電廠燃煤鍋爐與潔凈化生產

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

燃煤電廠的生產過程就是將煤的化學能轉化成電能。煤炭是重要的化石能源，其化學能十分豐富，較好的煤炭燃燒的熱值達到20MJ/kg 以上，而將這可觀的化學能轉化成為人們服務的電能則是需要一系列設備來完成。其核心設備有3 種：鍋爐、汽輪機、發電機。鍋爐的作用是將煤炭的化學能轉化為推動汽輪機運轉的熱能，汽輪機的作用則是將鍋爐傳遞來的熱能轉化為供發電機使用的機械能，而發電機則是最終將機械能轉化為電能。

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

2 燃煤電廠煙氣污染物處理技術

燃煤電廠煙氣排放物中有害物質主要是是SO2、氮氧化物和粉塵，因此，除去這些有害物質，達標排放成為燃煤電廠潔凈化生產的主要目標。這里對燃煤電廠常用的脫硫、脫硝（脫除氮氧化物NOX）、除塵技術做一簡單介紹。

2.1 脫硫技術

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，或將石灰石顆粒參入煤中送入爐膛，煤在爐膛內燃燒時，石灰石被高溫煅燒生成生石灰（CaO）和氧氣，CaO 在爐膛內與煤燃燒產生的二氧化硫（SO2）反應生成亞硫酸鈣（CaSO3），亞硫酸鈣與爐膛內的氧氣反應生成硫酸鈣（CaSO4），化學方程式如下：

干法脫硫相對于其他脫硫方式，系統簡單、投資少、成本低，是循環流化床鍋爐首選的脫硫方式。但因為大量的CaCO3進入爐內，對鍋爐水冷壁及煙道內的受熱面產生較大磨損，為了保護水冷壁，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，石灰石粉系統容易出現磨損、堵管等，進入爐內的石灰石量過大對燃燒和床溫產生不利影響；更重要的是干法脫硫效率相對較低，最高達80%左右，燃用中高硫煤時，石灰石粉耗量很大，成本壓力及磨損問題使之難以承受。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、半干法兩級脫硫方式，靈活調整，以應對煤質含硫量的變化。

2.1.2 半干法脫硫

半干法脫硫原理是在爐后（一般在預熱器和除塵器之間）建立脫硫塔，煙氣進入脫硫塔入口時向其噴水加濕，使爐內干法脫硫殘留的CaO 與水反應生成Ca(OH)2俗稱消石灰，Ca(OH)2與煙氣中的SO2在脫硫塔中反應生成硫酸鈣。也可增加一套消石灰制備系統，俗稱消化系統，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，用量較大時電廠無法承受成本壓力。

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（煙氣由吸收塔下部進入向上運動，石灰石漿液從上至下噴入），充分混合，反應生成硫酸鈣，硫酸鈣達到一定飽和度后，結晶形成二水石膏CaSO4·2H2O。其反應方程式如下：

濕法脫硫系統組成有：二氧化硫吸收系統、漿液制備系統、漿液排出系統、石膏脫水系統、廢水處理系統、工藝水系統等。二氧化硫吸收系統包含吸收塔、漿液循環泵、噴淋層、除霧器、攪拌器、氧化風機等設備，主要作用是將石灰石漿液在吸收塔中打循環，并在吸收塔底部漿液池內通入氧化風，強化氧化作用，吸收塔頂部的除霧器阻止煙氣帶走吸收塔中的水霧顆粒。漿液制備系統一般包含石灰石粉倉、給料機、漿液箱、攪拌器、供漿泵等設備，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。漿液排出系統主要包含漿液排出泵、漿液箱、事故漿液箱等設備，其主要作用是正常運行時將生成的石膏漿液送至石膏脫水系統脫水，事故情況或吸收塔檢修時將吸收塔中的漿液送至事故漿液箱。石膏脫水系統主要包含真空皮帶脫水機、真空泵、濾液箱、旋流器等設備，其作用是脫除石膏漿液中的水分，形成半干固體石膏。廢水處理系統主要包含廢水加藥系統、處理池、沉降池、污泥排出泵、廢水池、離心脫水機等設備，其主要作用是將脫硫廢水處理后達標排放。

2.2 脫硝技術

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，煙氣中脫除通常采用SCR 和SNCR 技術。

2.2.1 低氮燃燒技術

低氮燃燒技術的方法很多，這里介紹二種常用的方法。

（1）二段燃燒法。該法是目前應用最廣泛的分段燃燒技術，將燃料的燃燒過程分階段來完成。第一階段燃燒中，只將總燃燒空氣量的70%～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，該區域的燃料只能部分燃燒（因含氧量不足），降低了燃燒區內的溫度水平，能抑制NOX的生成；第二階段通過足量的空氣，使剩余燃料燃盡，此階段中氧氣過量，但溫度低，生成的NOX也較少。

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

2.2.2 SNCR 脫硝技術

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

采用NH3作為還原劑還原NOX的化學反應為：

采用尿素作為還原劑還原NOx 的化學反應式為：

循環流化床鍋爐分離器進口處煙氣溫度大約900℃左右，適宜于還原劑噴入，且分離器內煙氣擾動大，還原劑與煙氣能充分混合，可提高氮氧化物的脫除效率。SNCR 脫硝因系統簡單，投資少，被循環流化床鍋爐電廠廣泛應用，但SNCR 脫硝效率通常只有50%左右，滿足不了更高排放標準要求，目前一些問題還在研究解決之中。

2.2.3 SCR 脫硝技術

SCR（Selective Catalytic Reduction）脫硝即選擇性催化還原脫硝技術，其原理是液氨或尿素與煙氣中的NO 反應，將煙氣中的NO 還原成氮氣，在反應區域加入催化劑，減少反應活化能，降低反應溫度。SCR 脫硝主要包含有尿素溶液制備系統、熱解系統、噴射系統和檢測系統。 SCR 脫硝效率依據催化劑層數的不同在50%～90%之間，一層達到50%，兩層達到80%，三層達到90%。SCR 脫硝因其效率高且可靈活調整，被廣泛應用于煤粉鍋爐的發電企業。

2.3 除塵技術

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

2.3.1 布袋除塵器

布袋除塵器原理十分簡單，顧名思義，就是用布袋來除去煙氣中的粉塵，當然不是普通的布袋，布袋需要耐溫耐腐蝕，其孔隙十分的細密，布袋被固定于骨架上，煙氣從布袋外側進入布袋內流出，粉塵就會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到20mg/Nm3以下。布袋除塵器需要對布袋定期更換，維護費用高。

2.3.2 靜電除塵器

靜電除塵是利用高壓尖端放電的原理，在煙氣流過的通道中，兩側鋼板帶有高壓正電即陽極板，在兩陽極板中間布置帶高壓負電的陰極線，陰極線的兩側制成鋸齒尖狀，陰極線帶電后使尖端周圍空氣中的自由離子高速碰撞，引起空氣電離產生尖端放電現象，在電暈區外產生大量的負電荷，當煙塵流經通道時，粉塵被荷電，帶有負電荷的粉塵向陽極運動，吸附在兩陽極板上，通過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備相比，耗能少，除塵效率高（初始投運可達到99%），維護費用低，適用于除去煙氣中0.01um～50μm的粉塵，而且可用于煙氣溫度高、壓力大的場合，得到了大型燃煤發電企業的廣泛應用。但電除塵的效率受粉塵性質（比電阻）、設備構造、煙氣流速、極板極線變形等因素的影響而波動，且提升空間有限，隨著環保標準的不斷提升，未來可能不能滿足超凈排放的要求，需要對其研究改進，或采用多種技術綜合除塵的方法。

3 結語

從中央發出的眾多信號可以看出，燃煤電廠的革命性時代已經來臨。我國燃煤火力發電廠只有廣泛應用超臨界循環流化床鍋爐設備和超超臨界煤粉鍋爐，最終將會實現大氣污染物排放達到氮氧化物低于50mg/Nm3，SO2低于35mg/Nm3，粉塵低于5mg/Nm3的超凈排放標準，實現燃煤電廠的潔凈化生產，為中國的經濟發展提供有力的保障。