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燃煤电厂有色烟羽成因与控制关键技术研发及应用
2021-04-08
近年来，国家持续加大污染治理力度，环境质量总体有所改善，但部分地区雾霾频发，有色烟羽治理成为大气污染治理的焦点。实现超低排放后的煤电机组常见的是“白色烟羽”，其成分以水雾为主，污染物浓度很低；当烟气中含有以SO3为代表的可凝结颗粒物浓度较高时可能产生“蓝色烟羽”，但这种情况较少。我国火电厂大气污染物控制技术与管理水平已处于世界先进行列，为我国大气环境改善作出了积极贡献，但也面临着有色烟羽治理的压力。不同地方政府对有色烟羽的看法和治理要求不同，社会上对有色烟羽的成因、环境影响认识也比较模糊，在没有足够科学论证情况下推动煤电企业开展有色烟羽治理，必然给电力供应社会成本控制带来消极影响。
在国家重点研发计划、国家自然科学基金项目等支持下，国家能源科学技术研究院有限公司等单位历时10年，研发了PM2.5、SO3、NH3等有色烟羽中非常规污染物检测系列技术及仪器，构建了统筹兼顾的环境影响和能耗评价方法，开发了针对蓝色烟羽关键污染物SO3、NH3抑控脱除的自主治理技术，为我国大气环境质量改善和煤电行业科学发展作出了重要贡献。项目成果“燃煤电厂有色烟羽成因与控制关键技术”获2020年度中国电力科学技术进步奖一等奖。
1 构建污染物的检测技术及标准体系
针对检测过程中PM2.5易受湿烟气干扰、易吸附损失的难题，突破了采样系统精准控温和PM2.5切割曲线标定的技术瓶颈，将检测灵敏度提升了85%；针对湿烟气中SO3难以高效捕集的难题，创新地将大气物理学中“云粒子均质核化”理论应用于SO3的捕集系统设计，SO3捕集效率提升至95%以上；针对烟气脱硝系统NH3逃逸的检测难题，发明了基于多种光谱融合的低浓度、多组分气体检测方法，研制了NH3逃逸在线检测环保认证产品，检测下限、精度及漂移均优于国外同类产品。该项目制定国家及行业检测标准11项，形成了有色烟羽的检测标准体系。
2 建立有色烟羽污染治理工程评估方法
创新研发了削污能效综合评估模型，对有色烟羽治理工程开展综合评估。结合现场测试与风洞模拟，定量评估治理工程的能耗、物耗与污染物的减排及环境效果。通过对16台燃煤机组有色烟羽稳工况、多点位的同步测试，厘清了有色烟羽的组分；结合环境风洞的实验模拟，精准测算不同有色烟羽在各种气象条件下的大气环境影响。对6项有色烟羽治理工程开展了综合评估，结果如下：投资达到56～96元/kWh，运行费用为0.001～0.003元/kWh，冬季工况煤耗增加2.9 g/kWh，夏季工况煤耗增加1.5 g/kWh。从大气环境影响角度考虑，白色烟羽治理得不偿失。
3 发明理化双调的蓝色烟羽关键污染物抑控技术
发明了湿法脱硫塔内双向整流导液、尘雾富集分离等组件，可抑控微细颗粒物，消除石膏雨；研发了烟气脱硝系统内的纳米催化剂以及流场动态调控、分区精准喷氨等技术，实现了抑控技术的工程应用，SO3、NH3逃逸浓度分别为0.2 mg/m3和0.1 mg/m3，均是我国相关排放限值的4%。
4 独创碱基喷吹、智能调控的蓝色烟羽治理技术
通过碱基喷吹与双场耦合，将烟气中SO3浓度控制在3 ppm以内，有效解决了脱硝低负荷退出、空预器硫酸氢铵堵塞等问题，实现了SO3脱除与低负荷烟气脱硝的一体化。建立了基于大数据分析的环保管控云平台，对基层电厂上传的PB级数据进行存储和挖掘，实现了污染物排放远程监视和在线分析。
该项目构建的检测标准体系已应用于全国火电行业及相关大学、政府监测机构，并可推广至钢铁、建材等行业烟气监测验收领域；有色烟羽治理工程评估方法可应用于“大气重污染成因与治理攻关”等国家重点课题现场测试和评估；理化双调的抑控技术已应用于2.6亿kW煤电机组，并可向有深度治理需求的电厂推广；智能调控技术已应用于国家能源集团1.26亿kW煤电机组，对亿万千瓦级能源集团的清洁绿色运行起到了重要的示范作用。项目研究成果推动了“稳定达到超低排放电厂不得强制要求治理白色烟羽”政策的出台，为雾霾频发地区寻找污染成因、降低社会治理成本提供了技术支撑。
