近年來我國大面積區(qū)域性重污染灰霾天氣頻發(fā)，環(huán)境污染問題日益嚴重。2011年7月，環(huán)保部頒布了《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223-2011)，新標準規(guī)定了非常嚴格的污染物排放限值，被稱為史上最嚴的火電排放標準。2014年9月12日國家發(fā)展改革委、環(huán)保部、能源局三部門聯(lián)合印發(fā)《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃（2014-2020年）》，行動計劃明確了在基準氧含量6%條件下，煙塵、二氧化硫、氮氧化物排放濃度分別不高于10、35、50毫克/標立方米的超低排放要求。隨著污染物排放標準的不斷升級，對電廠環(huán)保設(shè)施也提出了更高的要求。一般情況下，常規(guī)脫硫塔的脫硫效率、粉塵脫除率分別約為95%、50%左右，常規(guī)ESP出口粉塵濃度一般在毫克/標立方米以上。要達到超低排放要求，高硫煤機組要求脫硫塔脫硫效率達到99%以上，環(huán)保設(shè)施除塵總效率達到99%以上，常規(guī)環(huán)保設(shè)施無法滿足要求。針對超低排放要求，國內(nèi)部分電廠采用濕式電除塵技術(shù)，該技術(shù)可以滿足煙塵小于5毫克/標立方米的排放要求，但存在初投資大、運行費用高、耗水量大等缺點。因此，針對常規(guī)脫硫除塵裝置進行創(chuàng)新性的技術(shù)改造升級，使其能夠在投資少、能耗低、運行可靠穩(wěn)定的前提下，滿足日益嚴格的排放要求，具有非常重要的意義。為此，中電投遠達環(huán)保工程有限公司組織公司研發(fā)骨干力量，針對新形勢下燃煤電廠煙氣超低排放脫硫除塵開展了各項研究工作。
       二、主要科技創(chuàng)新
       1.發(fā)現(xiàn)了脫硫塔內(nèi)氣、液、固三相的沸騰式泡沫強化傳質(zhì)規(guī)律；基于泡沫形成理論，開發(fā)出了具有強化氣、液、固傳質(zhì)效果的沸騰式泡沫傳質(zhì)系統(tǒng)；建立了沸騰式泡沫傳質(zhì)脫硫除塵計算模型，獲得了沸騰式泡沫傳質(zhì)脫硫除塵工程計算軟件，形成了微細顆粒脫除關(guān)鍵技術(shù)。
       深入研究了氣、液、固三相傳質(zhì)規(guī)律，開發(fā)出了沸騰式脫硫除塵技術(shù)。該技術(shù)通過在脫硫塔內(nèi)設(shè)置沸騰式脫硫除塵構(gòu)件，使煙氣通過該構(gòu)件自激發(fā)形成沸騰式泡沫層，增加了氣液接觸面積和湍流強度，增強了SO2與漿液的傳質(zhì)效果；通過泡沫對其內(nèi)部顆粒的慣性和擴散捕集作用，提高了粉塵顆粒與液相表面碰撞粘附機率，實現(xiàn)了對細顆粒粉塵的高效脫除，解決了常規(guī)脫硫系統(tǒng)超細粉塵脫除效率低的問題。本技術(shù)可在較低成本下實現(xiàn)燃煤電廠超低排放，脫硫效率達到99%以上，整體除塵效率達到80%以上。
       通過本項目，建立了燃煤電廠原煙氣沸騰式泡沫傳質(zhì)中試實驗裝置，該實驗平臺可對不同參數(shù)類型的沸騰式泡沫式傳質(zhì)構(gòu)件進行實驗研究，能真實反應(yīng)脫硫塔內(nèi)氣、液、固傳質(zhì)狀態(tài)；通過實驗研究并結(jié)合理論分析，發(fā)現(xiàn)了脫硫塔內(nèi)氣、液、固三相強化傳質(zhì)規(guī)律，得到了沸騰式泡沫式傳質(zhì)構(gòu)件不同參數(shù)對泡沫產(chǎn)生、形成、破裂等過程的影響規(guī)律，同時得到了泡沫內(nèi)SO2與液膜的傳質(zhì)機理，以及粉塵受到液膜作用的捕集機理。
       開發(fā)出了具有強化氣、液、固傳質(zhì)效果的沸騰式泡沫傳質(zhì)系統(tǒng)；根據(jù)流體力學(xué)、泡沫形成理論、氣液固傳質(zhì)理論并結(jié)合實驗結(jié)果，得到了不同開孔孔型、空隙率、孔徑大小、氣相負荷、液氣比等參數(shù)下，沸騰式脫硫除塵構(gòu)件對塔內(nèi)脫硫除塵效率的影響，確定了沸騰式脫硫除塵構(gòu)件關(guān)鍵參數(shù)的取值范圍，開發(fā)了具有阻力低、脫硫除塵效率高、運行穩(wěn)定的沸騰式泡沫傳質(zhì)系統(tǒng)。

圖1：沸騰式泡沫傳質(zhì)中試實驗裝置及泡沫除塵氣液區(qū)域狀態(tài)

圖2：不同的開孔形式

       建立了沸騰式泡沫傳質(zhì)脫硫除塵計算模型，獲得了沸騰式泡沫傳質(zhì)脫硫除塵工程計算軟件，形成了微細顆粒脫除關(guān)鍵技術(shù)。通過流體力學(xué)和傳質(zhì)理論研究，建立了沸騰式泡沫傳質(zhì)脫硫除塵阻力計算模型、脫硫效率計算模型以及除塵效率計算模型。將理論模型與實驗數(shù)據(jù)進行對比，修正了模型中關(guān)鍵系數(shù)，開發(fā)了沸騰式泡沫傳質(zhì)脫硫除塵工程計算軟件，已應(yīng)用于工程設(shè)計。

圖3：沸騰式泡沫傳質(zhì)脫硫除塵構(gòu)件及分級除塵效率

       2.開發(fā)了具有氣液耦合的精細化噴淋脫硫除塵技術(shù)，主要包括噴淋層精細化布置和無壁流吸收塔技術(shù)，解決了塔內(nèi)氣液分布不均、同一截面氣液比不合理以及壁流等問題，避免了煙氣走廊現(xiàn)象，提高了漿液有效利用率。開發(fā)了噴淋層精細化布置技術(shù)，結(jié)合噴淋脫硫原理，在不同噴淋層設(shè)計不同漿液量、噴嘴類型和霧化參數(shù)等，使每一層漿液都能有效利用，同時采用雙頭噴嘴、改善霧化參數(shù)，增強二次霧化效果，提高SO2傳質(zhì)效果以及粉塵被液滴捕集的概率；根據(jù)煙氣流場分布特點，同一層噴淋層配置不同噴嘴密度，合理分配漿液量。

圖4：噴淋層布置及漿液分布

       根據(jù)壁面流場特點，通過在壁面設(shè)置塔沿，開發(fā)了無壁流脫硫吸收塔，該技術(shù)可避免出現(xiàn)煙氣走廊，同時可將沿塔壁流下的漿液進行二次分配，增加了漿液的利用率。

圖5：無壁流塔示意圖及流場模擬

       3.發(fā)現(xiàn)了除霧器內(nèi)霧滴湍流捕集效應(yīng)，基于慣性碰撞原理及湍流效應(yīng)，開發(fā)了可捕集微細霧滴的慣性湍流雙驅(qū)高效霧滴捕集技術(shù)，解決了常規(guī)除霧器捕集微細霧滴捕集效率低的問題；通過研究石膏顆粒粒徑分布，得到了除霧器除霧效率對粉塵排放的貢獻關(guān)系。本技術(shù)可保證出口霧滴含量控制在20毫克/標立方米以下。發(fā)現(xiàn)了除霧器內(nèi)霧滴湍流捕集效應(yīng)，得到了不同顆粒粒徑的霧滴在除霧器中的捕集機理，基于慣性碰撞原理及湍流效應(yīng)，開發(fā)了可捕集微細霧滴的慣性湍流雙驅(qū)高效霧滴捕集技術(shù)，解決了常規(guī)除霧器捕集微細霧滴捕集效率低的問題。

圖6：不同粒徑霧滴在除霧器中的湍流效應(yīng)及除霧器實物圖

       通過研究石膏顆粒粒徑分布，同時對比除霧器的除霧特性，通過理論分析得到了除霧器除霧效率對粉塵排放的貢獻關(guān)系，該計算關(guān)系以成功應(yīng)用于實際工程設(shè)計。

圖7：不同葉片間距下煙氣流速與霧滴極限粒徑的關(guān)系及漿液中的石膏粒徑分布

       三、與當前國內(nèi)外同類技術(shù)主要參數(shù)、效益、市場競爭力的比較
       常規(guī)脫硫+干式除塵技術(shù)路線難以達到SO2≤35毫克/標立方米、粉塵≤5毫克/標立方米超低排放要求，本項目開發(fā)出了燃煤電廠煙氣超低排放脫硫除塵一體化技術(shù)，達到國際先進水平，可實現(xiàn)燃煤煙氣SO2排放濃度低于35毫克/標立方米，粉塵排放濃度低于5毫克/標立方米，達到超低排放標準。與常規(guī)脫硫噴淋塔+濕式電除塵超低排放技術(shù)路線相比，在滿足超低排放SO2≤35毫克/標立方米，粉塵≤5毫克/標立方米的條件下，對于改造項目，本技術(shù)初投資可節(jié)省50%以上，運行維護費用可降低約5%。
       以600兆瓦機組超低排放改造為例，本技術(shù)與常規(guī)脫硫噴淋塔+濕式電除塵超低排放技術(shù)路線相比數(shù)據(jù)匯總?cè)缦拢?/p>

       本技術(shù)具備單塔高效、投資少、能耗低、適應(yīng)性強、穩(wěn)定性高、工期短、不額外增加場地等特點，對現(xiàn)役機組提效改造及新建機組實現(xiàn)超低排放均具有良好的推廣使用價值。
       我國東部地區(qū)200兆瓦以上火電裝機容量約2億千瓦，如全部進行超低排放改造，采用本技術(shù)總投資節(jié)省約65億元，每年節(jié)省運行費用約4.5億元。目前，本技術(shù)正處于工程應(yīng)用推廣階段，需要在推廣應(yīng)用進程中，積累工程經(jīng)驗，進一步完善化、標準化。
       四、第三方評價
       1.技術(shù)鑒定報告。
       2015年6月27日，重慶市科學(xué)技術(shù)委員會在重慶召開了“實現(xiàn)超低排放的燃煤煙氣沸騰式泡沫脫硫除塵一體化技術(shù)與裝備”成果鑒定會，鑒定專家認為該技術(shù)具有自主知識產(chǎn)權(quán)，可達到超低排放先進技術(shù)指標，并已獲工程實踐驗證，整體達到國際先進水平，一致同意通過科技成果鑒定。創(chuàng)新性成果如下：
       研制了具有強化氣、液、固傳質(zhì)效果的沸騰式泡沫傳質(zhì)構(gòu)件，基于泡沫尺寸及其與顆粒物碰撞的優(yōu)化，實現(xiàn)了對細顆粒物的高效脫除。
       開發(fā)了氣液耦合精細化噴淋系統(tǒng)，顯著提高了噴淋液滴的均布性，并防止壁流，結(jié)合沸騰式泡沫傳質(zhì)構(gòu)件，實現(xiàn)了高效脫硫。
       研發(fā)了慣性湍流雙驅(qū)高效霧滴捕集技術(shù)，解決了常規(guī)除霧技術(shù)脫除微細霧滴效率低的問題，可有效減少因霧滴攜帶所帶出的固體顆粒物。
       該技術(shù)與裝備已在重慶合川電廠660兆瓦、上海漕涇電廠1000兆瓦、華能金陵電廠1000兆瓦機組等項目中得到應(yīng)用。經(jīng)第三方測試，均達到了國家規(guī)定的超低排放要求。
       2.性能測試報告。
       2014年10月20日受重慶合川發(fā)電有限責(zé)任公司委托，東北電科院對重慶合川發(fā)電有限責(zé)任公司4號機組進行了相關(guān)污染物排放指標測試，檢測結(jié)論如下：
       測試期間脫硝系統(tǒng)、電除塵系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)均正常投運，檢測結(jié)果表明：檢測期間，4號機組FGD出口SO2測試平均排放濃度為14.4毫克/標立方米，F(xiàn)GD脫硝效率達99.34%；FGD出口煙塵平均排放濃度7.98毫克/標立方米，滿足《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011）排放限值要求，各項指標達到工程設(shè)計要求。
       3.用戶意見。
       華能金陵電廠、重慶合川電廠等用戶評價“均優(yōu)于燃機排放標準，各項性能指標達到設(shè)計要求”、“各項性能指標達到設(shè)計要求，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠”。
       4.項目查新報告。
       通過科學(xué)技術(shù)部西南信息中心查新中心檢索，采用計算機檢索與手工檢索相結(jié)合的方式，查閱國內(nèi)8種數(shù)據(jù)庫和檢索資源，經(jīng)反復(fù)篩選，列出相關(guān)文獻，經(jīng)與檢出文獻對比分析，可以得出如下結(jié)論：
       已見有燃煤電廠煙氣協(xié)同治理的文獻報道，但涉及本項目所述開發(fā)出了燃煤電廠煙氣高效脫硫除塵協(xié)同治理技術(shù)及關(guān)鍵裝備，脫硫效率達99%，協(xié)同除塵效率達80%，粉塵出口含量<5毫克/標立方米、開發(fā)出了具有強化氣、液、固傳質(zhì)效果的沸騰式傳質(zhì)構(gòu)件和可捕集微細霧滴的除霧技術(shù)及關(guān)鍵裝置，可保證脫硫裝置出口液滴含量＜20毫克/標立方米等技術(shù)特征，未見文獻報道；
       綜合本項目所述主要技術(shù)特征的燃煤電廠煙氣高效脫硫除塵協(xié)同治理技術(shù)及應(yīng)用，在所檢文獻以及時限范圍內(nèi)，國內(nèi)未見文獻報道。
       5.推廣應(yīng)用情況
       本項目開發(fā)的實現(xiàn)超低排放的燃煤煙氣沸騰式泡沫脫硫除塵一體化技術(shù)與裝備已在重慶合川發(fā)電有限責(zé)任公司3號機組、上海上電漕涇發(fā)電有限公司2#機組、華能金陵電廠1號機組等項目實現(xiàn)了應(yīng)用。其中合川發(fā)電有限責(zé)任公司4號機組FGD出口SO2測試平均排放濃度為14.4毫克/標立方米，F(xiàn)GD脫硫效率達99.34%；FGD出口煙塵平均排放濃度7.98毫克/標立方米，滿足《火電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011）排放限值要求，各項指標達到工程設(shè)計要求；上海上電漕涇發(fā)電有限公司2號機組1000兆瓦煙氣超潔凈排放脫硫增容改造工程，實現(xiàn)中電投集團首臺百萬機組超低排放。該機組成為在中電投集團內(nèi)首次采用該新工藝技術(shù)的示范工程，經(jīng)實際運行數(shù)據(jù)顯示，各項性能數(shù)據(jù)良好，吸收塔入口SO2濃度為1019毫克/標立方米，吸收塔出口SO2濃度為12.23毫克/標立方米，吸收塔脫硫效率為98.799%；吸收塔入口煙塵為23.96毫克/標立方米，吸收塔出口煙塵為3.04毫克/標立方米，脫硫吸收塔除塵效率為87.3%。SO2及煙塵排放值均滿足國家環(huán)保要求的燃機排放標準，達到近零排放標準。同時該技術(shù)也在華能金陵電廠1號機組超低排放改造工程中得到應(yīng)用，由江蘇省環(huán)境監(jiān)測站現(xiàn)場測得煙塵、二氧化硫排放指標分別達到1.7-2.3毫克/標立方米、1-9毫克/標立方米，主要參數(shù)全部優(yōu)于設(shè)計值。（主創(chuàng)人員：張金倫、唐小健、聶  華、喻江濤、李紫龍、范振興、吳其榮）