論新環(huán)保標準下火電廠環(huán)保設施的改造

張 男

(神華神東電力有限責任公司神東熱電公司，內蒙古 鄂爾多斯 017209)

火電生產排放的污染物主要有硫氧化物、氮氧化物、粉塵、固體灰渣、污水等，另外，還包括噪聲污染以及熱污染。2014年7月1日開始，火電廠污染物排放將執(zhí)行新的標準，迫使許多已建火電廠必須對環(huán)保設施進行改造方可滿足新的環(huán)保要求。

1 火電生產排放的污染物及其分類

火電廠生產過程中產生的污染物種類繁多，從污染范圍來分，燃煤電廠的主要污染可分為大氣污染、水體污染和生活環(huán)境污染。

大氣污染物主要是有害氣體和粉塵，火電廠產生的大氣污染物有硫氧化物、氮氧化物、粉塵、二氧化碳等。

2 煤的燃燒對大氣環(huán)境的影響

2.1 硫氧化物的排放及其對環(huán)境的影響

2.1.1 我國燃煤電廠硫氧化物的排放現狀

二氧化硫是大氣的主要污染物之一，是我國法規(guī)控制的主要空氣污染物，對人體危害大。空氣中含有二氧化硫氣體，能直接對人體造成傷害，引起氣喘、胸悶、呼吸急促等癥狀。長期暴露于二氧化硫的空氣中，容易引起呼吸道疾病。二氧化硫和氮氧化物是造成酸雨的主要原因，酸雨對建筑物產生腐蝕，影響植物的生長。煤的燃燒過程中，煤中的硫將有85%～90%轉化為二氧化硫而隨煙氣一起進入大氣。

2.1.2 硫氧化物的控制方式

1)煤入爐前脫硫

一般的工業(yè)應用中，入爐前脫硫主要采用型煤技術。型煤是將煤制成粉，再與粘土或者其他結合劑一起生產的固定形狀的燃料塊。型煤中添加有一定量的固硫劑，使燃燒過程中產生的二氧化硫被固硫劑吸收，且苯并芘和氮氧化物等其他污染物的產量也顯著降低。因此，型煤能顯著提高煤的燃燒效率，并可減少燃燒過程中煙塵的排放。

2)燃燒過程中的脫硫

燃燒過程中的脫硫技術主要是在爐內噴入脫硫劑或者在燃料中混合脫硫劑，常用脫硫劑有石灰石、白云石等，固硫反應主要有：

在燃煤電廠中，燃燒過程中脫硫方式主要有兩種，即適合于煤粉爐的直接噴鈣脫硫技術和適合于循環(huán)流化床的燃燒中脫硫技術。爐內直接噴鈣脫硫技術，其鈣利用率低，且總體脫硫效率不高，一般僅有30%～40%，很難滿足目前的環(huán)保要求。為了提高脫硫效率，常在尾部煙道內添加增濕裝置，使脫硫劑效率提高到70%左右。循環(huán)流化床燃燒過程中脫硫效率較高，氧化鈣與二氧化硫的最佳反應溫度與循環(huán)流化床鍋爐燃燒溫度接近(850～950℃)，并且在燃燒過程中，床料與脫硫劑的相互摩擦促使已經生成的亞硫酸鹽從脫硫劑表面脫落，使傳質阻力減小、脫硫效率增高，因此，循環(huán)流化床一般不需在尾部煙道增設脫硫設備，但根據環(huán)保政策的要求，循環(huán)流化床鍋爐也開始在尾部煙道采用濕法煙氣脫硫系統(tǒng)。

2.1.3 尾部煙氣脫硫

尾部煙氣脫硫技術是采用吸收劑或者吸附劑從排煙中將二氧化硫吸收或者吸附，從而達到脫硫目的。按照脫硫方式的不同，尾部煙氣脫硫方法可分為干法、半干法和濕法三大類。

1)干法煙氣脫硫。干法煙氣脫硫是指加入的脫硫劑為干態(tài)，該方法最大的優(yōu)點是煙氣處理過程中不會產生廢水和結垢等問題，但脫硫效率較低，且反應較慢，脫硫劑利用率低。目前，用吸附方法脫硫的干法脫硫技術尚不完善，還需改進，因此應用吸附方法脫硫的燃煤電廠較少。

2)濕法煙氣脫硫。濕法煙氣脫硫是利用堿水的水溶液或者漿滴作脫硫劑對煙氣進行洗滌，使二氧化硫與堿性化合物反應而被除去。濕法煙氣脫硫由于高效而在目前的燃煤電廠中廣泛應用，但濕法脫硫存在腐蝕、結垢堵塞、運行費用高以及會產生廢水等缺點。

3)半干法煙氣脫硫。半干法煙氣脫硫主要是向爐內噴入脫硫劑漿液，在脫硫過程中，脫硫劑會逐漸變干，最后再收集。半干法是一種很有前途的方法其結合了干法和濕法的部分優(yōu)點，應用較為廣泛。

2.2 氮氧化物的排放及其對環(huán)境的影響

2.2.1 我國燃煤電廠氮氧化物的排放現狀

氮氧化物對環(huán)境的危害較大，其主要來源是火力發(fā)電廠、內燃機以及化肥工業(yè)等。在過去的25年內，我國氮氧化物的排放量增長了3倍，年排放量接近2000萬噸，巨大的氮氧化物排放量造成了我國部分地區(qū)的硝酸型酸雨。

2.2.2 火電廠氮氧化物的控制方式

環(huán)境標準日益提高的今天，對有害物質的排放要求越來越嚴格。目前，燃煤電廠的粉塵、二氧化硫排放都有嚴格的控制。氮氧化物作為危害極大的污染物，目前已有一定的方法進行控制，主要的控制方式是使用低NOX燃燒技術來降低其產生量；另外，為了達到環(huán)保要求，必須采取脫硝設備進行煙氣脫硝處理。

1)空氣分級燃燒

根據煤在爐膛內燃燒產生氮氧化物的機理，控制燃燒區(qū)域的氧氣濃度能夠有效控制氮氧化物的生成。因此，在燃煤鍋爐控制氮氧化物的方面，采用空氣分級燃燒是一種有效的措施，即將燃燒所需的空氣分為二級或三級分別送入爐膛。第一級空氣主要是輸送燃料的一次風和部分二次風，這部分空氣不能完全供應煤燃燒所需的氧量，空氣過量系數a≈0.8，而煤燃燒所需的其余空氣則從火焰下游送入。在一級空氣燃燒區(qū)域，會呈現出富燃料的燃燒方式，氧氣不足，燃燒速度和溫度都有所下降，熱力型氮氧化物減少；同時，該區(qū)域是一個還原性區(qū)域，在還原性區(qū)域內，燃料中的氮分解生成的大量中間產物NHi、HCN中，將有部分被NO還原而生成N2。當二級助燃空氣或者三級助燃空氣進入爐膛時，未燃盡的焦炭一級可燃氣體將繼續(xù)被氧化而放出熱量，由于一級燃燒過程中產生的熱量已經部分被水冷壁吸收，因此二級送風燃燒過程中，燃燒溫度不高，熱力性氮氧化物產生量少。

2)燃料分級燃燒燃料分級燃燒技術是將燃料分級送入爐膛燃燒。第一次為主燃燒區(qū)，燃料成富氧燃燒(a＞1)；第二級燃料在第一級燃燒區(qū)的下游進入爐膛(a＜1),由于該區(qū)氧氣不足，因此呈現出還原性氣氛，有利于將一級燃燒區(qū)產生的氮氧化物還原。所以，可以將第二級燃燒區(qū)看作脫硝區(qū)或者還原區(qū)。

二級燃燒對燃料要求較高，第二級燃料一般應易燃燒、含氮少，并且燃燒時能產生大量有利于還原氮氧化物的烴活性基團。在國內研究中，二級燃料較多采用天然氣，脫氮效果明顯，也有以細煤粉顆粒作為二級燃料的。二級燃料的比例對氮氧化物的還原效果影響較大，一般地，二次燃料發(fā)熱量占總燃料發(fā)熱量的10%～20%。同時，二級燃料的過量空氣系數影響較大，a為一般0.7～1.0，a太大則還原性氣氛太弱，太小則不完全燃燒損失增大。實際應用中，最佳的二次燃料助燃空氣量由試驗確定。

2.3 粉塵排放及其對環(huán)境的影響

2.3.1 粉塵對環(huán)境的影響

粉塵進入大氣后，其巨大的比表面積容易吸附有毒物質，當人體吸入此類顆粒后，將對人體產生較大的危害。粉塵長時間漂浮于大氣中，將降低大氣能見度。

2.3.2 可吸入粉塵的防治措施

可吸入顆粒是大氣的主要污染物，而燃煤是可吸入粉塵的一個主要來源。我國是燃煤大國，煤供應著我國大部分電力，粉塵對我國城市大氣造成了巨大的污染，因此，控制燃煤電廠的粉塵排放是一項重要的環(huán)保舉措。

可吸入粉塵(亞微米)的防治，目前主要是研究其產生機理，而研究結果表明，在移動的煤粉粒徑下燃燒可減少亞微米顆粒的產生。可吸入粉塵的防治措施是采用更高效的除塵設備，如袋式除塵器，利用袋式除塵器代替機械除塵器及電除塵器可有效降低粉塵的排放。

2.3.3 除塵器的分類

1)靜電除塵器

靜電除塵器由放電電極(電暈極，通常為陰極)和收塵極(陽極)組成。它是利用電極施加高電壓，使電極產生電暈而放電，在放電過程中，使電極周圍的氣體產生離子，離子在電場作用下向收塵極運動，運動過程中，粉塵吸附這些帶電離子后，也會受到電場力，在電場中向收塵極運動，最終達到除塵的目的。

靜電除塵器阻力小、能耗低、處理煙氣量大(通常處理100m3煙氣的耗電量為 0.2～0.6kw·h)、除塵效率高，在大型燃煤電廠中，效率一般達到99%，且出口粉塵濃度低于200mg/m3。然而，靜電除塵器搜集粒徑稍大的粉塵時效率高，當粉塵為亞微米顆粒時，靜電除塵器的效率則下降。靜電除塵器對粉塵比電阻的要求較高，其系統(tǒng)復雜、設備龐大、戰(zhàn)地多、初投資大，并且對制造、安裝、運行、維護都有較高的要求。

2)袋式除塵器

袋式除塵又稱為過濾除塵，其除塵原理是利用濾料的纖維對粉塵的篩濾作用、慣性碰撞、攔截作用已經靜電作用等，將粉塵滯留于濾料表層。

袋式除塵器的特點表現在：除塵效率較高，一般高于99%；煙氣出口含塵濃度可低于50mg/m3。袋式除塵器對粉塵的特性不敏感，不同比電阻的粉塵對其除塵效率的影響小，處理煙氣量大。對顆粒粒徑在亞微米等級的粉塵也具有良好的捕集能力。同時，袋式除塵器還具有建造成本和運行成本低等特點，其缺點是對濾料的要求較高，尤其是在高溫的煙氣中，濾料的壽命偏短。

目前，國內的燃煤電廠中應用袋式除塵器的不多，但隨著我國對煙塵排放的要求逐漸提高，袋式除塵器的應用將越來越廣，以除去難于捕集的亞微米顆粒及垃圾電站的高污染粉塵等。

3 XX電廠的環(huán)保措施及改造情況

3.1 XX電廠開工建設時環(huán)保設施建設情況

XX電廠是利用煤矸石為燃料的熱電聯供項目，建設規(guī)模為2×150MW直接空冷抽凝式汽輪發(fā)電機組，配置2×520t/h超高壓循環(huán)流化床鍋爐，項目于2008年4月2日開工建設，2009年12月建成并進入設備和系統(tǒng)調試階段。該廠采用爐內噴鈣脫硫，無脫硝系統(tǒng)，除塵采用布袋除塵工藝。改造前，SO2濃度為200～400mg/m3，NOX濃度為200～300mg/m3，煙塵濃度為80～200mg/m3，為了適應 2014年 7月1日國家即將實行的新標準，該廠對環(huán)保設施進行了改造。

3.2 XX電廠環(huán)保設施的改造

3.2.1 脫硫設施的改造

該電廠對每套石灰石系統(tǒng)進行了增容改造，改造后每臺爐配置兩套石灰石系統(tǒng)，能夠實現系統(tǒng)一運一備運行，且系統(tǒng)出力由7T/h增加為15T/h，石灰石系統(tǒng)的投運率達到100%，大大提高了脫硫效率。現改造工作全部完成，實現了“三自動”運行，改造后SO2排放濃度能夠控制在200mg/m3以下。

3.2.2 降低 NOX采取的方法

該電廠對脫硝采取了二次風改造+煙氣再循環(huán)的一體化改造，充分利用循環(huán)流化床鍋爐低燃燒的優(yōu)勢，采用“爐內一體化耦合脫硫脫硝技術”通過優(yōu)化燃燒調整，能夠將氮氧化物的排放濃度穩(wěn)定控制在200mg/m3以下。

煙氣再循環(huán)的主要作用是利用鍋爐煙氣含氧量較低的特點，將煙氣引入一次風室，從而在保證流化的基礎上，降低一次風及密相區(qū)氧量，代替的一次風氧量由二次風補入，增加二次風率，更好的實現低氮燃燒所需的空氣分級，并在維持鍋爐整體運行氧量不是太低的水平上大幅降低NOx排放。稀相區(qū)氧量對于石灰石脫除效率有重要影響，只要鍋爐整體運行氧量保持合理水平，SO2就能達到滿意的脫除效果。而低氮燃燒是通過降低密相區(qū)氧量來達到抑制NOx生成的目的，維持較高的密相區(qū)還原性氣氛，既能保證良好的低氮燃燒效果。因此，二者之間并不存在必然的矛盾，這是本次技術措施的基礎。

3.2.3 除塵設施的改造

該電廠配備2臺 (套)ND4×1/1236/RF8000型低壓旋轉脈沖反吹布袋除塵器。本體包括4個除塵室，每室有2個單元間(布袋束)，布袋束配有各自的旋轉風管。鍋爐煙氣從四個分煙道分別進入四個除塵室，煙氣進入本體后，由于截面變大，流速減慢；煙氣從布袋外面進入布袋，粉塵就收集在布袋表面，掉進下方的灰斗。干凈煙氣通過布袋，到達本體頂部，進入凈氣室，再經過引風機從煙囪排入大氣。

本次改造主要是更換除塵器濾袋 (拆除原來濾袋到指定位置，安裝新高效除塵濾袋，袋籠沿用原有袋籠)，改造后兩臺爐除塵效率達到99.9%、煙塵濃度均能夠控制在30mg/m3以內。煙塵排放濃度已于4月10日通過內蒙古自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測大隊的驗收監(jiān)測，監(jiān)測報告中煙塵排放濃度小于30mg/m3。

4 結語

事實上，近二十年來我國一直都沒有停止對清潔煤電前沿技術的研發(fā)和應用探索。

2010年，國家能源局組織成立了“國家700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術創(chuàng)新聯盟”，設立了“國家700℃超超臨界燃煤發(fā)電關鍵技術與設備研發(fā)及應用示范”項目。以華能集團清潔能源研究院牽頭，同時承擔我國首個關鍵部件驗證試驗平臺的建設及運行工作。包括中國電力工程顧問集團公司在內，項目參與單位幾乎囊括了我國發(fā)電行業(yè)、動力裝備制造行業(yè)、材料行業(yè)等多個相關基礎行業(yè)的重點單位。

據了解，700℃先進超超臨界燃煤發(fā)電技術是目前歐洲、美國、日本等發(fā)達國家積極發(fā)展的商業(yè)化規(guī)模應用清潔燃煤發(fā)電技術。該技術將目前最先進的超超臨界發(fā)電機組主蒸汽溫度從600℃提高到700℃以上，發(fā)電效率接近甚至超過50%，耗煤量及碳排放量將減少約30%，NOx、SO2、粉塵等污染物的排放大幅減少。

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