燃煤電廠煙塵超低排放技術研究現狀及發展？
現有煙塵超低排放組合路線分別為以濕式電除塵技術、脫硫除塵壹體化技術、電袋復合除塵技術為核心3種。此外,通過分析得出,煙塵超低排放面臨的主要問題是優化運行和準確測量兩個方面,短期內需針對缺陷進行優化,長期應開發低能耗、高效能的除塵技術。
截止2015年底全國火電裝機容量達100554萬kW,占總發電裝機容量的65.9%,總發電量42307×108kW時,占發電量的73.7%。在未來相當長的壹段時間裏,我國以燃煤發電為主的電力供應格局不會發生根本改變,煤炭仍是我國的主體能源。
燃煤發電過程中會排放大量的汙染物。圖1描述了近三年各行業汙染物排放量所占比例[2]。從圖1中可以看到,2014年火電行業SO2排放量占全年總排放量的34.61%,NOx排放量占全年總排放量的37.69%,煙塵排放量占全年總排放量的13.53%。通過對比可以看出,燃煤電廠汙染物排放所占比例雖然有所降低,但仍占
據很高的份額,因此,燃煤電廠仍是我國大氣中各種汙染物的重要排放源。
與此同時,目前國內大氣汙染形勢嚴峻:據統計,2015年全國338個地級以上城市中,有73個城市環境空氣質量達標,占21.6%;265個城市環境空氣質量超標,占78.4%。為了防治大氣汙染,國家加大對燃煤電廠汙染物排放治理力度,相繼出臺壹系列政策法規,如《火電廠大氣汙染物排放標準(GB13223—2011)》、《煤電
節能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》、《全面實施燃煤電廠超低排放和節能改造工作方案》等,最新政策要求,東部、中部、西部省份分別於2017年、2018年、2020年前完成全部燃煤機組的超低排放改造,即在基準氧含量6%的條件下,煙塵、SO2、NOx排放濃度分別不高於10mg/m3、35mg/m3和
50mg/m3。
自超低排放政策發布後,燃煤機組超低排放改造進展迅速,據統計,2015年全國已完成超低排放改造量約1.4×108kW,2016年計劃實施超低排放改造約2.6×108kW。在眾多超低改造工程中,煙塵達標排放改造難度最大。同時,在已完成煙塵超低改造的燃煤電廠中,其運行過程中浮現出眾多問題。本文作者對現有煙塵超
低排放技術現狀及應用情況進行概述,總結技術應用過程中出現的問題,為燃煤電廠煙塵超低排放技術的優化提供參考。
1超低排放技術
國外沒有超低排放的概念,如表1所示為部分國家燃煤電廠煙塵排放濃度比較,中國要求燃煤電廠煙塵排放濃度低於10mg/m3,而電廠普遍煙將塵排放濃度控制在5mg/m3以下,遠低於美國、日本等相關國家允許煙塵排放濃度,因此缺乏國外相關超低排放技術應用經驗。
國內煙塵超低排放技術沒有取得重大突破,是現有除塵技術的提效和組合。如圖2所示,現有煙塵超低排放技術是壹次除塵技術和深度除塵技術的組合,壹次除塵技術能去除大部分粉塵,但不能達標排放或達標代價較高,包括靜電除塵技術、袋式除塵技術和電袋復合除塵技術3種,其中傳統靜電除塵技術對粗顆粒的捕集
效率可高達99.9%以上,但對以亞微米為主的細顆粒的捕集效率較低,因此發展出靜電除塵技術的增效技術,包括低低溫靜電除塵技術、高頻電源技術和旋轉電極靜電除塵技術;深度除塵技術在壹次除塵的基礎上進壹步除塵,使煙塵達標排放,包括脫硫除塵壹體化技術(包含SPC-3D)和濕式靜電除塵技術兩種。
1.1壹次除塵技術
1.1.1靜電除塵技術
(1)低低溫靜電除塵技術
低低溫靜電除塵技術是指在靜電除塵器前布置低溫省煤器,使除塵器入口煙溫由常規的120~160℃降低至酸露點以下的低低溫狀態(100℃內,壹般在85~95℃),據文獻報道[10],低低溫靜電除塵技術可將煙塵排放濃度控制在20mg/m3以內。
低低溫靜電除技術的本質是煙氣調質,主要通過兩方面起到除塵增效作用:降低煙氣溫度,可降低粉塵比電阻,減小煙氣體積流量,提高擊穿電壓;煙氣溫度降低到酸露點以下,SO3在細顆粒表面冷凝,增強了細顆粒表面的導電性,促進了細顆粒的團聚長大。但是此技術應用會造成電除塵器二次揚塵增加、低溫換熱器及電除
塵器的酸腐蝕、灰的流動性降低[和脫硫系統的水平衡改變等不良影響。
(2)旋轉電極靜電除塵技術
旋轉電極靜電除塵技術是將除塵器的電場分為前級固定和後級旋轉的兩部分電極電場,其中陽極部分設置回轉陽極板並采用旋轉清灰刷清灰,當粉塵與旋轉的陽極板運動到非收塵區域後,被正反旋轉的壹對清灰刷刷除。
旋轉電極靜電除塵技術的本質是極板的改造,主要目的是減少二次揚塵,同時可清除高比電阻、黏性煙塵,避免反電暈現象,但其結構復雜,易發生故障,系統可靠性和穩定性較差。
(3)高頻電源技術
高頻電源技術是采用整流橋將工頻電源整流成約530V的直流電源,再通過逆變電路變成20kHz以上的高頻交流電源,然後經高頻變壓器升壓,再通過高頻整流器進行整流濾波,形成40kHz以上的高頻電流。
高頻電源技術的本質是靜電除塵器電源改造,與工頻電源相比,高頻電源提高了供電電壓和電流,增大了電功率的輸入,提高了煙塵荷電量和場強,從而提高了除塵效率。某電廠靜電除塵器高頻電源改造後,煙塵排放濃度由改造前的42mg/m3降低至17mg/m3,減排效果明顯。
目前燃煤電廠靜電除塵器的改造壹般增加電場數量並進行高頻電源改造,同時根據電廠的實際情況進行煙氣調質(低低溫靜電除塵技術)或極板改造(旋轉電極靜電除塵技術),使煙氣進入深度除塵裝置之前粉塵濃度降低至壹定水平。
1.1.2袋式除塵技術
袋式除塵技術是利用纖維織物的攔截、慣性、擴散、重力、靜電等協同作用對含塵氣體進行過濾的技術。袋式除塵器是壹個過濾與清灰交替進行的非穩態過程:當含塵氣體進入袋式除塵器後,顆粒大、相對密度大的粉塵由於重力作用沈降並落入灰鬥,含有細微粉塵的氣體在通過濾料時粉塵被截留,氣體得以凈化;隨著
過濾的進行,阻力不斷上升,需進行清灰再生。
目前袋式除塵技術布袋材料並未取得突破性進展,為滿足煙塵超低排放的要求,需增加布袋數量,造成除塵器壓損增加、能耗提高。隨著廢棄布袋數量的增加,其無害化處置將是未來的難題。
1.1.3電袋復合除塵技術
電袋復合除塵技術是將電除塵的荷電除塵及袋除塵器的過濾機理有機結合的壹種除塵技術。前級電場預收塵去除大部分粉塵同時對細顆粒物荷電並產生凝並,極細顆粒物凝並形成大粒徑顆粒。
電袋復合除塵技術包括壹體式電袋除塵技術和分體式電袋除塵技術兩種。***同優點為:不受煤、飛灰成分的影響,出口煙塵濃度低且穩定,破袋對排放的影響小於袋式除塵器。
***同缺點為:系統壓力損失較大,對煙氣溫度、煙氣成分較敏感,舊濾袋資源化利用率較小,設備費用較高,年運行費用較高,經濟性較差。壹體式電袋除塵技術與分體式電袋除塵技術相比,占地面積較小,但不能在100%負荷下在線檢修。
1.2深度除塵技術
1.2.1濕式靜電除塵技術
濕式電除塵技術與幹式電除塵技術相比,工作原理基本相同,但濕式靜電除塵技術采用用水膜清灰方式代替傳統的振打清灰。
濕式電除塵技術除塵效率不受煙塵比電阻大小的影響,可有效避免二次揚塵和反電暈現象;同時煙塵在濕式電除塵器中除受靜電力和流體曳力外,還受熱泳力和液橋力的作用,提高了對細微粉塵的去除作用;此外,濕式電除塵器極板上形
成的水膜會大幅度提高電除塵器內的放電電流,細顆粒的荷電能力得到增強並進壹步提高脫除效率。
雖然濕式靜電除塵技術能夠實現煙塵的低濃度排放,但沖洗排水回用於脫硫系統會改變脫硫系統的水平衡,同時,含煙塵的沖洗水進入脫硫系統會對漿液性質產生壹定的影響,增加脫硫廢水的外排量。除此之外,濕式靜電除塵器建造和運行費用高,且極板和極線易腐蝕,極大限制了濕式靜電除塵器的推廣。
1.2.2脫硫除塵壹體化技術
濕法脫硫系統出口粉塵由三部分組成:經過脫硫塔洗滌、吸收後殘留的粉塵,煙氣經除霧器攜帶的含石膏、石灰石等固體顆粒的漿液液滴以及可溶性鹽。根據王琿等的研究表明,濕法脫硫出口煙氣中新增的石灰石與石膏顆粒分別占總顆粒物質量的47.5%和7.9%。
脫硫系統除塵效果與脫硫塔運行狀況、除塵器排塵濃度和顆粒粒徑有關,普遍認為脫硫系統除塵效率可達50%,且濕法脫硫系統對超細顆粒物、SO3氣溶膠、有毒重金屬和石膏霧滴的脫除效果普遍較差。據文獻報道,濕法脫硫系統對煙氣中總顆粒的去除效率為46%~61.7%,對PM1的去除效率介於-12.61%~-1.58%,
對PM2.5的去除效率介於-2.02%~8.50%之間,對PM10的去除效率介於42.63%~58.68%之間。
為了增強脫硫系統的除塵效果,可以進行以下兩方面的改造。
(1)提高除霧器的除霧性能,減少煙氣對漿液的攜帶。
(2)脫硫系統設計時兼顧脫硫效率和煙塵協同脫除效果,壹般采取的措施為:提高吸收塔噴淋層漿液和噴嘴漿液覆蓋率、提高塔內煙氣分布均勻度、采用高效霧化噴嘴、降低吸收塔煙氣流速、保證噴嘴入口壓力均勻等。
基於上述原理,目前國內主要有以下兩種改造方式。
(1)超凈脫硫除塵壹體化技術(SPC-3D)這是壹種旋匯耦合裝置、管束式除塵裝置、高效節能噴淋裝置的高效組合裝備,據測試結果顯示,當靜電除塵器出口煙塵排放濃度≤30mg/m3時,脫硫後布置管束式除塵器,則吸收塔出口煙塵排放濃度可降至5mg/m3以下。
(2)高效除霧器
優化塔內吸收的同時,將平板式除霧器更換為2~3級屋脊式除霧器或采用管式除霧器和屋脊式除霧器串聯,據相關測試結果,除塵效率可提高30%;浙江某電廠經過上述改造後,石膏液滴質量濃度從32mg/m3降低至13mg/m3,脫除效果顯著。
脫硫除塵壹體化裝置建造和運行費用低,但工況變化對出口煙塵濃度影響大,穩定性低於濕式靜電除塵器;此外,由於除霧器沖洗量增加,也會對脫硫系統的水平衡等產生影響。
1.3超低排放技術應用現狀
2015年11月至2016年2月,環保部對80家電廠、287臺燃煤機組進行調研,其除塵技術的使用情況如圖3所示,調研機組采用的除塵技術以靜電除塵技術為主,***計186臺,占總調研數目的64.8%,且大部分靜電除塵器(152臺機組)都進行了增效改造,占總靜電除塵技術的81.7%。
如圖4為截至2015年12月,部分除塵技術投運及在建機組的裝機容量。從圖4可以看出,壹次除塵技術中,低低溫靜電除塵技術應用最為廣泛,裝機總容量達到95000MW;深度除塵技術中,濕式電除塵技術的應用最為廣泛,裝機總容量達到190000MW。
目前典型的煙塵超低排放路線主要有:以濕式電除塵技術作為二次除塵的超低排放技術路線、以濕式脫硫協同除塵作為二次除塵的超低排放技術路線和以超凈電袋復合除塵為基礎不依賴二次除塵的超低排放技術路線,且根據實際運行狀況,其都實現了煙塵的超低排放。
根據《火電廠汙染防治最佳可行性指南》,煙塵超低排放技術路線選擇如表2所示。
註:①壹次除塵方式的選擇首先應結合煤質與灰的性質判斷是否適合采用電除塵,如不適用則應優先選擇電袋復合除塵或袋式除塵;
②對於壹次除塵就要求煙塵濃度小於10mg/m3或5mg/m3不依賴於二次除塵就實現超低排放的,宜優先選擇電袋復合除塵器;
③壹次除塵器出口煙塵濃度為30~50mg/m3時,二次除塵宜選用濕式電除塵器(WESP);壹次除塵器出口煙塵濃度為10~30mg/m3時,二次除塵宜選用濕法脫硫(WFGD)協同除塵;
④表中數字表示技術適宜程度:0不適宜;1適宜;2較適宜;3最適宜。
2煙塵超低排放技術現狀及發展
目前國內已有大量燃煤機組完成了超低排放改造,對於煙塵超低排放而言,其技術現狀及發展如圖5所示,煙塵超低排放面臨的主要問題是運行優化和煙塵測量。
(1)運行優化煙塵控制來源於多種技術的協同,不同除塵技術除塵效率和能耗都有所不同,因此需優化各技術除塵效率分配,達到實現煙塵超低排放的同時降低能源消耗。
(2)煙塵測量目前,燃煤機組排放煙塵的測量是按照HJ/T76—2007《國家汙染源煙氣排放連續監測系統技術要求及檢測方法》采用在線監測(煙氣排放連續監測系統,CEMS),並在實驗室稱重校核的方式進行的,實現了對汙染物排放數據的監督和管理,但是面臨以下問題。
①現有在線連續監測煙塵濃度測定儀普遍未經過校準,個別校準確定的關系式無法使用。
HJ/T76—2007《國家汙染源煙氣排放連續監測系統技術要求及檢測方法》制定了煙塵CEMS比對的方法,規定當顆粒物排放濃度≤50mg/m3時,絕對誤差不超過±15mg/m3時,煙塵儀在測量精度在額定範圍,無需校準,顯然不適用於煙塵超低排放機組CEMS的校對。此外,CEMS測點布置不均勻也會對煙塵的測量產生
很大的影響。
②現場實驗煙塵的測量普遍采用稱重法,采樣依據為GB/T16157《固定汙染源排氣中顆粒物測定與氣態汙染物采樣方法》,但不適用於顆粒物濃度低於50mg/m3的情況。
目前,參考國外低濃度采樣標準,中國開始制定自己的低濃度采樣標準,並發布了《固定汙染源廢氣低濃度顆粒物測定重量法(征求意見稿)》,此方法采用膜法測量,檢測限為1mg/m3。
該方法測量結果受實驗員操作水平影響較大,且在某些電廠排放濃度低於1mg/m3的背景下,煙塵準確測量的難度很大,需要進壹步驗證方法的準確度。此外,河北省、山東省也出臺了低濃度顆粒物測定的地方標準,采樣方法與文獻相似,同樣面臨實踐的驗證和完善。未來壹段時間,燃煤電廠煙塵超低排放需要完成以下
工作。
(1)對現有運行出現問題進行歸納總結,提出不同超低排放技術不同應用背景下的優化運行方案,降低運行能耗,降低運行成本。
(2)歸納現有低濃度煙塵在線檢測和采樣檢測的問題,修改或制定相關標準,積極推進測量的精確化。
(3)開展煙塵超低排放技術的全生命周期評價。全生命周期評價是評價技術能耗及對環境影響的良好手段,目前已應用於脫硫、除塵、脫硝等領域,借助全生命周期評價,可以羅列能耗及環境影響清單,明確對環境效應,找出降低能耗的關鍵。
現有組合技術能耗較高的問題短期內無法解決,因此長遠來看,必須開發新型的低能耗、高效能的除塵技術代替現有組合技術。
3結論
本文介紹了燃煤電廠超低排放背景及發展概況,並對煙塵超低排放技術進行了綜述。
(1)煙塵超低排放技術主要分壹次除塵技術和深度除塵技術,壹次除塵技術包括靜電除塵技術、袋式除塵技術和電袋復合除塵技術,深度除塵技術包括脫硫除塵壹體化技術(包含SPC-3D)和濕式靜電除塵技術,並對各技術的優缺點進行了歸納總結。
(2)現有煙塵超低排放技術是對壹次除塵技術和深度除塵技術的高效組合,改造方案應根據電廠的實際情況進行多樣化選擇。
(3)煙塵超低排放面臨的主要問題是運行優化和煙塵測量,短期內需針對缺陷進行優化,長期應開發低能耗、高效能的除塵技術。
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