金逸飛 張寅 彭偉

（西安市高新一中 陜西西安 710065）

1 燃煤電廠及鍋爐原理

燃煤電廠的生產(chǎn)過(guò)程就是將煤的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能。煤炭是重要的化石能源，其化學(xué)能十分豐富，較好的煤炭燃燒的熱值達(dá)到20MJ/kg 以上，而將這可觀的化學(xué)能轉(zhuǎn)化成為人們服務(wù)的電能則是需要一系列設(shè)備來(lái)完成。其核心設(shè)備有3 種：鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)。鍋爐的作用是將煤炭的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為推動(dòng)汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的熱能，汽輪機(jī)的作用則是將鍋爐傳遞來(lái)的熱能轉(zhuǎn)化為供發(fā)電機(jī)使用的機(jī)械能，而發(fā)電機(jī)則是最終將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。

我國(guó)目前燃煤電廠主要使用兩種鍋爐，分別為循環(huán)流化床鍋爐和煤粉爐。循環(huán)流化床鍋爐因煤種適應(yīng)性好，可以燃燒低熱值燃料，燃燒過(guò)程中產(chǎn)生的污染物相對(duì)較少，目前大多用于300MW 及以下燃煤機(jī)組；煤粉爐因技術(shù)成熟，容量大，建造成本較低，被廣泛應(yīng)用300MW 以上的大容量機(jī)組。這兩種鍋爐都是以燃燒煤炭資源為主，將煤炭的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為蒸汽的熱能，其原理和系統(tǒng)（由省煤器、汽包、水冷壁、過(guò)熱器、再熱器組成了鍋爐的汽水系統(tǒng)，由燃燒器和爐膛組成了鍋爐的燃燒系統(tǒng)，由吸送風(fēng)機(jī)、預(yù)熱器、煙風(fēng)道、除塵器、煙囪組成了鍋爐的風(fēng)煙系統(tǒng)，由原煤倉(cāng)、給煤機(jī)、磨煤機(jī)、分離器、煤粉倉(cāng)組成了鍋爐的制粉系統(tǒng)）組成基本相同。

2 燃煤電廠煙氣污染物處理技術(shù)

燃煤電廠煙氣排放物中有害物質(zhì)主要是是SO2、氮氧化物和粉塵，因此，除去這些有害物質(zhì)，達(dá)標(biāo)排放成為燃煤電廠潔凈化生產(chǎn)的主要目標(biāo)。這里對(duì)燃煤電廠常用的脫硫、脫硝（脫除氮氧化物NOX）、除塵技術(shù)做一簡(jiǎn)單介紹。

2.1 脫硫技術(shù)

目前燃煤電廠脫硫普遍采用3 種方法，即干法、半干法和濕法脫硫。

2.1.1 干法脫硫

干法脫硫（又名噴鈣脫硫）是將石灰石粉（CaCO3）噴入爐膛，或?qū)⑹沂w粒參入煤中送入爐膛，煤在爐膛內(nèi)燃燒時(shí)，石灰石被高溫煅燒生成生石灰（CaO）和氧氣，CaO 在爐膛內(nèi)與煤燃燒產(chǎn)生的二氧化硫（SO2）反應(yīng)生成亞硫酸鈣（CaSO3），亞硫酸鈣與爐膛內(nèi)的氧氣反應(yīng)生成硫酸鈣（CaSO4），化學(xué)方程式如下：

干法脫硫相對(duì)于其他脫硫方式，系統(tǒng)簡(jiǎn)單、投資少、成本低，是循環(huán)流化床鍋爐首選的脫硫方式。但因?yàn)榇罅康腃aCO3進(jìn)入爐內(nèi)，對(duì)鍋爐水冷壁及煙道內(nèi)的受熱面產(chǎn)生較大磨損，為了保護(hù)水冷壁，采用在爐膛水冷壁表面筑砌耐火防磨材料，這樣使鍋爐制造成本大大提升；另外，石灰石粉系統(tǒng)容易出現(xiàn)磨損、堵管等，進(jìn)入爐內(nèi)的石灰石量過(guò)大對(duì)燃燒和床溫產(chǎn)生不利影響；更重要的是干法脫硫效率相對(duì)較低，最高達(dá)80%左右，燃用中高硫煤時(shí)，石灰石粉耗量很大，成本壓力及磨損問(wèn)題使之難以承受。因此，部分電廠使用生石灰粉CaO 代替石灰石，以增加活性，提高效率；還有一些電廠采用干法、半干法兩級(jí)脫硫方式，靈活調(diào)整，以應(yīng)對(duì)煤質(zhì)含硫量的變化。

2.1.2 半干法脫硫

半干法脫硫原理是在爐后（一般在預(yù)熱器和除塵器之間）建立脫硫塔，煙氣進(jìn)入脫硫塔入口時(shí)向其噴水加濕，使?fàn)t內(nèi)干法脫硫殘留的CaO 與水反應(yīng)生成Ca(OH)2俗稱消石灰，Ca(OH)2與煙氣中的SO2在脫硫塔中反應(yīng)生成硫酸鈣。也可增加一套消石灰制備系統(tǒng)，俗稱消化系統(tǒng)，用生石灰CaO 加水生成消石灰Ca(OH)2，將消石灰Ca(OH)2直接送入脫硫塔，脫除煙氣中的SO2。半干法脫硫的不利因素是生石灰CaO 成本較高，用量較大時(shí)電廠無(wú)法承受成本壓力。

2.1.3 濕法脫硫

濕法脫硫原理是石灰石CaCO3漿液與煙氣中的二氧化硫在脫硫吸收塔中逆向流動(dòng)（煙氣由吸收塔下部進(jìn)入向上運(yùn)動(dòng)，石灰石漿液從上至下噴入），充分混合，反應(yīng)生成硫酸鈣，硫酸鈣達(dá)到一定飽和度后，結(jié)晶形成二水石膏CaSO4·2H2O。其反應(yīng)方程式如下：

濕法脫硫系統(tǒng)組成有：二氧化硫吸收系統(tǒng)、漿液制備系統(tǒng)、漿液排出系統(tǒng)、石膏脫水系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)、工藝水系統(tǒng)等。二氧化硫吸收系統(tǒng)包含吸收塔、漿液循環(huán)泵、噴淋層、除霧器、攪拌器、氧化風(fēng)機(jī)等設(shè)備，主要作用是將石灰石漿液在吸收塔中打循環(huán)，并在吸收塔底部漿液池內(nèi)通入氧化風(fēng)，強(qiáng)化氧化作用，吸收塔頂部的除霧器阻止煙氣帶走吸收塔中的水霧顆粒。漿液制備系統(tǒng)一般包含石灰石粉倉(cāng)、給料機(jī)、漿液箱、攪拌器、供漿泵等設(shè)備，其作用是將石灰石粉加水制成石灰石漿液，并送至脫硫吸收塔。漿液排出系統(tǒng)主要包含漿液排出泵、漿液箱、事故漿液箱等設(shè)備，其主要作用是正常運(yùn)行時(shí)將生成的石膏漿液送至石膏脫水系統(tǒng)脫水，事故情況或吸收塔檢修時(shí)將吸收塔中的漿液送至事故漿液箱。石膏脫水系統(tǒng)主要包含真空皮帶脫水機(jī)、真空泵、濾液箱、旋流器等設(shè)備，其作用是脫除石膏漿液中的水分，形成半干固體石膏。廢水處理系統(tǒng)主要包含廢水加藥系統(tǒng)、處理池、沉降池、污泥排出泵、廢水池、離心脫水機(jī)等設(shè)備，其主要作用是將脫硫廢水處理后達(dá)標(biāo)排放。

2.2 脫硝技術(shù)

燃煤鍋爐煙氣中的NOX主要是燃料中的氮化合物在燃料燃燒時(shí)高溫分解后氧化生成的，其形成的條件是高溫和富氧。因此，減少NOX排放濃度目前采用抑制其形成和煙氣中脫除兩種措施。抑制其形成采用低氮燃燒技術(shù)，煙氣中脫除通常采用SCR 和SNCR 技術(shù)。

2.2.1 低氮燃燒技術(shù)

低氮燃燒技術(shù)的方法很多，這里介紹二種常用的方法。

（1）二段燃燒法。該法是目前應(yīng)用最廣泛的分段燃燒技術(shù)，將燃料的燃燒過(guò)程分階段來(lái)完成。第一階段燃燒中，只將總?cè)紵諝饬康?0%～75%（理論空氣量的80%）供入爐膛，使燃料先在缺氧的富燃料條件下燃燒，由于富燃料缺氧，該區(qū)域的燃料只能部分燃燒（因含氧量不足），降低了燃燒區(qū)內(nèi)的溫度水平，能抑制NOX的生成；第二階段通過(guò)足量的空氣，使剩余燃料燃盡，此階段中氧氣過(guò)量，但溫度低，生成的NOX也較少。

（2）排煙再循環(huán)法。利用一部分溫度較低的煙氣返回燃燒區(qū)，煙氣中含氧量較低，從而降低燃燒區(qū)的溫度和氧濃度，抑制氮氧化物的生成。

2.2.2 SNCR 脫硝技術(shù)

SNCR(Selective Non-Catalytic Reduction)脫硝即選擇性非催化還原脫硝，是指無(wú)催化劑的作用下，在適合脫硝反應(yīng)的溫度區(qū)域即“溫度窗口”內(nèi)噴入還原劑（尿素溶液或氨水），將煙氣中的氮氧化物還原為無(wú)害的氮?dú)夂退?。由于該工藝不用催化劑，要求還原劑噴入溫度為850 ℃～1100℃的區(qū)域，還原劑迅速熱分解后與煙氣中的NOX反應(yīng)生成N2和水。

采用NH3作為還原劑還原NOX的化學(xué)反應(yīng)為：

采用尿素作為還原劑還原NOx 的化學(xué)反應(yīng)式為：

循環(huán)流化床鍋爐分離器進(jìn)口處煙氣溫度大約900℃左右，適宜于還原劑噴入，且分離器內(nèi)煙氣擾動(dòng)大，還原劑與煙氣能充分混合，可提高氮氧化物的脫除效率。SNCR 脫硝因系統(tǒng)簡(jiǎn)單，投資少，被循環(huán)流化床鍋爐電廠廣泛應(yīng)用，但SNCR 脫硝效率通常只有50%左右，滿足不了更高排放標(biāo)準(zhǔn)要求，目前一些問(wèn)題還在研究解決之中。

2.2.3 SCR 脫硝技術(shù)

SCR（Selective Catalytic Reduction）脫硝即選擇性催化還原脫硝技術(shù)，其原理是液氨或尿素與煙氣中的NO 反應(yīng)，將煙氣中的NO 還原成氮?dú)?，在反?yīng)區(qū)域加入催化劑，減少反應(yīng)活化能，降低反應(yīng)溫度。SCR 脫硝主要包含有尿素溶液制備系統(tǒng)、熱解系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)和檢測(cè)系統(tǒng)。 SCR 脫硝效率依據(jù)催化劑層數(shù)的不同在50%～90%之間，一層達(dá)到50%，兩層達(dá)到80%，三層達(dá)到90%。SCR 脫硝因其效率高且可靈活調(diào)整，被廣泛應(yīng)用于煤粉鍋爐的發(fā)電企業(yè)。

2.3 除塵技術(shù)

燃煤鍋爐十分重要的污染物，就是粉塵，粉塵是PM2.5的主要來(lái)源，對(duì)人們健康危害極大，采取除塵措施抑制其排放至關(guān)重要。下面就我國(guó)目前時(shí)興的兩種除塵方式——布袋除塵和電除塵作以簡(jiǎn)單介紹。

2.3.1 布袋除塵器

布袋除塵器原理十分簡(jiǎn)單，顧名思義，就是用布袋來(lái)除去煙氣中的粉塵，當(dāng)然不是普通的布袋，布袋需要耐溫耐腐蝕，其孔隙十分的細(xì)密，布袋被固定于骨架上，煙氣從布袋外側(cè)進(jìn)入布袋內(nèi)流出，粉塵就會(huì)緊緊地吸附在布袋外壁上，位于其上的壓縮空氣定期將布袋上的粉塵吹掉，粉塵掉入灰斗被回收利用（是一種混凝土添加劑）。布袋除塵器效率可達(dá)到99%以上，最新研制的一種PP 材料，可使燃煤電廠粉塵排放達(dá)到20mg/Nm3以下。布袋除塵器需要對(duì)布袋定期更換，維護(hù)費(fèi)用高。

2.3.2 靜電除塵器

靜電除塵是利用高壓尖端放電的原理，在煙氣流過(guò)的通道中，兩側(cè)鋼板帶有高壓正電即陽(yáng)極板，在兩陽(yáng)極板中間布置帶高壓負(fù)電的陰極線，陰極線的兩側(cè)制成鋸齒尖狀，陰極線帶電后使尖端周圍空氣中的自由離子高速碰撞，引起空氣電離產(chǎn)生尖端放電現(xiàn)象，在電暈區(qū)外產(chǎn)生大量的負(fù)電荷，當(dāng)煙塵流經(jīng)通道時(shí)，粉塵被荷電，帶有負(fù)電荷的粉塵向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，吸附在兩陽(yáng)極板上，通過(guò)震打使其下落至灰斗被回收利用。

靜電除塵器與其他除塵設(shè)備相比，耗能少，除塵效率高（初始投運(yùn)可達(dá)到99%），維護(hù)費(fèi)用低，適用于除去煙氣中0.01um～50μm的粉塵，而且可用于煙氣溫度高、壓力大的場(chǎng)合，得到了大型燃煤發(fā)電企業(yè)的廣泛應(yīng)用。但電除塵的效率受粉塵性質(zhì)（比電阻）、設(shè)備構(gòu)造、煙氣流速、極板極線變形等因素的影響而波動(dòng)，且提升空間有限，隨著環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的不斷提升，未來(lái)可能不能滿足超凈排放的要求，需要對(duì)其研究改進(jìn)，或采用多種技術(shù)綜合除塵的方法。

3 結(jié)語(yǔ)

從中央發(fā)出的眾多信號(hào)可以看出，燃煤電廠的革命性時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨。我國(guó)燃煤火力發(fā)電廠只有廣泛應(yīng)用超臨界循環(huán)流化床鍋爐設(shè)備和超超臨界煤粉鍋爐，最終將會(huì)實(shí)現(xiàn)大氣污染物排放達(dá)到氮氧化物低于50mg/Nm3，SO2低于35mg/Nm3，粉塵低于5mg/Nm3的超凈排放標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)燃煤電廠的潔凈化生產(chǎn)，為中國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供有力的保障。