火電行業大氣污染集成控制技術分析

文_王斌 山東省泰安市生態環境局

由于火力發電廠的全面基礎建設，致使一些生態環境問題加劇，必須采用科學規范的方式，最大限度控制火電廠在發電過程中煤炭燃燒對生態環境造成的污染，利用專業技術解決火電廠帶來的生態環境問題，減少火電廠在發電過程中排向空氣的污染物降低對大氣的污染非常必要。

1 研究背景

在我國“多煤、低油、貧氣”的一次能源資源稟賦中，確定了長期以煤為主的電力能源利用布局，以煤化工為主的能源需求穩步增長，隨著我國現代化和城市化進程的快速推進，潛在的環境污染問題不斷涌現，霧霾、酸雨等自然環境污染頻發，區域環境污染問題日益突出。因此，在保持有效地自然環境發展趨勢和成本的基礎上追求完善的火電廠“低排放”污染物治理技術，對于實現經濟發展與自然環境和諧可持續發展的理念具有關鍵的現實意義。2011年7月29日，國家公布了《火力發電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011），進一步收緊二氧化硫、氮氧化物和粉塵排放限值，提高汞排放濃度值規定，重點區域制定粉塵20mg/m3、二氧化硫50mg/m3、氮氧化物100mg/m3，并且標準中特別規定了0.03mg/m3的汞和化學物質的空氣污染物，新標準的實施給重點地區火電站二氧化硫、氮氧化物、粉塵汞、化學物質處理技術等帶來了巨大的工作壓力和挑戰。

2 火電廠發電的種類分析

2.1 超臨界發電技術分析

目前，我國的火電廠大多以提高主蒸汽消耗率為基礎，從源頭上提高發電效率和發電總量，這是基于增加主蒸汽消耗率來增加發電量，在利用超臨界抽采發電技術發展發電的整個過程中，大部分火電廠引進了一定的污染物處理技術來開展輔助工作。如今，我國火電廠大多采用煙氣脫硫、除塵等技術輔助超臨界抽采發電技術，可以全程減少某些環境污染物，維護生態環境。在現階段發展趨勢的全過程中，利用這種污染物治理技術，可以合理降低全過程產生的污染物對生態環境保護的破壞作用。超臨界抽提燃燒技術具有發電機組熱效率高、穩定性高的一定優勢，與傳統的火力發電廠相比，在環保技術上也有很大的提高。我國在開發超臨界萃取燃燒技術的整個過程中，會加上一定的除灰技術和煙氣脫硫技術，可以很好地輔助煤燃燒中的污染物。隨著高新技術的不斷發展和社會的發展，燃煤超臨界萃取技術將成為大多數火電廠的首選，對維護生態環境保護有著非常大的作用。

2.2 循環流化床燃燒技術

在整個燃燒過程中，同時在燃燒池中加入煤和脫硫催化劑，受通風孔高速旋風影響，緩慢形成一層浮層，然后在燃燒過程中緩慢地去除煤中的硫元素，這種燃燒技術就是循環流化床燃燒技術。在循環流化床燃燒技術方面，根據氣體壓力的不同，可分為不同的循環流化床燃燒技術方法。一種是自然壓力循環流化床燃燒，一種是增壓循環流化床燃燒，兩者的區別在于在整個燃燒過程中氣體壓力不同，而燃燒氣體壓力的不同對燃燒的具體燃燒程度和氣體流量有著一定影響。在循環流化床燃燒的整個過程中，進行煙氣脫硫的關鍵是脫硫催化劑的選擇，石灰石作為爐內脫硫催化劑主要成分是碳酸氫鈣，可受熱能轉化為氫氣。氧化鈣、氫氧化鈣和煤燃燒將大量二氧化硫蒸氣轉化為硫氰酸鉀，伴隨固體化學品的去除，達到煤的脫硫效果。在循環流化床進行燃煤全過程的應用中，具有很強的凈化作用，燃燒污染物極低，因為在整個特定燃燒過程中，選擇的燃燒溫度都是能剛好與碳酸氫鈣和二氧化硫反射的溫度相匹配。并且硫元素在煤燃燒的整個過程中具有很好的干燥作用。與傳統的火電廠燃煤技術相比，循環流化床燃燒技術能將污染物減少到更低的水平。另外，基于燃燒床的煤燃燒反射也可以促進煤的充分燃燒。

3 火電廠大氣燃燒產物的控制分析

上文對我國當前的幾種主要火電廠的發電技術進行了簡單的分析，可以看出大多數火電廠的煤炭燃燒技術都具有一定的除塵、除污染物技術，相關技術的具體應用詳情如下。

3.1 高效二氧化硫控制技術

3.1.1 石灰石—石膏濕法脫硫

石灰石—石膏濕法脫硫塔是目前世界上較為完備的脫硫技術，單機版本已達1000萬kW。2011年，我國火電廠濕法煙氣脫硫技術石灰石石膏市場占有率已占全部煙氣脫硫技術的90%左右。該加工工藝采用石灰石作為煙氣脫硫吸附劑，將石灰石磨成粉狀，與水混合制成消化吸收漿液。在脫硫塔內，煙氣中的二氧化硫、漿液中的碳酸氫鈣和吹入的空氣氧化反應成熟石膏，然后煙氣通過屋頂式除霧器去除皮帶上的細小液體進入煙囪。而脫硫石膏漿干燥后循環使用，因此石灰石-石膏濕法脫硫塔處理技術適用于所有含硫原煤的煙氣脫硫，效率可達95%以上。

3.1.2 高效石灰石—石膏濕法脫硫技術

由于我國火電廠原煤硫含量波動較大，相關地區火電廠脫硫效率（二氧化硫排放控制在50mg/m3以下）規定在98%以上甚至更高。因此，必須解決高煙問題，對基礎的石灰石石膏脫硫塔處理技術進行改進。現階段的關鍵方法，一是雙塔板脫硫塔技術。該技術是在自噴塔漿液噴嘴下方設置1～2層帶有小圓孔的板式塔，消化吸收漿液在板式塔上產生一定的薄液層，煙氣進入洗滌塔。由塔盤分散成小旋流器，在液層鼓脹進行汽液接觸，進行二氧化硫消化吸收；通過均相旋流器提高煙氣脫硫效率，增加石灰石熔化量，增加煙氣在脫硫塔內的停留時間。二是回收U型塔技術（液柱自噴御）。循環U型塔由高流速空塔和小塔（循環系統漿液濃度值為30%）和方形逆向塔（循環系統漿液濃度值為15%）組成。煙氣最先進入下游液塔除去約70%的二氧化硫，然后殘留的二氧化硫在逆流洗滌器中進一步被樹脂吸附。該處理技術煙氣綜合脫硫率達98%以上。三是脫硫塔系列。選用兩臺脫硫塔串聯運行，共同對煙氣進行脫硫，達到環保標準。該技術適用于高硫煤系統，相同液氣比標準下運行能耗低于多噴層方案。但系統復雜，覆蓋面積大。四是雙回路供電脫硫塔。高爐二氧化硫與空氣氧化全過程分兩階段形成控制回路循環系統：第一階段pH值控制在4.5以下，預消化全過程對亞硫酸鈣進行吸收和空氣氧化。第二階段將pH值控制在6左右（石灰石相對性太大），完成二氧化硫的高效消化吸收。該處理工藝的特點是石灰石利用率高，各反映均處于最佳pH值調節，煙氣脫硫效率高，抗負荷變化能力強，副產熟石膏能耗低；缺點是系統復雜，操作規范性高，詳情見圖1。

圖1 石膏濕法脫硫技術

3.2 氮氧化物控制技術

目前國內外燃煤電廠采用的氮氧化物控制技術主要是低氮燃燒技術和 SCR脫硝，脫硝效率在80%以上，詳情見圖2。

3.2.1 低氮燃燒技術

改變燃燒標準以減少氮氧化物排放的方法通常稱為低氮氧化物燃燒技術。現階段開發設計了第三代低NOx燃燒技術，在超臨界抽提和超超臨界鍋爐中得到廣泛應用，氮氧化物的排放濃度為170～240mg/m3。

圖2 氮氧化物煙氣處理系統

3.2.2 全負荷脫硝技術

一是選擇催化反應氫化鋁鋰（SCR）脫硝技術。SCR脫硝技術是現階段世界上火電廠最常用的處理技術，約占脫硝市場總量的90%。反應原理是在金屬催化劑的標準下，煙氣中的氮氧化物（NO、NO2）與噴出的氧化劑氨（NH）在一定的反射溫度范圍內（300～420℃）進行反射。轉化為氨氣（N2）和水。SCR脫硝選用“2：1”層金屬催化劑時，脫硝效率高達80%以上。隨后，SCR脫硝爐低負荷運行時，由于溫度低，脫硝系統無法投入運行，氮氧化物排放超標。二是滿負荷脫硝。針對SCR脫硝發電機組在低負荷情況下無法投入使用的問題，可以采用兩種方案，一種是鍋爐省煤器按截面圖方案，將鍋爐省煤器分成2個部分，找到合適的溫度對話框，達到30% THA甚至更低的工況。脫硝入口煙氣溫度超過310℃，100%BMCR工作。在此條件下，脫硝入口煙道溫度低于400℃，可采用另一種寬響應對區金屬催化劑方案，此時可選擇適用于290℃甚至更低溫度的脫硝金屬催化劑。另外，南開大學在實驗室完成了金屬催化劑在260℃以下的長期安全連續運行。

3.3 靜電除塵器

一是靜電除塵技術。靜電除塵技術的基本原理是在高壓靜電場的作用下使水蒸氣水解，使細顆粒的濃度發生極化，在靜電力的作用下將粉塵收集起來。該技術具有除灰效率高（一般為99.8%及以上）、集成覆蓋面廣、運行成本低、穩定性高、使用方便、無二次污染等獨特優勢，早已成為火力發電廠領域首選的除塵設備，但設備較為復雜，且占地面積大，對煙塵專用電阻器也有一定的規定，除灰效率高會受到煤和灰成分的損害。二是超低溫電除塵器。現階段我國火電廠運行的燃煤電廠設計方案煙氣系統溫度一般為125～130℃，使用煤泥時為140～150℃，煙道溫度電廠具體運行的燃氣系統一般比設計方案值高20～50℃，遠遠超過煙氣泄漏點的溫度。排煙系統的高溫導致加熱爐的高效率降低，靜電除塵器的除塵效率降低。超低溫電除塵器是二級煙氣余熱回收利用裝置。第一級布置在除塵設備的入口處，將煙氣溫度從123℃左右冷卻到105℃左右。第二級設置在脫硫塔入口處，將煙氣溫度從110℃左右冷卻到96℃左右。由于排風系統溫度降低，進入電除塵器的煙氣體積減少，煙塵比電阻少，進而完成余熱回收利用的雙向目標，提高除灰效率。

3.4 煙氣脫汞技術

汞以三種形式儲存在加熱爐的煙氣中，即氫氧化物汞（HgO）、正離子汞（Hg2+）和微粒汞（HgP）。由于受到原煤長焰煤、加熱爐形式和燃燒方式的危害，這三種形態的汞在總汞中的比例會發生變化，《火力發電廠大氣污染物排放標準》（GB13223-2011）最初要求燃煤蒸汽鍋爐中汞和化學物質的環保標準為0.03mg/m3。

4 結語

我國要落實科學規范的方法，建立嚴格的火電廠污染物排放管控體系，引進優良技術解決揚塵問題，在原煤中選擇煙氣脫硫，解決原煤硫元素環境污染問題后，選擇低氮燃燒技術解決氮氧化物環境污染問題。