電廠鍋爐脫硫脫硝及煙氣除塵技術(shù)

石學(xué)剛

（國家能源泰安熱電有限公司，山東泰安 271000）

燃料發(fā)電廠是我國能源消耗和污染物排放量最大的源頭，燃料電廠的生產(chǎn)系統(tǒng)急需進(jìn)行脫硫脫硝改造和煙氣除塵技術(shù)的改造，以此減少電廠生產(chǎn)過程中排放的污染量，使能源利用效率得以提升。按照國家有關(guān)計(jì)劃限制電廠的燃煤排放，在滿足電廠安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)下保證電廠鍋爐的負(fù)荷能力和抗震性，并采用最新技術(shù)和設(shè)備，保證燃煤發(fā)電裝置實(shí)現(xiàn)超低排放。

1 燃煤脫硝技術(shù)概述

煤炭的主要成分是各種易燃的礦物質(zhì)，煤炭作為一種重要材料，在我國的工業(yè)生產(chǎn)和采礦領(lǐng)域中應(yīng)用廣泛。各種氮氧化物產(chǎn)生于煤炭的劇烈燃燒過程。氮氧化物形成的主要方法有三種：第一種是快速的氮氧化反應(yīng)。在高溫環(huán)境下，煤中的烴正離子基團(tuán)與周圍空氣中的氣態(tài)氮發(fā)生反應(yīng)，形成氮氧化物。第二種是熱氮氧化過程，大量的熱量產(chǎn)生于煤炭燃燒過程中，加快了N2和O2在干凈空氣中進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成NOx 的速率；第三種是制作NOx 燃料。煤炭經(jīng)過劇烈燃燒在高溫下分解成正離子化合物后與CO2在干凈的空氣中發(fā)生一系列化學(xué)反應(yīng)，最終形成NOx 的過程。當(dāng)將上述三種不同形式的NOx 彼此分離時(shí)，許多有危害的氣體會(huì)轉(zhuǎn)變成以液體形式存在的元素和物質(zhì)，由此帶來的結(jié)果是降低了緩慢形成的有害氣體的排放量。通過利用以上的三種方法可從最大程度上減少由于燃煤引起的污染物排放量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)我們保護(hù)環(huán)境的最終目的[1]。

2 電廠鍋爐脫硫脫硝及煙氣除塵技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)和現(xiàn)狀

2.1 意義和技術(shù)特點(diǎn)

除了碳之外，原煤還包含其他可能對大氣造成危害的元素，例如硫和氮。這些元素的氧化物會(huì)破壞大氣環(huán)境和生態(tài)環(huán)境。倘若直接燃燒原煤，不僅會(huì)減少碳元素的利用，原煤中有害元素的氧化物也會(huì)直接排放到大氣中，這些氧化物被釋放到大氣中會(huì)產(chǎn)生酸雨和光化學(xué)煙霧等大氣污染現(xiàn)象。電廠的脫硫脫硝、煙氣除塵技術(shù)的應(yīng)用改善了這一現(xiàn)象，不僅大大減少了污染物的排放，而且在一定程度上提高了煤炭資源的利用率，降低了電力成本。

脫硫脫硝和煙氣除塵技術(shù)具有許多其它技術(shù)不具備的獨(dú)特的優(yōu)勢。第一，該技術(shù)無需大量人力，過程并不復(fù)雜，操作方便。第二，無需大量人力，所需的電力成本也不多，運(yùn)行成本低是該技術(shù)的另外一個(gè)優(yōu)勢。最后，這項(xiàng)技術(shù)具有很好的適應(yīng)性。該技術(shù)可以在任何型號(hào)和規(guī)模的發(fā)電廠鍋爐運(yùn)行中使用，也不會(huì)有二次污染的產(chǎn)生，這樣一來可以保證在發(fā)電過程中產(chǎn)生的污染物排放量處于最低。

2.2 現(xiàn)狀

我國社會(huì)不斷發(fā)展，經(jīng)濟(jì)也越來越好，在此基礎(chǔ)上國家對環(huán)境保護(hù)的要求越來越高，在不愁衣食住行的情況下，當(dāng)代人也開始追求“綠水青山”的優(yōu)美環(huán)境。在這種情況下，迫切需要治理在電廠發(fā)電過程中產(chǎn)生的大量空氣污染物。火力發(fā)電廠的發(fā)電過程中使用最多的減排技術(shù)就是脫硫脫硝技術(shù)和煙氣除塵技術(shù)，該技術(shù)為我國環(huán)保事業(yè)做出了巨大的貢獻(xiàn)。但是，我國的脫硫脫硝技術(shù)和煙氣除塵技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)比不上國外的先進(jìn)技術(shù)[2]。所以，火電廠企業(yè)應(yīng)參照自己的實(shí)際情況積極創(chuàng)新和改進(jìn)該技術(shù)，使該技術(shù)更好地服務(wù)于企業(yè)，推動(dòng)企業(yè)節(jié)能減排工作的進(jìn)行，讓企業(yè)在市場具有更好的競爭力。

3 鍋爐脫硫脫硝及煙氣除塵技術(shù)

由于燃煤而產(chǎn)生的硫和硝若是不經(jīng)過一系列的凈化處理就直接排放到大氣中，這樣做肯定會(huì)對周圍環(huán)境和大氣帶來嚴(yán)重的影響，還會(huì)破壞整個(gè)生態(tài)系統(tǒng)的平衡。由于環(huán)境污染導(dǎo)致人類的生存環(huán)境受到侵害，由此造成的經(jīng)濟(jì)損失將無法估量。從我國社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的長遠(yuǎn)發(fā)展來看，要想實(shí)現(xiàn)工業(yè)、資源和環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展，我們必須采取措施降低由電廠鍋爐燃燒煤炭產(chǎn)生的硫和硝排放量。相關(guān)部門制定了相應(yīng)的煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)來約束這種行為，而且在通過各部門的核查和監(jiān)督后取得了較好的效果。

3.1 干法煙氣脫硫脫硝技術(shù)

該技術(shù)需要在相對干燥的環(huán)境中完成，在脫硫脫硝過程中，我們可以利用一些特殊粉末、顆粒和吸收劑等來除去煙氣中的硫和酸。為了防止鍋爐設(shè)備被強(qiáng)酸腐蝕，技術(shù)處理的整個(gè)過程都需要在干燥的環(huán)境中進(jìn)行。該技術(shù)應(yīng)用于企業(yè)的過程中，大多數(shù)企業(yè)使用等離子體法和荷電干噴法。等離子體法是通過高能電子在煙氣處理過程中有效分解（NH4）2SO4和NH4NO3化肥，這樣便能達(dá)到脫硫脫硝的目的，可以減少煙氣中硫和硝的含量，達(dá)到減少環(huán)境污染的目標(biāo)。荷電干噴法是把吸收劑當(dāng)作一種介質(zhì)，吸收劑能快速流過機(jī)器的充電區(qū)域，反應(yīng)時(shí)間大大縮短，這樣就能對煙氣進(jìn)行脫硫脫硝并除塵。

3.2 濕法煙氣脫硫脫硝技術(shù)

該技術(shù)是鍋爐中最常用的脫硫脫硝和除塵技術(shù)，具有突出的技術(shù)優(yōu)勢。這項(xiàng)技術(shù)能夠?qū)嵤┑年P(guān)鍵是吸收劑的使用，該吸收劑用于在不同階段下吸收煙道氣中的SO2和SO，從而對鍋爐廢氣進(jìn)行脫硫處理。高堿度的物質(zhì)在此過程中常被用作吸收劑，廢電石渣便是其中一種吸收劑。利用堿性硫酸鎂這樣的類似堿性物質(zhì)能夠有效地中和掉存在于煙氣中的硫，從而去除SO2。

在某些鍋爐工廠里，煙氣脫硫脫硝主要利用的是石灰石-石膏這種濕法工藝,該工藝效果也很好。充分利用石灰石-石膏來吸附廢硫和廢硝是該工藝的關(guān)鍵之處。該技術(shù)經(jīng)過多年的革新，目前它的脫硫率已高達(dá)91%。副產(chǎn)物可以在脫硫后再利用是該技術(shù)的最大優(yōu)勢。廢物利用率得到了最大限度的提高，同時(shí)也降低了煙氣中脫硫脫酸濃度，避免了廢物的積累和浪費(fèi)，并且滿足相關(guān)的環(huán)保要求[3]。

3.3 半干法煙氣脫硫脫硝技術(shù)

該技術(shù)有以下特點(diǎn)：工藝復(fù)雜，需要固、液、氣的協(xié)同作用、是一種濕熱蒸發(fā)化學(xué)反應(yīng)，結(jié)合袋式除塵器來提升脫硫脫硝效率。該技術(shù)有以下兩種方法：一種是旋轉(zhuǎn)噴霧干燥法，此方法投資成本低。爐內(nèi)噴霧鈣加濕活化法是另外一種方法，該方法最后能達(dá)到80%以上的脫硫率，在脫硫脫硝設(shè)備中放置活化反應(yīng)器，通過噴水加濕來加快煙氣和吸收劑的化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)提高脫硫率，最大程度地節(jié)省了投資成本。

3.4 活性炭應(yīng)用

在低溫環(huán)境中的煙氣，對除塵和脫硫脫硝的技術(shù)要求更為嚴(yán)格，關(guān)鍵環(huán)節(jié)是要選擇更合適的吸附劑。活性炭表面上存在大量不規(guī)則的細(xì)孔，具有強(qiáng)大的吸附能力。煙道氣中的水蒸氣在通過活性炭脫硫時(shí)與SOx 和稀HSO4發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生大量的質(zhì)子，SO2的還原性因此得到大大的提升[4]。當(dāng)物理吸附和化學(xué)吸附同時(shí)使用時(shí)，煙道氣中的水蒸氣和O2高于標(biāo)記值時(shí)，化學(xué)吸附可以減少煙道氣中SOx 的含量。需要我們注意的是：整個(gè)過程吸附能力越高，需要不斷擴(kuò)大設(shè)備的體積。因此，只有活性炭的結(jié)構(gòu)和化學(xué)特性得到合理利用才能達(dá)到除塵和脫硫脫硝的目的。

3.5 濕式電除塵器

火電廠里，蒸汽鍋爐在初期運(yùn)行時(shí)的除塵技術(shù)很穩(wěn)定，能達(dá)到很好的除塵效果。從長遠(yuǎn)來看，電極高速旋轉(zhuǎn)的使用以及靜電除塵的后續(xù)處置工作是未來發(fā)展的主要方向。在熱電廠中，旋轉(zhuǎn)快速的正極是由清潔刷和轉(zhuǎn)動(dòng)陽極金屬板一起在陰極反應(yīng)區(qū)中形成的。在存在很多灰塵并累積達(dá)到某種厚度時(shí)，為了防止產(chǎn)生二次煙塵，必須將灰塵清理干凈。在實(shí)際生產(chǎn)中進(jìn)行靜電除塵時(shí)，在粉塵排放污染的基本標(biāo)準(zhǔn)很高時(shí)就需要用到加濕的靜電除塵器。

1）加濕式靜電除塵器。現(xiàn)在市場上有各種各樣的真空設(shè)備，使用真空設(shè)備能避免二次揚(yáng)塵污染。不僅如此，它的除塵效率還很高，一般都能達(dá)到70%左右。在制造和生產(chǎn)蒸汽鍋爐時(shí)，煙氣的脫硫脫硝技術(shù)和除塵技術(shù)的應(yīng)用還受到很大的限制，具有局限性。我們可以在工作時(shí)通過利用干式預(yù)旋轉(zhuǎn)電極表面除塵器，再在鍋爐煙氣完成后采用濕式除塵器工作，以此來增加熱量達(dá)到完成任務(wù)的目的，一次除塵效率可以得到明顯的提高。

這個(gè)時(shí)候，空間中的各種氣體會(huì)形成H2O2，正在燃燒的各種液滴和小顆粒將被人體吸附，最后捕獲污染物中的小顆粒。可以把它們放在自動(dòng)集塵盤中，用此來吸附較小的灰塵顆粒，這些顆粒一般都是金屬材質(zhì)。相比較而言，干式電動(dòng)旋風(fēng)除塵器將灰塵收集在一起是通過振動(dòng)和聲音的不同來工作的。

2）濕式電袋除塵器。這種除塵器可以將煙霧中的有毒小顆粒收集在集塵器表面上，以達(dá)到當(dāng)前的一種下溢狀態(tài)。合理地利用某些洗滌方法能夠有效收集灰斗中的灰塵。兩種技術(shù)之間有著許多不同之處，濃煙之間的差異性也很大。干燥靜電旋風(fēng)分離器在運(yùn)行時(shí)的溫度和濕度都很高，這個(gè)時(shí)候室內(nèi)溫度也隨之升高，濕式靜電袋式除塵器的濕度比干燥靜電旋風(fēng)分離器還要高，在運(yùn)行時(shí)還會(huì)有很多液滴形成。因?yàn)橛袡C(jī)過程有不同的類型，配備水分配系統(tǒng)的運(yùn)作將由濕式靜電旋風(fēng)分離器的陰極板來控制，水蒸氣被噴入到反電極中去。

電場里小小的白霧被霧化到電極上。電場的作用是使小的水蒸氣和較大的金屬質(zhì)地的灰塵顆粒粘附在一起，從而去凝結(jié)一些小的加濕顆粒，電場在這里的作用是收集較小的金屬顆粒，其中灰塵顆粒的作用是使其產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力。集塵器中的水霧可以在其表面層上形成水膜,且水膜的質(zhì)量很高，收集到的灰塵就會(huì)被水膜洗干凈后流入到煙灰桶中去，這樣一來儀器上的灰塵就清理干凈了[5]。

有一些濕式靜電袋式集塵器中沒放置可以噴射該系統(tǒng)的任何設(shè)施，而且煙道氣中多余的水處于一個(gè)飽和又穩(wěn)定的狀態(tài)。集塵器可以把水蒸氣收集起來，而水蒸氣薄霧仍會(huì)在表面上形成可以除去灰塵的水膜。我們只有確定了通過葉面噴水實(shí)施精制系統(tǒng)，才能使操作結(jié)果最優(yōu)化。

3.6 布袋除塵器

這種除塵器的工作原理是通過濾袋（一種濾器組件）將固體、細(xì)小的液體顆粒或者氣體分離后收集，是一種高效除塵裝置。

布袋除塵器的主要組成部分是濾袋，它是由濾料制成的，形狀像一個(gè)袋子，所以稱其為濾袋。集塵器的內(nèi)部有固定的金屬框架，纖維材料是過濾材料的基礎(chǔ)。針對新的袋式集塵器而言，長纖維層是過濾器的次要功能是否能體現(xiàn)的決定因素，實(shí)際上長纖維層的孔徑較大，而且該集塵器的除塵效果不好，除塵濾低。在過濾過程中隨著時(shí)間的推移，過濾材料的表層上滯留了一些較大的灰塵顆粒，這些顆粒會(huì)在灰塵氧氣流開始時(shí)形成一個(gè)小的顆粒層，過濾袋表面的孔徑也會(huì)因此慢慢變小，這樣一來就能攔截更多更小的灰塵顆粒，除塵效果得到提高，除塵率也增加了。

主過濾器是一種灰塵噴射室，增大多孔結(jié)構(gòu)的直徑會(huì)造成靜電除塵器和一次集塵器的除塵率降低。位于過濾材料的外表面上的灰塵是袋式旋風(fēng)除塵器除塵率高的關(guān)鍵之處。

所以，設(shè)計(jì)合理時(shí)可以使用灰塵層，配備有較大濾網(wǎng)的濾布也可以除去過大或過小的灰塵顆粒。而袋式過濾器也存在一些缺點(diǎn)，比如因?yàn)椴僮鬟^程中阻力大，過濾材料的壽命會(huì)受到灰塵和酸露點(diǎn)的總體溫度的影響；通過振動(dòng)操作清潔袋子時(shí)有可能損壞袋子。在過濾過程中，無論大的煤塵顆粒還是小的煤塵顆粒都會(huì)使袋子遭到磨損，袋子的實(shí)際使用壽命會(huì)受到影響，袋式除塵器的平均壽命一般還不到2 年，這就導(dǎo)致袋式除塵器在發(fā)電廠中的應(yīng)用受到很大的限制。

3.7 旋轉(zhuǎn)電極除塵技術(shù)

旋轉(zhuǎn)電極除塵技術(shù)與靜電除塵技術(shù)之間在工作內(nèi)容上沒有本質(zhì)的區(qū)別。電場的陰極和陽極兩個(gè)部分組成了旋轉(zhuǎn)電極除塵設(shè)備，除塵裝置被裝在陽極處。在煙氣除塵過程中，只有設(shè)備中的粉塵積累到一定程度時(shí)，煙氣中的粉塵才能完全被去除。設(shè)備需要清潔的區(qū)域不限于灰塵積累的區(qū)域。在設(shè)備旋轉(zhuǎn)過程中，煙氣中的灰塵也可以被清除。

鍋爐必須確保除塵設(shè)備在其運(yùn)作時(shí)具備較高的穩(wěn)定性，保證煙氣除塵達(dá)到最佳效果和效率。除塵技術(shù)已經(jīng)經(jīng)歷了多個(gè)階段的發(fā)展和改善，旋轉(zhuǎn)電極除塵設(shè)備在企業(yè)中被用得最多，該設(shè)備在陽極部分使用旋轉(zhuǎn)的灰塵清潔刷，當(dāng)累積的灰塵達(dá)到一定厚度時(shí)被完全清除，避免了設(shè)備中二次灰塵的產(chǎn)生。在設(shè)備運(yùn)行過程中，除塵效果更好，在最終排放過程中可最大程度降低其溶解度。

4 各項(xiàng)技術(shù)的未來發(fā)展

4.1 脫硝技術(shù)的發(fā)展

脫硝技術(shù)主要采用兩種方法，一種是低氮燃燒技術(shù)；另一種是SCR 煙氣脫硝技術(shù)。兩種技術(shù)都可以使燃燒更加充分，并實(shí)現(xiàn)充分的脫硝效果。目前，火力發(fā)電廠的煙氣脫硝技術(shù)通常采用以下三種方法：一種是將還原劑放入煙氣中，并利用化學(xué)反應(yīng)生成N2和水,溫度達(dá)到350℃左右時(shí)，脫硝率可達(dá)90%。第二種是SNCR 煙氣脫硝技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)的反應(yīng)器是一個(gè)爐膛。當(dāng)爐膛溫達(dá)到850～1100℃時(shí)，脫硝還原劑分解的氨氣與爐內(nèi)產(chǎn)生的氮氧化物進(jìn)行SNCR 化學(xué)反應(yīng)生成氮?dú)狻Ｔ摷夹g(shù)的脫硝效率不高，只有20%～50%左右，產(chǎn)生的N2O 對臭氧有不利影響。第三是SNCR/SCR 煙氣脫硝聯(lián)合技術(shù)，其效率為60%～80%，是前兩種技術(shù)的結(jié)合，但是由于該系統(tǒng)太過于復(fù)雜，在電場中的實(shí)際應(yīng)用很少。

4.2 分析脫硫技術(shù)的發(fā)展

石灰石-石膏濕法通常用在脫硫技術(shù)當(dāng)中。但是，火力發(fā)電廠脫硫技術(shù)的關(guān)鍵在于吸收塔。不同類型的吸收塔將產(chǎn)生不同的效果。通常，吸收塔有四種類型：一種是填料塔。填料塔使用內(nèi)部固體填料，使?jié){液從填料層的表面流入其中，并與爐內(nèi)的煙氣融合以實(shí)現(xiàn)脫硫的目的。但是，應(yīng)用此方法時(shí)，可能會(huì)發(fā)生阻塞；第二個(gè)是液柱塔。通過煙氣，氣體和液體的熔融，完全傳質(zhì)和完全脫氮，盡管脫硫效率很高，但爐內(nèi)沒有阻塞，煙氣產(chǎn)生的阻力會(huì)引起更多的脫硫損失；第三個(gè)是噴霧吸收塔。噴霧吸收塔脫硫技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。通常，爐子中的煙氣從上到下移動(dòng)，并且形狀為喇叭狀，或者可以以特定角度向下噴灑以充分吸收煙氣。盡管煙道氣在結(jié)構(gòu)和成本上都優(yōu)于前兩者，但煙道氣分布不均；第四個(gè)是鼓泡塔。石灰石用于壓住煙氣，但煙氣和漿液熔融后會(huì)產(chǎn)生鼓泡，脫硫效果好，效率高，煙氣流量分布均勻，唯一的缺點(diǎn)是阻力大并且結(jié)構(gòu)更復(fù)雜[6]。

4.3 分析除塵技術(shù)的發(fā)展

談及運(yùn)行穩(wěn)定性方面，電除塵效率更高，這是毫無疑問的。采用旋轉(zhuǎn)電極的方法是電除塵技術(shù)的發(fā)展方向。旋轉(zhuǎn)的陽極板和旋轉(zhuǎn)的灰塵清潔刷置于旋轉(zhuǎn)電極電場的陽極處，當(dāng)煙霧和灰塵達(dá)到反電暈厚度時(shí)將被完全清除。此外，在粉塵排放標(biāo)準(zhǔn)較高的熱電廠中，通常采用濕式靜電除塵器除塵。帶電的負(fù)離子可以被煙道氣中的灰塵顆粒吸收，因此灰塵可以被濕式靜電除塵器吸收。與干式電除塵器相比，濕式電除塵器的效率可達(dá)到70%。

為了更好、更穩(wěn)定地滿足人們的需求和企業(yè)的發(fā)展，火電廠有必要對發(fā)電過程中產(chǎn)生的各種空氣污染物進(jìn)行處理。由此可見煙氣除塵技術(shù)的重要性。火力發(fā)電廠應(yīng)更加重視這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用，更加積極地開展節(jié)能減排工作，增強(qiáng)企業(yè)在市場上的競爭力。