一種基于實(shí)測的超低排放燃煤電廠主要大氣污染物排放特征與減排效果分析方法
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在環(huán)境保護(hù)、減排目標(biāo)與發(fā)展需求的三重壓力下．一些集團(tuán)公司部署了燃煤電廠符合燃機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展戰(zhàn)略和科研攻關(guān)，“超低排放”、“近零排放應(yīng)運(yùn)而生。隨后，部分省市在環(huán)境保護(hù)與減排目標(biāo)的雙重壓力下．紛紛對燃煤電廠提出“滿足燃機(jī)排放標(biāo)準(zhǔn)”的建設(shè)或改造要求。2014年9月，國家發(fā)展與改革委員會、環(huán)境保護(hù)部和國家能源局聯(lián)合頒發(fā)了《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014-2020年）》（發(fā)改能源[2014]2093號），對東、中和西部地區(qū)新建燃煤發(fā)電機(jī)組分別做出了“基本達(dá)到”、“原則上接近或達(dá)到”和“鼓勵接近或達(dá)到”燃?xì)鈾C(jī)組排放限值的要求。
為初步探索基于國家現(xiàn)有監(jiān)測方法與標(biāo)準(zhǔn)的超低排放電廠主要炯?xì)馕廴疚飳?shí)際排放情況，促進(jìn)超低排放技術(shù)的健康、有序發(fā)展。本研究以我國東部沿海位于《重點(diǎn)區(qū)域大氣污染防治—卜二五”規(guī)劃>范圍內(nèi)重點(diǎn)控制區(qū)的某超低排放改造的燃煤電廠為研究對象，在不同煤質(zhì)和不同機(jī)組運(yùn)行負(fù)荷情況下，對主要煙氣污染物的排放情況進(jìn)行實(shí)測，據(jù)此分析超低排放燃煤電廠的大氣污染物控制水平、排放特征與減排效益。
1 研究項目簡介
1.1 測試燃煤電廠概況及超低排放改造
測試電廠位于東部沿海地區(qū)，測試機(jī)組為2x1 000 MW超超臨界燃煤機(jī)組（7、8號），原采用石灰石一石膏濕法煙氣脫硫，脫硫效率為95%。
三室四電場靜電除塵器除塵，除塵效率為99.65%．考慮脫硫系統(tǒng)50%的除塵效果，綜合除塵效率可達(dá)到99.92%。低氮燃燒技術(shù)和SCR脫硝（2層催化劑），脫硝效率可達(dá)80%．機(jī)組于201 1年10月建成投運(yùn)。為進(jìn)一步降低煙氣污染物排放濃度．2013年年初電廠進(jìn)行了超低排放技術(shù)改造．以提升其主要環(huán)保設(shè)備的污染物脫除效率．具體改造情況如圖l所示．
(1)脫硝系統(tǒng)：優(yōu)化調(diào)整低氮燃燒器，將鍋爐出口NO，濃度控制在300 mg/m3以下，SCR脫硝系統(tǒng)增設(shè)1層SCR催化劑，脫硝效率提高至85%，其中8號機(jī)組以1層新型改性催化劑替代常規(guī)催化劑，以實(shí)現(xiàn)Hg的協(xié)同氧化從而提高Hg及其化合物的脫除效率。
(2)除塵系統(tǒng)：增設(shè)管式GGH（兩段式）將常規(guī)電除塵器改造為低低溫電除塵器（設(shè)計入口煙氣溫度86℃），工頻電源全部改造為高頻電源，除塵效率提高至99.89%以上。并在脫硫系統(tǒng)后增設(shè)一電場濕式靜電除塵器，除塵效率按70%計。
(3)脫硫系統(tǒng)：新增1層托盤形成雙層托盤、將噴淋系統(tǒng)改造為交互式噴淋層、增加備用循環(huán)泵，設(shè)計脫硫效率由95.00/0提高至98.4%。
本工程主要煙氣污染物設(shè)計排放目標(biāo)如表1所示。改造于2014年6月通過72 h試驗后完成。
1.2研究目的
基于國家現(xiàn)有監(jiān)測方法與標(biāo)準(zhǔn)，通過實(shí)地測量對超低排放燃煤電廠改造技術(shù)環(huán)保性能進(jìn)行全面詳細(xì)評估，分析在不同煤種、不同機(jī)組負(fù)荷情況下，電廠所采取的超低排放工藝路線對煙氣主要污染物的控制效果與排放水平．為優(yōu)化系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行管理提供試驗數(shù)據(jù)，為電廠的環(huán)境管理及技術(shù)監(jiān)督管理提供技術(shù)依據(jù)，為火電行業(yè)超低排放技術(shù)的有序發(fā)展提供借鑒。
1.3儀器與方法
為全面、系統(tǒng)地分析該電廠采用的“低氮燃燒技術(shù)和SCR脫硝+低低溫靜電除塵器+雙層托盤脫硫塔+濕式靜電除塵器”工藝路線組合的技術(shù)可行性。對煙氣排放常規(guī)氣態(tài)污染物（包括NOx、S02和Hg及其化合物）、顆粒物（煙塵及PM2.5）、非常規(guī)污染物（S03和液滴（主要含鈣、鎂離子））以及煙氣排放參數(shù)（包括煙氣流速、溫度、壓力、濕度、氧含量等）等多個監(jiān)測項目開展了測試T作。各監(jiān)測因子及采用的分析方法、儀器見表2。其中，除煙塵顆粒物在煙囪離地面45 m處測量以外（保證混合的均勻性），SCR系統(tǒng)出口NOx在裝置出口監(jiān)測，其余監(jiān)測因子均在煙囪人口處測量。
本次監(jiān)測全部采用手動監(jiān)測．不采用電廠CEMS數(shù)據(jù)。依據(jù)國家現(xiàn)有方法，S02和NOx的檢出限均為3 mg/m3，測定下限為10 mg/m3和12 mg/m3。
1.4 實(shí)驗煤種與檢測工況
(1)機(jī)組檢測工況：100%和75%．最大波動幅度不超過5%。
(2)監(jiān)測時間：每臺機(jī)組每種工況測試2天，2臺機(jī)組測試時間共8天。每天08:00-20:00進(jìn)行測試．08:00前將機(jī)組帶到試驗負(fù)荷．調(diào)整爐膛jL口氧量到試驗需求氧量(2.5%)。
(3)樣品數(shù)量：每天各監(jiān)測斷面每個監(jiān)測項目各取得4個有效樣品或測試結(jié)果(氣態(tài)污染物每個樣品測量時間最小為5 min,顆粒物樣品采樣時間依據(jù)現(xiàn)場排放情況確定）。
(4)煤質(zhì)情況：7號機(jī)組使用校核煤種，8號機(jī)組使用設(shè)計煤種，每臺爐燃用煤質(zhì)基本不變、燃料配比不變．其煤質(zhì)分析數(shù)據(jù)如表3所示。
2結(jié)果分析
2.1 超低排放燃煤電廠NOx排放特征分析
測試的燃煤電廠經(jīng)優(yōu)化改造低氮燃燒器和SCR脫硝裝置后，NOx排放濃度現(xiàn)場檢測結(jié)果及脫硝效率如圖2所示。檢測期問7、8號機(jī)組共4
個煙氣通道入口處的溫度范圍為3 10℃至320 ℃（平均314.88℃）；含濕量6.2%～6.8%(平均值為6.41%)；實(shí)測煙氣量為2.59xl06 m3／m3/h~3.48xl0m3/h（平均值為2.94x1 06 m3/h）。測試環(huán)境參數(shù)總體穩(wěn)定。
從圖2中可以看出，低氮燃燒器經(jīng)優(yōu)化后．不同工況負(fù)荷下．7號機(jī)組鍋爐出口N0x在245～288 mg/m3,8號機(jī)組鍋爐出口NOx控制濃度在229～283 mg/m3，滿足改造設(shè)計的鍋爐出口NOx控制在300 mg/m3以下的要求，、經(jīng)過SCR裝置脫硝后，7號機(jī)組炯囪人口NOx排放濃度在18.43～31.6mg/m3，脫除效率88.38%～92.79%。8號機(jī)組煙囪人口NO。排放濃度在18.56～34.0 mg/m3，脫除效率86.52%～93.08%。脫硝效率滿足85%的設(shè)計要求。監(jiān)測結(jié)果均在方法測定下限12 mg/m3以上。
對煙囪入口處NOx排放濃度進(jìn)行檢測（如圖3）．7號機(jī)組煙囪入口NO、排放濃度在11.23～35.4 mg/m3。8號機(jī)組煙囪入口N0x排放濃度在14.6~29.60mg/m3。煙囪入口處N0x排放濃度滿足50 mg/m3的超低排放設(shè)計限值要求。
此外,由于SCR出口處與煙囪入口處N0、濃度是同時開展監(jiān)測，因煙氣流動的滯后性．監(jiān)測數(shù)據(jù)未能保持一致。
2.2 超低排放燃煤電廠S02排放特征分析
測試燃煤電廠脫硫塔經(jīng)超低排放改造后，SO2排放濃度現(xiàn)場檢測結(jié)果及脫硫效率如圖4所示，由于該電廠脫硫塔出口與濕式靜電除塵器之問未設(shè)置檢測孔位，故無法對濕法脫硫系統(tǒng)脫硫能力進(jìn)行獨(dú)立評價。
從圖4中可以看出，電廠脫硫系統(tǒng)經(jīng)超低排放改造后，不同工況負(fù)荷下．7號機(jī)組脫硫塔入口SO2濃度在1 451～1 614 mg/m3，出口SO2濃度在9.54～17.01 mg/m3，脫硫效率98.95%～99.34%。8號機(jī)組脫硫塔人口SO，濃度在830～978 mg/m3，出口SO，濃度在7.69～9.51 mg/m3，脫硫效率98.88%～99.18%�？梢钥闯觯摿蛳到y(tǒng)入口SO，濃度在830～1 614 mg/m3波動時，出口SO，濃度均可以控制在20 mg/m3以下，具有一定的適應(yīng)性，超低排放系統(tǒng)排放濃度滿足35 mg/m3的超低排放設(shè)計限值要求。監(jiān)測結(jié)果部分不滿足方法測定下限12 mg/m3的要求，滿足3 mg/m3的檢測限要求。
2.3超低排放系統(tǒng)煙塵排放特征分析
測試燃煤電廠的除塵系統(tǒng)經(jīng)超低排放改造后．煙塵排放濃度監(jiān)測結(jié)果及脫除效率如圖5所示。
從圖5中可以看出，不同T況負(fù)荷下．7號機(jī)組脫硫塔人口煙塵濃度在5.95～13.99 mg/m，，脫硫塔和濕式電除塵器出口煙塵濃度在0.50～4.30m g/m3，除塵效率69.27%～95.27%。8號機(jī)組脫硫塔入口煙塵濃度在3.70～11.16 mg/m3，脫硫塔和濕式電除塵器出口炯塵濃度在l.10～9.30mg/m3，除塵效率28.94%～79.39%。8號機(jī)組對煙塵的控制效果優(yōu)于7號機(jī)組。除1組數(shù)據(jù)超過超低排放5 mg/m3設(shè)計限值外，其余炯塵檢測值均達(dá)到超低排放的5 mg/m3設(shè)計限值要求。分析原兇，一方面根據(jù)測試期間的工況，低低溫電除塵器運(yùn)行時入口溫度約90℃．略高于設(shè)計溫度86℃。另一方面．可能與低低溫靜電除塵器振打強(qiáng)度與頻率有關(guān)．建議對低低溫電除塵系統(tǒng)做進(jìn)一步研究。
由于在低濃度情況下現(xiàn)有測試方法的精度與準(zhǔn)確性存在不穩(wěn)定性，使得監(jiān)測濃度的波動范圍較大．也存在部分?jǐn)?shù)據(jù)無法檢出的困難。
2.4超低排放系統(tǒng)汞及其化合物排放特征分析
測試燃煤電廠煙囪入口 Hg及其化合物的排放濃度現(xiàn)場檢測結(jié)果及脫除效率如圖6所示。
從圖6中可以看出，不同工況負(fù)荷下，7號機(jī)組SCR入口Hg及其化合物濃度在17.18～22.05μg/m，出口濃度在1.45～2.19 μg/m3，脫汞效率為88.620/0～91.560/0。采用了改性催化劑的8號機(jī)組SCR入口Hg及其化合物濃度在2.570～8.375 μg/m3,出口濃度在0.71～1.31 μgm3，脫汞效率48.930～91.52%。超低排放丁藝路線組合對煙氣中的Hg具有一定的適應(yīng)性，出口Hg及其化合物排放均在2.2 μg/m3以下，滿足3μg/m3的超低排放設(shè)計限值要求。
由于8號機(jī)組煤質(zhì)中汞為22.1～85.6 ng/g，遠(yuǎn)低于7號機(jī)組煤質(zhì)的汞192～278 ng/g，在進(jìn)口濃度存在數(shù)量級差異的情況下，以去除效率評價改性催化劑對汞及其化合物的控制效果依據(jù)性不強(qiáng)，故改性催化劑對汞的控制效果尚需進(jìn)一步研究。
2.5 超低排放系統(tǒng)PM2.5排放特征分析
測試燃煤電廠的超低排放改造后PM2.5的排放濃度現(xiàn)場檢測結(jié)果及脫除效率如圖7所示。
從圖7巾可以看出，不同工況負(fù)荷下．7號機(jī)組脫硫塔入口煙氣中PM2.5為1.313～2.071 mg/m3，出口PM2.5為0.287～0.294 mg/m3，脫除效率為78.13%～85.80%。8號機(jī)組脫硫塔入口PM2.5為1.358～1.469 mg/m3， 出口PM2.5為0.153～0.160 mg/m3,脫除效率為88.73%～89.11%。脫硫塔和濕式靜電除塵器對PM2.5的綜合脫除效率在78%以上，出口PM2.5濃度控制在0.3 mg/m3以下。
對7號機(jī)組濕式靜電除塵器進(jìn)出口PM25濃度進(jìn)行測量，結(jié)果表明：入口處PM2.5排放濃度在1.03～1.15 mg/m3，出口PM2.5排放濃度在0.28～0.32mg/m3，脫除效率73.4%～74.8%．滿足濕電70%的超低排放設(shè)計限值要求，略低于85%的文獻(xiàn)報道值。
2.6超低排放系統(tǒng)液滴排放特征分析
液滴的排放與燃煤電廠“石膏雨”存在一定的關(guān)系．但曰前我國對液滴排放尚沒有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)．此監(jiān)測目的是考察脫硫系統(tǒng)對液滴的控制能力，、測試的燃煤電廠超低排放改造后炯?xì)庵幸旱蔚呐欧艥舛痊F(xiàn)場檢測結(jié)果如圖8所示。
從圖8中可以看出，不同工況負(fù)荷下，7號機(jī)組煙囪入口處液滴排放在4.20～27.60 mg/m3·8號機(jī)組脫硫塔入口液滴在2.80～9.10 mg/m3，均在30 mg/m3以下，控制效果總體較好。
2.7超低排放系統(tǒng)S03排放特征分析
測試燃煤電廠的超低排放改造后SO3的排放濃度現(xiàn)場檢測結(jié)果及脫除效率如圖9所示
從圖9中可以看出，不同工況負(fù)荷下,7號機(jī)組脫硫塔入口S03在10.24～11.19mg/m3，出口S03在2.92～3.15 mg/m'3，脫除效率69.30%～73.90%。8號機(jī)組脫硫塔入口SO，在7.73～9.93 mg/m3，出口so3在2.40～3.39 mg/m3，脫除效率65.90%～68.90%。煙囪入口處的SO3排放滿足5 mg/m3的超低排放設(shè)計限值要求，脫除效率大于65%。
2.8減排效益分析
通過搜集電廠超低排放改造前后同期的DCS數(shù)據(jù)，即工況煙氣量、煙溫、氧含量及排放濃度等參數(shù)，分析燃煤電廠S02、NOx和煙塵濃度的排績效與排放量變化情況，以及改造前后單位污染物治理成本，具體如表4和表5所示，
從表4和表5可以看出，該燃煤電廠S02、NOx和煙塵的排放量分別由超低排放改造前的1 965 t/a、2 627 t/a和1 026.5 t/a降低至815 t/a、831 t/a和79.45 t/a,降幅分別為58.5%、68.4%和92.3%．超低排放改造對主要煙氣污染物的減排效果明顯。但S02、NOx和煙塵單位治理成本分別由改造前的1 823元/t、9 872元／t和55元／t增加至2 319元／t、14 092元／t和1 17元／t．增幅分別為27%、28%和113%．超低排放改造后的治理成本有較顯著升高，經(jīng)初步核算．改造后多脫除的污染物平均成本為30元/kg，高于二氧化硫、氮氧化物全社會平均成本1.26元/kg。根據(jù)該電廠超低排放的投資成本和運(yùn)行成本預(yù)估．單位電量所增加的成本近0.02兀1( kW．h)，雖然發(fā)電成本有所增加，成本將達(dá)到0.48兀／(kW · h)，但遠(yuǎn)低于浙江省天然氣發(fā)電的0.904元／(kW ·h)、風(fēng)電的0.8元／(kW·h)、太陽能發(fā)電的1元／(kW -h)。因此在目前環(huán)境容量和用電需求的矛盾中，相較而言，通過超低排放實(shí)現(xiàn)火力發(fā)電的清潔化仍然是“性價比”最高的選擇。
3結(jié)論
(1)測試電廠采用“低氮燃燒技術(shù)和SCR脫硝+低低溫靜電除塵器+雙層托盤脫硫塔+濕式靜電除塵器”超低排放工藝路線組合．在燃用硫分不高于0.75%、灰分不高于16.2%、低位熱量不低于21.87 MJ/kg燃煤情況下，75%和100%負(fù)荷的工況，按照小時均值的評判方法，除監(jiān)測期間1組炯塵樣品監(jiān)測值超過超低排放設(shè)計排放限值外，其他的煙塵、S02、NOx和Hg及其化合物排放濃度均滿足工程提出的超低排放設(shè)計限值要求。改造工程工藝技術(shù)路線合理，證明了燃煤電站鍋爐實(shí)現(xiàn)超低排放的技術(shù)可行性。
(2)測試電廠主要煙氣污染物排放濃度均滿足《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃( 2014-
2020年)》提出的NOx50 mg/m3、S02 35 mg/m3和煙塵10 mg/m3超低排放限值要求。
(3)測試電廠PM2.5排放濃度均在0.3 mg/m3以下，濕式靜電除塵器對PM2.5的脫除效率在70%以卜。S03排放濃度控制在3.5 mg/m3以下，系統(tǒng)對sox的脫除效率大于65%。液滴的控制濃度在2.80～27.6 mg/m3。
(4)燃煤電廠超低排放改造后S02、N0x和煙塵年排放量降幅分別為58.5%、68.4%和92.3%，降幅較為顯著，超低排放技術(shù)的應(yīng)用有利于電廠的污染物減排，但改造后單位污染物的治理成本顯著增加，so2、NOx和煙塵單位治理成本增幅分別為27%、28%和113%。
(5)《固定污染源排氣中的顆粒物測定與氣態(tài)污染物采樣方法》(GB/T 16157-1996)巾的部分規(guī)定可能無法滿足超低排放條件下煙氣中顆粒物的監(jiān)測要求．建議相關(guān)部門加快嫻氣污染物低濃度監(jiān)測技術(shù)方法的制定及監(jiān)測設(shè)備的研發(fā)進(jìn)度，出臺針對超低排放濃度下煙氣污染物監(jiān)測技術(shù)規(guī)范。
4摘要：以中國東部沿海位于《重點(diǎn)區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃》重點(diǎn)控制區(qū)的某采用“低氮燃燒+SCR+低低溫靜電除塵+濕法脫硫+濕式靜電除塵”超低排放改造的燃煤電廠為研究對象，初步探索基于國家現(xiàn)有監(jiān)測方法與標(biāo)準(zhǔn)的超低排放電廠主要煙氣污染物的排放特征與環(huán)境效益。監(jiān)測結(jié)果表明：在燃用硫分不高于0.75%、灰分不高于16.2qo、低位發(fā)熱量不低于21.87 MJ/kg燃煤情況下，按照小時均值的評判方法，在75%和100%負(fù)荷工況，受檢燃煤電廠總排口N0x、S02、炯塵和Hg及其化合物最大排放濃度分別為35.44 mg／m3、17.11 mg/m3、9.30 mg/m3和2.19 μg/m，，滿足超低排放相關(guān)要求。S03. PM2.5和液滴排放濃度分別控制在3.5mg/m，、0.3 mg/m3和27.6 mg/m3以下，濕式靜電除塵對PM2.5的脫除效率大于70%；超低排放有利于燃煤電廠污染物減排，但改造后污染物單位治理成本顯著增大。另外，現(xiàn)有煙氣污染物監(jiān)測方法無法很好地滿足低濃度條件下監(jiān)測要求，建議相關(guān)部門盡快出臺針對燃煤超低排放的污染物監(jiān)測技術(shù)規(guī)范。
