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)保設施除塵總效率達到99%以上，常規(guī)環(huán)保設施無法滿足要求。針對超低排放要求，國內(nèi)部分電廠采用濕式電除塵技術，該技術可以滿足煙塵小于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鍵技術。
       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。該技術通過在脫硫塔內(nèi)設置沸騰式脫硫除塵構件，使煙氣通過該構件自激發(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)構件進行實驗研究，能真實反應脫硫塔內(nèi)氣、液、固傳質(zhì)狀態(tài)；通過實驗研究并結合理論分析，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、泡沫形成理論、氣液固傳質(zhì)理論并結合實驗結果，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件關鍵參數(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鍵技術。通過流體力學和傳質(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，已應用于工程設計。

圖3：沸騰式泡沫傳質(zhì)脫硫除塵構件及分級除塵效率

       2.開發(fā)了具有氣液耦合的精細化噴淋脫硫除塵技術，主要包括噴淋層精細化布置和無壁流吸收塔技術，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，結合噴淋脫硫原理，在不同噴淋層設計不同漿液量、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，通過在壁面設置塔沿，開發(fā)了無壁流脫硫吸收塔，該技術可避免出現(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，基于慣性碰撞原理及湍流效應，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，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系。本技術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，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，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，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系，該計算關系以成功應用于實際工程設計。

圖7：不同葉片間距下煙氣流速與霧滴極限粒徑的關系及漿液中的石膏粒徑分布

       三、與當前國內(nèi)外同類技術主要參數(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，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，本技術與常規(guī)脫硫噴淋塔+濕式電除塵超低排放技術路線相比數(shù)據(jù)匯總如下：

       本技術具備單塔高效、投資少、能耗低、適應性強、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，本技術正處于工程應用推廣階段，需要在推廣應用進程中，積累工程經(jīng)驗，進一步完善化、標準化。
       四、第三方評價
       1.技術鑒定報告。
       2015年6月27日，重慶市科學技術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與裝備”成果鑒定會，鑒定專家認為該技術具有自主知識產(chǎn)權，可達到超低排放先進技術指標，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，結合沸騰式泡沫傳質(zhì)構件，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，解決了常規(guī)除霧技術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)電有限責任公司委托，東北電科院對重慶合川發(fā)電有限責任公司4號機組進行了相關污染物排放指標測試，檢測結論如下：
       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計要求”、“各項性能指標達到設計要求，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠”。
       4.項目查新報告。
       通過科學技術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)反復篩選，列出相關文獻，經(jīng)與檢出文獻對比分析，可以得出如下結論：
       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)同治理技術及關鍵裝備，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)構件和可捕集微細霧滴的除霧技術及關鍵裝置，可保證脫硫裝置出口液滴含量＜20毫克/標立方米等技術特征，未見文獻報道；
       綜合本項目所述主要技術特征的燃煤電廠煙氣高效脫硫除塵協(xié)同治理技術及應用，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與裝備已在重慶合川發(fā)電有限責任公司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)了應用。其中合川發(fā)電有限責任公司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。同時該技術也在華能金陵電廠1號機組超低排放改造工程中得到應用，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）