燃煤电厂烟尘超低排放技术研究现状及发展

综述了现有烟尘超低排放技术,将现有烟尘超低排放技术分为一次除尘技术和深度除尘技术两种,其中一次除尘技术包括静电除尘技术、袋式除尘技术和电袋复合除尘技术,深度除尘技术包括脱硫除尘一体化技术和湿式电除尘技术,并指出现有烟尘超低排放技术是一次除尘技术和深度除尘技术的高效组合。

现有烟尘超低排放组合路线分别为以湿式电除尘技术、脱硫除尘一体化技术、电袋复合除尘技术为核心3种。此外,通过分析得出,烟尘超低排放面临的主要问题是优化运行和准确测量两个方面,短期内需针对缺陷进行优化,长期应开发低能耗、高效能的除尘技术。

截止2015年底全国火电装机容量达100554万kW,占总发电装机容量的65.9%,总发电量42307×108kW时,占发电量的73.7%。在未来相当长的一段时间里,我国以燃煤发电为主的电力供应格局不会发生根本改变,煤炭仍是我国的主体能源。

燃煤发电过程中会排放大量的污染物。图1描述了近三年各行业污染物排放量所占比例[2]。从图1中可以看到,2014年火电行业SO2排放量占全年总排放量的34.61%,NOx排放量占全年总排放量的37.69%,烟尘排放量占全年总排放量的13.53%。通过对比可以看出,燃煤电厂污染物排放所占比例虽然有所降低,但仍占

据很高的份额,因此,燃煤电厂仍是我国大气中各种污染物的重要排放源。

与此同时,目前国内大气污染形势严峻:据统计,2015年全国338个地级以上城市中,有73个城市环境空气质量达标,占21.6%;265个城市环境空气质量超标,占78.4%。为了防治大气污染,国家加大对燃煤电厂污染物排放治理力度,相继出台一系列政策法规,如《火电厂大气污染物排放标准(GB13223—2011)》、《煤电

节能减排升级与改造行动计划(2014—2020年)》、《全面实施燃煤电厂超低排放和节能改造工作方案》等,最新政策要求,东部、中部、西部省份分别于2017年、2018年、2020年前完成全部燃煤机组的超低排放改造,即在基准氧含量6%的条件下,烟尘、SO2、NOx排放浓度分别不高于10mg/m3、35mg/m3和

50mg/m3。

自超低排放政策发布后,燃煤机组超低排放改造进展迅速,据统计,2015年全国已完成超低排放改造量约1.4×108kW,2016年计划实施超低排放改造约2.6×108kW。在众多超低改造工程中,烟尘达标排放改造难度最大。同时,在已完成烟尘超低改造的燃煤电厂中,其运行过程中浮现出众多问题。本文作者对现有烟尘超

低排放技术现状及应用情况进行概述,总结技术应用过程中出现的问题,为燃煤电厂烟尘超低排放技术的优化提供参考。

1超低排放技术

国外没有超低排放的概念,如表1所示为部分国家燃煤电厂烟尘排放浓度比较,中国要求燃煤电厂烟尘排放浓度低于10mg/m3,而电厂普遍烟将尘排放浓度控制在5mg/m3以下,远低于美国、日本等相关国家允许烟尘排放浓度,因此缺乏国外相关超低排放技术应用经验。

国内烟尘超低排放技术没有取得重大突破,是现有除尘技术的提效和组合。如图2所示,现有烟尘超低排放技术是一次除尘技术和深度除尘技术的组合,一次除尘技术能去除大部分粉尘,但不能达标排放或达标代价较高,包括静电除尘技术、袋式除尘技术和电袋复合除尘技术3种,其中传统静电除尘技术对粗颗粒的捕集

效率可高达99.9%以上,但对以亚微米为主的细颗粒的捕集效率较低,因此发展出静电除尘技术的增效技术,包括低低温静电除尘技术、高频电源技术和旋转电极静电除尘技术;深度除尘技术在一次除尘的基础上进一步除尘,使烟尘达标排放,包括脱硫除尘一体化技术(包含SPC-3D)和湿式静电除尘技术两种。

1.1一次除尘技术

1.1.1静电除尘技术

(1)低低温静电除尘技术

低低温静电除尘技术是指在静电除尘器前布置低温省煤器,使除尘器入口烟温由常规的120~160℃降低至酸露点以下的低低温状态(100℃内,一般在85~95℃),据文献报道[10],低低温静电除尘技术可将烟尘排放浓度控制在20mg/m3以内。

低低温静电除技术的本质是烟气调质,主要通过两方面起到除尘增效作用:降低烟气温度,可降低粉尘比电阻,减小烟气体积流量,提高击穿电压;烟气温度降低到酸露点以下,SO3在细颗粒表面冷凝,增强了细颗粒表面的导电性,促进了细颗粒的团聚长大。但是此技术应用会造成电除尘器二次扬尘增加、低温换热器及电除

尘器的酸腐蚀、灰的流动性降低[和脱硫系统的水平衡改变等不良影响。

(2)旋转电极静电除尘技术

旋转电极静电除尘技术是将除尘器的电场分为前级固定和后级旋转的两部分电极电场,其中阳极部分设置回转阳极板并采用旋转清灰刷清灰,当粉尘与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。

旋转电极静电除尘技术的本质是极板的改造,主要目的是减少二次扬尘,同时可清除高比电阻、黏性烟尘,避免反电晕现象,但其结构复杂,易发生故障,系统可靠性和稳定性较差。

(3)高频电源技术

高频电源技术是采用整流桥将工频电源整流成约530V的直流电源,再通过逆变电路变成20kHz以上的高频交流电源,然后经高频变压器升压,再通过高频整流器进行整流滤波,形成40kHz以上的高频电流。

高频电源技术的本质是静电除尘器电源改造,与工频电源相比,高频电源提高了供电电压和电流,增大了电功率的输入,提高了烟尘荷电量和场强,从而提高了除尘效率。某电厂静电除尘器高频电源改造后,烟尘排放浓度由改造前的42mg/m3降低至17mg/m3,减排效果明显。

目前燃煤电厂静电除尘器的改造一般增加电场数量并进行高频电源改造,同时根据电厂的实际情况进行烟气调质(低低温静电除尘技术)或极板改造(旋转电极静电除尘技术),使烟气进入深度除尘装置之前粉尘浓度降低至一定水平。

1.1.2袋式除尘技术

袋式除尘技术是利用纤维织物的拦截、惯性、扩散、重力、静电等协同作用对含尘气体进行过滤的技术。袋式除尘器是一个过滤与清灰交替进行的非稳态过程:当含尘气体进入袋式除尘器后,颗粒大、相对密度大的粉尘由于重力作用沉降并落入灰斗,含有细微粉尘的气体在通过滤料时粉尘被截留,气体得以净化;随着

过滤的进行,阻力不断上升,需进行清灰再生。

目前袋式除尘技术布袋材料并未取得突破性进展,为满足烟尘超低排放的要求,需增加布袋数量,造成除尘器压损增加、能耗提高。随着废弃布袋数量的增加,其无害化处置将是未来的难题。

1.1.3电袋复合除尘技术

电袋复合除尘技术是将电除尘的荷电除尘及袋除尘器的过滤机理有机结合的一种除尘技术。前级电场预收尘去除大部分粉尘同时对细颗粒物荷电并产生凝并,极细颗粒物凝并形成大粒径颗粒。

电袋复合除尘技术包括一体式电袋除尘技术和分体式电袋除尘技术两种。共同优点为:不受煤、飞灰成分的影响,出口烟尘浓度低且稳定,破袋对排放的影响小于袋式除尘器。

共同缺点为:系统压力损失较大,对烟气温度、烟气成分较敏感,旧滤袋资源化利用率较小,设备费用较高,年运行费用较高,经济性较差。一体式电袋除尘技术与分体式电袋除尘技术相比,占地面积较小,但不能在100%负荷下在线检修。

1.2深度除尘技术

1.2.1湿式静电除尘技术

湿式电除尘技术与干式电除尘技术相比,工作原理基本相同,但湿式静电除尘技术采用用水膜清灰方式代替传统的振打清灰。

湿式电除尘技术除尘效率不受烟尘比电阻大小的影响,可有效避免二次扬尘和反电晕现象;同时烟尘在湿式电除尘器中除受静电力和流体曳力外,还受热泳力和液桥力的作用,提高了对细微粉尘的去除作用;此外,湿式电除尘器极板上形

成的水膜会大幅度提高电除尘器内的放电电流,细颗粒的荷电能力得到增强并进一步提高脱除效率。

虽然湿式静电除尘技术能够实现烟尘的低浓度排放,但冲洗排水回用于脱硫系统会改变脱硫系统的水平衡,同时,含烟尘的冲洗水进入脱硫系统会对浆液性质产生一定的影响,增加脱硫废水的外排量。除此之外,湿式静电除尘器建造和运行费用高,且极板和极线易腐蚀,极大限制了湿式静电除尘器的推广。

1.2.2脱硫除尘一体化技术

湿法脱硫系统出口粉尘由三部分组成:经过脱硫塔洗涤、吸收后残留的粉尘,烟气经除雾器携带的含石膏、石灰石等固体颗粒的浆液液滴以及可溶性盐。根据王珲等的研究表明,湿法脱硫出口烟气中新增的石灰石与石膏颗粒分别占总颗粒物质量的47.5%和7.9%。

脱硫系统除尘效果与脱硫塔运行状况、除尘器排尘浓度和颗粒粒径有关,普遍认为脱硫系统除尘效率可达50%,且湿法脱硫系统对超细颗粒物、SO3气溶胶、有毒重金属和石膏雾滴的脱除效果普遍较差。据文献报道,湿法脱硫系统对烟气中总颗粒的去除效率为46%~61.7%,对PM1的去除效率介于-12.61%~-1.58%,

对PM2.5的去除效率介于-2.02%~8.50%之间,对PM10的去除效率介于42.63%~58.68%之间。

为了增强脱硫系统的除尘效果,可以进行以下两方面的改造。

(1)提高除雾器的除雾性能,减少烟气对浆液的携带。

(2)脱硫系统设计时兼顾脱硫效率和烟尘协同脱除效果,一般采取的措施为:提高吸收塔喷淋层浆液和喷嘴浆液覆盖率、提高塔内烟气分布均匀度、采用高效雾化喷嘴、降低吸收塔烟气流速、保证喷嘴入口压力均匀等。

基于上述原理,目前国内主要有以下两种改造方式。

(1)超净脱硫除尘一体化技术(SPC-3D)这是一种旋汇耦合装置、管束式除尘装置、高效节能喷淋装置的高效组合装备,据测试结果显示,当静电除尘器出口烟尘排放浓度≤30mg/m3时,脱硫后布置管束式除尘器,则吸收塔出口烟尘排放浓度可降至5mg/m3以下。

(2)高效除雾器

优化塔内吸收的同时,将平板式除雾器更换为2~3级屋脊式除雾器或采用管式除雾器和屋脊式除雾器串联,据相关测试结果,除尘效率可提高30%;浙江某电厂经过上述改造后,石膏液滴质量浓度从32mg/m3降低至13mg/m3,脱除效果显著。

脱硫除尘一体化装置建造和运行费用低,但工况变化对出口烟尘浓度影响大,稳定性低于湿式静电除尘器;此外,由于除雾器冲洗量增加,也会对脱硫系统的水平衡等产生影响。

1.3超低排放技术应用现状

2015年11月至2016年2月,环保部对80家电厂、287台燃煤机组进行调研,其除尘技术的使用情况如图3所示,调研机组采用的除尘技术以静电除尘技术为主,共计186台,占总调研数目的64.8%,且大部分静电除尘器(152台机组)都进行了增效改造,占总静电除尘技术的81.7%。

如图4为截至2015年12月,部分除尘技术投运及在建机组的装机容量。从图4可以看出,一次除尘技术中,低低温静电除尘技术应用最为广泛,装机总容量达到95000MW;深度除尘技术中,湿式电除尘技术的应用最为广泛,装机总容量达到190000MW。

目前典型的烟尘超低排放路线主要有:以湿式电除尘技术作为二次除尘的超低排放技术路线、以湿式脱硫协同除尘作为二次除尘的超低排放技术路线和以超净电袋复合除尘为基础不依赖二次除尘的超低排放技术路线,且根据实际运行状况,其都实现了烟尘的超低排放。

根据《火电厂污染防治最佳可行性指南》,烟尘超低排放技术路线选择如表2所示。

注:①一次除尘方式的选择首先应结合煤质与灰的性质判断是否适合采用电除尘,如不适用则应优先选择电袋复合除尘或袋式除尘;

②对于一次除尘就要求烟尘浓度小于10mg/m3或5mg/m3不依赖于二次除尘就实现超低排放的,宜优先选择电袋复合除尘器;

③一次除尘器出口烟尘浓度为30~50mg/m3时,二次除尘宜选用湿式电除尘器(WESP);一次除尘器出口烟尘浓度为10~30mg/m3时,二次除尘宜选用湿法脱硫(WFGD)协同除尘;

④表中数字表示技术适宜程度:0不适宜;1适宜;2较适宜;3最适宜。

2烟尘超低排放技术现状及发展

目前国内已有大量燃煤机组完成了超低排放改造,对于烟尘超低排放而言,其技术现状及发展如图5所示,烟尘超低排放面临的主要问题是运行优化和烟尘测量。

(1)运行优化烟尘控制来源于多种技术的协同,不同除尘技术除尘效率和能耗都有所不同,因此需优化各技术除尘效率分配,达到实现烟尘超低排放的同时降低能源消耗。

(2)烟尘测量目前,燃煤机组排放烟尘的测量是按照HJ/T76—2007《国家污染源烟气排放连续监测系统技术要求及检测方法》采用在线监测(烟气排放连续监测系统,CEMS),并在实验室称重校核的方式进行的,实现了对污染物排放数据的监督和管理,但是面临以下问题。

①现有在线连续监测烟尘浓度测定仪普遍未经过校准,个别校准确定的关系式无法使用。

HJ/T76—2007《国家污染源烟气排放连续监测系统技术要求及检测方法》制定了烟尘CEMS比对的方法,规定当颗粒物排放浓度≤50mg/m3时,绝对误差不超过±15mg/m3时,烟尘仪在测量精度在额定范围,无需校准,显然不适用于烟尘超低排放机组CEMS的校对。此外,CEMS测点布置不均匀也会对烟尘的测量产生

很大的影响。

②现场实验烟尘的测量普遍采用称重法,采样依据为GB/T16157《固定污染源排气中颗粒物测定与气态污染物采样方法》,但不适用于颗粒物浓度低于50mg/m3的情况。

目前,参考国外低浓度采样标准,中国开始制定自己的低浓度采样标准,并发布了《固定污染源废气低浓度颗粒物测定重量法(征求意见稿)》,此方法采用膜法测量,检测限为1mg/m3。

该方法测量结果受实验员操作水平影响较大,且在某些电厂排放浓度低于1mg/m3的背景下,烟尘准确测量的难度很大,需要进一步验证方法的准确度。此外,河北省、山东省也出台了低浓度颗粒物测定的地方标准,采样方法与文献相似,同样面临实践的验证和完善。未来一段时间,燃煤电厂烟尘超低排放需要完成以下

工作。

(1)对现有运行出现问题进行归纳总结,提出不同超低排放技术不同应用背景下的优化运行方案,降低运行能耗,降低运行成本。

(2)归纳现有低浓度烟尘在线检测和采样检测的问题,修改或制定相关标准,积极推进测量的精确化。

(3)开展烟尘超低排放技术的全生命周期评价。全生命周期评价是评价技术能耗及对环境影响的良好手段,目前已应用于脱硫、除尘、脱硝等领域,借助全生命周期评价,可以罗列能耗及环境影响清单,明确对环境效应,找出降低能耗的关键。

现有组合技术能耗较高的问题短期内无法解决,因此长远来看,必须开发新型的低能耗、高效能的除尘技术代替现有组合技术。

3结论

本文介绍了燃煤电厂超低排放背景及发展概况,并对烟尘超低排放技术进行了综述。

(1)烟尘超低排放技术主要分一次除尘技术和深度除尘技术,一次除尘技术包括静电除尘技术、袋式除尘技术和电袋复合除尘技术,深度除尘技术包括脱硫除尘一体化技术(包含SPC-3D)和湿式静电除尘技术,并对各技术的优缺点进行了归纳总结。

(2)现有烟尘超低排放技术是对一次除尘技术和深度除尘技术的高效组合,改造方案应根据电厂的实际情况进行多样化选择。

(3)烟尘超低排放面临的主要问题是运行优化和烟尘测量,短期内需针对缺陷进行优化,长期应开发低能耗、高效能的除尘技术。