技术观察：超低排放的“高深”之道
“燃煤电厂超低排放”今年又一次被写进政府工作报告，这一国家层面倡导的绿色行动吹响冲锋的号角。
在当前全面实施燃煤电厂超低排放之际，探索和确定科学合理的超低排放技术路线和运作模式成为全国发电企业的重大课题。
华能国际股份有限公司联合相关单位推出的“以低低温干式电除尘技术和具有高效除尘功能的湿法脱硫技术为核心的燃煤电站烟气协同治理技术路线”，为火电行业超低排放工作提供了重要参照。
高效渐变分级复合脱硫塔技术
吸收塔采用单回路喷淋塔设计，设一层托盘，四层喷淋层，一层薄膜持液层。采用石灰石—石膏就地强制氧化脱硫工艺。脱硫剂为石灰石(CaCO3)与水配制的悬浮浆液。在吸收塔内烟气中的二氧化硫与石灰石反应后生成亚硫酸钙，并就地强制氧化为石膏，石膏经一级脱水后抛弃或经二级脱水得到含水10%的石膏。
作为大唐集团首个实现全厂超低排放的企业，大唐南京发电厂超低排放设施上线近9个月来，机组粉尘、二氧化硫、氮氧化物等烟气排放指标均全面优于国家超低排放技术标准。图为该厂超低排放技术改造施工现场，工人们在1号机组湿除尘器钢架结构上进行施工时的场景。金纬摄
2015年12月30日，华能左权电厂(简称左权电厂)适用于高灰高硫煤的超低排放改造工程成功投运。“这是目前在燃煤电厂脱硫方面的重大创新，按照华能国际股份有限公司(简称华能国际)于2013年提出的烟气协同治理技术路线，该厂的脱硫装置达到了‘高效除尘、深度脱硫’的要求。”华能国际总工程师何勇告诉《中国电力报》记者。
据了解，以“高效除尘、深度脱硫”为理念的脱硫装置，被相关专家称为超低排放的“高深”之道。这是华能国际与武汉凯迪电力环保有限公司(简称武汉凯迪)联合开发的、具有完全自主产权的高效渐变分级复合脱硫塔技术。
左权电厂2号66万千瓦机组烟气脱硫改造项目，在脱硫塔入口烟气二氧化硫浓度为5440毫克/标准立方米、烟尘入口浓度为30毫克/标准立方米的条件下，以“高效除尘、深度脱硫”为理念的“高效渐变分级复合脱硫塔技术”实现脱硫塔出口烟气二氧化硫排放浓度小于30毫克/标准立方米、烟尘小于3毫克/标准立方米的排放要求。同时，该技术大大拓展了烟气协同治理技术对煤种的适用范围。
“高深”之源
在中西部上网电价较低的地域，许多燃煤电厂目前普遍采用价格较高的低硫煤，配合现有的超低排放技术能够成功达到排放标准，但也面临燃煤价格偏高的经营压力。
逐步使用中高硫煤成为燃煤电厂的一种选择，这对当前的超低排放技术提出挑战。
“目前还没有适用于中高硫煤的超低排放技术。因此，开发一套适用于中高硫煤的烟气超低排放技术不仅可以消除现在正采用中高硫煤电厂的超低排放压力，而且能对未来火电厂广泛使用成本较低的中高硫煤超低排放提供技术保障。”武汉凯迪总经理薛菲分析道。传统单塔脱硫装置仅能对低硫煤实现超低排放，尚未能处理中高硫煤实现超低排放。
2014年8月，为开发针对中高硫煤的超低排放技术，华能国际联合武汉凯迪，研发适用于中高硫煤燃煤机组的单塔超低排放烟气脱硫技术，无论从节约投资、降低运行成本还是从提高社会及环境效益上都具有重大意义。
按照华能国际提出的渐变分级复合塔技术设想，武汉凯迪迅速成立了“高效除尘&深度脱硫”研发团队，力争在中高硫煤燃煤烟气超低排放领域自主研发一套具有实际工业化应用的创新技术，填补国内空白，期待这一技术能开拓中高硫煤的适用范围。
如何创新，方向在哪儿，如何利用成本较低的单塔达到双塔的功能，一团迷雾。团队经过多次的讨论、碰撞，凭借广泛扎实的基础知识，开发了渐变分级复合脱硫工艺，并将化工领域的板式塔技术与渐变分级吸收理论相结合，在气液接触的末端研发了全新的薄膜持液层核心塔内件，采用单独循环的石灰石浆液作为吸收剂，利用其较高的pH值，实现深度脱硫。
理论有了，如何设计、如何操作?更为直接的问题摆在了团队的面前。通过广泛深入的调研、查阅无数的资料文献，核心技术的模样渐渐清晰并画在了图纸上，但可行不可行、材质如何选择、流场如何分布、压降多大、效率能否达到预期等疑问，没人知道。试，只能通过试验来验证和解决疑问。华能国际主要领导拍板决策进行冷态小试和热态中试试验，并在华能阳逻电厂搭建试验平台，进行热态中试试验。
研发团队在华能国际总工程师何勇、武汉凯迪总工程师赵红的带领下，一次一次讨论，一次一次试验，为研发团队指明了方向和前行道路。通过近一年的艰苦努力，中试试验完美落幕，首创的中高硫煤单塔超低排放技术研发成功。
2015年4月29日，中国电机工程学会在北京召开了对“高效渐变分级复合脱硫塔技术及中试试验验证”的技术评审会。评审委员一致认为，该自主研发技术在入口二氧化硫浓度6000毫克/标准立方米以下，单塔脱硫效率实现大于99.45%的性能要求，出口尘含量小于3毫克/标准立方米，同时吸收了国内外先进脱硫技术并有所创新，与双塔串联技术比较，研发技术有显著的技术经济优势。
“高深”之践
左权电厂1号、2号2×66万千瓦机组烟气脱硫工程于2011年投产。2013年，西安热工院对脱硫装置脱硫效率进行了性能测试，测试结果如下：脱硫效率为94.6%;二氧化硫出口浓度为281毫克/标准立方米;测试结果表明，脱硫装置经过2年时间运行，性能已有所降低，脱硫效率降低了0.4%，二氧化硫浓度升高了20.4毫克/标准立方米，达不到设计能力。
根据2015年1月份该厂提供的运行数据，脱硫装置运行4年以来，脱硫效率整体下降了2.8%，与设计值相比，存在较大的差距，与超低排放要求则相去甚远。由于国家及地方环保政策的提高，左权电厂现有脱硫装置中无法满足二氧化硫和烟尘达到30毫克/标准立方米和3毫克/标准立方米的排放限值要求，因此脱硫装置的改造势在必行。
“从机组的运行情况看，2013年较2011年，脱硫效率有所降低，2015年较2013年，脱硫效率进一步降低。脱硫效率持续下降的原因是由于浆液循环泵的连续运行，叶轮发生磨损，浆液循环泵时间运行参数偏离了原设计参数，循环泵实际流量和扬程低于原设计参数，造成脱硫效率的下降。”武汉凯迪相关负责人表示。
华能国际与武汉凯迪针对2号机组烟气脱硫改造工程进行研究，通过对现有装置的改造，以期二氧化硫、烟尘达到超低排放要求。鉴于环保政策越来越严的变化趋势，为了脱硫改造后脱硫装置能对环保政策有一定的前瞻性和适应性，本次脱硫装置改造尽可能按照较高的标准执行。
“原有脱硫装置并未专门考虑吸收塔的除尘功能，所以在脱硫改造时，必须考虑提高脱硫装置的除尘能力。这也正好是华能国际烟气协同治理技术路线的具体体现。改变了过去主要由单一设备处理单一污染物，实现了多个设备处理多种污染物。”何勇介绍道。
由于国家环保标准的提高，国内大部分电厂都在进行超低排放改造，受到单塔脱硫效率的限制，目前已经投入运行并且能够达到超低排放要求的项目，脱硫效率基本在98%~99%之间，国内利用单塔能够达到98%~99%脱硫效率的主要技术如下：双托盘喷淋塔、FGDPLUS技术、单塔双区、旋汇耦合脱硫技术、薄膜持液层托盘脱硫技术。
通过比较发现，双托盘吸收塔技术、单塔双区技术、旋汇耦合脱硫技术和FGDPLUS技术脱硫效率最高只能达到99%以下，难以满足该项目99.45%的要求。只有薄膜持液层托盘脱硫技术能够满足该项目脱硫效率的要求，并且具有占地面积小、系统简单、操作灵活、机组适应性强、项目初投资低、系统阻力适中、除尘效率高和综合能耗低等优点，因此单塔方案推荐采用薄膜持液层托盘脱硫技术。
该技术吸收塔采用单回路喷淋塔设计，为了满足提高脱除效率及除尘要求，吸收塔设一层托盘，四层喷淋层，一层薄膜持液层。
优化托盘设计使塔内烟气分布更均匀;研制新型喷嘴、改进除雾器性能，以拦截更多含固液滴及粒径增长后的烟尘颗粒。采用石灰石—石膏就地强制氧化脱硫工艺。脱硫剂为石灰石(CaCO3)与水配制的悬浮浆液。在吸收塔内烟气中的二氧化硫与石灰石反应后生成亚硫酸钙，并就地强制氧化为石膏，石膏经一级脱水后抛弃或经二级脱水得到含水10%的石膏。
按照烟气协同治理的工艺路线，左权电厂将进行低低温电除尘器改造，脱硫系统的改造将结合低低温电除尘器的应用，实现烟气协同治理，这个工艺路线的应用，可有效控制烟尘的排放。该厂一期2号机组脱硫改造工程静态投资为6500.2万元，单位造价为98.49元/千瓦。该厂2号机组烟气脱硫改造工程，本次改造设计煤种煤质FGD入口二氧化硫浓度按5440毫克/标准立方米考虑。对左权电厂而言，二氧化硫排放量的控制至关重要。根据国家及地方的环保政策，出口二氧化硫排放浓度要小于30毫克/标准立方米。左权电厂改造后脱硫装置入口二氧化硫5440毫克/标准立方米，项目改造完成后，按照出口30毫克/标准立方米计算，2台机组每年减少二氧化硫排放量约1402吨。
工程实施过程中，左权电厂厂长于全宁带领员工在晋中严寒冬季克服和解决了许多冬季施工问题。2015年12月30日，该厂圆满完成了2号机组超低排放的改造任务，机组顺利投运。
“高深”之思
据华能集团首席专家李卫东介绍，“高效除尘、深度脱硫”技术方案工艺系统设计中考虑的措施──二氧化硫吸收系统采用目前世界上最成熟和可靠的工艺技术，整套脱硫装置电耗低，运行费用相应降低。该系统相对于串联塔方案，采用托盘加薄膜持液层的改造方案，在实现同样的脱硫除尘性能前提下，能有效减小系统阻力，降低液气比，从而降低能耗，运行检修费用也相对降低。
在积极推进“高效除尘、深度脱硫”技术方案落地的过程中，研发团队十分重视成果保护，针对核心技术申请专利《一种分级反应复合脱硫塔》获授权，另外两项专利《S形条形泡罩脱硫除尘塔盘》和《高效渐变分级复合脱硫塔》正在审查过程中。
华能国际相关负责人介绍，应用了“高效除尘、深度脱硫”技术方案的电厂，各项指标均达到超低排放的限值要求，符合环保产业政策要求，具有十分深远的意义。
“高效除尘、深度脱硫”技术方案迅速得到了业内专家及相关发电企业的青睐。薛菲对于这一技术成果的具体应用充满信心。“现在很多发电企业都来跟我们洽谈这一技术路线的合作，有些已经在实施当中。”据薛菲介绍，这一技术方案拓宽了电力设备环保企业的发展路径。
对于基层发电企业的负责人于全宁来讲，“高效除尘、深度脱硫”技术方案的实施让企业燃料应用方面增加了可能性，将来多种硫分的煤种都可以合理使用，并且达到了超低排放的要求。据了解，我国煤炭资源中高硫煤占比大约30%，随着优质煤的使用量日益增大，我国燃煤电厂将面对低硫煤日益减少，燃料成本上升，而合理地选择使用中高硫煤的局面。
“发电企业能够真正参与到环保技术的研发当中，与环保设备企业共同攻关，共同拥有技术成果，这是电力科技在合作模式方面的创新实践。”参与技术评审的中国电机工程学会相关专家，对“高效除尘、深度脱硫”技术的研发模式格外关注。相关专家建议，在国家倡导创新驱动战略的大背景下，作为实施和应用各类创新技术的主体企业，发电企业自身应该真正融入到技术研发的全产业链中，通盘谋划技术创新的各个环节，积极联合相关产业合作。
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