張 男

(神華神東電力有限責(zé)任公司神東熱電公司，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017209)

火電生產(chǎn)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(biāo)準(zhǔn)，迫使許多已建火電廠必須對(duì)環(huán)保設(shè)施進(jìn)行改造方可滿足新的環(huán)保要求。

1 火電生產(chǎn)排放的污染物及其分類

火電廠生產(chǎn)過程中產(chǎn)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(chǎn)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(duì)大氣環(huán)境的影響

2.1 硫氧化物的排放及其對(duì)環(huán)境的影響

2.1.1 我國(guó)燃煤電廠硫氧化物的排放現(xiàn)狀

二氧化硫是大氣的主要污染物之一，是我國(guó)法規(guī)控制的主要空氣污染物，對(duì)人體危害大?？諝庵泻卸趸驓怏w，能直接對(duì)人體造成傷害，引起氣喘、胸悶、呼吸急促等癥狀。長(zhǎng)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(duì)建筑物產(chǎn)生腐蝕，影響植物的生長(zhǎng)。煤的燃燒過程中，煤中的硫?qū)⒂?5%～90%轉(zhuǎn)化為二氧化硫而隨煙氣一起進(jìn)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(yīng)用中，入爐前脫硫主要采用型煤技術(shù)。型煤是將煤制成粉，再與粘土或者其他結(jié)合劑一起生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(shù)主要是在爐內(nèi)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(yīng)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(shù)和適合于循環(huán)流化床的燃燒中脫硫技術(shù)。爐內(nèi)直接噴鈣脫硫技術(shù)，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(nèi)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(yīng)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(jīng)生成的亞硫酸鹽從脫硫劑表面脫落，使傳質(zhì)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(shè)脫硫設(shè)備，但根據(jù)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(shù)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(dá)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(diǎn)是煙氣處理過程中不會(huì)產(chǎn)生廢水和結(jié)垢等問題，但脫硫效率較低，且反應(yīng)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(shù)尚不完善，還需改進(jìn)，因此應(yīng)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(duì)煙氣進(jìn)行洗滌，使二氧化硫與堿性化合物反應(yīng)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(yīng)用，但濕法脫硫存在腐蝕、結(jié)垢堵塞、運(yùn)行費(fèi)用高以及會(huì)產(chǎn)生廢水等缺點(diǎn)。

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

2.2 氮氧化物的排放及其對(duì)環(huán)境的影響

2.2.1 我國(guó)燃煤電廠氮氧化物的排放現(xiàn)狀

氮氧化物對(duì)環(huán)境的危害較大，其主要來源是火力發(fā)電廠、內(nèi)燃機(jī)以及化肥工業(yè)等。在過去的25年內(nèi)，我國(guó)氮氧化物的排放量增長(zhǎng)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(guó)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(biāo)準(zhǔn)日益提高的今天，對(duì)有害物質(zhì)的排放要求越來越嚴(yán)格。目前，燃煤電廠的粉塵、二氧化硫排放都有嚴(yán)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(jìn)行控制，主要的控制方式是使用低NOX燃燒技術(shù)來降低其產(chǎn)生量；另外，為了達(dá)到環(huán)保要求，必須采取脫硝設(shè)備進(jìn)行煙氣脫硝處理。

1)空氣分級(jí)燃燒

根據(jù)煤在爐膛內(nèi)燃燒產(chǎn)生氮氧化物的機(jī)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(jí)燃燒是一種有效的措施，即將燃燒所需的空氣分為二級(jí)或三級(jí)分別送入爐膛。第一級(jí)空氣主要是輸送燃料的一次風(fēng)和部分二次風(fēng)，這部分空氣不能完全供應(yīng)煤燃燒所需的氧量，空氣過量系數(shù)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(jí)空氣燃燒區(qū)域，會(huì)呈現(xiàn)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(shí)，該區(qū)域是一個(gè)還原性區(qū)域，在還原性區(qū)域內(nèi)，燃料中的氮分解生成的大量中間產(chǎn)物NHi、HCN中，將有部分被NO還原而生成N2。當(dāng)二級(jí)助燃空氣或者三級(jí)助燃空氣進(jìn)入爐膛時(shí)，未燃盡的焦炭一級(jí)可燃?xì)怏w將繼續(xù)被氧化而放出熱量，由于一級(jí)燃燒過程中產(chǎn)生的熱量已經(jīng)部分被水冷壁吸收，因此二級(jí)送風(fēng)燃燒過程中，燃燒溫度不高，熱力性氮氧化物產(chǎn)生量少。

2)燃料分級(jí)燃燒燃料分級(jí)燃燒技術(shù)是將燃料分級(jí)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(jí)燃料在第一級(jí)燃燒區(qū)的下游進(jìn)入爐膛(a＜1),由于該區(qū)氧氣不足，因此呈現(xiàn)出還原性氣氛，有利于將一級(jí)燃燒區(qū)產(chǎn)生的氮氧化物還原。所以，可以將第二級(jí)燃燒區(qū)看作脫硝區(qū)或者還原區(qū)。

二級(jí)燃燒對(duì)燃料要求較高，第二級(jí)燃料一般應(yīng)易燃燒、含氮少，并且燃燒時(shí)能產(chǎn)生大量有利于還原氮氧化物的烴活性基團(tuán)。在國(guó)內(nèi)研究中，二級(jí)燃料較多采用天然氣，脫氮效果明顯，也有以細(xì)煤粉顆粒作為二級(jí)燃料的。二級(jí)燃料的比例對(duì)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?cè)剂习l(fā)熱量的10%～20%。同時(shí)，二級(jí)燃料的過量空氣系數(shù)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(shí)際應(yīng)用中，最佳的二次燃料助燃空氣量由試驗(yàn)確定。

2.3 粉塵排放及其對(duì)環(huán)境的影響

2.3.1 粉塵對(duì)環(huán)境的影響

粉塵進(jìn)入大氣后，其巨大的比表面積容易吸附有毒物質(zhì)，當(dāng)人體吸入此類顆粒后，將對(duì)人體產(chǎn)生較大的危害。粉塵長(zhǎng)時(shí)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(gè)主要來源。我國(guó)是燃煤大國(guó)，煤供應(yīng)著我國(guó)大部分電力，粉塵對(duì)我國(guó)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(xiàng)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(chǎn)生機(jī)理，而研究結(jié)果表明，在移動(dòng)的煤粉粒徑下燃燒可減少亞微米顆粒的產(chǎn)生?？晌敕蹓m的防治措施是采用更高效的除塵設(shè)備，如袋式除塵器，利用袋式除塵器代替機(jī)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(yáng)極)組成。它是利用電極施加高電壓，使電極產(chǎn)生電暈而放電，在放電過程中，使電極周圍的氣體產(chǎn)生離子，離子在電場(chǎng)作用下向收塵極運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)過程中，粉塵吸附這些帶電離子后，也會(huì)受到電場(chǎng)力，在電場(chǎng)中向收塵極運(yùn)動(dòng)，最終達(dá)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(dá)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(shí)效率高，當(dāng)粉塵為亞微米顆粒時(shí)，靜電除塵器的效率則下降。靜電除塵器對(duì)粉塵比電阻的要求較高，其系統(tǒng)復(fù)雜、設(shè)備龐大、戰(zhàn)地多、初投資大，并且對(duì)制造、安裝、運(yùn)行、維護(hù)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(duì)粉塵的篩濾作用、慣性碰撞、攔截作用已經(jīng)靜電作用等，將粉塵滯留于濾料表層。

袋式除塵器的特點(diǎn)表現(xiàn)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(duì)粉塵的特性不敏感，不同比電阻的粉塵對(duì)其除塵效率的影響小，處理煙氣量大。對(duì)顆粒粒徑在亞微米等級(jí)的粉塵也具有良好的捕集能力。同時(shí)，袋式除塵器還具有建造成本和運(yùn)行成本低等特點(diǎn)，其缺點(diǎn)是對(duì)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(guó)內(nèi)的燃煤電廠中應(yīng)用袋式除塵器的不多，但隨著我國(guó)對(duì)煙塵排放的要求逐漸提高，袋式除塵器的應(yīng)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(shè)時(shí)環(huán)保設(shè)施建設(shè)情況

XX電廠是利用煤矸石為燃料的熱電聯(lián)供項(xiàng)目，建設(shè)規(guī)模為2×150MW直接空冷抽凝式汽輪發(fā)電機(jī)組，配置2×520t/h超高壓循環(huán)流化床鍋爐，項(xiàng)目于2008年4月2日開工建設(shè)，2009年12月建成并進(jìn)入設(shè)備和系統(tǒng)調(diào)試階段。該廠采用爐內(nèi)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(yīng) 2014年 7月1日國(guó)家即將實(shí)行的新標(biāo)準(zhǔn)，該廠對(duì)環(huán)保設(shè)施進(jìn)行了改造。

3.2 XX電廠環(huán)保設(shè)施的改造

3.2.1 脫硫設(shè)施的改造

該電廠對(duì)每套石灰石系統(tǒng)進(jìn)行了增容改造，改造后每臺(tái)爐配置兩套石灰石系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)一運(yùn)一備運(yùn)行，且系統(tǒng)出力由7T/h增加為15T/h，石灰石系統(tǒng)的投運(yùn)率達(dá)到100%，大大提高了脫硫效率。現(xiàn)改造工作全部完成，實(shí)現(xiàn)了“三自動(dòng)”運(yùn)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(duì)脫硝采取了二次風(fēng)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(shì)，采用“爐內(nèi)一體化耦合脫硫脫硝技術(shù)”通過優(yōu)化燃燒調(diào)整，能夠?qū)⒌趸锏呐欧艥舛确€(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(diǎn)，將煙氣引入一次風(fēng)室，從而在保證流化的基礎(chǔ)上，降低一次風(fēng)及密相區(qū)氧量，代替的一次風(fēng)氧量由二次風(fēng)補(bǔ)入，增加二次風(fēng)率，更好的實(shí)現(xiàn)低氮燃燒所需的空氣分級(jí)，并在維持鍋爐整體運(yùn)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(duì)于石灰石脫除效率有重要影響，只要鍋爐整體運(yùn)行氧量保持合理水平，SO2就能達(dá)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(dá)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(shù)措施的基礎(chǔ)。

3.2.3 除塵設(shè)施的改造

該電廠配備2臺(tái) (套)ND4×1/1236/RF8000型低壓旋轉(zhuǎn)脈沖反吹布袋除塵器。本體包括4個(gè)除塵室，每室有2個(gè)單元間(布袋束)，布袋束配有各自的旋轉(zhuǎn)風(fēng)管。鍋爐煙氣從四個(gè)分煙道分別進(jìn)入四個(gè)除塵室，煙氣進(jìn)入本體后，由于截面變大，流速減慢；煙氣從布袋外面進(jìn)入布袋，粉塵就收集在布袋表面，掉進(jìn)下方的灰斗。干凈煙氣通過布袋，到達(dá)本體頂部，進(jìn)入凈氣室，再經(jīng)過引風(fēng)機(jī)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(tái)爐除塵效率達(dá)到99.9%、煙塵濃度均能夠控制在30mg/m3以內(nèi)。煙塵排放濃度已于4月10日通過內(nèi)蒙古自治區(qū)環(huán)境監(jiān)測(cè)大隊(duì)的驗(yàn)收監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)報(bào)告中煙塵排放濃度小于30mg/m3。

4 結(jié)語

事實(shí)上，近二十年來我國(guó)一直都沒有停止對(duì)清潔煤電前沿技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用探索。

2010年，國(guó)家能源局組織成立了“國(guó)家700℃超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟”，設(shè)立了“國(guó)家700℃超超臨界燃煤發(fā)電關(guān)鍵技術(shù)與設(shè)備研發(fā)及應(yīng)用示范”項(xiàng)目。以華能集團(tuán)清潔能源研究院牽頭，同時(shí)承擔(dān)我國(guó)首個(gè)關(guān)鍵部件驗(yàn)證試驗(yàn)平臺(tái)的建設(shè)及運(yùn)行工作。包括中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)公司在內(nèi)，項(xiàng)目參與單位幾乎囊括了我國(guó)發(fā)電行業(yè)、動(dòng)力裝備制造行業(yè)、材料行業(yè)等多個(gè)相關(guān)基礎(chǔ)行業(yè)的重點(diǎn)單位。

據(jù)了解，700℃先進(jìn)超超臨界燃煤發(fā)電技術(shù)是目前歐洲、美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家積極發(fā)展的商業(yè)化規(guī)模應(yīng)用清潔燃煤發(fā)電技術(shù)。該技術(shù)將目前最先進(jìn)的超超臨界發(fā)電機(jī)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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