西北地区火电厂超低排放及节能改造技术路线选择

张仁锋，黄显昌，孙希进

(中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西 西安 710075)

西北地区火电厂超低排放及节能改造技术路线选择

张仁锋，黄显昌，孙希进

(中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司，陕西 西安 710075)

以西北经济欠发达地区火电厂的现状特点为立足点，总结工程设计经验，分别从节水、安全、经济的角度对火电厂超低排放和节能减排的技术路线进行探讨，提出了适合西北地区特点的技术路线。

西北地区；火电厂；超低排放

0 引言

为推进煤炭清洁化利用，促进煤电产业转型升级，国内学者对于火电厂的超低排放技术路线进行了积极探索[1-4]。环境保护部、国家发展和改革委员会、国家能源局联合下发了环发[2015]164号文《关于印发lt;全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案gt;的通知》，要求全国所有具备改造条件的燃煤电厂在2020年以前力争实现超低排放(即在基准氧含量6%条件下，PM10、SO2、NOx排放浓度分别不高于10、35、50mg/m3)；全国有条件的新建燃煤发电机组达到超低排放水平。

为此，西北五省区都按照文件要求，印发了2020年完成火电厂超低排放和节能改造的工作计划安排，其中陕西省提出2017年全部完成火电厂的超低排放改造。但西北地区面临的现实在于煤炭资源储量丰富，但水资源短缺，经济发展落后，特别是经济下行压力下，企业生存环境相对比较困难。因此，对于火电企业特别是中小发电企业选择一条经济合理、技术可行、安全可靠的技术路线至关重要。

本文以西北经济欠发达地区火电厂的现状特点为立足点，总结工程设计经验，分别从节水、安全、经济的角度对火电厂超低排放和节能减排的技术路线进行探讨，提出了适合西北地区特点的技术路线。

1 西北地区超低排放政策适应性

考虑到西北地区地域广阔，大部分地区人烟稀少，环境容量相对较大，但经济基础薄弱的现实条件，本文建议遵循因地制宜的原则，在西北地区实施火电厂差别化排放政策。即在人口稠密、环境容量小的地区全面实施超低排放标准要求；在人口稀少，经济发展水平低，大气污染程度小，环境容量大的地区可以适当降低要求。具体差别化政策的区域划分可依据《重点区域大气污染防治"十二五"规划》。差别化政策分区见表1。

2 协同治理技术理念下的超低排放技术

为实现超低排放，靠单一设备脱除单一污染物的方法是不现实的，必须充分考虑各设备间协同效应[5]。协同治理的优势在于从整个烟气治理的角度考虑，充分挖掘各设备的潜能，使每个装置脱除其主要目标污染物的同时能协同脱除其他污染物或为其他设备脱除污染物创造条件。通过协调各烟气污染物脱除设备对主、辅污染物的脱除能力，可有效提高整个烟气治理系统的性能，实现污染物的高效协同治理[5]。目前国内火电厂超低排放技术如下：低氮燃烧器→SCR脱硝→高效除尘器→石灰石-石膏湿法烟气脱硫→湿式电除尘器。

表1 西北地区火电厂差别化排放政策分区

区域排放政策备注西安、咸阳、兰州、银川和乌鲁木齐超低排放，即在基准氧含量6%条件下，烟尘、SO2、NOx排放浓度不高于10、35、50mg/m3。《重点区域大气污染防治“十二五”规划》中的重点控制区铜川、宝鸡、渭南、杨凌农业示范区、白银、昌吉、阜康、五家渠市介于两者之间，具体依照地方政府要求执行一般控制区其他地区重点地区特别排放限值，即在基准氧含量6%条件下，烟尘、SO2、NOx排放浓度不高于20、50、100mg/m3。未列入规划中的地区

3 技术线路选择

3.1 脱硝

首先从源头上尽可能减少污染物的产生量，即减小锅炉出口NOx排放速率。目前随着锅炉制造水平的提升，采用低氮燃烧技术之后，煤粉炉的锅炉出口NOx浓度通常都可以做到小于250mg/m3，这就为后续的烟气脱硝系统减轻了压力。

脱硝还原剂主要在尿素和液氨中选择，其中采用尿素方案的初投资比液氨高出约20%，运行费用高出约15%。西北地区人口稀少，为减小脱硝系统的运行成本，选择脱硝还原剂时，应优先考虑选用液氨(地方政府有特殊规定的除外[6])。

为满足超低排放情况下，NOx排放浓度低于50mg/m3的要求，新建项目通常脱硝工艺优先选择SCR或者SCR与SNCR两者的组合。改造项目，应结合锅炉低氮燃烧器改造，同时增加SCR脱硝系统催化剂体积(可通过增加催化剂层数)的办法，使氮氧化物的排放浓度满足超低排放要求。

3.2 除尘

西北地区水资源匮乏，干旱缺水，节约用水必须体现在电厂的每一个环节当中。

近年来，由于低低温电除尘技术的诸多好处，在电厂得到了广泛应用。即在空预器出口至除尘器入口间设置烟气冷却器(低温省煤器)，使烟气温度降低至酸露点以下，一般为90℃左右。其优势在于：

(1)提高除尘器效率。由于烟气温度降低到酸露点以下，烟气中的大部分SO3会在烟气冷却器中凝结，并被粉尘充分地吸附，在电除尘器中高效脱除，从而大幅降低烟气中的SO3含量，且粉尘性质发生了很大变化，降低粉尘比电阻，避免反电晕现象，大幅提高电除尘器的除尘效率[5]。

(2)除去大部分SO3。由于大部分SO3冷凝成硫酸雾，并吸附在粉尘表面，随粉尘一起被电除尘器去除。SO3的脱除效率一般不小于80%，最高可以达95%。

(3)提高湿法脱硫的附带除尘效率。日本日立公司研究结果表明常规电除尘器出口粉尘平均粒径一般为1～2.5μm，低低温电除尘器的出口烟尘浓度更低且粉尘平均粒径大于3μm，可大幅提高湿法脱硫装置协同除尘效果。

(4)节能效果明显。采用低低温电除尘器，可以降低入口烟气温度，减小烟气体积，节约了后续湿法脱硫系统的耗水量；减少了风机的电耗和脱硫系统的用电率；由于采用低温省煤器，可回收热量。

(5)工程投资。由于增加了烟气冷却器，与常规电除尘器相比，低低温电除尘器的投资增加了。以两台660MW电厂为例，采用低低温电除尘器比常规电除尘器投资高出约2000万元。

正因为有上述技术优势，结合工程设计实际经验，在除尘器选型时，将低低温电除尘器作为首选。

另外随着海拔高度的升高，大气压力降低、空气密度及空气氧含量逐渐减小，相同质量的空气体积在高海拔地区要增大很多[7]。因此，相同技术条件下，高海拔地区除尘器的体积及占地都比低海拔地区大，这时电除尘器运行费用低的优势将更为明显，成为新建项目优先考虑的因素。

对于现有电厂的电除尘器改造，为降低工程造价，技术路线通常多采用将电除尘器改造为电袋复合除尘器，具体办法是将电除尘器的最后一个或者两个电场改造为布袋，实现电袋复合除尘器改造的目的。

3.3 脱硫

石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺是目前世界上应用广泛、技术较为成熟的脱硫技术。目前石灰石-石膏湿法烟气脱硫工艺具体可分为喷淋空塔技术及其改进技术、单塔双循环技术和串联塔技术。

为适应超低排放的要求，提高脱硫效率，近年推出了托盘塔技术和旋汇耦合塔技术等。托盘塔技术指在逆流喷淋的基础上增设一块或者多块穿流孔板托盘，将托盘全面布置在整个吸收塔的横截面上。托盘塔技术改善了烟气的气流分布，提高了吸收剂的利用率，可有效降低液/气比，从而降低循环浆液泵的流量和功耗。在脱硫改造时，托盘塔技术可直接利用现有脱硫塔及大部分附属设备，改造工程量小，脱硫效率高，运行稳定。旋汇耦合技术是将进塔烟气由层流变成湍流状态，大大增加了气体的漩流速度，增大气液接触的比表面积，从而大大提高脱硫效率以及附带的除尘效率。旋汇耦合技术具有传质效率高、均气效果好、系统能耗低的优点，同样适用于脱硫系统改造。

单塔双循环脱硫技术是将喷淋空塔中的SO2吸收氧化过程划分成两个阶段，分别控制两段在不同的pH值下操作。上段pH控制在6左右，下段控制pH在4.5左右。这样，在上循环段，高pH值的浆液有利于SO2的吸收，在下循环段，低pH值的浆液有利于硫酸钙和亚硫酸钙的溶解，利于亚硫酸钙氧化成为石膏。每个循环的控制都是独立的，并且易于优化和快速调整。对于一些不利的运行工况，比如燃料或负荷变化，能够迅速反应[8]。

串联塔技术是电厂为适应高硫煤条件下为满足超低排放改造而选择的双级处理技术。采用二级脱硫塔分级处理，烟气首先经过预洗塔，然后进入吸收塔，处理达标后排入烟囱。双塔间采用强制循环，运行pH值相同[8]。串联塔技术主要适用于燃烧高硫煤的电厂。对于改造项目，脱硫改造的技术方案需要因炉制宜，具体可通过采用增加喷淋层、优化喷淋层及喷嘴设计、采用托盘塔技术、旋汇耦合技术、单塔双循环技术、双塔串联等。

为了改善吸收塔出口的液滴和颗粒物的排放浓度，可采用高效屋脊式除雾器或管束式除尘装置，实现净烟气携带液滴和烟尘的脱除净化，满足超低排放要求。这样可以节省湿式电除尘器的投资，以2台660MW电厂为例，节省湿式电除尘器投资额约6000万元。

综合分析可知，西北地区火电厂可采用以下技术路线实现超低排放目标：低氮燃烧器→SCR脱硝→低低温电除尘→石灰石-石膏湿法烟气脱硫→高效除雾器或管束式除尘装置→烟囱。

4 结语

(1)依照污染物源头治理的理念，脱硝改造时，如果煤粉锅炉出口的NOx浓度高于300mg/m3，首先要与锅炉厂配合进行低氮燃烧器改造。同时考虑通过增加催化剂的层数增大催化剂的体积，使氮氧化物的排放浓度满足超低排放要求。

(2)除尘改造，首先考虑在除尘器前面增加低温省煤器进行低低温电除尘器改造，其次可以考虑将电除尘器改造成电袋复合除尘器。

(3)脱硫升级改造，首先考虑增加喷淋层、优化喷淋层及喷嘴设计，其次考虑吸收塔增加托盘，最后考虑旋汇耦合技术、单塔双循环技术、双塔串联等。吸收塔的除雾器改造可采用高效屋脊式除雾器或管束式除尘装置，脱硫后尽可能不用湿式电除尘器。

[1]张 洁,孙卫民,舒泽萍.电厂集团应对燃煤电厂超低排放的思考[J].电力科技与环保,2015,31(4):38-40.

[2]薛建明,柏 源,管一明,等.燃煤电厂超低排放综合技术路线[J].电力科技与环保,2015,32(3):12-15.

[3]李 博,赵锦洋,吕俊复.燃煤烟气超低排放技术路线选择建议[J].电力科技与环保,2016,32(5):13-15.

[4]王娴娜,朱 林,姜艳靓,等.燃煤电厂烟尘超低排放技术措施研究[J].电力科技与环保,2015,31(4):47-49.

[5]郦建国,郦祝海,李卫东,等.燃煤电厂烟气协同治理技术路线研究[J].中国环保产业,2015,(5):52-56.

[6]陕西省环境保护厅 陕环函[2011]331号关于全省火电机组脱硝工作的指导意见[Z].2011-04-25.

[7]徐海红, 雷 洋,谢永平.高海拔地区大容量火电机组除尘器选型研究[J].环境工程.2014(10):148-151.

[8]孟 磊.燃煤火电厂超低排放改造技术路线研究[J].科技传播,2015(24):98-100.

Selection of ultra - low emission and energy saving technical route for thermal power plants in Northwest China

BasedonthepresentsituationofthethermalpowerplantintheeconomicallyunderdevelopedareasofNorthwestChina,thispapersummarizestheengineeringdesignexperienceespeciallyforNorthwestregioncharacteristicsanddiscussesthetechnicalrouteofultra-lowemissionandenergy-savingandemissionreductionfromtheperspectiveofwatersaving,safetyandeconomy.

northwestarea;thermalpowerplant;ultra-lowemission

X701

B

1674-8069(2017)06-015-03

中国电力工程顾问集团西北电力设计院有限公司科研项目(XBI-JX16-2016)

2017-06-12；

2017-08-24

张仁锋(1977-)，男，甘肃正宁人，高级工程师，从事火电厂环保设计工作。E-mail:zhangrenfeng@nwepdi.com