当前，国家及地方政府对火力发电厂大气污染物排放指标要求日趋严格，大气污染物“近零排放”必将是国家未来环保的发展趋势。由于各发电企业的地理位置、燃料种类及所采用的环保设备各有不同，使得污染物排放指标也存在差距。为了达到国家以及地方政府对大气污染物的排放标准要求，火力发电厂必须采取行之有效的环保设施优化措施^[1,2,3]。本文以内蒙古地区某“三塔合一”燃煤机组为例，介绍其主要环保设施低成本优化设计方案，供相关燃煤发电机组参考。 1 工程概况

某电厂位于内蒙古自治区呼和浩特市境内，一期建设2×350MW冷热电联供机组，锅炉为超临界、复合滑压运行及定压运行方式直流煤粉锅炉，一次中间再热、单炉膛平衡通风、Π型布置、固态排渣、紧身封闭、全钢架悬吊结构。同步建设脱硝、脱硫及除尘设施。间接冷却塔、烟囱、脱硫吸收塔“三塔合一”布置，2台机组共用1个冷却塔。

“三塔合一”技术是利用冷却塔的巨大热量和热空气量对脱硫后的湿烟气进行抬升，抬升高度远高于210m的烟囱，有利于烟气中污染物的稀释和扩散，进而提高环境质量^[4,5,6]。2 环保设施的初始设计情况 2.1 脱硝设施

该电厂脱硝设施采用选择性催化还原工艺（Se⁃lective Catalytic Reduction，简称SCR），平板型催化剂，2+1设计（2层工作、1层预留）；反应器布置于省煤器和空预器之间，还原剂为液氨。脱硝设施主要设计参数见表 1。

表 1(Table 1)

表 1 脱硝设施主要设计参数

表 1 脱硝设施主要设计参数

脱硫设施采用石灰石—石膏湿法烟气脱硫工艺，1炉配1塔，单塔单循环，不设GGH和烟气旁路，设计效率为98%。吸收塔出口SO2质量浓度设计值＜100mg/m³。脱硫设施主要设计参数见表 2。

表 2(Table 2)

表 2 脱硫设施主要设计参数

表 2 脱硫设施主要设计参数

采用电袋复合型除尘器，每台锅炉配置2台电袋除尘器，不设内置旁路，静电预除尘型式为2室2电场。除尘设施主要设计参数见表 3。

表 3(Table 3)

表 3 除尘设施主要设计参数

表 3 除尘设施主要设计参数

我国于2011-07-29发布、2012-01-01起实施的《GB13223—2011火电厂大气污染物排放标准》规定的污染物排放限值见表 4。该电厂参照非重点地区燃煤电厂标准限值^[7]。

表 4(Table 4)

表 4 火力发电锅炉及燃气轮机组大气污染物排放浓度限值 mg/m3

表 4 火力发电锅炉及燃气轮机组大气污染物排放浓度限值 mg/m3

2014年9月，国家发展与改革委员会、环境保护部、国家能源局（以下简称国家三部委）联合发布《国务院办公厅关于印发能源发展战略行动计划（2014—2020年）的通知》（国办发[2014]31号）要求，分别对我国东部、中部、西部地区大气污染物排放做出了规定，具体排放指标见表 5所示^[8]。

表 5(Table 5)

表 5 国务院能源发展战略行动计划污染物排放要求mg/m3

表 5 国务院能源发展战略行动计划污染物排放要求 mg/m3

2014-11-19，内蒙古自治区发展与改革委员会下发了《关于征求内蒙古自治区煤电节能减排升级与改造行动计划意见（2014—2020）的函》，要求呼和浩特、包头、鄂尔多斯及锡林郭勒盟地区的新建燃煤火电机组主要污染物排放指标在GB13223—2011标准的基础上“减半排放”，鼓励投产机组进行相应的环保设施改造^[9]。4 优化方案分析 4.1 脱硝设施

根据国家三部委及内蒙古自治区最新下发的有关污染物排放相关文件，某电厂确定了脱硝设施的初步设计方案：如果以国家三部委最新标准为设计要求，结合SCR脱硝设施的工作机理，只需在原设计的预留层上加铺一层催化剂，并对稀释风机及其他附属设备进行相应的增容改造，即可实现排放的NOx质量浓度≤50mg/m³的目标，优化难度不大。具体优化方案如下。 4.1.1 氨的喷射系统

氨的喷射系统包括涡流混合器、氨气入口补偿器、稀释风机、氨气空气混合器及附属管道等。为了实现排放的NOx质量浓度≤50mg/m³的目标，喷射系统各设施及附属管道均需进行增容改造：其中稀释风机流量增加500m³/h，功率提高2kW；氨气空气混合器的氨气处理能力提高9kg/h，流量增加250m³/h；涡流混合器及氨气入口补偿器分支管道直径和壁厚分别由133mm、4mm改为159mm、4.5mm，将液氨涡流孔板喷射方式优化为喷氨格栅方式，附属管道做相应的调整。 4.1.2 SCR反应器

SCR反应器催化剂需增加约550m³/炉，增加的催化剂铺设在原设计的备用层上。 4.1.3 阀门系统

由于对管道进行了增容改造，因此也应对相应的阀门进行优化设计，数量为30台/炉左右。 4.2 脱硫设施

根据调研结果，并结合该电厂目前脱硫设施的设计、施工以及“三塔合一”脱硫布局的局限性等实际情况，优先选择单塔双循环方案和脱硫除尘双效一体化方案作为脱硫设施优化改造的备选方案，在充分比较2个方案的综合性价比及改造工作量后择优进行改造。 4.2.1 单塔双循环和脱硫、除尘双效一体化工艺比较 4.2.1.1 单塔双循环工艺

工艺原理：原烟气在一个脱硫塔内经过一级、二级循环的串联吸收，能够实现对两级吸收浆液氧化结晶、高效率脱硫等不同功能的物理划分，可同时分别控制2个独立浆池的pH值、液位、密度等参数。其优点是：真正实现了一级循环和二级循环浆液的物理隔离，脱硫效率可达99.6%以上，工艺成熟，适合所有煤种；缺点是工艺流程较长，投资较高，占地面积大。4.2.1.2 脱硫、除尘双效一体化工艺

其工艺原理是：在一个脱硫塔内安装高效旋汇耦合脱硫装置，使吸收塔入口、喷淋层下方烟气均流并同时产生湍流效果，延长吸收塔内烟气停留时间、增加烟气与浆液的接触面积，从而提高吸收塔整体脱硫效率；在喷淋层上方加装管式除尘器，通过管式除尘器内的增速器和分离器使气流高速旋转，将微细液滴、微细尘推向管束壁面，与壁面形成液膜，烟气携带的粉尘及液滴持续旋转并被液膜捕获吸收，实现除尘的目的。这是一种新型的脱硫、除尘双效一体化控制技术，优点是在一定条件下能够实现高效脱硫，脱硫、除尘双效控制，节省整体投资费用；缺点是该工艺属于新型技术，应用较少，有待对脱硫、除尘的双效率进行综合验证。 4.2.2 单塔双循环方案

采用单塔双循环石灰石—石膏湿法脱硫工艺，需要在原单塔单循环基础上新增2座AFT浆池，与AFT配套的循环浆液泵、石膏旋流系统、高压氧化风系统等各新增4台。优化设计后脱硫烟气系统总阻力约2200Pa。具体方案如下。

（1）塔的直径不变，原有的最下面3层喷淋层安装标高不变，原有的最上1层喷淋层和屋脊式除雾器整体抬高14m左右。

（2）在吸收塔中间新增AFT浆液收集碗装置和附属管道。

（3）在吸收塔收集碗上新增3层喷淋层，新增2台AFT循环泵，流量与原有循环泵保持一致。

（4）新增2座AFT浆池，容积2044m3；设置上下2层搅拌器，其中上层搅拌器为氧化风扩散用；配套增加4台AFT氧化风机及循环泵系统，新增AFT循环泵基础。

（5）新增AFT旋流泵和AFT旋流器。

（6）原有石灰石供浆系统、石膏脱水系统、工艺水系统、压缩空气系统、排空系统等公用系统维持不变。

按照以上优化设计方案，由于新增设备较多，导致调整后的空冷塔内总平面布置略显拥挤，但可以满足单塔双循环优化设计的总体要求，可以在脱硫装置入口SO2质量浓度为4980mg/m³ （标、干、6%O2）条件下，实现烟囱出口SO2质量浓度≤35mg/m³、脱硫效率达到99.3%的优化目的。 4.2.3 脱硫、除尘双效一体化方案

（1）将吸收塔入口至第一层喷淋层区域距离提升2m高度，在此位置安装高效旋汇耦合脱硫装置（湍流器）。该装置可使吸收塔入口至喷淋层下方的烟气均流并同时产生湍流效果，延长吸收塔内烟气停留时间、增加烟气与浆液的接触面积，提高吸收塔整体脱硫效率，避免烟气偏流短路现象。安装湍流器后，喷淋层不变，可达到烟囱出口排放SO2质量浓度低于35mg/m³。

（2）拆除吸收塔原有的除雾器，安装管束式除尘器。经过喷淋的饱和烟气进入管束式除尘器，通过增速器和分离器使气流高速旋转，将微细液滴、微细尘推向管束壁面，与壁面形成液膜，烟气携带的粉尘及液滴持续旋转并被液膜捕获吸收；高速旋转的壁面动态液膜保证同向运动的雾滴接触后湮灭，不产生二次夹带，达到去除粉尘及石膏雨的作用，经安装管束式除尘器后可使烟囱出口烟尘质量浓度低于5mg/m³。按照优化设计内容，该方案新增设备较少，相比单塔双循环优化设计而言，未增加空冷塔内的其他土建设施，改造工作量相对较小，可以在脱硫装置入口SO2质量浓度为4980mg/m³ （标、干、6%O2）条件下，实现烟囱出口SO2质量浓度≤35mg/m³、烟尘质量浓度≤5mg/m³的控制目标。 4.2.4 方案确定

由于目前脱硫装置主体已经安装完毕，因此决定暂时采用单塔单循环原设计方案不变，待机组投运后按照相关污染物排放标准优先考虑“脱硫除尘双效一体化”改造方案。 4.3 除尘设施

为实现脱硫后烟尘质量浓度≤5mg/m³的控制目标，在脱硫装置后加装湿式除尘器已为目前国内主流技术。湿式除尘器的常见布置方式如表 6所示。以下对采用湿式除尘器的可行性进行分析。

表 6(Table 6)

表 6 湿式除尘器布置方式对比

表 6 湿式除尘器布置方式对比

针对脱硫吸收塔、烟囱合一布置情况而言，使用塔上立式湿式除尘器或脱硫、除尘一体化除尘技术是比较可行的。根据目前该电厂脱硫塔的施工情况，对塔上立式湿式除尘器布置方案以及脱硫除尘一体化技术方案进行了研究讨论，绘制了塔上立式湿式除尘器安装布置图及需要增设的辅助设备，并对相应投资额进行了分析对比，实施方案作为技术储备。 4.3.2 采用塔上立式湿式除尘器需注意的问题

“三塔合一”布置方式下，脱硫吸收塔上安装立式湿式除尘器改造需考虑以下问题：

（1）空冷塔内环境温度比较高，将对湿式除尘器配电装置的寿命和可靠性造成影响，需在空冷塔外围搭建专用的配电柜安放小间；

（2）吸收塔顶部加装立式湿式除尘器，需考虑脱硫吸收塔本体和地基的承载能力及由于湿式除尘器冲洗水直接进入吸收塔是否会对除雾器造成污堵的问题。 4.3.3 方案确定

通过分析研究，同时考虑到脱硫吸收塔上安装立式湿式除尘器增加了脱硫吸收塔的荷载，还需要对脱硫吸收塔的承载力进行核算，进而决定是否需要安装支撑钢架，因此优先考虑对电袋复合除尘器进行再优化。

通过更换滤袋材质，可将电袋复合除尘器出口烟尘质量浓度降至10mg/m³以下；再经过脱硫装置上安装的管束式除尘器进一步脱除，可将脱硫后的烟尘质量浓度控制在5mg/m³以下。5 结语

为了满足国家及内蒙古自治区关于新建燃煤机组污染物排放最新要求，对于“三塔合一”燃煤发电机组的环保设施，可在原有设备的基础上进行简单的低成本改造，即可达到超低排放目的。该电厂所采用的环保设施优化方案可为国内“三塔合一”燃煤机组的环保技术改造提供参考。