“外三”类燃气排放是怎样炼成的

这是 “雾霾”成为时代标签的时代。“向污染宣战”成为刚刚过去的“6˙5”世界环境日中国主题词。

严峻的环境形势催生最严环保制度。记者发稿时，距离所谓“史上最严”大气标准正式实施已不到一周时间。根据2011年7月29日发布的国家标准 《火电厂大气污染物排放标准》(GB13223-2011),今年7月1日起，现有燃煤发电锅炉及燃气轮机组执行更严格的大气污染物排放浓度限值，北京、上海等重点地区(keyregion)则须执行尤其严格的大气污染物特别排放限值。燃煤锅炉排放限值为：SO2排放标准由原来的200mg/m3降低至50mg/m3;NOx排放标准由原来的450mg/m3降低至100mg/m3;烟尘排放标准由原来50mg/m3降低至20mg/m3。燃气轮机组排放限值为：SO2，35mg/m3;NOx，50mg/m3;烟尘，5mg/m3。

最新标准甫一发布，整个电力行业为之震动，因为火电行业现有的环保设施，大部分都不能满足这一标准，必须进行大规模改造。特别是NOx指标，不可能通过锅炉低氮燃烧来满足新标准，所有锅炉必须加装SCR脱硝装置。即使装了脱硝装置，对于许多锅炉而言，要满足100mg/m3的新标准仍是困难重重。行业叫苦之声不绝于媒体。通常情况下，越高的环保排放标准，或者说越低的污染物排放控制值，就意味着越高的投资、越高的能耗和越高的成本。这是一个传统环保技术的困局。因此，许多电厂为降低能耗及成本，往往会降低排放标准，甚至将环保设施退出。近日，环保部开出史上最大罚单，19家企业因脱硫设施存在突出问题，被罚脱硫电价款或追缴排污费合计4.1亿元。上榜企业中，火电企业正是重灾区。

但不是所有火电企业都在恐惧和哀叹。比如外三。

减排：同时节能

5月29日，记者来到上海，空气貌似还行，比起北京不差，但也说不上多好。上午10时许，记者来到外三，看到满负荷工作的外三8号100万超超临界机组今年以来的累计平均排放水平为：二氧化硫32.96mg/m3，氮氧化物16.61mg/m3，烟尘9.92mg/m3。

也就是说，外三三大大气污染物排放水平相当于最新国家标准规定限值的65.9%、16.6%、49.6%。除烟尘排放外，外三的排放水平甚至优于燃气电厂的排放限值。其中，被认为对PM2.5贡献最大，也是最关键的氮氧化物排放水平，更是只有燃气电厂排放限值的1/3左右。据说，有环境科学专家在看了外三在线排放数据曲线后感慨，“要不是亲眼所见，无论如何也无法想象。”这是全国燃煤电厂最好的水平，也是世界最好水平的表现。外三作为一个燃煤电厂，在效率创世界纪录的同时，其类同燃气轮机的排放水平是怎样炼成的呢?答案还是创新。并且，是绝对让人很难想象得到的创新。外三的减排技术创新，是建立在节能基础上的。用冯伟忠的话说，外三的环保是“可持续”的环保。

冯伟忠介绍，在外三两台机组投产的前后几年里，我国的电力装机新增容量每年达8千万到1亿千瓦，其中约70%是燃煤机组，这在世界电力发展史上是前所未有的。而我国当时的环保标准与国际先进水平相比还较低。他意识到，如此多的燃煤机组在短短几年里的集中投产，必然会对 环境产生严重影响，今后环保管理趋严是必然趋势。在外三两台机组投产后，他觉得必须未雨绸缪，于是，他将重点关注的目光转向了环保领域。

而如果要提高机组的环保水平，就会直面传统环保技术的困局。在外三刚投产时，恰逢煤价暴涨，企业的经营压力极大。

虽然抓好环保是企业的社会责任，但是，以不断牺牲企业的效益为代价，则这样的环保也是不可持续的。因此，他将创新的重点聚焦在了研发节能型、低成本环保技术。

从2009年起，外三“零能耗脱硫系列技术”，“节能型高效电除尘系列技术”，“节能型全天候脱硝技术”等相继投入运行，能耗逐年下降，到2011年，年平均供电煤耗达276克/千瓦时，这相当于在投产时287克/千瓦时的世界领先水平基础上，又将机组的整体能效水平向前推进了一代。与此同时，机组的环保性能也大幅提升，主要排放指标历史性地超越了燃机，运行成本显著下降，机组安全性提高，也使企业的经济效益显著提升。至此，传统环保困局被彻底打破，外三走出了传统能源绿色革命的关键一步。

就在2011年，由于煤价的高企，包括上海在内的全国煤电企业出现了高比例的亏损，而外三作为新投产的企业，还要负担每年3亿的财务费用，但当年还有2.9亿的税后利润。

这些到底是怎样的技术创新?

脱销：全天候节能

外三是名符其实的创新 “万花筒”，名目繁多的创新让人眼花缭乱。记者仍然请冯伟忠总经理就减排技术挑最重要的一两条向记者介绍。冯伟忠第一个提到的就是：节能型全天候脱硝技术。

为缓解环境压力，我国继“十一五”在全国发电行业强制推行脱硫后，“十二五”期间，又全面强制推行脱硝。但是，目前火电行业普遍采用的选择性催化还原法(SCR)脱硝技术存在着一个致命缺陷，就是在机组低负荷下 (我国煤电参与调峰不可避免，上海的调峰范围宽达40~100%)，该装置必须退出运行，而此时恰是锅炉的氮氧化物的高排放阶段。这是一个世界性难题。

为解决这一问题，国际上通常的做法是装有SCR装置的大型火电机组维持在较高负荷运行，对于确实需较低负荷运行且又必须维持低NOx排放的机组，则在锅炉省煤器前直接引一部分烟气至SCR装置，从而提高其入口烟气温度以维持其低负荷工况下的运行，但这种方法的代价是显著降低锅炉的运行效率，这显然与节能减排的初衷背道而驰。最近，又出现了另一种思路，就是将锅炉的省煤器分段并分置设计，以使SCR可布置于烟气温度较高的区域，从而解决低负荷烟温过低无法运行的问题，但由于偏离了催化剂的最佳反应温度范围，脱硝效率会明显下降，且催化剂高温烧结并失效的风险急剧上升。并且，该方法仅适用于新建机组。

外三两台机组原设计的第二台安装有脱硝(SCR)装置，这是国内百万千瓦级机组安装SCR的第一台，其投用和运行情况良 好，能满足设计要求。但由于机组必须参与40%~100%负荷的调峰运行，机组投产后连续三年的年平均运行负荷率在74%~75%，通过运行发现，在SCR必须退出工作的低负荷阶段，锅炉的NOx产生浓度高达额定负荷时的2倍有余。这意味着在更需要脱硝的情况下，SCR反而不能作为了，这使SCR的环保效用打了很大的折扣，相当于投资SCR的减排收益显著下降。为能充分发挥SCR的减排作用，针对其低负荷退运这一难题及特征，冯伟忠通过多年的深入研究，结合锅炉、汽轮机和热力系统低负荷运行的特点，从热力学研究入手，研发出了世界首创的“弹性回热技术”。此技术也是对热能动力理论研究的一次突破，其基本思路是增加汽轮机低负荷抽汽以提高此时的锅炉给水温度，从而能确保低负荷下SCR的进口烟温高于限值。它一揽子解决了机组低负荷运行时脱硝系统必须退出，环保水平下降，以及机组频繁参与电网调频，加剧疲劳损伤，降低运行可靠性等问题，同时还缓解了机组低负荷时煤耗显著上升、锅炉水动力变差以及锅炉热风温度降低导致的制粉干燥出力下降、燃烧效率变差等一系列问题。该技术在2010底外三机组检修期间安装到位并完成了调试，成功投运，使这台机组的脱硝系统在2011年至2013年的投运率上升至近100%，大幅降低了NOx的排放量，在节能的前提下(该技术的节能特征是：负荷越低，节能量相对越高)，彻底攻克了低负荷必须退出脱硝装置这一世界性难题。经上海市环保局统计，外三一台机组的NOx减排量竟超过了上海同类两台机组;根据华东电力试验研究院提供的试验报告，按平均负荷75%测算，机组热耗可下降35千焦/千瓦时，单台机组每年可节约标准煤8250吨。

根据上海市的统一部署，外三另一台机组的脱硝改造已于2013年的6月19日完成。由于该机组的弹性回热系统已于2012年改造完成，因此，该套脱硝系统自投产时就具备了全天候脱硝的能力。而该套装置一投产，恰逢上海市由于外来电的大量输入，本地的机组出现了持续的低负荷情况，在晚间和周末，各电厂的脱硝装置经常处于退出状态，而外三的两台脱硝装置始终高效运行，为上海的环保做出了重要贡献。

外三另一涉及脱硝的重要的节能减排技术名为“安全节能型催化剂延寿技术”。

SCR所用催化剂，价格昂贵且使用寿命较短，其运行效率会逐年下降，一般2~3年后就必须每年进行逐层更换，一台1000MW机组更换一层催化剂的费用高达 1000多万元，且换下的催化剂后期无害化处理非常棘手。此外，要维持机组NOx的低排放，SCR的催化剂就必须维持高效率，这不符合制造厂提供的催化剂效率下降曲线。

冯伟忠遇事喜欢逆向思考，他觉得，就SCR所用催化剂的物理和化学性质而言，不应出现如此快的老化速率，因此，其效率的下降应有其他的原因。经过对催化剂特性及运行机理的深入研究，他发现催化剂寿命折损最严重的是锅炉的启动阶段，特别是冷态启动。在此阶段，燃油点火初期的烟气中的不完全燃烧油性烟灰极易粘附在催化剂表面。此外，烟气中的二氧化硫一旦在其表面凝结，投煤后碱性的烟灰会迅速与其结合，呈水泥状粘附。这些都造成催化剂有效反应接触面减少，从而降低了SCR的脱硝效率。而在机组的高负荷阶段，催化剂粘附的烟灰中的碳份易自燃，这使得催化剂表面温度会迅速超过420℃，从而造成催化剂发生不可逆的烧结而使其活性大幅下降。

冯伟忠发明的“蒸汽加热启动技术”以及“点火前催化剂热风预烘干技术”，颠覆了传统的锅炉启动方式，不但提高了启动安全性，用油量下降一个数量等级，还彻底杜绝了启动阶段，特别是冷态启动阶段燃油的不完全燃烧，尾部受热面以及SCR催化剂表面凝结硫酸露，烟灰粘结等一系列问题，彻底杜绝了含碳烟灰自燃导致的催化剂烧结问题。此外，“基于超低含碳烟灰的催化剂堵灰后的防烧结技术”以及“降烟速防磨损”等技术的配套应用，使催化剂能长期维持高效率运行，不但大大延长了SCR的使用寿命，且能长期确保低NOx排放。

外三的首套SCR装置投运至今，累计运行小时已近设计寿命的三倍，至今尚未发现效率下降的迹象。得益于前述全天候脱硝技术及本技术的作用，以及自主开发的高效低NOx燃烧技术的应用，2013年，该套SCR的平均NOx排放仅为24.23mg/m3，今年以来的平均NOx排放更低至16.61mg/m3，不但远远低于新版国标，甚至远低于燃气轮机的标准。

此外，安装SCR后，因氨逃逸并与SO3生成的硫酸氰胺，极易导致锅炉空预器堵塞，这也是世界性难题，但冯伟忠提出的广义回热理论并据此研发的系列技术，在提高机组效率的同时，彻底解决了这一难题。

2013年4月，外三另一台锅炉进行加装SCR的改造，没有按常规的将碳钢换热片更换成搪瓷换热片，运行一年后检查，未发现任何结露、腐蚀及堵灰迹象。

脱硫：余热节能

“零能耗脱硫技术”，这是“外三”十项世界首创技术中，能排得比较靠前的技术。

外三的脱硫系统为 “石灰石湿法脱硫”，这种脱硫系统就是典型的“耗能减排”，其耗电量要达到发电量的1%甚至更多。

为了大幅降低脱硫系统的能耗，使脱硫系统兼顾“减排”和“节能”，冯伟忠大胆提出了“零能耗脱硫”理念，并领衔研究出了能显著降低脱硫运行成本、实现脱硫综合能耗平衡的新技术，即所谓“零能耗”脱硫的系列技术。其基本思路是在烟气脱硫之前将其中的热能通过一种特殊装置加以回收，并送回热力系统再发电，以弥补脱硫系统的电耗，再辅以相应的节电技术，最终使脱硫系统的节能量与耗能量达到平衡甚至结余，实现“零能耗”脱硫的目标。

长期以来，锅炉排烟低温热能的回收一直是国际电力学术界研究的难题，我国电力行业在上世纪80年代也兴起了一阵“低温省煤器”热，但不久就趋于沉寂。这里最主要的问题是机组在低负荷工况下，特别是在低温季节，烟气余热回收装置的外表面极易凝结硫酸露，继而迅速出现酸腐蚀及积灰堵塞，在短期内就会导致换热装置的报废并危及机组的运行安全。

上世纪90年代后，德国和日本在这方面的研究取得了一定的进展。德国的烟气余热回收装置采用了耐腐蚀特种塑料及覆塑管，不过，由于塑料的传热效率很低，余热回收装置占地庞大且造价极其昂贵;日本的烟气余热回收装置采用常规钢材，但为避免酸腐蚀，其锅炉只能燃用(进口)低硫煤，且日本的燃煤机组通常都运行在高负荷工况，一般不易出现低温结露及酸腐 蚀;美国在这方面的研究一直没有实质性的进展，烟气余热回收装置至今未能走出实验室。

冯伟忠认为，从中国的国情及煤种来看，德国方式及日本方式均不可行。首先是我国的动力煤是以中、高含硫煤种为主且不可控;其次是从控制造价和占地以及尽可能提高换热效率的角度，余热回收装置的材料只能以普通钢材为主;三是基于我国煤电在发电总装机容量中占比高于70%，机组必须适应宽范围调峰及低达40%负荷的连续运行工况。冯伟忠及其团队通过深入研究并采用逆向思维的解题方法，这一难题最终被攻克，零能耗脱硫系列技术得以在外三诞生，包括脱硫烟气(含引风机和增压风机做功热能)余热回收利用技术;传热管的低温酸腐蚀和堵灰控制技术;传热管的壁温自动控制技术;风机综合降耗及引风机和增压风机联合优化运行技 术等。

除风机节能优化运行技术 (额定工况的脱硫系统耗电率降至0.8%以内)早在2008年就成功投运外，该创新项目中的最关键部分———脱硫烟气热能回收装置已分别于2009年6月和10月在“外三”两台机组上安装完毕并成功投运，到目前为止酸腐蚀情况甚微，节能效果显著，供电煤耗下降达2.71克/千瓦时。两台机组每年可节约标准煤3万吨以上，节约喷淋用水75.6万吨，节电845万千瓦时，这使得脱硫系统竟成了电厂重要的经济增长点，从而把原先视脱硫为负担的“要我脱硫”的被动环保观念彻底转变为“我要脱硫”。

在此基础上，为进一步降低SO2的排放，2013年，在两台机组检修期间，外三又采用自主创新的技术对脱硫系统进行了增效改造。改造后的脱硫效率显著提升，目前的SO2的排放可控制在20mg/m3以下。

除尘：仍然节能

按目前新版 《火电厂大气污染物排放标准》规定，燃煤电厂在重点区域特别排放限值的烟尘排放浓度为20mg/m3。

对于环保新标准如此严格的排放控制值，许多业内人士不看好电除尘，一些人倾向布袋或电袋式除尘，而另有许多人青睐加装湿式电除尘，但仅配有三室四电场静电除尘装置的外三，再次让人大跌眼镜。

通过一系列的节能综合优化和科技创新技术，包括空预器密封综合优化和低氧燃烧技术等措施，外三有效减少了机组烟气量达18.4%，而烟气流速的降低，其携带烟尘的动量减小，极大地有利于烟尘在电场内的沉降和降低电除尘出口的二次携带，也延长了烟气在电场中的滞留时间。同时，也使得静电除尘器比集尘面积相对增大，从而显著提高电除尘的效率。

在此基础上，为进一步降低排放，2010年上半年，外三对两台锅炉的四电场除尘器 进行了节能增效改造———即将原先的工频电源改造为高频电源，这是国内百万级机组首次采用该技术。该项目改造周期仅需15天，并且大部分施工可以在机组运行期间实施。改造后，高频电源运行稳定、可靠，除尘效率大幅提升，电除尘器出口烟尘浓度由改造前的35~50mg/m3降低到10~23mg/m3。根据在线监测系统统计，2011年烟囱口的烟尘排放浓度的全年平均值为11.93mg/m3，2012~2013年为11mg/m3。远远优于2014年执行的重点区域特别排放限值。同时电除尘器的高压电源总功耗由改造前的871千瓦降低到266千瓦，节能69.5%。

据记者了解，外三目前仍有节能型低成本环保创新技术正在实施。冯伟忠告诉记者，明年外三的排放指标一定还会降低。

至于将低到什么程度，冯伟忠向记者承诺，将第一时间通报本报记者。

记者手记：在外三重新发现煤炭

冯伟忠身上有很多标签：党委书记、总经理、专家、创新狂人。但记者认为，他首先是一个商人，一个企业家。

他的所有创新，都一定会落到经济效益上。

节能的经济效益很好理解。但也涉及可变成本(减少!)和固定成本(大增?)之间的微妙关系。外三会不会一味追求世界纪录，在改造的投入上不计成本，极大推高固定成本和平均总成本，从而得不偿失?记者从外三母公司申能了解到的情况是，“由于技术改造不但节能效果显著，还简化了系统，提高了安全性，显著降低了投资，故项目的总投资并没因为这些技术改造的实施而增加。”减排的经济账就更复杂了。人类需要新鲜的空气，也需要工业和能源消费利用。如何平衡经济和环保的关系，从来是人类社会的主要难题之一。在排污价值和市场仍远未成形的当下，企业减排动力主要来自于政府管制，尚属不得已而为之。外三却再次让人大跌眼镜，其众多的、另类的“节能减排”(减排的同时节能)技术，越减排越节能越有经 济效益，让主动减排的梦想照进了现实!这就是为何很多经济学家把企业家精神列为第四大生产要素的原因吧!在记者看来，冯伟忠作为企业家，不但很好地忠实了“在商言商”;而且，作为行业先锋，他甚至也改变了煤炭这个大生意的经济账。

史无前例的雾霾正将我国的能源支柱煤炭抛向时代的风口浪尖。刚刚，在习近平总书记主持召开的中央财经领导小组会议上，“煤炭清洁高效利用”和“着力发展非煤能源”的多轮驱动战略成为能源革命的重要内涵，足证煤炭清洁高效利用在我国能源安全战略中的重要地位。外三的实践证明，通过技术创新，煤电甚至可以比燃气轮机发电更清洁，更环保，与环境更友好。与此同时，企业也能获得更好的经济效益。因此，运用外三的绿色煤电技术，完全可以放心地在大城市建设煤电。

常变常新。外三，一如经济学诺贝尔奖获得者熊彼特石破天惊的 “破坏性创新”理论，正破坏性颠覆和创新我们对传统能源(煤炭、煤电)的传统观念———煤炭，仍可能成为新能源!

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原标题：新闻调查：“外三”类燃气排放是怎样炼成的