近年來我國大面積區域性重污染灰霾天氣頻發，環境污染問題日益嚴重。2011年7月，環保部頒布了《火電廠大氣污染物排放標準》(GB13223-2011)，新標準規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日國家發展改革委、環保部、能源局三部門聯合印發《煤電節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，對電廠環保設施也提出了更高的要求。一般情況下，常規脫硫塔的脫硫效率、粉塵脫除率分別約為95%、50%左右，常規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，環保設施除塵總效率達到99%以上，常規環保設施無法滿足要求。針對超低排放要求，國內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，針對常規脫硫除塵裝置進行創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，中電投遠達環保工程有限公司組織公司研發骨干力量，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、主要科技創新
       1.發現了脫硫塔內氣、液、固三相的沸騰式泡沫強化傳質規律；基于泡沫形成理論，開發出了具有強化氣、液、固傳質效果的沸騰式泡沫傳質系統；建立了沸騰式泡沫傳質脫硫除塵計算模型，獲得了沸騰式泡沫傳質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、固三相傳質規律，開發出了沸騰式脫硫除塵技術。該技術通過在脫硫塔內設置沸騰式脫硫除塵構件，使煙氣通過該構件自激發形成沸騰式泡沫層，增加了氣液接觸面積和湍流強度，增強了SO2與漿液的傳質效果；通過泡沫對其內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，實現了對細顆粒粉塵的高效脫除，解決了常規脫硫系統超細粉塵脫除效率低的問題。本技術可在較低成本下實現燃煤電廠超低排放，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中試實驗裝置，該實驗平臺可對不同參數類型的沸騰式泡沫式傳質構件進行實驗研究，能真實反應脫硫塔內氣、液、固傳質狀態；通過實驗研究并結合理論分析，發現了脫硫塔內氣、液、固三相強化傳質規律，得到了沸騰式泡沫式傳質構件不同參數對泡沫產生、形成、破裂等過程的影響規律，同時得到了泡沫內SO2與液膜的傳質機理，以及粉塵受到液膜作用的捕集機理。
       開發出了具有強化氣、液、固傳質效果的沸騰式泡沫傳質系統；根據流體力學、泡沫形成理論、氣液固傳質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、液氣比等參數下，沸騰式脫硫除塵構件對塔內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的取值范圍，開發了具有阻力低、脫硫除塵效率高、運行穩定的沸騰式泡沫傳質系統。

圖1：沸騰式泡沫傳質中試實驗裝置及泡沫除塵氣液區域狀態

圖2：不同的開孔形式

       建立了沸騰式泡沫傳質脫硫除塵計算模型，獲得了沸騰式泡沫傳質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理論研究，建立了沸騰式泡沫傳質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據進行對比，修正了模型中關鍵系數，開發了沸騰式泡沫傳質脫硫除塵工程計算軟件，已應用于工程設計。

圖3：沸騰式泡沫傳質脫硫除塵構件及分級除塵效率

       2.開發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，避免了煙氣走廊現象，提高了漿液有效利用率。開發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，增強二次霧化效果，提高SO2傳質效果以及粉塵被液滴捕集的概率；根據煙氣流場分布特點，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

       根據壁面流場特點，通過在壁面設置塔沿，開發了無壁流脫硫吸收塔，該技術可避免出現煙氣走廊，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.發現了除霧器內霧滴湍流捕集效應，基于慣性碰撞原理及湍流效應，開發了可捕集微細霧滴的慣性湍流雙驅高效霧滴捕集技術，解決了常規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。發現了除霧器內霧滴湍流捕集效應，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，開發了可捕集微細霧滴的慣性湍流雙驅高效霧滴捕集技術，解決了常規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、與當前國內外同類技術主要參數、效益、市場競爭力的比較
       常規脫硫+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，本技術與常規脫硫噴淋塔+濕式電除塵超低排放技術路線相比數據匯總如下：

       本技術具備單塔高效、投資少、能耗低、適應性強、穩定性高、工期短、不額外增加場地等特點，對現役機組提效改造及新建機組實現超低排放均具有良好的推廣使用價值。
       我國東部地區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省約65億元，每年節省運行費用約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。創新性成果如下：
       研制了具有強化氣、液、固傳質效果的沸騰式泡沫傳質構件，基于泡沫尺寸及其與顆粒物碰撞的優化，實現了對細顆粒物的高效脫除。
       開發了氣液耦合精細化噴淋系統，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構件，實現了高效脫硫。
       研發了慣性湍流雙驅高效霧滴捕集技術，解決了常規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。經第三方測試，均達到了國家規定的超低排放要求。
       2.性能測試報告。
       2014年10月20日受重慶合川發電有限責任公司委托，東北電科院對重慶合川發電有限責任公司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、電除塵系統、脫硫系統均正常投運，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，FGD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，系統運行穩定可靠”。
       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8種數據庫和檢索資源，經反復篩選，列出相關文獻，經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同治理的文獻報道，但涉及本項目所述開發出了燃煤電廠煙氣高效脫硫除塵協同治理技術及關鍵裝備，脫硫效率達99%，協同除塵效率達80%，粉塵出口含量<5毫克/標立方米、開發出了具有強化氣、液、固傳質效果的沸騰式傳質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同治理技術及應用，在所檢文獻以及時限范圍內，國內未見文獻報道。
       5.推廣應用情況
       本項目開發的實現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電有限責任公司3號機組、上海上電漕涇發電有限公司2#機組、華能金陵電廠1號機組等項目實現了應用。其中合川發電有限責任公司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，FGD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首次采用該新工藝技術的示范工程，經實際運行數據顯示，各項性能數據良好，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，由江蘇省環境監測站現場測得煙塵、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，主要參數全部優于設計值。（主創人員：張金倫、唐小健、聶  華、喻江濤、李紫龍、范振興、吳其榮）