我國超(超)臨界燃煤機組節(jié)能環(huán)保設計技術策略分析

趙鵬，龍輝，陶葉

(中國電力工程顧問集團公司，北京市，100120)

0 引言

當前，我國火力發(fā)電技術在裝機容量、機組容量構(gòu)成、能源利用效率以及污染控制等方面都取得了巨大的進步。大型機組已占火電裝機總?cè)萘康?0%以上，超臨界、超超臨界機組成為在建或計劃建設電廠的主要機型，單機容量由600 MW升級為1 000 MW。600 MW濕冷機組基本上采用了超臨界或超超臨界參數(shù)，1 000 MW機組全部采用了超超臨界參數(shù)。截至2010年末，我國已投運1 000 MW超超臨界機組33臺，發(fā)展速度、裝機容量和機組數(shù)量均已躍居世界首位。從2002年以來我國燃煤火電機組迎來了高速發(fā)展的階段，這一趨勢應該不會改變。按照目前的電力發(fā)展形勢分析，到2020年，我國燃煤火電裝機容量還將增加。

另一方面，我國提出了2020年單位碳排放強度比2005年下降40% ～45%的目標，火電機組是碳排放大戶，因此電力企業(yè)當前的首要任務是必須實現(xiàn)燃煤火電機組的節(jié)能減排，在裝機容量擴大的同時，促進大容量、高參數(shù)燃煤機組的技術進步。為此，本文分析了燃煤火電機組未來發(fā)展的主要布局，總結(jié)了發(fā)展超(超)臨界機組可采用的主要節(jié)能、環(huán)保技術［1］，基于我國未來10年超(超)臨界機組發(fā)電效率及節(jié)能、環(huán)保技術的發(fā)展趨勢提出了設計技術的發(fā)展戰(zhàn)略。

1 我國燃煤機組發(fā)展布局分析

未來10年，我國燃煤火電機組發(fā)展的主導政策是“上大壓小”，熱電聯(lián)產(chǎn)和建設高效、節(jié)能、節(jié)水和環(huán)保型電廠。燃煤火電機組的布局有從沿海地區(qū)向內(nèi)地煤炭基地發(fā)展的趨勢。煤炭基地的集約化開發(fā)將成為我國未來10年燃煤火電機組發(fā)展的重點，并形成以煤炭基地為主的電站群建設。

我國內(nèi)蒙古、山西、陜西、新疆等省(區(qū))儲存著豐富的煤炭資源，有可能將在未來10年或更長時間內(nèi)建成幾個燃煤機組電站群，形成向我國南方電網(wǎng)大規(guī)模輸送電力的能力［2-4］。根據(jù)預測，我國未來新建火電機組將主要集中在北方地區(qū)的煤炭基地，而這些地區(qū)屬于高度缺水地區(qū)，因此必須大力實施節(jié)水措施?？梢灶A見，未來我國煤電基地新建的燃煤機組大體為燃煙煤或燃褐煤采用空冷等節(jié)水技術的火電機組，并且主要以超(超)臨界機組為主。

另一方面，我國沿海地區(qū)未來可能還會建設部分大容量超超臨界海水直流濕冷機組，其燃料主要為煙煤;我國部分內(nèi)陸及邊遠地區(qū)如安徽、河南、四川、云南、湖南、湖北、吉林、黑龍江等省還會新建部分超(超)臨界機組，燃用當?shù)鼗蛲鈦砻骸?/p>

2 超(超)臨界機組發(fā)展可采用的節(jié)能和環(huán)保設計技術

2.1 節(jié)能設計技術

2.1.1 采用超超臨界機組

典型的超臨界機組參數(shù)為24.1 MPa/566℃/566℃，而超超臨界機組參數(shù)為 25 MPa/600℃/620℃，提升參數(shù)后可提高電廠的熱效率，降低標煤耗5～9 g/(kW·h)。

2.1.2 采用褐煤預干燥技術

燃褐煤機組利用蒸汽干燥技術可減小設備體積，提高熱效率，而且安全可靠。根據(jù)國外褐煤干燥技術的發(fā)展趨勢，可圍繞以下幾方面進行研究和應用:水份蒸發(fā)廢熱循環(huán)利用;大型化干燥系統(tǒng);通過與電廠熱力循環(huán)集成，提高電廠整體效率。

2.1.3 降低汽輪機背壓

對于600 MW級超超臨界機組，如汽輪機背壓分別下降 0.5、1、2 kPa，熱耗可分別降低 13.9 、31、65.3 kJ/(kW·h)左 右，煤 耗 可 降 低 0.45～2.4 g/(kW·h)。

2.1.4 選擇較大的汽輪機排汽面積

600 MW級超超臨罰機組汽輪機有三缸四排汽和兩缸兩排汽2種結(jié)構(gòu)。背壓相同時，由于前者比后者排汽面積大23%，機組標煤耗值降低約0.75 g/(kW·h)。

2.1.5 磨煤機采用動態(tài)分離器

燃煙煤機組磨煤機采用動態(tài)分離器可提高鍋爐效率約0.3%。

2.1.6 采用煙氣余熱回收技術或低低溫高效煙氣處理系統(tǒng)

采用煙氣余熱回收技術［5-6］或低低溫高效煙氣處理系統(tǒng)，可使煤耗降低1 g/(kW·h)以上。

2.2 環(huán)保設計技術

2.2.1 高效除塵器技術

2.2.1.1 高效電除塵器

采用多項措施來提高電除塵器的效率，包括高頻電源優(yōu)化、控制優(yōu)化、數(shù)模流場優(yōu)化等措施。根據(jù)目前國內(nèi)除塵器制造技術的發(fā)展水平，選擇雙室五電場靜電除塵器。當入口除塵器粉塵濃度為20 g/m3時，能將除塵器粉塵排放濃度控制在30 mg/m3以下。

2.2.1.2 移動極板電除塵器

移動極板電除塵器能夠利用旋轉(zhuǎn)刷和移動的收塵極板去除捕集的粉塵，從而防止電暈。移動極板系統(tǒng)具有高效收集高電阻率粉塵的功能，與傳統(tǒng)的固定電極系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)更為緊湊，用電量也更小。收塵極板在頂部驅(qū)動輪的帶動下以極慢的速度上下移動，在集塵區(qū)域內(nèi)收集帶電粉塵。附著在極板上的粉塵在非集塵區(qū)域內(nèi)被旋轉(zhuǎn)電刷刮落。旋轉(zhuǎn)電刷的旋轉(zhuǎn)方向與收塵極板的移動方向相反，以防止粉塵飛散，同時將粉塵刮落至料斗中。移動極板除塵原理如圖1所示。

圖1 移動極板除塵原理Fig 1 The dedusting principle of moving polar plate

采用移動極板后，四電場電除塵器能夠達到五電場除塵器的除塵效率，入口粉塵濃度為5～30 g/m3時，電除塵器出口粉塵濃度可達30 mg/m3。

2.2.1.3 低溫電除塵器

日本新建的500～1 050 MW火電機組基本全部采用低溫電除塵器工藝。此工藝將降溫換熱器安裝在電除塵器之前，主要工藝流程見圖2。按此流程，煙氣經(jīng)過放熱換熱器后，溫度從120～130℃降到90℃。

圖2 低溫電除塵器工藝流程Fig.2 Flow chart of low temperature electrostatic precipitator process

使用低溫電除塵器后四電場電除塵器能夠達到五電場除塵器的除塵效率，當入口粉塵濃度為20 g/m3時，電除塵器出口粉塵濃度可達30 mg/m3。

2.2.1.4 布袋除塵器

火電廠可考慮采用布袋除塵器進行除塵。根據(jù)目前國內(nèi)外布袋除塵器制造技術的水平，其除塵效率可達99.95%，控制出口粉塵排放濃度為10～20 mg/m3。

2.2.2 煙氣脫硫工藝

2.2.2.1 石灰石－石膏、海水、氨法等濕法煙氣脫硫工藝

火電機組采用石灰石－石膏濕法煙氣脫硫工藝，是目前脫硫效率、可靠性最高的脫硫工藝之一［7］。近年來，國內(nèi)外在提高石灰石－石膏濕法煙氣脫硫工藝脫硫效率方面又有很多進展，雙托盤技術、吸收塔噴淋系統(tǒng)優(yōu)化等技術的采用對于我國火電機組煙氣脫硫裝置(特別是高硫煤地區(qū)煙氣脫硫裝置)增容改造起了重要的作用。海水煙氣脫硫已在華能海門電廠1 000 MW機組中得到應用，氨法煙氣脫硫裝置也已在我國火電機組中得到應用。

2.2.2.2 煙氣循環(huán)流化床半干法煙氣脫硫工藝

煙氣循環(huán)流化床半干法煙氣脫硫工藝是一種氣－液和氣－固反應的煙氣脫硫工藝［8］。在脫硫塔內(nèi)，一方面是氣相向液相的傳質(zhì)過程，煙氣中的氣態(tài)污染物不斷進入溶液中，同時與脫硫吸收劑中的鈣離子發(fā)生反應，另一方面是蒸發(fā)干燥的傳熱過程，顆粒上的液相水份受煙氣加熱影響不斷在塔內(nèi)蒸發(fā)干燥，最后再生成固體干態(tài)的脫硫灰渣。煙氣循環(huán)流化床電廠干法脫硫工藝有大量的業(yè)績，技術成熟，并且已經(jīng)在300及600 MW級機組中得到應用。當燃煤含硫量為1% ～2%，鈣硫比不大于1.3時，脫硫率可達90%以上，排煙溫度在70℃以上。煙氣循環(huán)流化床脫硫技術流程如圖3所示。

2.2.2.3 活性焦干法煙氣脫硫工藝

活性焦干法煙氣脫硫工藝是一種以理化吸附原理為基礎的硫資源可回收的干法煙氣脫硫工藝［9］。該工藝脫硫效率大于95%，在脫硫、脫硝的同時能夠脫除其他有害物質(zhì)。更重要的是該工藝在脫硫的同時幾乎不耗水，可供我國富煤缺水地區(qū)新建機組參考。活性焦干法煙氣脫硫工藝流程見圖4。

3 我國超(超)臨界機組節(jié)能和環(huán)保設計技術發(fā)展趨勢分析

我國超(超)臨界機組主要節(jié)能技術發(fā)展趨勢是通過提高機組參數(shù)，應用褐煤干燥、煙氣余熱回收等技術，針對沿海、內(nèi)陸等不同地區(qū)和燃煙煤濕冷機組、燃褐煤空冷機組、燃煙煤空冷機組等不同類型的機組，采取不同的設計集成技術進行優(yōu)化，使我國未來火電機組發(fā)電效率更高。圖5是我國未來超(超)臨界機組發(fā)電效率技術走勢分析。

圖5 我國未來超(超)臨界機組發(fā)電效率技術走勢分析Fig.5 Trend analysis for efficiency of future ultra supercritical unit in China

GB13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》［10］已經(jīng)實施，新的標準更加嚴格，必須建立高效煙氣處理技術體系，使環(huán)保工藝效率不斷提高，污染物排放量不斷降低。主要采用高效電除塵器、布袋除塵器、低低溫電除塵器、移動極板電除塵器等技術，使除塵器出口粉塵濃度控制值為20～60 mg/m3。利用低NOx燃燒器及選擇性催化還原(selective catalyctic reduction，SCR)煙氣脫硝技術，將火電機組NOx排放量控制在100 mg/m3以下。利用高效濕法煙氣脫硫工藝、活性焦干法煙氣脫硫技術和煙氣循環(huán)流化床半干法煙氣脫硫技術，使火電機組SO2排放濃度低于100 mg/m3。

針對我國不同地區(qū)，結(jié)合超(超)臨界機組高效煙氣處理技術特點，提出如下高效煙氣處理工藝路線建議。

(1)中心城市。

特點:綜合環(huán)保標準要求高，地區(qū)環(huán)保排放控制標準需滿足目前的國家環(huán)保標準。燃煤為優(yōu)質(zhì)煙煤，煤質(zhì)具有高熱值、中灰、低硫等特點。

建議:1)采用低NOx燃燒器+SCR脫硝技術+高效電除塵器、低溫電除塵器、移動極板電除塵器或布袋除塵器+濕法煙氣脫硫工藝;2)采用循環(huán)流化床鍋爐+高效電除塵器+活性焦干法煙氣脫硫、脫硝、脫重金屬工藝。

(2)沿海地區(qū)。

特點:綜合環(huán)保標準要求高，地區(qū)環(huán)保排放控制標準需滿足目前的國家環(huán)保標準。燃用煤質(zhì)一般為我國優(yōu)質(zhì)煙煤或進口煙煤，煤質(zhì)具有高熱值、低灰、低硫等特點。

建議:采用低NOx燃燒器+SCR脫硝技術+高效電除塵器、低溫電除塵器、移動極板電除塵器或布袋除塵器+濕法煙氣脫硫工藝。

(3)內(nèi)陸、邊遠地區(qū)。

特點:不在國家電源中心，機組排放需滿足國家環(huán)保排放控制標準要求，煤質(zhì)具有低熱值、高灰、低硫或中等熱值、高硫等特點。

建議:燃高灰份、低硫煤的火電機組，需要重點解決煤質(zhì)中的灰份高問題。1)采用低NOx燃燒器+SCR脫硝技術+高效電除塵器、移動極板電除塵器或布袋除塵器+濕法煙氣脫硫工藝;2)采用循環(huán)流化床鍋爐+煙氣循環(huán)流化床半干法煙氣脫硫工藝+布袋除塵器工藝。燃高硫煤火電機組，需要重點解決煤質(zhì)中的硫份高問題。采用低NOx燃燒器+SCR脫硝技術+高效電除塵器、移動極板電除塵器或布袋除塵器+濕法煙氣脫硫工藝。

(4)缺水地區(qū)。

特點:富煤缺水，機組排放需滿足國家環(huán)保排放控制標準要求，煤質(zhì)具有低熱值、高灰、低硫或高熱值、高灰、中低硫特點。

建議:需要采取節(jié)水型高效煙氣處理工藝1)采用低NOx燃燒器+SCR脫硝技術+高效電除塵器+活性焦干法煙氣脫硫工藝;2)采用循環(huán)流化床鍋爐+SCR脫硝技術+煙氣循環(huán)流化床半干法煙氣脫硫工藝+布袋除塵器工藝。

4 結(jié)語

我國未來10年火電機組的發(fā)展重點是超(超)臨界機組，根據(jù)這些機組的特點，研究不同高效煙氣處理系統(tǒng)的技術集成，就掌握了未來環(huán)保技術發(fā)展的核心內(nèi)容。針對不同地區(qū)(如中心城市、沿海地區(qū)、內(nèi)陸地區(qū)、缺水地區(qū)等)，分別采用不同的節(jié)能或節(jié)水型高效煙氣處理技術集成，才能實現(xiàn)我國超超臨界機組高效煙氣處理技術的自主化發(fā)展。

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