呂敬友，劉俊峰
（國網上海市電力公司電力科學研究院，上海200437）
摘 要： 介紹了上海火電環保現狀和對區域霧霾的貢獻率。闡述了上海火電裝機容量成倍增長但煙氣污染物排放持續下降的控制方法。針對環保新標準，探討了解決污染物排放問題的措施，提出了煙氣多污染物協同控制技術建議。
關鍵詞： 霧霾；燃煤電廠；環保現狀；污染物協同控制
0 引言
近年以PM2.5為代表的霧霾天氣在我國頻現，2014年我國74個實施新的空氣質量標準GB3095-2012的城市達到二級標準的僅占10.8%。2013年1月,北京PM2.5最高濃度是二級空氣質量標準的13倍，上海是4倍，超過WHO準則值更大。我國大氣污染特點已從煤煙型轉變為混合型。為改善大氣質量，國家密集出臺了一系列的法規、政策。我國最為嚴格的排放標準B13223-2011《火電廠大氣污染排放標準》于2014年7月1日起執行，GB3095-2012《環境空氣質量標準》將于2016年執行。由于環保政策、標準和要求的日益嚴格，電力將掀起新一輪燃煤機組環保技術改造熱潮。
1 電力發展和環保現狀
1.1 電力發展與節能減排
多年來，我國電力保持著高速增長，2014年底，全國發電裝機容量13.59億千瓦，其中煤電8.25億千瓦，占總裝機容量的67%左右,電力耗用全國50％左右煤炭，燃煤量約19億噸。全國年發電量為5.4萬億kWh，其中火電年發電量4.2萬億kWh。我國裝機容量、發電量、燃煤量均列世界第一。
2014年上海總裝機容量為20 310 MW,其中燃煤機組為15 018 MW，燃氣、燃油機組為5 292 MW。為建設環境友好型城市，上海嚴格控制燃煤機組建設，采用大代小達到節能環保。新增用電主要增加區外來電和建設燃氣機組。目前區外來電占上海用電量的50%以上，在“強饋入弱開機”新常態下，上海300 MW及以下燃煤機組主要用作調峰和備用。與2005年10 500 MW裝機容量相比，裝機容量增加了93.4%，但年發電量從629.3億kWh增加到2014年的777.0億kWh，只增加23.5%，年用煤量從2 790萬噸增加到3 087萬噸，只增加10.6%。燃煤機組平均供電煤耗2014年為303.2g/kWh，比2000年的351.0g/kWh、2005年的338.0g/kWh，分別下降了13.6%和10.3%。具體見圖1。
上海嚴格控制燃煤質量，使用低硫、低灰優質煤，燃煤質量見表1。燃煤灰分從2005年的18.3%降至2014年的14.4%，下降了3.9個百分點，硫分基本上控制在0.6%以下。從源頭上控制煙塵、SO2的排放，取得節能減排的效果。
1.2 污染物排放有效的防治措施
近年來，上海火電廠開展了大規模的環保設施建設和環保設施的持續改造，以適應日益嚴格的環保政策和史上最嚴排放標準。2014年上海地區上網受監燃煤機組41臺，采用高效電除塵器的鍋爐24臺，有17臺中小機組合計2 470 MW容量改成布袋除塵器。脫硫系統從2005年開始建設，2014年燃煤機組全部建成煙氣脫硫裝置。燃煤機組基本上采用低氮燃燒技術，有31臺機組合計14785MW建成脫硝裝置。2014年除塵器除塵效率達到99.76%；電廠平均脫硫效率均能達到95%以上；脫硝系統運行正常，平均脫硝率達到84.2%。電力環保指標處于國內外領先水平，表2為2014年國內外電力環保指標比較。
1.3 電力對霧霾的貢獻率逐年下降
霧霾是空氣中的灰塵、硫酸、硝酸、有機碳氰化合物等非水成物組成的氣溶膠系統。霾粒子直徑多在0．001～10 m之間。主要是煤炭燃燒、汽車尾氣、秸稈燃燒、道路揚塵、鋼鐵、煉油、房屋裝修、油漆到烹飪等產生的PM2.5。2013年，全國SO2排放總量為2 043.9萬噸；NOx排放總量為2 227.3萬噸，工業源排放占71.9%，機動車排放占26.5%；煙粉塵排放量為1 388萬噸，均遠超出環境承載能力。2014年，上海PM2.5、二氧化硫、二氧化氮年均濃度分別為每立方米52微克、18微克、45微克，為歐美發達國家的2倍至4倍。
上海PM2.5來源中，本地污染排放貢獻平均約為74%，外來區域影響平均約為26%。因此，上海污染源主要是本區域產生。在本地排放源中，機動車、船舶、飛機等流動源的燃油排放占29.2%，非燃煤類的工業鍋爐和窯爐、以煤為原料的工業生產過程以及石油、化工等工業生產過程排放占28.9%，以煤為燃料的電廠占6%、工業鍋爐和窯爐等燃煤源占7.5%，建筑施工、道路揚塵等揚塵污染占13.4%，另有農業生產、生物質燃燒、民用生活面源占14%，海鹽、植物等自然源排放占1%。
上海火電廠PM2.5與2005年前占25%以上相比，降幅約76%，為減緩上海的霧霾天氣做出了貢獻。
2 煙氣污染物排放分析
2.1 排放量及排放率分析
上海火電廠煙氣污染物排放呈逐年下降態勢，2014年上海火電廠煙塵排放量為0.611萬噸，比2010年的1.75萬噸下降了65.1%；SO2排放量為1.87萬噸，比2010年的8.44萬噸下降了77.8%；NOx排放量為3.47萬噸，比2010年的11.12萬噸下降了68.8%。煙氣污染物排放見圖2。
就SO2而言，上海市2012年排放量為22.82萬噸，2005年為50萬噸，減排了27.18萬噸，降幅54.4%。而同期電力減排了22.0萬噸，占總減排量的82%。火電廠在SO2減排中發揮了重要作用。
圖3為2007～2014年煙塵、二氧化硫、氮氧化物單位電量排放率變化情況。2014年與2007年相比，煙塵、二氧化硫、氮氧化物單位電量排放率分別下降了83.3%、93.4%和69.4%。煙塵和二氧化硫降幅較大的原因是脫硫裝置的建設和采用高效電除塵并進行控制電源改造，有17臺燃煤機組改為布袋除塵器。相對來說脫硝建設裝置要滯后一些。
2.2 不同等級機組污染物排放率分析
不同等級機組煙氣污染物績效排放率見表3。
從表3看出，小于300 MW機組污染物排放率大大超過其他等級機組，隨著單機容量的增大，污染物排放率下降，1 000 MW等級機組的污染物排放率最小。其主要原因：小于300 MW機組發電效率低、脫硝裝置配備率低，污染物去除裝置效率相對較低、燃煤品質差。而大機組發電效率高、煤耗低、配備的污染物去除裝置較為齊全、效率較高。如1 000 MW級機組到2013年底全部配備了脫硝裝置。因此大機組具有顯著的節能環保效益。
3 應對環保新要求,采取煙氣多污染物協同控制降低污染排放
3.1 嚴格的環保標準
GB13223-2011《火電廠大氣污染排放標準》于2014年7月1日起新、舊機組執行統一標準，對全國經濟發達、排放嚴重的地區，執行特別排放限值。與美國、歐盟相比，我國的排放標準最為嚴格，見表4。
2014年9月23日，國家發改委等部委聯合印發《煤電節能減排升級與改造行動計劃（2014-2020）》，要求東部地區上海、江蘇、浙江等11省市新建燃煤發電機組大氣污染物排放濃度基本達到燃氣輪機組排放限值（即在基準氧含量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/立方米）。
雖然上海火電廠對PM2.5的貢獻率不大，但作為大容量集中排放源，以及污染控制的規模效應，特別是氮氧化物排放量還很大，它是產生O3的介質，因此火電還是重點控制之一。
3.2 火電廠煙氣污染減排措施
3.2.1 推進電力節能環保措施
2014年上海火電供電煤耗303.2g/kWh，遠低于國內外火電煤耗。因此電力節能的空間越來越難，應對霧霾的壓力也越來越大。目前上海早期建設的350 MW等級以下燃煤機組5 538 MW，其中小機組708 MW，這些機組有些已進行1 000 MW級煤機或燃氣機組替代的可研；強化上網電的環保調度，國網上海市電力公司電力科學研究院會同上海市電力調度中心正進行“電能綠色管理”項目研究，屆時推出“綠色電能”指數，逐步將發電與節能環保掛鉤，對節能環保機組優先上網，力爭“清潔發電，綠色調度”；繼續燃燒優質煤，降低煤耗，從源頭上控制污染物排放。
3.2.2 持續煙氣多污染物協同控制改造
上海2014年NOx排放總量3.47萬噸，占三種主要污染物排放總量的58.3%，主要是15臺小機組計1 440 MW在2014年底或2015年6月建成脫硝裝置。目前上海燃煤電廠均采用低氮燃燒加脫硝，在脫硝裝置在符合投運段NOx排放均能達到特別排放標準值。新標準SO2特別排放濃度為50 mg/m3，需要脫硫效率在96%左右才能滿足。但原有脫硫系統設計參數很難達到新標準。截止2014年，有3家電廠采用添加增效劑來提高脫硫效率。有5家電廠的部分機組對脫硫系統進行了增容改造，增加脫硫塔高度，增加一層噴淋層，降低了SO2排放，而且也有除塵效果。有些電廠為達到潔凈排放要求，在脫硫塔內增加托盤，增加漿液與SO2的接觸性能，較大幅度提高脫硫效率。對于煙塵為20 mg/m3的排放標準，除塵效率需從現在的99.75%提高到99.84%以上。對運行好的電除塵器勉強可以達到。采用中(低)溫省煤器技術不但回用廢熱，而且使進入電除塵器的煙氣溫度降低20℃左右，降低了煙塵的比電阻，可提高除塵效率，達到節能環保的效果，目前，上電漕涇等6家電廠對機組加裝（中）低溫省煤器。對除塵效率差的機組可改成布袋除塵器或在脫硫塔后增設濕式電除塵器，至2014年，上海有6家電廠17臺機組將電除塵器改為布袋除塵器，不但提高除塵效率，且有一定的脫硫作用。有4家電廠的部分機組加裝濕式電除塵器以達到除塵、脫硫和治理石膏雨的協同作用。因此，為達到新的環保標準要求，建議火電機組采用污染物協同控制策略，即：鍋爐低氮燃燒+煙氣脫硝中(低)溫省煤器電除塵器或布袋除塵器高效煙氣脫硫或增設濕式電除塵器。
上海火電機組通過協同控制改造，2014年與2012年相比，減排SO2、NOx和煙塵分別為0.39萬噸、4.85萬噸和0.18萬噸,削減率分別為17.3%、58.3%和22.8%。三種污染物總量從2012年11.38萬噸降到2014年的5.95萬噸，降幅約為47.7%。大大低于我國《環保行動計劃》降幅20%要求。
4 結束語
新標準的實施，燃煤機組面臨新的環保壓力。上海火電廠在裝機容量成倍增長的情況下煙氣污染物排放不增反大幅下降，得益于除塵、脫硫、脫硝等環保設施的持續改造和建設。使火電PM2.5從2005年前占上海總量的25%以上降至6%。為達到新的環保排放標準，上海火電需進行新一輪脫硫增容改造和除塵、脫硝改造，建設布袋除塵器，增設濕式電除塵、低溫省煤器等煙氣多污染物協同控制措施，綠色調度、節能環保機組優先上網、挖潛節能等，可使三種煙氣污染物總量進一步下降，為遏制上海霧霾天氣發揮新的作用。
參考文獻
[1]國務院.國發【2013】37號《大氣污染防治行動計劃》.2013.
[2] 國家環境保護部.環發【2012】130號《重點區域大氣污染防治“十二五”規劃》.2012.
[3] 國家環境保護部.《2013年中國環境狀況公報》.
[3]上海市環境保護局.《上海公布PM2.5八大來源 3年投103億治理大氣污染》.2012.
[4]馮義軍，蘇偉，孔劍菲.五大發電2012年主要經濟技術指標解讀.中國電力新聞網,2013.03.
[5]丁玨.霧霾天氣顆粒污染物的特性及吸收氣態污染物過程的分析[J].上海環境科學，2009.28(2)：11-13.
[6]吳兌．再論都市霾與霧的區別[J]．氣象，2006，32(4)：9-l5.
[7]王志軒.電力節能減排及低碳發展分析.中國電機工程學會環保專委會火電廠袋式除塵技術應用與發展技術研討會,浙江杭州:2011.4:1-3.
[8]賀鵬等.中國燃煤發電廠煙氣脫硫技術及應用.[J].電力科技與環保,2014，30(1):9-11.
[8]張荀等.火電廠氮氧化物控制對策研究.[J].電力科技與環保,2014，30(1):30-32.
[9]呂敬友.上海市大氣環境保護“十五”規劃研究.華東電力試驗研究院,2001，12.
[10]Benoit Nemery，Peter H M Hoet，Abderrahim Nemmar．The Meuse Valley fog of 1930 an air pollution disaster．The lancet，200l，(357)：704-708．
[11]Chen W H ．An analysis of gas absorption by a liquidaerosol in a stationary environment． AtmosphericEnvironment，2002，36：367l-3683．
[12]劉劍軍, 趙志華, 嚴學安, 等. 濕法脫硫裝置SO2吸收系統增容改造方案探討[J].電力科技與環保, 2011,27(6):33-35.
[13]柏源，李忠華，薛建明，等.煙氣同時脫硫脫硝一體化技術研究[J]. 電力科技與環保, 2010,26(3): 8-12.
[14]郭俊, 馬果駿, 閻冬, 等.論燃煤煙氣多污染物協同治理新模式兼談龍凈環保“煙氣治理島”模式[J]. 電力科技與環保,2012.28(3):13-16.