论新环保标准下火电厂环保设施的改造

张 男

(神华神东电力有限责任公司神东热电公司，内蒙古 鄂尔多斯 017209)

火电生产排放的污染物主要有硫氧化物、氮氧化物、粉尘、固体灰渣、污水等，另外，还包括噪声污染以及热污染。2014年7月1日开始，火电厂污染物排放将执行新的标准，迫使许多已建火电厂必须对环保设施进行改造方可满足新的环保要求。

1 火电生产排放的污染物及其分类

火电厂生产过程中产生的污染物种类繁多，从污染范围来分，燃煤电厂的主要污染可分为大气污染、水体污染和生活环境污染。

大气污染物主要是有害气体和粉尘，火电厂产生的大气污染物有硫氧化物、氮氧化物、粉尘、二氧化碳等。

2 煤的燃烧对大气环境的影响

2.1 硫氧化物的排放及其对环境的影响

2.1.1 我国燃煤电厂硫氧化物的排放现状

二氧化硫是大气的主要污染物之一，是我国法规控制的主要空气污染物，对人体危害大。空气中含有二氧化硫气体，能直接对人体造成伤害，引起气喘、胸闷、呼吸急促等症状。长期暴露于二氧化硫的空气中，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，酸雨对建筑物产生腐蚀，影响植物的生长。煤的燃烧过程中，煤中的硫将有85%～90%转化为二氧化硫而随烟气一起进入大气。

2.1.2 硫氧化物的控制方式

1)煤入炉前脱硫

一般的工业应用中，入炉前脱硫主要采用型煤技术。型煤是将煤制成粉，再与粘土或者其他结合剂一起生产的固定形状的燃料块。型煤中添加有一定量的固硫剂，使燃烧过程中产生的二氧化硫被固硫剂吸收，且苯并芘和氮氧化物等其他污染物的产量也显著降低。因此，型煤能显著提高煤的燃烧效率，并可减少燃烧过程中烟尘的排放。

2)燃烧过程中的脱硫

燃烧过程中的脱硫技术主要是在炉内喷入脱硫剂或者在燃料中混合脱硫剂，常用脱硫剂有石灰石、白云石等，固硫反应主要有：

在燃煤电厂中，燃烧过程中脱硫方式主要有两种，即适合于煤粉炉的直接喷钙脱硫技术和适合于循环流化床的燃烧中脱硫技术。炉内直接喷钙脱硫技术，其钙利用率低，且总体脱硫效率不高，一般仅有30%～40%，很难满足目前的环保要求。为了提高脱硫效率，常在尾部烟道内添加增湿装置，使脱硫剂效率提高到70%左右。循环流化床燃烧过程中脱硫效率较高，氧化钙与二氧化硫的最佳反应温度与循环流化床锅炉燃烧温度接近(850～950℃)，并且在燃烧过程中，床料与脱硫剂的相互摩擦促使已经生成的亚硫酸盐从脱硫剂表面脱落，使传质阻力减小、脱硫效率增高，因此，循环流化床一般不需在尾部烟道增设脱硫设备，但根据环保政策的要求，循环流化床锅炉也开始在尾部烟道采用湿法烟气脱硫系统。

2.1.3 尾部烟气脱硫

尾部烟气脱硫技术是采用吸收剂或者吸附剂从排烟中将二氧化硫吸收或者吸附，从而达到脱硫目的。按照脱硫方式的不同，尾部烟气脱硫方法可分为干法、半干法和湿法三大类。

1)干法烟气脱硫。干法烟气脱硫是指加入的脱硫剂为干态，该方法最大的优点是烟气处理过程中不会产生废水和结垢等问题，但脱硫效率较低，且反应较慢，脱硫剂利用率低。目前，用吸附方法脱硫的干法脱硫技术尚不完善，还需改进，因此应用吸附方法脱硫的燃煤电厂较少。

2)湿法烟气脱硫。湿法烟气脱硫是利用碱水的水溶液或者浆滴作脱硫剂对烟气进行洗涤，使二氧化硫与碱性化合物反应而被除去。湿法烟气脱硫由于高效而在目前的燃煤电厂中广泛应用，但湿法脱硫存在腐蚀、结垢堵塞、运行费用高以及会产生废水等缺点。

3)半干法烟气脱硫。半干法烟气脱硫主要是向炉内喷入脱硫剂浆液，在脱硫过程中，脱硫剂会逐渐变干，最后再收集。半干法是一种很有前途的方法其结合了干法和湿法的部分优点，应用较为广泛。

2.2 氮氧化物的排放及其对环境的影响

2.2.1 我国燃煤电厂氮氧化物的排放现状

氮氧化物对环境的危害较大，其主要来源是火力发电厂、内燃机以及化肥工业等。在过去的25年内，我国氮氧化物的排放量增长了3倍，年排放量接近2000万吨，巨大的氮氧化物排放量造成了我国部分地区的硝酸型酸雨。

2.2.2 火电厂氮氧化物的控制方式

环境标准日益提高的今天，对有害物质的排放要求越来越严格。目前，燃煤电厂的粉尘、二氧化硫排放都有严格的控制。氮氧化物作为危害极大的污染物，目前已有一定的方法进行控制，主要的控制方式是使用低NOX燃烧技术来降低其产生量；另外，为了达到环保要求，必须采取脱硝设备进行烟气脱硝处理。

1)空气分级燃烧

根据煤在炉膛内燃烧产生氮氧化物的机理，控制燃烧区域的氧气浓度能够有效控制氮氧化物的生成。因此，在燃煤锅炉控制氮氧化物的方面，采用空气分级燃烧是一种有效的措施，即将燃烧所需的空气分为二级或三级分别送入炉膛。第一级空气主要是输送燃料的一次风和部分二次风，这部分空气不能完全供应煤燃烧所需的氧量，空气过量系数a≈0.8，而煤燃烧所需的其余空气则从火焰下游送入。在一级空气燃烧区域，会呈现出富燃料的燃烧方式，氧气不足，燃烧速度和温度都有所下降，热力型氮氧化物减少；同时，该区域是一个还原性区域，在还原性区域内，燃料中的氮分解生成的大量中间产物NHi、HCN中，将有部分被NO还原而生成N2。当二级助燃空气或者三级助燃空气进入炉膛时，未燃尽的焦炭一级可燃气体将继续被氧化而放出热量，由于一级燃烧过程中产生的热量已经部分被水冷壁吸收，因此二级送风燃烧过程中，燃烧温度不高，热力性氮氧化物产生量少。

2)燃料分级燃烧燃料分级燃烧技术是将燃料分级送入炉膛燃烧。第一次为主燃烧区，燃料成富氧燃烧(a＞1)；第二级燃料在第一级燃烧区的下游进入炉膛(a＜1),由于该区氧气不足，因此呈现出还原性气氛，有利于将一级燃烧区产生的氮氧化物还原。所以，可以将第二级燃烧区看作脱硝区或者还原区。

二级燃烧对燃料要求较高，第二级燃料一般应易燃烧、含氮少，并且燃烧时能产生大量有利于还原氮氧化物的烃活性基团。在国内研究中，二级燃料较多采用天然气，脱氮效果明显，也有以细煤粉颗粒作为二级燃料的。二级燃料的比例对氮氧化物的还原效果影响较大，一般地，二次燃料发热量占总燃料发热量的10%～20%。同时，二级燃料的过量空气系数影响较大，a为一般0.7～1.0，a太大则还原性气氛太弱，太小则不完全燃烧损失增大。实际应用中，最佳的二次燃料助燃空气量由试验确定。

2.3 粉尘排放及其对环境的影响

2.3.1 粉尘对环境的影响

粉尘进入大气后，其巨大的比表面积容易吸附有毒物质，当人体吸入此类颗粒后，将对人体产生较大的危害。粉尘长时间漂浮于大气中，将降低大气能见度。

2.3.2 可吸入粉尘的防治措施

可吸入颗粒是大气的主要污染物，而燃煤是可吸入粉尘的一个主要来源。我国是燃煤大国，煤供应着我国大部分电力，粉尘对我国城市大气造成了巨大的污染，因此，控制燃煤电厂的粉尘排放是一项重要的环保举措。

可吸入粉尘(亚微米)的防治，目前主要是研究其产生机理，而研究结果表明，在移动的煤粉粒径下燃烧可减少亚微米颗粒的产生。可吸入粉尘的防治措施是采用更高效的除尘设备，如袋式除尘器，利用袋式除尘器代替机械除尘器及电除尘器可有效降低粉尘的排放。

2.3.3 除尘器的分类

1)静电除尘器

静电除尘器由放电电极(电晕极，通常为阴极)和收尘极(阳极)组成。它是利用电极施加高电压，使电极产生电晕而放电，在放电过程中，使电极周围的气体产生离子，离子在电场作用下向收尘极运动，运动过程中，粉尘吸附这些带电离子后，也会受到电场力，在电场中向收尘极运动，最终达到除尘的目的。

静电除尘器阻力小、能耗低、处理烟气量大(通常处理100m3烟气的耗电量为 0.2～0.6kw·h)、除尘效率高，在大型燃煤电厂中，效率一般达到99%，且出口粉尘浓度低于200mg/m3。然而，静电除尘器搜集粒径稍大的粉尘时效率高，当粉尘为亚微米颗粒时，静电除尘器的效率则下降。静电除尘器对粉尘比电阻的要求较高，其系统复杂、设备庞大、战地多、初投资大，并且对制造、安装、运行、维护都有较高的要求。

2)袋式除尘器

袋式除尘又称为过滤除尘，其除尘原理是利用滤料的纤维对粉尘的筛滤作用、惯性碰撞、拦截作用已经静电作用等，将粉尘滞留于滤料表层。

袋式除尘器的特点表现在：除尘效率较高，一般高于99%；烟气出口含尘浓度可低于50mg/m3。袋式除尘器对粉尘的特性不敏感，不同比电阻的粉尘对其除尘效率的影响小，处理烟气量大。对颗粒粒径在亚微米等级的粉尘也具有良好的捕集能力。同时，袋式除尘器还具有建造成本和运行成本低等特点，其缺点是对滤料的要求较高，尤其是在高温的烟气中，滤料的寿命偏短。

目前，国内的燃煤电厂中应用袋式除尘器的不多，但随着我国对烟尘排放的要求逐渐提高，袋式除尘器的应用将越来越广，以除去难于捕集的亚微米颗粒及垃圾电站的高污染粉尘等。

3 XX电厂的环保措施及改造情况

3.1 XX电厂开工建设时环保设施建设情况

XX电厂是利用煤矸石为燃料的热电联供项目，建设规模为2×150MW直接空冷抽凝式汽轮发电机组，配置2×520t/h超高压循环流化床锅炉，项目于2008年4月2日开工建设，2009年12月建成并进入设备和系统调试阶段。该厂采用炉内喷钙脱硫，无脱硝系统，除尘采用布袋除尘工艺。改造前，SO2浓度为200～400mg/m3，NOX浓度为200～300mg/m3，烟尘浓度为80～200mg/m3，为了适应 2014年 7月1日国家即将实行的新标准，该厂对环保设施进行了改造。

3.2 XX电厂环保设施的改造

3.2.1 脱硫设施的改造

该电厂对每套石灰石系统进行了增容改造，改造后每台炉配置两套石灰石系统，能够实现系统一运一备运行，且系统出力由7T/h增加为15T/h，石灰石系统的投运率达到100%，大大提高了脱硫效率。现改造工作全部完成，实现了“三自动”运行，改造后SO2排放浓度能够控制在200mg/m3以下。

3.2.2 降低 NOX采取的方法

该电厂对脱硝采取了二次风改造+烟气再循环的一体化改造，充分利用循环流化床锅炉低燃烧的优势，采用“炉内一体化耦合脱硫脱硝技术”通过优化燃烧调整，能够将氮氧化物的排放浓度稳定控制在200mg/m3以下。

烟气再循环的主要作用是利用锅炉烟气含氧量较低的特点，将烟气引入一次风室，从而在保证流化的基础上，降低一次风及密相区氧量，代替的一次风氧量由二次风补入，增加二次风率，更好的实现低氮燃烧所需的空气分级，并在维持锅炉整体运行氧量不是太低的水平上大幅降低NOx排放。稀相区氧量对于石灰石脱除效率有重要影响，只要锅炉整体运行氧量保持合理水平，SO2就能达到满意的脱除效果。而低氮燃烧是通过降低密相区氧量来达到抑制NOx生成的目的，维持较高的密相区还原性气氛，既能保证良好的低氮燃烧效果。因此，二者之间并不存在必然的矛盾，这是本次技术措施的基础。

3.2.3 除尘设施的改造

该电厂配备2台 (套)ND4×1/1236/RF8000型低压旋转脉冲反吹布袋除尘器。本体包括4个除尘室，每室有2个单元间(布袋束)，布袋束配有各自的旋转风管。锅炉烟气从四个分烟道分别进入四个除尘室，烟气进入本体后，由于截面变大，流速减慢；烟气从布袋外面进入布袋，粉尘就收集在布袋表面，掉进下方的灰斗。干净烟气通过布袋，到达本体顶部，进入净气室，再经过引风机从烟囱排入大气。

本次改造主要是更换除尘器滤袋 (拆除原来滤袋到指定位置，安装新高效除尘滤袋，袋笼沿用原有袋笼)，改造后两台炉除尘效率达到99.9%、烟尘浓度均能够控制在30mg/m3以内。烟尘排放浓度已于4月10日通过内蒙古自治区环境监测大队的验收监测，监测报告中烟尘排放浓度小于30mg/m3。

4 结语

事实上，近二十年来我国一直都没有停止对清洁煤电前沿技术的研发和应用探索。

2010年，国家能源局组织成立了“国家700℃超超临界燃煤发电技术创新联盟”，设立了“国家700℃超超临界燃煤发电关键技术与设备研发及应用示范”项目。以华能集团清洁能源研究院牵头，同时承担我国首个关键部件验证试验平台的建设及运行工作。包括中国电力工程顾问集团公司在内，项目参与单位几乎囊括了我国发电行业、动力装备制造行业、材料行业等多个相关基础行业的重点单位。

据了解，700℃先进超超临界燃煤发电技术是目前欧洲、美国、日本等发达国家积极发展的商业化规模应用清洁燃煤发电技术。该技术将目前最先进的超超临界发电机组主蒸汽温度从600℃提高到700℃以上，发电效率接近甚至超过50%，耗煤量及碳排放量将减少约30%，NOx、SO2、粉尘等污染物的排放大幅减少。

[1]朱宝山，等.燃煤锅炉大气污染物净化技术手册[M].北京：中国电力出版社，2006.

[2]鄂勇，伞成立.能源与环境效应[M].北京：化学工业出版社，2006.

[3]郭鲁阳，崔欣，刘志超.燃煤锅炉氮氧化物控制技术综合分析[J].山东电力，2005(4).

[4]钟秦.燃煤烟气脱硫脱硝技术及工程实例[M].北京：化学工业出版社，2007.