思路。 参考文献:
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