赵鹏，龙辉，陶叶

(中国电力工程顾问集团公司，北京市，100120)

0 引言

当前，我国火力发电技术在装机容量、机组容量构成、能源利用效率以及污染控制等方面都取得了巨大的进步。大型机组已占火电装机总容量的50%以上，超临界、超超临界机组成为在建或计划建设电厂的主要机型，单机容量由600 MW升级为1 000 MW。600 MW湿冷机组基本上采用了超临界或超超临界参数，1 000 MW机组全部采用了超超临界参数。截至2010年末，我国已投运1 000 MW超超临界机组33台，发展速度、装机容量和机组数量均已跃居世界首位。从2002年以来我国燃煤火电机组迎来了高速发展的阶段，这一趋势应该不会改变。按照目前的电力发展形势分析，到2020年，我国燃煤火电装机容量还将增加。

另一方面，我国提出了2020年单位碳排放强度比2005年下降40% ～45%的目标，火电机组是碳排放大户，因此电力企业当前的首要任务是必须实现燃煤火电机组的节能减排，在装机容量扩大的同时，促进大容量、高参数燃煤机组的技术进步。为此，本文分析了燃煤火电机组未来发展的主要布局，总结了发展超(超)临界机组可采用的主要节能、环保技术［1］，基于我国未来10年超(超)临界机组发电效率及节能、环保技术的发展趋势提出了设计技术的发展战略。

1 我国燃煤机组发展布局分析

未来10年，我国燃煤火电机组发展的主导政策是“上大压小”，热电联产和建设高效、节能、节水和环保型电厂。燃煤火电机组的布局有从沿海地区向内地煤炭基地发展的趋势。煤炭基地的集约化开发将成为我国未来10年燃煤火电机组发展的重点，并形成以煤炭基地为主的电站群建设。

我国内蒙古、山西、陕西、新疆等省(区)储存着丰富的煤炭资源，有可能将在未来10年或更长时间内建成几个燃煤机组电站群，形成向我国南方电网大规模输送电力的能力［2-4］。根据预测，我国未来新建火电机组将主要集中在北方地区的煤炭基地，而这些地区属于高度缺水地区，因此必须大力实施节水措施。可以预见，未来我国煤电基地新建的燃煤机组大体为燃烟煤或燃褐煤采用空冷等节水技术的火电机组，并且主要以超(超)临界机组为主。

另一方面，我国沿海地区未来可能还会建设部分大容量超超临界海水直流湿冷机组，其燃料主要为烟煤;我国部分内陆及边远地区如安徽、河南、四川、云南、湖南、湖北、吉林、黑龙江等省还会新建部分超(超)临界机组，燃用当地或外来煤。

2 超(超)临界机组发展可采用的节能和环保设计技术

2.1 节能设计技术

2.1.1 采用超超临界机组

典型的超临界机组参数为24.1 MPa/566℃/566℃，而超超临界机组参数为 25 MPa/600℃/620℃，提升参数后可提高电厂的热效率，降低标煤耗5～9 g/(kW·h)。

2.1.2 采用褐煤预干燥技术

燃褐煤机组利用蒸汽干燥技术可减小设备体积，提高热效率，而且安全可靠。根据国外褐煤干燥技术的发展趋势，可围绕以下几方面进行研究和应用:水份蒸发废热循环利用;大型化干燥系统;通过与电厂热力循环集成，提高电厂整体效率。

2.1.3 降低汽轮机背压

对于600 MW级超超临界机组，如汽轮机背压分别下降 0.5、1、2 kPa，热耗可分别降低 13.9 、31、65.3 kJ/(kW·h)左 右，煤 耗 可 降 低 0.45～2.4 g/(kW·h)。

2.1.4 选择较大的汽轮机排汽面积

600 MW级超超临罚机组汽轮机有三缸四排汽和两缸两排汽2种结构。背压相同时，由于前者比后者排汽面积大23%，机组标煤耗值降低约0.75 g/(kW·h)。

2.1.5 磨煤机采用动态分离器

燃烟煤机组磨煤机采用动态分离器可提高锅炉效率约0.3%。

2.1.6 采用烟气余热回收技术或低低温高效烟气处理系统

采用烟气余热回收技术［5-6］或低低温高效烟气处理系统，可使煤耗降低1 g/(kW·h)以上。

2.2 环保设计技术

2.2.1 高效除尘器技术

2.2.1.1 高效电除尘器

采用多项措施来提高电除尘器的效率，包括高频电源优化、控制优化、数模流场优化等措施。根据目前国内除尘器制造技术的发展水平，选择双室五电场静电除尘器。当入口除尘器粉尘浓度为20 g/m3时，能将除尘器粉尘排放浓度控制在30 mg/m3以下。

2.2.1.2 移动极板电除尘器

移动极板电除尘器能够利用旋转刷和移动的收尘极板去除捕集的粉尘，从而防止电晕。移动极板系统具有高效收集高电阻率粉尘的功能，与传统的固定电极系统相比，该系统更为紧凑，用电量也更小。收尘极板在顶部驱动轮的带动下以极慢的速度上下移动，在集尘区域内收集带电粉尘。附着在极板上的粉尘在非集尘区域内被旋转电刷刮落。旋转电刷的旋转方向与收尘极板的移动方向相反，以防止粉尘飞散，同时将粉尘刮落至料斗中。移动极板除尘原理如图1所示。

图1 移动极板除尘原理Fig 1 The dedusting principle of moving polar plate

采用移动极板后，四电场电除尘器能够达到五电场除尘器的除尘效率，入口粉尘浓度为5～30 g/m3时，电除尘器出口粉尘浓度可达30 mg/m3。

2.2.1.3 低温电除尘器

日本新建的500～1 050 MW火电机组基本全部采用低温电除尘器工艺。此工艺将降温换热器安装在电除尘器之前，主要工艺流程见图2。按此流程，烟气经过放热换热器后，温度从120～130℃降到90℃。

图2 低温电除尘器工艺流程Fig.2 Flow chart of low temperature electrostatic precipitator process

使用低温电除尘器后四电场电除尘器能够达到五电场除尘器的除尘效率，当入口粉尘浓度为20 g/m3时，电除尘器出口粉尘浓度可达30 mg/m3。

2.2.1.4 布袋除尘器

火电厂可考虑采用布袋除尘器进行除尘。根据目前国内外布袋除尘器制造技术的水平，其除尘效率可达99.95%，控制出口粉尘排放浓度为10～20 mg/m3。

2.2.2 烟气脱硫工艺

2.2.2.1 石灰石－石膏、海水、氨法等湿法烟气脱硫工艺

火电机组采用石灰石－石膏湿法烟气脱硫工艺，是目前脱硫效率、可靠性最高的脱硫工艺之一［7］。近年来，国内外在提高石灰石－石膏湿法烟气脱硫工艺脱硫效率方面又有很多进展，双托盘技术、吸收塔喷淋系统优化等技术的采用对于我国火电机组烟气脱硫装置(特别是高硫煤地区烟气脱硫装置)增容改造起了重要的作用。海水烟气脱硫已在华能海门电厂1 000 MW机组中得到应用，氨法烟气脱硫装置也已在我国火电机组中得到应用。

2.2.2.2 烟气循环流化床半干法烟气脱硫工艺

烟气循环流化床半干法烟气脱硫工艺是一种气－液和气－固反应的烟气脱硫工艺［8］。在脱硫塔内，一方面是气相向液相的传质过程，烟气中的气态污染物不断进入溶液中，同时与脱硫吸收剂中的钙离子发生反应，另一方面是蒸发干燥的传热过程，颗粒上的液相水份受烟气加热影响不断在塔内蒸发干燥，最后再生成固体干态的脱硫灰渣。烟气循环流化床电厂干法脱硫工艺有大量的业绩，技术成熟，并且已经在300及600 MW级机组中得到应用。当燃煤含硫量为1% ～2%，钙硫比不大于1.3时，脱硫率可达90%以上，排烟温度在70℃以上。烟气循环流化床脱硫技术流程如图3所示。

2.2.2.3 活性焦干法烟气脱硫工艺

活性焦干法烟气脱硫工艺是一种以理化吸附原理为基础的硫资源可回收的干法烟气脱硫工艺［9］。该工艺脱硫效率大于95%，在脱硫、脱硝的同时能够脱除其他有害物质。更重要的是该工艺在脱硫的同时几乎不耗水，可供我国富煤缺水地区新建机组参考。活性焦干法烟气脱硫工艺流程见图4。

3 我国超(超)临界机组节能和环保设计技术发展趋势分析

我国超(超)临界机组主要节能技术发展趋势是通过提高机组参数，应用褐煤干燥、烟气余热回收等技术，针对沿海、内陆等不同地区和燃烟煤湿冷机组、燃褐煤空冷机组、燃烟煤空冷机组等不同类型的机组，采取不同的设计集成技术进行优化，使我国未来火电机组发电效率更高。图5是我国未来超(超)临界机组发电效率技术走势分析。

图5 我国未来超(超)临界机组发电效率技术走势分析Fig.5 Trend analysis for efficiency of future ultra supercritical unit in China

GB13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》［10］已经实施，新的标准更加严格，必须建立高效烟气处理技术体系，使环保工艺效率不断提高，污染物排放量不断降低。主要采用高效电除尘器、布袋除尘器、低低温电除尘器、移动极板电除尘器等技术，使除尘器出口粉尘浓度控制值为20～60 mg/m3。利用低NOx燃烧器及选择性催化还原(selective catalyctic reduction，SCR)烟气脱硝技术，将火电机组NOx排放量控制在100 mg/m3以下。利用高效湿法烟气脱硫工艺、活性焦干法烟气脱硫技术和烟气循环流化床半干法烟气脱硫技术，使火电机组SO2排放浓度低于100 mg/m3。

针对我国不同地区，结合超(超)临界机组高效烟气处理技术特点，提出如下高效烟气处理工艺路线建议。

(1)中心城市。

特点:综合环保标准要求高，地区环保排放控制标准需满足目前的国家环保标准。燃煤为优质烟煤，煤质具有高热值、中灰、低硫等特点。

建议:1)采用低NOx燃烧器+SCR脱硝技术+高效电除尘器、低温电除尘器、移动极板电除尘器或布袋除尘器+湿法烟气脱硫工艺;2)采用循环流化床锅炉+高效电除尘器+活性焦干法烟气脱硫、脱硝、脱重金属工艺。

(2)沿海地区。

特点:综合环保标准要求高，地区环保排放控制标准需满足目前的国家环保标准。燃用煤质一般为我国优质烟煤或进口烟煤，煤质具有高热值、低灰、低硫等特点。

建议:采用低NOx燃烧器+SCR脱硝技术+高效电除尘器、低温电除尘器、移动极板电除尘器或布袋除尘器+湿法烟气脱硫工艺。

(3)内陆、边远地区。

特点:不在国家电源中心，机组排放需满足国家环保排放控制标准要求，煤质具有低热值、高灰、低硫或中等热值、高硫等特点。

建议:燃高灰份、低硫煤的火电机组，需要重点解决煤质中的灰份高问题。1)采用低NOx燃烧器+SCR脱硝技术+高效电除尘器、移动极板电除尘器或布袋除尘器+湿法烟气脱硫工艺;2)采用循环流化床锅炉+烟气循环流化床半干法烟气脱硫工艺+布袋除尘器工艺。燃高硫煤火电机组，需要重点解决煤质中的硫份高问题。采用低NOx燃烧器+SCR脱硝技术+高效电除尘器、移动极板电除尘器或布袋除尘器+湿法烟气脱硫工艺。

(4)缺水地区。

特点:富煤缺水，机组排放需满足国家环保排放控制标准要求，煤质具有低热值、高灰、低硫或高热值、高灰、中低硫特点。

建议:需要采取节水型高效烟气处理工艺1)采用低NOx燃烧器+SCR脱硝技术+高效电除尘器+活性焦干法烟气脱硫工艺;2)采用循环流化床锅炉+SCR脱硝技术+烟气循环流化床半干法烟气脱硫工艺+布袋除尘器工艺。

4 结语

我国未来10年火电机组的发展重点是超(超)临界机组，根据这些机组的特点，研究不同高效烟气处理系统的技术集成，就掌握了未来环保技术发展的核心内容。针对不同地区(如中心城市、沿海地区、内陆地区、缺水地区等)，分别采用不同的节能或节水型高效烟气处理技术集成，才能实现我国超超临界机组高效烟气处理技术的自主化发展。

［1］汤蕴林.大型火电厂设计优化思路［J］.电力建设，2005，26(12):1-4.

［2］刘开俊，葛旭波，王楠.能源基地建设与特高压电网规划［J］.中国电力，2008，41(1):1-3.

［3］郑海峰，白建华，王楠，等.我国主要煤炭产区燃煤电厂建设规模及送出能力研究［J］.中国电力，2008，41(1):9-13.

［4］DL/T 5145—2002火力发电厂制粉系统设计计算技术规定［S］.北京:中国电力出版社，2002.

［5］林万超.火电厂热系统节能理论［M］.西安:西安交通大学出版社，1994.

［6］王宁玲，张勇，杨勇平，等.600 MW火电机组节能降耗分析与优化措施［J］.中国电力，2009，42(9)，55-57.

［7］DL 5000—2000火力发电厂设计技术规程［S］.北京:中国电力出版社，2001.

［8］GB 50049—2011小型火力发电厂设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2011.

［9］GB 50660—2011大中型火力发电厂设计规范［S］.北京:中国计划出版社，2011.

［10］GB 13223—2011火电厂大气污染物排放标准［S］.北京:中国电力出版社，2011.