第二節(jié)　國內(nèi)外燃煤機組污染物排放現(xiàn)狀

一、我國環(huán)保政策及面臨形勢

火電廠燃煤鍋爐主要排放煙塵、二氧化硫和氮氧化物、汞及其他重金屬等大氣污染物。2011年7月，環(huán)境保護部（現(xiàn)生態(tài)環(huán)境部）批準并正式發(fā)布了《火電廠大氣污染物排放標準》（GB 13223—2011），在此標準中首次將汞及其化合物正式納入控制范圍，要求標態(tài)下汞及其化合物排放濃度不得高于0.03mg/m3，2012年1月1日后新建燃煤電廠標態(tài)下煙塵、SO₂、NO_x的排放量分別不得超過30mg/m3、100mg/m3、100mg/m3。

2012年10月國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于重點區(qū)域大氣污染防治“十二五”規(guī)劃》，規(guī)劃目標：到2015 年，重點區(qū)域二氧化硫、氮氧化物、工業(yè)煙粉塵排放量分別下降12%、13%、10%，揮發(fā)性有機物污染防治工作全面展開，環(huán)境空氣質(zhì)量有所改善，可吸入顆粒物、二氧化硫、二氧化氮、細顆粒物年均濃度分別下降10%、10%、7%、5%，臭氧污染得到初步控制，酸雨污染有所減輕，建立區(qū)域大氣污染聯(lián)防聯(lián)控機制，區(qū)域大氣環(huán)境管理能力明顯提高。京津冀、長江三角洲、珠江三角洲區(qū)域?qū)⒓氼w粒物納入考核指標，細顆粒物年均濃度下降6%。

2013年9月，國務(wù)院發(fā)布《大氣污染防治行動計劃》（國發(fā)〔2013〕37號），具體指標：到2017年，全國地級以上城市可吸入顆粒物濃度比2012年下降10%以上，優(yōu)良天數(shù)逐年提高；京津冀、長江三角洲、珠江三角洲等區(qū)域細顆粒物濃度分別下降25%、20%、15%左右，其中北京市細顆粒物年均濃度控制在60μg/m3左右。

2014年9月國家發(fā)改委、環(huán)境保護部、國家能源局三部委聯(lián)合發(fā)布《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），指出要嚴控大氣污染物排放，新建燃煤發(fā)電機組（含在建項目和已納入國家火電建設(shè)規(guī)劃的機組）應(yīng)同步建設(shè)先進高效脫硫、脫硝和除塵設(shè)施，不得設(shè)置煙氣旁路通道。東部地區(qū)（遼寧、北京、天津、河北、山東、上海、江蘇、浙江、福建、廣東、海南11省市）新建燃煤發(fā)電機組大氣污染物排放濃度基本達到燃氣輪機組排放限值（即在基準氧含量6%、標態(tài)條件下，煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10mg/m3、35mg/m3、50mg/m3），支持同步開展大氣污染物聯(lián)合協(xié)同脫除，減少三氧化硫、汞、砷等污染物排放。同時加快現(xiàn)役機組改造升級，重點推進現(xiàn)役燃煤發(fā)電機組大氣污染物達標排放環(huán)保改造，燃煤發(fā)電機組必須安裝高效脫硫、脫硝和除塵設(shè)施。穩(wěn)步推進東部地區(qū)現(xiàn)役30萬千瓦及以上公用燃煤發(fā)電機組和有條件的30萬千瓦以下公用燃煤發(fā)電機組實施大氣污染物排放濃度基本達到燃氣輪機組排放限值的環(huán)保改造。

2015年12月11日環(huán)境保護部、國家發(fā)改委、國家能源局三部委聯(lián)合發(fā)布的《全面實施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造的工作方案》（環(huán)發(fā)〔2015〕164號）提出：到2020年，全國所有具備改造條件的燃煤電廠力爭實現(xiàn)超低排放（即在基準氧含量6%標態(tài)條件下，煙塵、SO₂、NO_x排放濃度分別不高于10mg/m3、35mg/m3、50mg/m3）。全國有條件的新建燃煤發(fā)電機組達到超低排放水平。加快現(xiàn)役燃煤發(fā)電機組超低排放改造步伐，將東部地區(qū)原計劃2020年前完成的超低排放改造任務(wù)提前至2017年前總體完成；將對東部地區(qū)的要求逐步擴展至全國有條件地區(qū)，其中，中部地區(qū)力爭在2018年前基本完成，西部地區(qū)在2020年前完成。全國新建燃煤發(fā)電項目原則上要采用60萬千瓦及以上超超臨界機組，平均供電煤耗（按標煤計）低于300g/（kW·h），到2020年，現(xiàn)役燃煤發(fā)電機組改造后平均供電煤耗低于310g/（kW·h）。

2018年浙江杭州發(fā)布《鍋爐大氣污染物排放標準》（征求意見稿），征求意見稿對三氧化硫的排放提出了具體要求。自標準實施之日起新建燃煤熱電鍋爐及65t以上燃煤鍋爐執(zhí)行（標態(tài)）顆粒物5mg/m3、二氧化硫35mg/m3、三氧化硫5mg/m3、氮氧化物50mg/m3、氨2.5mg/m3。現(xiàn)有鍋爐自2020年7月1日起也執(zhí)行上述標準。2018年，天津、河北、徐州還出臺煙氣凝水脫出污染物標準，標準草案中要求：燃煤發(fā)電鍋爐應(yīng)采取相應(yīng)技術(shù)降低煙氣排放溫度和含濕量，通過收集煙氣中過飽和水蒸氣中水分的方式，減少污染物排放。煙氣排放溫度夏天低于48℃，冬天低于45℃，并鼓勵實現(xiàn)消白煙。國內(nèi)“2+26”個城市也逐步出臺政策，鼓勵燃煤鍋爐煙囪消白煙。

二、超低排放標準

燃煤機組排放達到或基本達到燃氣輪機組排放標準限值的被業(yè)內(nèi)稱為超低排放，超低排放的定義為：在燃用煤質(zhì)較為適宜的情況下、采用技術(shù)經(jīng)濟可行的煙氣污染治理技術(shù)，使得煙塵、SO₂、NO_x在標態(tài)下排放分別小于10mg/m3、35mg/m3、50mg/m3的煤電機組，稱為超低排放煤電機組。

表1-4為世界主要國家燃煤電廠污染物排放標準和我國不同地區(qū)、發(fā)電集團超凈排放指標匯總。由表1-4可看出美國2011年5月3日及以后新建與擴建投運的煤電機組執(zhí)行的標準較為嚴格，折算后顆粒物（我國標準中為煙塵，煙塵是顆粒物中的一部分）、SO₂、NO_x排放標準限值（標態(tài)）分別為12mg/m3、130mg/m3、91mg/m3，相比美國、日本、歐盟等發(fā)達國家及地區(qū)的燃煤電廠污染物排放標準，我國實行的污染物排放標準（標態(tài)）更加嚴格（5mg/m3、35mg/m3、50mg/m3），我國超低排放已達到世界最嚴。

三、燃煤機組污染物控制技術(shù)

“十一五”以來，電力常規(guī)大氣污染物排放相繼達到峰值。1980～2014年中國電力污染物排放情況如圖1-5所示。從2014年開始，火電廠大氣污染物排放量快速下降，實現(xiàn)了“十一五”以來的最大降幅。其中，電力煙塵排放量由1979年左右的峰值（年排放量約600萬噸）降至2014年的98萬噸，單位火電發(fā)電量煙塵排放量為0.23g/（kW·h）；煤電煙氣脫硫裝機比重由2005年的14%提高到2014年的91.4%，電力二氧化硫排放量由2006年的峰值（年排放量約1350萬噸）降至2014年的620萬噸，與1995年的排放量相當，單位火電發(fā)電量二氧化硫排放量為1.47g/（kW·h）；煤電煙氣脫硝比重快速提高至2014年的82.7%，電力氮氧化物排放量由2011年的峰值（年排放量約1000萬噸）降至2014年的620萬噸，單位火電發(fā)電量氮氧化物排放量為1.47g/（kW·h）（注：上述數(shù)據(jù)來自中國電力企業(yè)聯(lián)合會）。

1.顆粒物控制技術(shù)

PM_2.5是判斷環(huán)境質(zhì)量優(yōu)劣的主要指標之一，其濃度值是反映我國經(jīng)濟綠色發(fā)展的重要標尺，而目前我國已成為全球PM_2.5污染最為嚴重的地區(qū)之一，尤以京津冀、長江三角洲、珠江三角洲、汾渭平原等地區(qū)最為嚴重。國家發(fā)改委、環(huán)境保護部、能源局于2014年聯(lián)合發(fā)布了新的燃煤電廠大氣污染物排放標準，要求粉塵的排放濃度（標況）不得超過10mg/m3，個別省市的標準更為嚴格，排放限值（標況）為5mg/m3。各級政府都面臨粉塵尤其是細顆粒物減排的艱巨任務(wù)，因此研究粉塵排放大戶燃煤電廠細顆粒物的脫除對粉塵的超低排放具有重要意義。

傳統(tǒng)的煙塵控制技術(shù)有靜電除塵器和布袋除塵器，其中靜電除塵器的除塵效率可達到99.6%。2000年以后，由于燃煤灰分中的SiO₂、Al₂O₃成分比重增加，高比電阻煤種增多，靜電除塵器對這些煤種敏感，煙塵排放變大，因此開始引入布袋除塵器。2010年后我國環(huán)境持續(xù)惡化，出于對濕法脫硫石膏雨的控制，我國開始研究濕式電除塵技術(shù)。2012年我國燃煤機組開始使用濕式電除塵器，煙塵排放濃度低于10mg/m3。同時開展低低溫電除塵技術(shù)應(yīng)用，在靜電除塵器前增設(shè)低溫省煤器以使除塵器入口處煙氣溫度降至酸露點以下（ 90℃），提高靜電除塵器的除塵效率。

2.氮氧化物控制技術(shù)

控制原理：對于熱力型NO_x，通過降低燃燒區(qū)的燃燒溫度、降低氧氣濃度或縮短燃料在高溫區(qū)的停留時間來進行控制；對于燃料型NO_x，通過在燃燒區(qū)形成還原性氣氛、及時著火進行控制。

燃燒過程中，控制NO_x的技術(shù)有煙氣再循環(huán)、低NO_x燃燒器、分級燃燒（空氣分級或燃料分級），這些技術(shù)的優(yōu)點為成本低、不需催化劑、運行維護費用低，脫硝效率中等，為50%～80%；缺點為對爐內(nèi)燃燒需進行合理組織，以避免結(jié)焦及燃燒效率降低等問題。

一般情況下低NO_x燃燒技術(shù)最多只能降低50%的NO_x排放量，當要求鍋爐的NO_x降低率超過90%才能滿足排放標準時，就必須考慮煙氣脫硝技術(shù)，煙氣脫硝技術(shù)主要有干式和濕式兩種：干式技術(shù)有采用催化劑促進NO_x還原反應(yīng)的選擇性催化脫硝法（SCR）和非選擇性催化脫硝法（SNCR）、電子束照射法和同時脫硫脫硝法等；濕式技術(shù)目前主要是液相吸收劑或利用煙氣脫硫系統(tǒng)在脫硫的同時實現(xiàn)脫硝。但無論哪一種煙氣脫硝技術(shù)都存在運行費用高的問題。

目前，燃煤機組形成了低氮燃燒與煙氣脫硝相結(jié)合的技術(shù)路線。

（1）低氮燃燒

技術(shù)比較成熟、投資和運行費用低，是控制NO_x最經(jīng)濟的手段。主要通過降低燃燒溫度、減少煙氣中氧量等方式減少NO_x的生成量。但對于貧煤、劣質(zhì)煙煤，目前的低氮燃燒技術(shù)還有待改善，低氮燃燒改造應(yīng)以不降低或少降低鍋爐效率為前提。

（2）SCR

技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛的煙氣脫硝技術(shù)，是控制NO_x最根本的措施。其原理是在催化劑存在的情況下，通過向反應(yīng)器內(nèi)噴入脫硝還原劑氨，將NO_x還原為N₂。此工藝反應(yīng)溫度在300～450℃之間，脫硝效率通過調(diào)整催化劑層數(shù)能穩(wěn)定達到60%～93%。與低氮燃燒相結(jié)合可實現(xiàn)100mg/m3及更低的排放要求。其主要問題是如何實現(xiàn)進入SCR前的流場均勻、氨濃度場均勻、氨逃逸小等，否則會導(dǎo)致后面的空預(yù)器堵塞。

（3）SNCR

在高溫條件下（850～1050℃），由尿素/氨作為還原劑，將NO_x還原成N₂和水，脫硝效率為25%～60%，主要應(yīng)用在流化床鍋爐，氨逃逸率較高，且隨著鍋爐容量的增大，其脫硝效率呈下降趨勢。

3.二氧化硫控制技術(shù)

2000年以后我國開始治理SO₂，我國絕大部分脫硫系統(tǒng)采用石灰石-石膏濕法脫硫。也有采用爐內(nèi)噴鈣、流化床添加石灰石進行爐內(nèi)脫硫，采用半干法及干法進行煙氣脫硫，也有采用氨法、活性炭/活性焦進行煙氣脫硫。

流化床爐內(nèi)噴鈣或者添加石灰石脫硫的主要原理是利用石灰石分解產(chǎn)生的氧化鈣與煙氣中的二氧化硫反應(yīng)生成亞硫酸鈣和硫酸鈣。石灰石-石膏濕法脫硫是煙氣進入吸收塔后與吸收漿液接觸混合，最后產(chǎn)物為固化二氧化硫的石膏副產(chǎn)品。而氨法脫硫是二氧化硫與氨反應(yīng)生成硫酸銨，硫酸銨為無色結(jié)晶或者白色顆粒，主要用作肥料。活性焦/活性炭脫硫是利用活性焦/活性炭的吸附作用干法去除煙氣中的二氧化硫。爐內(nèi)噴鈣及石灰石添加脫硫，系統(tǒng)簡單，運行經(jīng)濟性好，但脫硫效率偏低。石灰石半干法及干法脫硫效率偏低，一般只適合SO₂不超過1500mg/m3的煙氣，最好是SO₂低于1000mg/m3的煙氣。石灰石-石膏濕法脫硫效率高、工藝成熟，已成為國內(nèi)外主流的脫硫技術(shù)。氨法脫硫技術(shù)成熟，也有不少機組使用，但存在副產(chǎn)物銷售市場問題，氨逃逸、硫酸氫銨氣溶膠逃逸等導(dǎo)致排放細顆粒物難以達到超低排放標準問題。

4.新技術(shù)研發(fā)

隨著環(huán)保要求的進一步提高，各種新的技術(shù)得到研發(fā)和示范。

①低溫SCR技術(shù)：其原理與傳統(tǒng)的SCR工藝基本相同，兩者的最大區(qū)別是高溫SCR法布置在省煤器和空氣預(yù)熱器之間高溫（300～450℃）、高塵（20～50g/m3）端，而低溫SCR法布置在鍋爐尾部除塵器后或引風機后、FGD前的低溫（100～200℃）、低塵（<100mg/m3）端，可大大減小反應(yīng)器的體積，改善催化劑運行環(huán)境，具有明顯的技術(shù)經(jīng)濟優(yōu)勢，是可與傳統(tǒng)SCR競爭的技術(shù)。

②炭基催化劑（活性焦）吸附技術(shù)：炭基催化劑（活性焦）具有比表面積大、孔結(jié)構(gòu)好、表面基團豐富、原位脫氧能力高且具有負載性能和還原性能等特點，既可作載體制得高分散的催化體系，又可作還原劑參與反應(yīng)。在NH₃存在的條件下，用炭基催化劑（活性焦）材料作載體催化還原劑可將NO_x還原為N₂。

③脫硫脫硝一體化技術(shù)：在石灰石-石膏濕法工藝的基礎(chǔ)上，耦合研究開發(fā)的脫硝液、抑制劑、穩(wěn)定劑等，在不影響脫硫效率的前提下，可實現(xiàn)NO_x的聯(lián)合控制。

④濕式相變凝聚“雙深”技術(shù)［10，11］：在脫硫塔后面煙道中加裝煙氣冷凝裝置，通過對飽和煙氣冷凝，實現(xiàn)四大功能：a.“深度”回收大量煙氣中所含的水；b.實現(xiàn)對微細粉塵、重金屬、SO₃、可溶性硫酸鹽等多污染物的“深度”協(xié)同脫除；c.回收煙氣中大量的汽化潛熱，煙氣余熱回收后可用于加熱除鹽水或通過熱泵升溫給用戶供暖；d.降低了煙氣中絕對含濕量，有利于煙氣消白。

⑤細顆粒物化學團聚技術(shù)［12］：指使用固體吸附劑捕獲超細顆粒物的除塵方法，主要通過物理吸附和化學反應(yīng)相結(jié)合的機理來實現(xiàn)。在煤燃燒高溫條件下能夠穩(wěn)定存在的吸附劑，不僅和超細顆粒物反應(yīng)生成較大粒徑的顆粒，還能為氣化態(tài)物質(zhì)提供凝結(jié)面。根據(jù)化學團聚劑加入位置的不同，可分為燃燒中化學團聚和燃燒后化學團聚。