脱除

本成果涉及燃料特性、锅炉设计、运行优化、环保等较宽技术领域。 煤炭高效梯级综合利用是国家重要发展战略之一。半焦是烟煤或褐煤经热解，脱除部分水分及挥发分形成的固态物质，属于煤化工的副产品之一，产量较大，但在冶金等传统行业利用不足 40%，严重阻碍该产业持续健康发展。电站煤粉锅炉及工业炉可消纳半焦产能，且半焦具有高热值、低硫、低氮等优点，是洁净可靠的发电燃料，但其挥发分低、磨损性结渣性强，易引起燃烧不稳、设备损耗、结渣沾污重等问题，制约其在电站煤粉锅炉及工业炉的规模化应用。 本成果可拓宽火电行业燃料选择范围，提升企业燃料安全性与企业竞争力，实现发电、煤炭与化工等企业的共赢，同时对国家煤炭综合利用具有积极的推动作用，并为我国其它超低挥发分燃料的研究与利用提供可靠的技术支持和手段，对电力行业的科技进步具有推动作用。

本项目成果的原理主要可以概括为以下几个方面：（1）“流动分区、粒径分级、旋流匹配”的高效除雾器的创新设计思路为深入研究旋流除尘除雾原理，提炼高效除雾器关键设计准则，本项目建设了单级/多级除雾器可视化模型实验台（如图2-1），通过实验研究，项目组提出了“流动分区、粒径分级、旋流匹配”的高效除雾器的创新设计思路。具体而言，采用双筒结构来确保满足自旋流液膜的形成条件，增强对小液滴的捕获能力，提高除雾器的抗结垢性能；采用两级/三级弯曲叶片，合理分配每一级的旋流强度，在第一级主要脱除大粒径颗粒并同时保证大颗粒/大液滴不发生大量破裂；对上下游叶片的进出口参数进行协调设计，确保旋流满足匹配条件，实现低压损下的高效可靠脱除。 本项目的创新点如下：①开发了流动分区、粒径分级、旋流匹配的高效除尘除雾器，并开发了高效除雾器的精益化设计系统；②形成了基于多变量自适应的除雾器冲洗水系统控制技术。本项目根本解决了现有除雾器部分负荷脱除效率低、雾滴逃逸高、对上游电除尘器性能要求严格等问题，为烟尘一体化脱除提供了高效可靠的关键设备。

煤电机组实现超低排放后，Hg和SO等非常规污染物成为燃煤电厂下一步烟气污染物治理工作的重点。烟气Hg和SO，污染对环境危害大，严重威胁人体健康，而且超低排放后SO浓度升高，给煤电机组带来空预器堵塞、设备腐蚀、有色烟羽等一系列问题。北京市地方标准要求燃煤锅炉承排放浓度限值为0.5Hg/Nm，杭州市地方标准已将燃煤机组SO，排放浓度限值列入征求意见稿。 现有环保设备对Hg和SO的协同脱除能力无法应对未来更严格的环保标准要求。燃煤电厂脱除烟气中Hg和SO主要采用单一污染物控制技术，即采用改性活性炭/改性飞灰吸附技术和湿式电除尘技术来分别脱除烟气中Hg和SO。然而，随着污染物控制种美不断增加，烟气净化设备数量逐渐增多，不仅提高了设备投资和运行费用，还使整个末端污染物治理系统更加庞大复杂，占地大、能耗高、运行风险大、副产物二次污染问题十分突出。同时，湿式电除尘设备安装在烟道尾部，在一定程度上能解决燃煤机组SO减排问题，但不能改善上游设备的工作条件，解决不了空预器堵塞、烟道腐蚀等影响机组安全可靠性的问题。利用一套设备实现多污染物协同脱除，已成为当前燃煤电厂可持续发展的必然选择。

燃煤电厂烟尘超低排放主要选用低低温电除尘技术、电袋/袋式除尘技术、脱硫除尘一体化技术和湿式电除尘技术，此类技术改造需要额外増加一套装置，系统复杂，维护工作量大，改造工期长，占地面积大，投资与运行维护费用高。电除尘是烟尘超低排放工艺的首个环节，其出口烟尘质量浓度普遍在30 ~100 mg/m3甚至更高，针对电除尘实施深度提效，使烟尘在源头上实现深度脱除将成为下一步烟尘治理的重点。本项目研发了“电除尘多场耦合深度提效技术”，可实现电除尘出口烟尘质量浓度低至10 mg/m3以下，显著提高了烟尘超低排放的安全性和可靠性，为烟尘超低排放提供了一种新的技术思路。

目的 燃煤电厂湿法烟气脱硫技术产生了大量含有重金属的废水，为脱除废水中的重金属，提出了氧化钙和偏铝酸钠沉淀耦合活性炭吸附法。 方法 在实验室研究沉淀法投料比、温度和pH值对吸附特性的影响，并对吸附剂种类和吸附层高参数进行优化。基于此，在三河电厂300 MW燃煤机组进行工程实验，在现场设备基础上加沉淀剂给料机与吸附装置并考察吸附效果。 结果 在最佳投料速度为160 kg/h、流速为1 m3/h、吸附高度为10 cm时，重金属脱除效率整体有明显提升。对比电厂原出口重金属含量，加装混合沉淀吸附装置后，铅、铬、铜、镍脱除效率分别提高了33.24%、81.93%、35.22%、57.52%。 结论 氧化钙和偏铝酸钠沉淀耦合活性炭吸附法能够有效地促进脱硫废水中重金属的脱除，为燃煤电厂废水的深度脱除提供了数据指导。

为系统分析燃煤机组SO3排放特性，通过对58台机组SO3生成和脱除情况进行测试，分析了炉内燃烧SO3生成、脱硝系统SO2/SO3转化情况，以及干式除尘器、湿法脱硫系统和湿式除尘器对SO3的脱除效果，从而获得燃煤机组SO3生成、迁移及控制规律。结果表明：燃煤机组SO3生成主要是由炉膛燃烧生成和脱硝系统SO2转化生成，其中炉内燃烧SO3的生成率约为炉内燃烧产生的SO2总量的1%，脱硝系统SO2/SO3的转化率也约为1%。静电除尘器、电袋除尘器以及湿法脱硫系统对SO3的脱除效果有限，静电除尘器SO3脱除效率为15%~25%，电袋除尘器为20%~40%，湿法脱硫系统为40%~60%；而低低温除尘器和湿式除尘器具备较高的SO3脱除效果，低低温除尘器SO3脱除效率为50%~80%，湿式除尘器为70%~90%。因此通过控制燃煤硫份或脱硝系统SO2/SO3转化率可以有效地控制SO3的生成，采用低低温除尘器和湿式除尘器可以有效降低SO3的排放，通过干式除尘器+湿法脱硫系统+湿式除尘器可将SO3控制在10 mg/m3以下。

烟气脱硝，是指将高温燃烧后（包括燃煤锅炉、燃油燃气锅炉以及一些工业炉）烟气中所含的有害物质—NO X 脱除的技术，包括 SCR 和 SNCR 两种主要技术流派，其中 SCR 是烟气脱硝的主流技术。所谓 SCR 技术，是指在锅炉的省煤器和空预器之间设置 SCR 反应器，在反应器内安装催化剂，在反应器之前的烟道截面内喷入还原剂（含氨气体），还原剂与 NOX 在催化剂表面上发生反应脱除 NO X 。SCR 烟气脱硝所使用的还原剂从根本上来说是氨气，需要在现场设置一套能够持续生产氨气的装置。从原料上来看，氨气制备系统可以分为无水液氨系统、氨水系统和尿素系统。其中使用液氨蒸发制备氨气的系统最为常用，原因是其投资最便宜，运输、使用成本也最低，但液氨系统存在重大的安全隐患，特别是它的运输和存储过程，液氨泄漏带来的危害非常大，安全事故屡见不鲜；氨水系统的投资、运行以及运输成本都很高，比液氨安全一些，但仍有一定的安全隐患；尿素系统的投资及运行成本与液氨系统相比较高，但运输成本相当，并且尿素系统基本上没有安全隐患，是最安全的氨气制备技术。 目前商业化应用的尿素制氨工艺技术主要有尿素水解和尿素热解，其中尿素水解又包括了普通水解（AOD、U2A、国内化工行业水解）和美国 Chemithon 的催化水解（SafeDeNOx），尿素热解则主要是美国燃料公司（Fueltech）所提供的 NOxOUT ULTRA 技术。和热解相比，水解由于采用电厂较为丰富的蒸汽作为热源，能耗较低。但 AOD、U2A 等国外水解技术，反应较慢需要庞大的反应器和缓冲装置，其投资和能耗较高。相对而言，尿素催化水解因为在化学反应中加入了催化剂，使得反应速度大大加快，能耗也大大降低。商业上相对成熟的催化水解技术主要是美国 Chemithon 公司的催化水解技术 SafeDeNOx，在美国有 3 台业绩，但是该技术在国内尚无应用。 本项目研究的低能耗尿素催化水解技术是在尿素普通水解和热解技术的基础上，提出的一种新型尿素制氨技术。经过磷酸铵盐类催化剂的催化作用，熔融状态的尿素可在温度 135~160℃、压力约 0.4-0.9MPa 下进行快速水解反应。催化剂的主要作用是通过改变了反应路径，从而大大加快反应速率，降低响应时间，实际系统的负荷跟踪时间可缩短在 1min 之内或更短。预计本项目的研究能够有效填补国内空白。

本项目研究与应用过程共产生授权专利9项，其中发明专利2项，实用新型专利6项，PCT国际专利1项。 烟气污染物超超低排放技术将进一步降低燃煤烟气的污染物排放水平和排放总量，其主要技术特点在于对非凝结性低浓度污染物具有更好的脱除效果，同时无二次污染废水产生，占地面积小，适合改造项目等特点； 在建设成本上略低于现有技术超超低排放技术，在不考虑回收冷凝水价值时本技术的运行成本上与现有技术持平，考虑回收冷凝水价值时本技术的运行成本远低于现有技术水平。 本技术应用项目有京能五间房电厂一期工程2×660MW机组工程。其中京能五间房电厂一期工程2×660MW机组工程于2015年9月18日开工建设，2018年10月17日首台660MW火电机组烟气超超低排放系统投入运营，第二台于2019年2月5日同步投入运行。 京能五间房电厂首台660MW火电机组烟气超超低排放系统投入运行期间，大气污染物排放SO2、烟尘的排放指标达到SO2 均值2.39 mg/Nm3、烟尘均值1.01mg/Nm3 的水平，远低于《火力发电厂大气污染物排放标准(GB13223)》所规定的燃气轮机超低排放标准，同步冷凝回收水量～126吨/时，满足厂区生产用水补水量。烟气超超低排放系统的投入运行满足锡林郭勒牧区的大气环保和水资源综合利用的需求，并取得了良好的效果。 大型燃煤火电机组烟气污染物超超低排放技术研究与工程应用项目技术符合国家产业发展政策，为市场提供更好的技术选择，从而推动环保产业的技术升级和产品装备更新换代，对推动我国环保产业的发展具有重要的意义；该技术的应用有助于增强当地在大气污染治理领域的综合实力，可应用于电力、供暖、石化等多个行业，为地区的节能减排做出贡献，尤其适用于环境脆弱、水资源匮乏区域的大气污染治理项目。

本项目属于工程热物理与能源利用学、大气污染防治、大气污染控制工程等领域。在国家和省部级科研项目的持续支持下，华能集团、华中科技大学、安徽紫朔环境工程技术有限公司、山东永耀琦泉环保科技有限公司等单位经过近十年的研发，系统研究了SO2、SO3、烟尘、NOx、Hg等污染物的高效脱除规律及一体化脱除规律，掌握了对各种工业过程具有普遍适用性的多污染物一体化干法脱除技术，主要科技内容如下：（一）搭建了计算机仿真模型、机理性试验台架与中间试验台架，计算机仿真和试验相结合，研究了大浓度范围内的污染物（SO2、SO3、烟尘、NOx、Hg等）脱除机理，掌握了污染物脱除效率的最大化规律和多污染物脱除的相互影响机制，筛选获得了高效、价廉的吸附剂/添加剂/催化剂，阐明了陶瓷催化过滤管的反吹再生机制。（二）借助催化剂理论计算、表征测试、性能评价等，分析了各组分赋存形态与催化剂性能之间的关系，掌握了催化剂抗中毒机理，成功开发了高效的低温脱硝催化剂配方；掌握了催化剂均布负载技术，摸清了烟尘捕集效率高、脱硝活性强的陶瓷催化过滤管的制备方法，在国内首次实现高效陶瓷催化过滤管的量产，通过精准调控脱硝催化剂的配方，可定制生产满足不同行业需求的陶瓷催化过滤管。（三）研发并建成了国内首台全尺寸陶瓷催化过滤管脱除多污染物的测试平台，为工程建设前评估陶瓷催化过滤管的性能提供了有效手段；开展了不同行业的一体化脱除工程的设计与放大研究，在国内首次将自主研发的陶瓷催化过滤管一体化脱除技术应用到生物质电厂、焦化行业，改造后硫、尘、硝均达到超低排放水平。项目取得授权发明专利18项、实用新型专利11项、软件著作权1项；出版专著1部，发表中文核心期刊论文20篇，SCI论文20篇。 本技术在60余家单位成功工程应用，稳定地实现了硫、尘、硝的超低排放，而且没有脱硫废水、烟囱防腐、白色烟羽等相关问题，具有较好的推广应用前景。该技术被列入了《国家鼓励发展的重大环保技术装备目录》（2017年版、2020年版），分别由中国电机工程学会和中国炼焦行业协会组织的成果鉴定认为该技术可广泛应用于生物质电厂、焦化、钢铁、水泥、燃煤电厂等行业的烟气治理，具有较好的应用和推广价值。

本研究提出了全新的燃煤机组烟尘一体化高效脱除与智能控制关键技术路线，包括电除尘器和脱硫系统协同除尘优化设计选型技术、高效除尘除雾器设计和脱硫除尘智能在线优化控制系统开发。通过超低排放改造前后设计参数的挖掘分析，结合脱硫除尘装置运行效果，得到了不同机组改造边界条件的相互影响规律，形成烟尘稳定达标排放和投资成本经济合理的电除尘器和脱硫系统协同除尘控制装置优化选型方法。通过设计具有流动分区、粒径分级、旋流匹配特点的高效除尘除雾器，为燃煤机组烟尘一体化脱除提供了经济、高效、稳定运行的关键设备。创建了基于在线数据挖掘及智能算法的脱硫除尘优化控制系统，通过对系统能耗、物耗的在线实时监控分析，实现了脱硫除尘一体化系统运行经济性的全面提升。 1、在电除尘器与脱硫吸收塔协同除尘技术方案设计方面：建立了187台燃煤机组多年煤种、设备配置和运行参数的动态数据库，揭示了关于电除尘器及脱硫系统改造参数对烟尘脱除效率影响的机理，创建了保证改造后烟尘排放长期稳定达标的除尘器及脱硫系统改造参数选型设计优化方法，开发了基于数据挖掘的燃煤机组烟尘一体化脱除设备集成优化选型系统，并应用于125台燃煤机组。 2、在烟尘一体化高效脱除关键设备开发方面：提出了“流动分区、粒径分级、旋流匹配”的高效除尘除雾器设计的创新方法，形成了基于数据挖掘的高冲洗效率除雾器冲洗水系统控制技术，开发了高效除雾器的精益化设计系统，据此研发了宽负荷适应性强、烟尘脱除效率高、雾滴排放浓度低、运行阻力小的新型高效除雾器并进行了工程应用，为燃煤机组烟尘一体化脱除提供了经济、高效、稳定运行的关键设备，为进一步提升脱硫系统运行经济性提供了更大的空间。 3、在提高脱硫除尘一体化运行经济性方面：创建了基于在线数据挖掘及智能算法的脱硫系统控制策略，研究了脱硫系统能耗、物耗在线实时监控方法，及基于数据挖掘的重要设备故障诊断方法，开发了脱硫智能在线优化控制系统，实现了脱硫除尘一体化系统运行经济性的全面提升。 本研究为国内燃煤机组超低排放改造提供了经济、高效的改造技术路线和科学的选型依据，为降低燃煤发电企业因环保改造增加的投资和运行成本提供了解决途径。项目成果成功应用于大唐集团125台机组超低排放改造项目，机组100%实现达标排放，节约投资超过20亿元，产生直接经济效益2.7亿元，减少烟尘排放9625吨/年。高效除雾器在机组50-100%宽负荷范围内、除尘器出口浓度大于40 mg/Nm3等条件下，能保证烟尘浓度稳定小于5 mg/Nm3，雾滴浓度小于15 mg/Nm3，运行阻力小于300 Pa。脱硫除尘智能优化系统节约电耗、水耗、物耗等运行成本运行成本4-10%。研究成果为超低排放改造提供了智能、高效、稳定、经济的技术路线，为降低发电企业因环保改造增加的投资和运行成本提供了解决途径，在节能降耗、绿色发展方面产生巨大的经济和社会效益。