超低排放進一步促進煤電綠色發(fā)展
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《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011）進一步加嚴了燃煤電廠大氣污染物的排放限值，其中重點控制地區(qū)，要求煙塵排放限值20mg/m3。由于環(huán)境容量有限等原因，江蘇省、浙江省、山西省、廣州市等地已出臺相關(guān)政策，要求燃煤電廠參考燃氣輪機組污染物排放標準限值，即在基準氧含量6%條件下，煙塵、SO2、NOx排放濃度分別不高于5mg/m3、35mg/m3、50mg/m3。
國家發(fā)改委、環(huán)境保護部和國家能源局3部委于2014年9月聯(lián)合發(fā)布了《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014～2020年）》，要求東部地區(qū)新建燃煤機組排放基本達到燃氣輪機組污染物排放限值，即基準氧含量6%條件下，煙塵、SO2、NOx排放濃度分別不高于10mg/m3、35mg/m3、50mg/m3，對中部和西部地區(qū)也提出了要求。
達到上述兩種排放限值，業(yè)內(nèi)稱其為“超低排放”。隨著“超低排放”的呼聲日益高漲，對實現(xiàn)“超低排放”技術(shù)的關(guān)注度也越來越高。實踐證明，通過采用以低低溫電除塵技術(shù)為核心的煙氣協(xié)同控制技術(shù)路線或濕式電除塵技術(shù)路線，可使燃煤污染物排放濃度達到或接近燃機標準，即滿足“超低排放”要求。
2013年以來，國內(nèi)已有多套燃煤電廠煙氣“超低排放”機組投運，為燃煤電廠污染物控制提供了重要參考。有理由相信，“超低排放”技術(shù)的廣泛應(yīng)用將進一步提高我國以煤炭為主的能源結(jié)構(gòu)的清潔化水平，同時也為煤電綠色發(fā)展提供一種新方向。
“超低排放”的路線選擇
國內(nèi)企業(yè)技術(shù)儲備充足，協(xié)同控制和末端治理兩條路線可供選擇
被稱為“史上最嚴”的《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011）已開始執(zhí)行，但我國大氣污染形勢依然嚴峻。由于我國“富煤、缺油、少氣”的能源結(jié)構(gòu)，在未來相當長時期內(nèi)，以煤為主的能源供應(yīng)格局不會發(fā)生根本性改變。隨著經(jīng)濟高速發(fā)展以及人民生活水平的不斷提高，火電裝機容量仍將不斷增長。
據(jù)電力規(guī)劃設(shè)計總院預測，到2020年，全國火電裝機容量將達12.2億千瓦，新增裝機容量約3億千瓦。燃煤發(fā)電雖已是我國煤資源利用之“最清潔”方式，但因其基數(shù)大，仍是我國大氣污染的主要排放源之一，正面臨越來越嚴峻的環(huán)境壓力。加之環(huán)境容量有限等原因，江蘇、浙江、山西等地陸續(xù)出臺政策，明確“超低排放”要求。
那么，哪些技術(shù)可以支持燃煤電廠實現(xiàn)“超低排放”？這些技術(shù)的經(jīng)濟性又如何？
目前，國內(nèi)相關(guān)環(huán)保企業(yè)通過自主研發(fā)、技術(shù)引進和成立合資公司的方式，掌握了低低溫和濕式電除塵的核心技術(shù)，電除塵用高壓供電及控制技術(shù)也得到了長足進步，推廣應(yīng)用已取得重大突破。
針對國內(nèi)燃煤電廠80%以上的除塵設(shè)備為電除塵器這一現(xiàn)狀，同時借鑒發(fā)達國家的經(jīng)驗，國內(nèi)企業(yè)總結(jié)出實現(xiàn)“超低排放”的兩條技術(shù)路線，即以低低溫電除塵技術(shù)為核心的煙氣協(xié)同控制技術(shù)路線和著眼末端治理的濕式電除塵技術(shù)路線。
路線一：協(xié)同控制：以低低溫電除塵技術(shù)為核心
煙氣污染物協(xié)同控制系統(tǒng)是在充分考慮燃煤電廠現(xiàn)有煙氣污染物脫除設(shè)備性能（或進行適當升級和改造）的基礎(chǔ)上，引入“協(xié)同控制”理念建立的，具體表現(xiàn)為綜合考慮脫硝系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)和脫硫裝置之間的協(xié)同關(guān)系，在每個裝置脫除其主要目標污染物的同時，協(xié)同脫除其他污染物或為下游裝置脫除污染物創(chuàng)造有利條件。
煙氣協(xié)同控制典型技術(shù)路線為：煙氣脫硝裝置（SCR）→熱回收器（FGC）→低低溫電除塵器→具有高脫硫、除塵效率的石灰石-石膏濕法煙氣脫硫裝置（WFGD）→濕式電除塵器（WESP，可選擇安裝）→煙氣再熱器（FGR，可選擇安裝）。
各設(shè)備處理的污染物協(xié)同脫除要素如表1所示。
典型污染物治理技術(shù)間的協(xié)同脫除作用如表2所示。
綜合分析看來，以低低溫電除塵技術(shù)為核心的煙氣協(xié)同控制技術(shù)路線可充分利用原有設(shè)備進行改造集成，投資、運行成本增幅較小，還不會造成新的二次污染及能源消耗轉(zhuǎn)移。這一技術(shù)路線具有良好的技術(shù)適應(yīng)性，可應(yīng)用于新建或改造機組，而且不同模塊間具有良好的集成性能，可根據(jù)不同排放要求進行有效組合。
若采用煙氣協(xié)同控制技術(shù)路線，當煙塵排放限值為5mg/m3時，低低溫電除塵器出口煙塵濃度宜小于20mg/m3，一般應(yīng)小于15mg/m3，高效脫硫、除塵的濕法脫硫裝置的除塵效率應(yīng)不低于70%。當煙塵排放限值為10mg/m3時，低低溫電除塵器出口煙塵濃度宜小于30mg/m3，如圖1所示。
當然，對于“協(xié)同控制”概念還可進一步擴大到主機范圍，包括鍋爐、汽機和發(fā)電機。把改進主機和完善環(huán)保設(shè)施作為一個整體，把減少污染和治理污染相結(jié)合，協(xié)同實現(xiàn)節(jié)能減排。如改造鍋爐燃燒系統(tǒng)，實現(xiàn)低氮燃燒，控制NOx排放；改進汽輪機通流設(shè)計，減少蒸氣消耗；改進舊冷卻設(shè)施，更換為新型高效大容量冷卻設(shè)備；改進和優(yōu)化發(fā)電機通風系統(tǒng)，提高出力等。
設(shè)備功能及低溫腐蝕、二次揚塵問題的解決
脫硝裝置（SCR）的主要功能是實現(xiàn)NOx的高效脫除，同時實現(xiàn)較高的汞氧化率和較低的SO3的生成率。通過在脫硝系統(tǒng)中加裝高效汞氧化催化劑，提高元素態(tài)汞的氧化效率，有利于在其后的除塵設(shè)備和脫硫設(shè)備中對汞進行脫除。同時降低SO2向SO3的轉(zhuǎn)化率，減少SO3的生成，SO2向SO3的轉(zhuǎn)化率一般不大于1%。
熱回收器（FGC）的主要功能是使煙氣溫度降低至酸露點以下，一般為90℃左右。此時，絕大部分SO3在煙氣降溫過程中凝結(jié)。由于煙氣尚未進入電除塵器，所以煙塵濃度很高，比表面積很大，冷凝的SO3可以得到充分的吸附，下游設(shè)備一般不會發(fā)生低溫腐蝕現(xiàn)象，同時實現(xiàn)余熱利用或加熱濕法脫硫裝置后的凈煙氣。
低低溫電除塵器（低低溫ESP）的主要功能是實現(xiàn)煙塵的高效脫除，同時實現(xiàn)SO3的協(xié)同脫除，其脫除率一般不小于80%，而且低低溫電除塵器出口粉塵平均粒徑明顯高于低溫電除塵器，可大幅提高濕法脫硫裝置協(xié)同除塵效率。
低低溫電除塵器之所以能夠提高除塵效率，主要原因包括以下幾個方面：
首先，粉塵比電阻下降。低低溫電除塵器將煙氣溫度降至酸露點以下，煙氣中大部分SO3冷凝成硫酸霧，并吸附在粉塵表面，使粉塵性質(zhì)發(fā)生了很大變化，比電阻大幅下降，避免反電暈現(xiàn)象，從而提高除塵效率。
其次，擊穿電壓上升。進入電除塵器的煙氣溫度降低，使電場擊穿電壓上升，從而提高除塵效率。在實際應(yīng)用中，由于有效地避免了反電暈，運行電壓有更大的上升幅度。
再次，煙氣流量減小。由于進入電除塵器的煙氣溫度降低，煙氣流量下降，電除塵器電場流速降低，增加了粉塵在電場的停留時間，同時比集塵面積增大，從而提高除塵效率。
在煙氣協(xié)同控制技術(shù)路線中，低低溫電除塵器的出口粉塵粒徑會增大，常規(guī)電除塵器出口煙塵平均粒徑一般為1μm～2.5μm，而低低溫電除塵器出口粉塵平均粒徑大于3μm，明顯高于常規(guī)電除塵器。當采用低低溫電除塵器時，脫硫出口煙塵濃度明顯降低，可有效提高濕法脫硫系統(tǒng)協(xié)同除塵效果。
目前低低溫電除塵技術(shù)最受關(guān)注的是低溫腐蝕和二次揚塵等問題；伊虮龋―/S），即粉塵濃度（mg/m3）與SO3濃度（mg/m3）之比，是評價設(shè)備是否腐蝕的度量尺度。三菱重工實際應(yīng)用的低低溫電除塵器灰硫比一般遠大于100，已經(jīng)交付的燃煤電廠低低溫電除塵器都沒有低溫腐蝕問題。美國南方電力公司也通過灰硫比來評價腐蝕程度，試驗研究顯示，當含硫量為2.5%時，灰硫比在50～100可避免腐蝕。通過分析，當灰硫比大于100時，一般不存在低溫腐蝕風險。結(jié)合國內(nèi)典型煤種和部分燃煤電廠灰硫比計算結(jié)果，低低溫電除塵器對我國煤種的適
應(yīng)性較好。
煙氣溫度降低，粉塵比電阻下降，粉塵與陽極板靜電粘附力有所降低，二次揚塵會有所增加，需采取相應(yīng)措施。主要有適當增加電除塵器容量、采用旋轉(zhuǎn)電極式電除塵技術(shù)或離線振打技術(shù)。在采取上述兩種措施之一的同時，還應(yīng)設(shè)置合理的振打周期：如末電場不產(chǎn)生反電暈時無需振打，陽極板積灰厚度1mm~2mm振打一次，其時間一般在12小時以上；設(shè)置合理的振打制度：如末電場各室不同時振打，最后兩個電場不同時振打，末電場陰、陽極不同時振打等；其他輔助方法：出口封頭內(nèi)設(shè)置槽形板，使部分逃逸或二次飛揚的粉塵進行再次捕集等。
低低溫電除塵技術(shù)可大幅提高除塵效率，并具節(jié)能效果，對SO3去除率一般不小于80%，是SO3去除率最高的煙氣處理設(shè)備，可作為環(huán)保型燃煤電廠的首選除塵工藝。
高脫硫、除塵效率的濕法煙氣脫硫裝置（WFGD）的主要功能是實現(xiàn)SO2的高效脫除，同時實現(xiàn)煙塵、SO3的協(xié)同脫除。
采用單塔或組合式分區(qū)吸收技術(shù)，改變氣液傳質(zhì)平衡條件，優(yōu)化漿液pH值、漿液霧化粒徑、氧硫比、液氣比等參數(shù)，優(yōu)化塔內(nèi)煙氣流場，改善噴淋層設(shè)計，提高除霧器性能等提高脫硫效率。
WFGD出口的液滴中含有石膏顆粒等固體顆粒，要達到顆粒物的超低排放，提高其協(xié)同除塵效率的措施主要包括優(yōu)化氣流分布、采用合適的吸收塔流速、優(yōu)化噴淋層設(shè)計和采用高性能的除霧器，除霧器出口液滴濃度為20mg/m3~40mg/m3。
石膏漿液為懸浮漿液。有研究表明，石膏漿液中26.5μm以下直徑的顆粒占總粒徑的重量比小于37.57%，而一般屋脊式除霧器的極限粒徑為22μm~24μm左右，超過極限粒徑的液滴全部被除霧器捕獲。吸收塔內(nèi)石膏漿液含固量通常為20%，假設(shè)小粒徑段顆粒在漿液中均勻分布，即大、小液滴中小粒徑段顆粒的濃度相等，通過除霧器的小液滴中只能含有小粒徑段的石膏顆粒，則通過除霧器的液滴含固量理論值應(yīng)為20%×37.35%=7.5%，而并非國內(nèi)業(yè)界一直認為的除霧器出口霧滴含固量等同于塔內(nèi)石膏含固量。當除霧器廠家可保證脫硫出口液滴濃度分別小于75mg/m3、40mg/m3、20mg/m3時，霧滴對煙塵貢獻分別僅為5.6mg/m3、3mg/m3、1.5mg/m3。
日本燃煤電廠的工程應(yīng)用經(jīng)驗表明，煙氣協(xié)同控制技術(shù)路線中，濕法脫硫的綜合除塵效率可達70%~90%，雖然目前國內(nèi)還缺少工程應(yīng)用、測試及運行等相關(guān)經(jīng)驗，相關(guān)數(shù)據(jù)不夠理想，但我們有理由相信濕法脫硫的綜合除塵效率大于70%在技術(shù)上是可行的。
煙氣再熱器（FGR）的主要功能是將50℃左右的濕煙氣加熱至80℃左右的干煙氣，改善煙囪運行條件，同時還可避免煙囪冒白煙的現(xiàn)象，具體工程可根據(jù)環(huán)境評估報告或經(jīng)濟性比較后選擇性安裝。
路線二：末端治理：濕式電除塵來把關(guān)
濕式電除塵器（WESP）的主要功能是進一步實現(xiàn)煙氣污染物，包括微細顆粒物（PM2.5、SO3酸霧等）的潔凈化處理，為燃煤煙氣復合污染物控制的精處理技術(shù)裝備。
WESP布置在濕法脫硫設(shè)備后面，對PM2.5、SO3酸霧等都有較高的脫除效率。一般來說，一個電場的WESP除塵效率和PM2.5去除率約為70%~80%，兩個電場的WESP除塵效率和PM2.5去除率不小于80%。
WESP與干式電除塵器的除塵原理基本相同，不同之處在于WESP采用液體沖洗集塵極表面來進行清灰。這一技術(shù)能提供幾倍于干式電除塵器的電暈功率，WESP還不受粉塵比電阻影響，可有效捕集其他煙氣治理設(shè)備捕集效率較低的污染物（如PM2.5等），還能捕集濕法脫硫系統(tǒng)產(chǎn)生的污染物，消除石膏雨，可達到其他除塵設(shè)備難以達到的極低的煙塵排放限值（如<3mg/m3）。同時，設(shè)備的本體結(jié)構(gòu)小，占地面積小。
WESP需與干式電除塵器和濕法脫硫系統(tǒng)配合使用，可應(yīng)用于新建工程和改造工程。
對于新建工程，當煙塵排放濃度要求不大于5mg/m3，且采用低低溫電除塵器等技術(shù)及濕法脫硫設(shè)備協(xié)同除塵不能滿足要求時，可采用WESP，以期達到超低排放的目的。
對于改造工程，應(yīng)優(yōu)先改造除塵及濕法脫硫設(shè)備。當除塵設(shè)備及濕法脫硫設(shè)備改造難度大或費用很高、煙塵排放達不到標準要求，尤其是煙塵排放限值為10mg/m3或更低時，且場地允許，可采用WESP。
當煙塵排放限值為5mg/m3時，WESP入口煙塵濃度宜小于20mg/m3，如圖2所示。當煙塵排放限值為10mg/m3時，WESP入口煙塵濃度宜小于30mg/m3。另外，對燃用中、高硫煤機組，當考慮去除PM2.5、脫除SO3、汞等時，可采用WESP。
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國外超低排放經(jīng)驗談
以低低溫電除塵技術(shù)為核心的煙氣協(xié)同控制技術(shù)，在日本已有近20年的應(yīng)用歷史，投運業(yè)績超過20個電廠，機組容量累計超15000MW，典型工程案例如表所示。日本低低溫電除塵器出口煙塵濃度設(shè)計值一般為30mg/m3，但實際運行均低于此值，濕法脫硫（WFGD）的綜合除塵效果達70%~90%，煙塵排放一般小于5mg/m3。
濕式電除塵（WESP）技術(shù)在美國、日本等電廠已有近30年的應(yīng)用歷史，對于燃煤電廠，主要作為煙氣污染物復合控制的精處理技術(shù)裝備。典型的燃煤電廠工程應(yīng)用案例為日本中部電力碧南電廠1～3號700MW機組和4～5號1000MW機組。1～3號機組采用的工藝路線為：SCR+常規(guī)電除塵器+WFGD+WESP，4～5號機組采用的工藝路線為：SCR+熱回收器+低低溫電除塵器（末電場采用移動電極技術(shù)）+WFGD+WESP+煙氣再熱器。1～3號機配套WESP為三菱重工產(chǎn)品，電場數(shù)為2個，4～5號機配套WESP為日立公司產(chǎn)品，電場數(shù)為1個。投產(chǎn)至今運行情況良好，煙塵排放濃度長期保持在2mg/m3～5mg/m3水平，在煤質(zhì)較好情況最低達到1mg/m3，運行20多年來，殼體和內(nèi)件未發(fā)現(xiàn)腐蝕問題。
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