火電行業(yè)大氣污染集成控制技術(shù)分析

文_王斌 山東省泰安市生態(tài)環(huán)境局

由于火力發(fā)電廠的全面基礎(chǔ)建設(shè)，致使一些生態(tài)環(huán)境問題加劇，必須采用科學(xué)規(guī)范的方式，最大限度控制火電廠在發(fā)電過程中煤炭燃燒對生態(tài)環(huán)境造成的污染，利用專業(yè)技術(shù)解決火電廠帶來的生態(tài)環(huán)境問題，減少火電廠在發(fā)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(wěn)步增長，隨著我國現(xiàn)代化和城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，潛在的環(huán)境污染問題不斷涌現(xiàn)，霧霾、酸雨等自然環(huán)境污染頻發(fā)，區(qū)域環(huán)境污染問題日益突出。因此，在保持有效地自然環(huán)境發(fā)展趨勢和成本的基礎(chǔ)上追求完善的火電廠“低排放”污染物治理技術(shù)，對于實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展與自然環(huán)境和諧可持續(xù)發(fā)展的理念具有關(guān)鍵的現(xiàn)實(shí)意義。2011年7月29日，國家公布了《火力發(fā)電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223-2011），進(jìn)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(guī)定，重點(diǎn)區(qū)域制定粉塵20mg/m3、二氧化硫50mg/m3、氮氧化物100mg/m3，并且標(biāo)準(zhǔn)中特別規(guī)定了0.03mg/m3的汞和化學(xué)物質(zhì)的空氣污染物，新標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)施給重點(diǎn)地區(qū)火電站二氧化硫、氮氧化物、粉塵汞、化學(xué)物質(zhì)處理技術(shù)等帶來了巨大的工作壓力和挑戰(zhàn)。

2 火電廠發(fā)電的種類分析

2.1 超臨界發(fā)電技術(shù)分析

目前，我國的火電廠大多以提高主蒸汽消耗率為基礎(chǔ)，從源頭上提高發(fā)電效率和發(fā)電總量，這是基于增加主蒸汽消耗率來增加發(fā)電量，在利用超臨界抽采發(fā)電技術(shù)發(fā)展發(fā)電的整個(gè)過程中，大部分火電廠引進(jìn)了一定的污染物處理技術(shù)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(shù)輔助超臨界抽采發(fā)電技術(shù)，可以全程減少某些環(huán)境污染物，維護(hù)生態(tài)環(huán)境。在現(xiàn)階段發(fā)展趨勢的全過程中，利用這種污染物治理技術(shù)，可以合理降低全過程產(chǎn)生的污染物對生態(tài)環(huán)境保護(hù)的破壞作用。超臨界抽提燃燒技術(shù)具有發(fā)電機(jī)組熱效率高、穩(wěn)定性高的一定優(yōu)勢，與傳統(tǒng)的火力發(fā)電廠相比，在環(huán)保技術(shù)上也有很大的提高。我國在開發(fā)超臨界萃取燃燒技術(shù)的整個(gè)過程中，會(huì)加上一定的除灰技術(shù)和煙氣脫硫技術(shù)，可以很好地輔助煤燃燒中的污染物。隨著高新技術(shù)的不斷發(fā)展和社會(huì)的發(fā)展，燃煤超臨界萃取技術(shù)將成為大多數(shù)火電廠的首選，對維護(hù)生態(tài)環(huán)境保護(hù)有著非常大的作用。

2.2 循環(huán)流化床燃燒技術(shù)

在整個(gè)燃燒過程中，同時(shí)在燃燒池中加入煤和脫硫催化劑，受通風(fēng)孔高速旋風(fēng)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(shù)就是循環(huán)流化床燃燒技術(shù)。在循環(huán)流化床燃燒技術(shù)方面，根據(jù)氣體壓力的不同，可分為不同的循環(huán)流化床燃燒技術(shù)方法。一種是自然壓力循環(huán)流化床燃燒，一種是增壓循環(huán)流化床燃燒，兩者的區(qū)別在于在整個(gè)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(huán)流化床燃燒的整個(gè)過程中，進(jìn)行煙氣脫硫的關(guān)鍵是脫硫催化劑的選擇，石灰石作為爐內(nèi)脫硫催化劑主要成分是碳酸氫鈣，可受熱能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化為硫氰酸鉀，伴隨固體化學(xué)品的去除，達(dá)到煤的脫硫效果。在循環(huán)流化床進(jìn)行燃煤全過程的應(yīng)用中，具有很強(qiáng)的凈化作用，燃燒污染物極低，因?yàn)樵谡麄€(gè)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(gè)過程中具有很好的干燥作用。與傳統(tǒng)的火電廠燃煤技術(shù)相比，循環(huán)流化床燃燒技術(shù)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(jìn)煤的充分燃燒。

3 火電廠大氣燃燒產(chǎn)物的控制分析

上文對我國當(dāng)前的幾種主要火電廠的發(fā)電技術(shù)進(jìn)行了簡單的分析，可以看出大多數(shù)火電廠的煤炭燃燒技術(shù)都具有一定的除塵、除污染物技術(shù)，相關(guān)技術(shù)的具體應(yīng)用詳情如下。

3.1 高效二氧化硫控制技術(shù)

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(shù)，單機(jī)版本已達(dá)1000萬kW。2011年，我國火電廠濕法煙氣脫硫技術(shù)石灰石石膏市場占有率已占全部煙氣脫硫技術(shù)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(nèi)，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(yīng)成熟石膏，然后煙氣通過屋頂式除霧器去除皮帶上的細(xì)小液體進(jìn)入煙囪。而脫硫石膏漿干燥后循環(huán)使用，因此石灰石-石膏濕法脫硫塔處理技術(shù)適用于所有含硫原煤的煙氣脫硫，效率可達(dá)95%以上。

3.1.2 高效石灰石—石膏濕法脫硫技術(shù)

由于我國火電廠原煤硫含量波動(dòng)較大，相關(guān)地區(qū)火電廠脫硫效率（二氧化硫排放控制在50mg/m3以下）規(guī)定在98%以上甚至更高。因此，必須解決高煙問題，對基礎(chǔ)的石灰石石膏脫硫塔處理技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)?，F(xiàn)階段的關(guān)鍵方法，一是雙塔板脫硫塔技術(shù)。該技術(shù)是在自噴塔漿液噴嘴下方設(shè)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(chǎn)生一定的薄液層，煙氣進(jìn)入洗滌塔。由塔盤分散成小旋流器，在液層鼓脹進(jìn)行汽液接觸，進(jìn)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(nèi)的停留時(shí)間。二是回收U型塔技術(shù)（液柱自噴御）。循環(huán)U型塔由高流速空塔和小塔（循環(huán)系統(tǒng)漿液濃度值為30%）和方形逆向塔（循環(huán)系統(tǒng)漿液濃度值為15%）組成。煙氣最先進(jìn)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(jìn)一步被樹脂吸附。該處理技術(shù)煙氣綜合脫硫率達(dá)98%以上。三是脫硫塔系列。選用兩臺(tái)脫硫塔串聯(lián)運(yùn)行，共同對煙氣進(jìn)行脫硫，達(dá)到環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)。該技術(shù)適用于高硫煤系統(tǒng)，相同液氣比標(biāo)準(zhǔn)下運(yùn)行能耗低于多噴層方案。但系統(tǒng)復(fù)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(huán)系統(tǒng)：第一階段pH值控制在4.5以下，預(yù)消化全過程對亞硫酸鈣進(jìn)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(diǎn)是石灰石利用率高，各反映均處于最佳pH值調(diào)節(jié)，煙氣脫硫效率高，抗負(fù)荷變化能力強(qiáng)，副產(chǎn)熟石膏能耗低；缺點(diǎn)是系統(tǒng)復(fù)雜，操作規(guī)范性高，詳情見圖1。

圖1 石膏濕法脫硫技術(shù)

3.2 氮氧化物控制技術(shù)

目前國內(nèi)外燃煤電廠采用的氮氧化物控制技術(shù)主要是低氮燃燒技術(shù)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(shù)

改變?nèi)紵龢?biāo)準(zhǔn)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(shù)?，F(xiàn)階段開發(fā)設(shè)計(jì)了第三代低NOx燃燒技術(shù)，在超臨界抽提和超超臨界鍋爐中得到廣泛應(yīng)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(tǒng)

3.2.2 全負(fù)荷脫硝技術(shù)

一是選擇催化反應(yīng)氫化鋁鋰（SCR）脫硝技術(shù)。SCR脫硝技術(shù)是現(xiàn)階段世界上火電廠最常用的處理技術(shù)，約占脫硝市場總量的90%。反應(yīng)原理是在金屬催化劑的標(biāo)準(zhǔn)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(nèi)（300～420℃）進(jìn)行反射。轉(zhuǎn)化為氨氣（N2）和水。SCR脫硝選用“2：1”層金屬催化劑時(shí)，脫硝效率高達(dá)80%以上。隨后，SCR脫硝爐低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，由于溫度低，脫硝系統(tǒng)無法投入運(yùn)行，氮氧化物排放超標(biāo)。二是滿負(fù)荷脫硝。針對SCR脫硝發(fā)電機(jī)組在低負(fù)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(gè)部分，找到合適的溫度對話框，達(dá)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(yīng)對區(qū)金屬催化劑方案，此時(shí)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(xué)在實(shí)驗(yàn)室完成了金屬催化劑在260℃以下的長期安全連續(xù)運(yùn)行。

3.3 靜電除塵器

一是靜電除塵技術(shù)。靜電除塵技術(shù)的基本原理是在高壓靜電場的作用下使水蒸氣水解，使細(xì)顆粒的濃度發(fā)生極化，在靜電力的作用下將粉塵收集起來。該技術(shù)具有除灰效率高（一般為99.8%及以上）、集成覆蓋面廣、運(yùn)行成本低、穩(wěn)定性高、使用方便、無二次污染等獨(dú)特優(yōu)勢，早已成為火力發(fā)電廠領(lǐng)域首選的除塵設(shè)備，但設(shè)備較為復(fù)雜，且占地面積大，對煙塵專用電阻器也有一定的規(guī)定，除灰效率高會(huì)受到煤和灰成分的損害。二是超低溫電除塵器?，F(xiàn)階段我國火電廠運(yùn)行的燃煤電廠設(shè)計(jì)方案煙氣系統(tǒng)溫度一般為125～130℃，使用煤泥時(shí)為140～150℃，煙道溫度電廠具體運(yùn)行的燃?xì)庀到y(tǒng)一般比設(shè)計(jì)方案值高20～50℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過煙氣泄漏點(diǎn)的溫度。排煙系統(tǒng)的高溫導(dǎo)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(shè)備的入口處，將煙氣溫度從123℃左右冷卻到105℃左右。第二級設(shè)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(fēng)系統(tǒng)溫度降低，進(jìn)入電除塵器的煙氣體積減少，煙塵比電阻少，進(jìn)而完成余熱回收利用的雙向目標(biāo)，提高除灰效率。

3.4 煙氣脫汞技術(shù)

汞以三種形式儲(chǔ)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(tài)的汞在總汞中的比例會(huì)發(fā)生變化，《火力發(fā)電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB13223-2011）最初要求燃煤蒸汽鍋爐中汞和化學(xué)物質(zhì)的環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)為0.03mg/m3。

4 結(jié)語

我國要落實(shí)科學(xué)規(guī)范的方法，建立嚴(yán)格的火電廠污染物排放管控體系，引進(jìn)優(yōu)良技術(shù)解決揚(yáng)塵問題，在原煤中選擇煙氣脫硫，解決原煤硫元素環(huán)境污染問題后，選擇低氮燃燒技術(shù)解決氮氧化物環(huán)境污染問題。