郭 俊,馬果駿,閻 冬,王建春,吳雪萍
(福建龍凈環(huán)保股份有限公司,福建龍巖 364000)
論燃煤煙氣多污染物協(xié)同治理新模式
——兼談龍凈環(huán)?!盁煔庵卫韻u”模式
郭 俊,馬果駿,閻 冬,王建春,吳雪萍
(福建龍凈環(huán)保股份有限公司,福建龍巖 364000)
從我國燃煤煙氣治理的現(xiàn)狀和需求分析出發(fā),討論了多種污染物治理技術(shù)的互相影響及協(xié)同作用,導(dǎo)出了燃煤煙氣多污染物協(xié)同控制的基本概念。通過分析我國不同條件下多污染物協(xié)同治理幾種技術(shù)工藝路線,提出了多污染物煙氣治理新模式“煙氣治理島”,并分析了這種建設(shè)環(huán)保工程全新模式的主要優(yōu)點(diǎn)。
煙氣治理島;多污染物;協(xié)同控制;模式
電力行業(yè)是我國大氣污染物的排放大戶,煙塵、SO2、NOx、汞的排放量均居全國各行業(yè)前列。根據(jù)中國電力工業(yè)發(fā)展“十二五”規(guī)劃預(yù)測,到2020年全國發(fā)電裝機(jī)容量將達(dá)到18.85億kW左右,其中煤電約11.6億kW。由于多年來我國燃煤電站大氣污染物的治理的重點(diǎn)是煙塵、SO2的控制,而針對氮、細(xì)微顆粒物、重金屬汞等污染物的控制還沒有全面展開,導(dǎo)致我國氮、汞等其他污染物排放量大幅增加,對生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重影響。
針對我國嚴(yán)峻的大氣污染治理形勢,國家“十二五”規(guī)劃提出“十二五”期間要將主要污染物排放總量減少8%至10%,并新增NOx減排10%的約束性指標(biāo)。新的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223-2011)再一次大幅提高了燃煤發(fā)電廠煙塵、SO2、NOx等污染物的排放限值規(guī)定,并首次提出了重金屬汞排放限值低于0.03mg/m3的要求,這就意味著燃煤電廠煙氣今后將必須同時(shí)進(jìn)行塵、硫、氮和汞等多污染物的脫除。
我國以前一直在實(shí)施單一污染物的控制策略,以階段性重點(diǎn)污染物控制為主要特征,建立了總量控制與濃度控制相結(jié)合的大氣污染管理制度。就我國燃煤大氣污染物控制技術(shù)發(fā)展而言,我國已經(jīng)先后開發(fā)了一系列較成熟的塵、硫等單獨(dú)脫除技術(shù)。但是,現(xiàn)有國內(nèi)普遍采用的針對單項(xiàng)污染物的分級治理模式,隨著污染物控制種類的不斷增加,燃煤電站的凈化設(shè)備增多,不僅引起設(shè)備投資和運(yùn)行費(fèi)用提高,而且使燃煤電站整個(gè)末端污染物治理系統(tǒng)更加龐大復(fù)雜,治污設(shè)備占地大、能耗高、運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)大、副產(chǎn)物二次污染問題十分突出。
研究表明,采用燃煤煙氣污染物單獨(dú)脫除技術(shù),沒有考慮到煙氣中多種大氣污染物之間相互關(guān)聯(lián)、相互影響的因素。各種單獨(dú)脫除技術(shù)除了能夠有效脫除主要的對象污染物之外,還可能具備對其他類型污染物脫除做出貢獻(xiàn)的潛力。孤立脫除技術(shù)發(fā)展模式當(dāng)中各項(xiàng)控制技術(shù)從設(shè)計(jì)、現(xiàn)場安裝到運(yùn)行均是分開實(shí)施的,設(shè)備之間的不利因素沒有得到克服,有利因素沒有得到充分利用,技術(shù)經(jīng)濟(jì)性無法得到最大程度的優(yōu)化。
因此,從整個(gè)電廠系統(tǒng)的角度考慮燃煤煙氣所帶來的運(yùn)行和環(huán)境問題,充分掌握燃煤電站煙氣中各種污染物之間相互影響、相互關(guān)聯(lián)的物理和化學(xué)過程,充分利用現(xiàn)有燃煤煙氣塵、硫、氮及汞等污染物脫除設(shè)備之間可能存在的協(xié)同脫除能力,可以實(shí)現(xiàn)燃煤電站大氣污染物的協(xié)同與集成治理,大幅降低燃煤電站環(huán)境污染治理成本,是一個(gè)非常重要的問題。從國際技術(shù)發(fā)展來看,開發(fā)高效、經(jīng)濟(jì)的多種污染物協(xié)同脫除技術(shù)并進(jìn)行系統(tǒng)集成已成為一個(gè)熱點(diǎn)。顯然,在燃煤電廠煙氣治理工程中,采用何種新的運(yùn)作模式實(shí)現(xiàn)“協(xié)同控制”和“系統(tǒng)集成”的目標(biāo)就成為一個(gè)重要研究課題。
20世紀(jì)80年代以來,由于我國燃煤煙氣污染治理的政策拉動,國內(nèi)相關(guān)單位紛紛通過引進(jìn)西方工業(yè)國家煙氣除塵、煙氣脫硫技術(shù),并直接應(yīng)用于工程設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)了工程上的應(yīng)用。目前,我國燃煤電廠脫硫機(jī)組裝機(jī)容量占全部火電裝機(jī)容量的80%左右,高效除塵器的應(yīng)用幾乎達(dá)到了100%。
在脫硝方面,我國在燃煤電廠主要是采用低NOx燃燒器技術(shù)。但是按新排放標(biāo)準(zhǔn),今后勢必需要采用煙氣脫硝才能達(dá)到要求。目前專家比較一致的意見是:選擇性催化還原煙氣脫硝(SCR)工藝是世界上技術(shù)最成熟、脫硝效率較高、最適宜我國應(yīng)用的煙氣脫硝技術(shù)。目前,我國部分電廠已建成安裝的煙氣脫硝示范工程項(xiàng)目大部分采用SCR脫硝技術(shù)。但特別需要引起我們高度重視的是,SCR煙氣脫硝系統(tǒng)的運(yùn)行,以及逃逸的氨以及SO2氧化產(chǎn)生的SO3將給空氣預(yù)熱器、除塵器、脫硫裝置、煙道系統(tǒng)等下游設(shè)備帶來許多新的問題,同時(shí)對除塵、脫硫、脫汞工藝會帶來正面或負(fù)面的影響。
在脫汞方面,由于燃煤過程中汞大部分以氣態(tài)形式存在,而除塵器只能去除被飛灰吸附的顆粒態(tài)汞Hgp,對于氣態(tài)的單質(zhì)汞Hg0和氧化態(tài)汞Hg2+基本無脫除效果。在除塵器噴入活性炭或載溴活性炭等吸附劑,是一種較為成熟的燃煤煙氣汞控制技術(shù)。在過去的二十年中,這種技術(shù)已經(jīng)在美國和歐洲應(yīng)用,主要用于廢棄物燃燒煙氣中脫汞。碳基吸附劑因其較高的比表面積和較強(qiáng)的吸附能力,已成為燃煤煙氣脫汞中首選的吸附劑[1]。我國的汞污染控制還處于起步階段。研究表明,燃煤煙氣中Hg0、Hg2+和Hgp等各種汞形態(tài)的分布受到燃燒條件、脫硫、脫硝、除塵等煙氣凈化系統(tǒng)的影響?,F(xiàn)有的燃煤電站除塵、脫硫設(shè)備對于汞都有一定程度的脫除能力。可以預(yù)見,“十二五”期間及下一個(gè)階段我國燃煤電廠煙氣多污染物治理工程中,重點(diǎn)將增加SCR煙氣脫硝裝置和汞協(xié)同治理,同時(shí)對達(dá)不到新排放標(biāo)準(zhǔn)的脫硫、除塵進(jìn)行必要的增容或改造。煙氣脫硫、脫硝、除塵、脫汞必須協(xié)同進(jìn)行是我國燃煤電廠今后煙氣污染治理的基本現(xiàn)實(shí)。
(1)SCR煙氣脫硝對電除塵器的影響。SCR煙氣脫硝設(shè)備對電除塵器的影響主要有以下幾個(gè)方面:使煙氣溫度有所下降,對降低粉塵比電阻有利;煙氣中的NOx氧化還原為N2和水,使煙氣成分發(fā)生變化。煙氣中部分SO2氧化成SO3,SO3能起到一定煙氣調(diào)質(zhì)作用,可以改善電除塵器性能;增大電除塵器前段阻力,使電除塵器承受的負(fù)壓提高;將使煙氣中SO2氧化成SO3,并與逃逸的氨和水反應(yīng)生成黏性硫酸氫銨沉積物,而SO3與煙氣中的水反應(yīng)生成腐蝕性的硫酸霧滴,造成SCR反應(yīng)器下游的空氣預(yù)熱器、電除塵器、煙道和煙囪等設(shè)備的腐蝕和粘堵。但只要采用高性能催化劑,降低氨逃逸和SO2氧化率,是可以避免或減輕粘堵和腐蝕問題的。
(2)SCR煙氣脫硝對FGD系統(tǒng)下游設(shè)備的影響。SCR產(chǎn)生的SO3會增加煙氣中的SO3的濃度,加劇下游設(shè)備的腐蝕[3],尤其是因?yàn)闈穹‵GD裝置不能有效地脫除SO3,造成在濕法FGD系統(tǒng)下游的煙道、煙囪必須考慮采用更嚴(yán)格的防腐措施,不但增加了投資費(fèi)用,而且由于需要對煙囪進(jìn)行防腐,造成進(jìn)行改造的機(jī)組長時(shí)間停運(yùn),給現(xiàn)有電廠的煙氣脫硫改造增加了難度。
(3)除塵器性能對濕法FGD設(shè)備及其副產(chǎn)物的影響。由于濕法FGD系統(tǒng)對其入口煙氣中的粉塵濃度有嚴(yán)格的要求,如果除塵器的除塵效率下降,那么將可能導(dǎo)致漿液中毒,石膏脫水困難,廢水量增加和設(shè)備磨損等問題。情況嚴(yán)重時(shí)不僅會影響濕法FGD副產(chǎn)物的質(zhì)量,而且還會影響濕法FGD裝置中一些主要設(shè)備和部件的使用壽命,例如漿液循環(huán)泵、循環(huán)漿液管道和閥門、水力旋流器等。
(4)SCR脫硝裝置對汞排放的影響。脫硝系統(tǒng)對煙氣中汞的轉(zhuǎn)化和遷移行為研究表明,SCR脫硝裝置在降低NOx含量的同時(shí)也能適當(dāng)氧化Hg0從而提高系統(tǒng)中Hg2+所占的比重,從而有利于汞在下游的除塵、脫硫裝置中的脫除。但是影響Hg0轉(zhuǎn)化的參數(shù)和主要轉(zhuǎn)化機(jī)理尚未清楚。研究發(fā)現(xiàn),SCR工藝提高汞的氧化和捕集的效果受煤種、運(yùn)行參數(shù)和催化劑類型影響很大[4]。
(5)除塵裝置脫汞的機(jī)理和作用。靜電除塵器對燃煤煙氣中汞形態(tài)的轉(zhuǎn)化有一定的影響,將除塵器后的煙氣與除塵器前相比,單質(zhì)汞和Hg2+含量都有所下降,尤其是單質(zhì)汞含量的下降最為明顯[5]。電除塵器電暈輝光放電產(chǎn)生的臭氧是一種強(qiáng)氧化劑,可以促使汞由單質(zhì)態(tài)向氧化態(tài)轉(zhuǎn)化;電暈輝光放電產(chǎn)生的紫外線和高能電子流,也可以促使汞由單質(zhì)態(tài)向氧化態(tài)轉(zhuǎn)化。電袋復(fù)合除塵器和布袋除塵器能夠脫除高比電阻粉塵和細(xì)粉塵,尤其在脫除細(xì)粉塵方面有其獨(dú)特的效果。布式除塵器在脫除煙氣中的汞有很大的潛力,電袋復(fù)合除塵器因?yàn)槠洫?dú)特的結(jié)構(gòu)和機(jī)理,具有良好的脫汞性能。
(6)濕法脫硫裝置對汞的脫除作用和應(yīng)該注意的問題。濕法煙氣脫硫裝置一般安裝在除塵器的下游,因?yàn)镠g0難溶于水,Hg2+易溶于水,所以濕法煙氣脫硫裝置在脫除煙氣中的SO2的同時(shí)也能吸收Hg2+。目前正在研究強(qiáng)化汞的氧化方法[6]。值得特別注意的是:由于漿液中存在亞硫酸鹽,會將部分收集到的Hg2+還原成Hg0,釋放到大氣中,另外副產(chǎn)品中的Hg2+在酸性的環(huán)境下也會釋放出元素汞,這些問題都是需要進(jìn)一步研究的。
(7)循環(huán)流化床干法脫硫?qū)拿摮饔谩Qh(huán)流化床干法脫硫工藝采用具有較大比表面積的消石灰細(xì)微顆粒作為吸收劑,流化床中激烈湍動的細(xì)顆粒對脫汞也有獨(dú)特的作用,研究表明,干法脫硫與布袋除塵器聯(lián)用,汞的脫除率達(dá)到了74%。
2018年的國際經(jīng)濟(jì)發(fā)展深受積極因素與不確定因素的影響。其中,不確定因素主要體現(xiàn)在逆全球化思潮的不斷發(fā)展方面,貿(mào)易戰(zhàn)、新興市場貨幣貶值等現(xiàn)象的爆發(fā)使得很多國家都面臨著隨時(shí)會爆發(fā)的經(jīng)濟(jì)危機(jī),個(gè)體經(jīng)濟(jì)與貨幣的波動也會使全球經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生一定的影響。但是國際經(jīng)濟(jì)發(fā)展的積極因素也會越來越多,其主要表現(xiàn)在:在經(jīng)歷了08年的經(jīng)濟(jì)危機(jī)后,全球經(jīng)濟(jì)出現(xiàn)了新的增長點(diǎn)并逐漸復(fù)蘇;英國順利脫歐;美元升值,但是設(shè)想中的資本大回流并沒有出現(xiàn);中國一帶一路的設(shè)想獲得了越來越多國家的支持等。
(8)濕式電除塵器對多污染物治理的特殊作用。在環(huán)境要求嚴(yán)格的國家,燃煤煙氣多污染物治理的目標(biāo)不僅要能脫除傳統(tǒng)污染物SO2,NOx以及粉塵,而且也要脫除PM2.5超細(xì)粉塵和其他強(qiáng)酸性氣體(SO3、HCl、以及 HF)、重金屬。安裝在濕法脫硫后的濕式電除塵器已經(jīng)在日本等發(fā)達(dá)國家應(yīng)用,濕式電除塵器對PM2.5超細(xì)粉塵和SO3酸霧等污染物有很強(qiáng)的捕集能力。所以,濕式電除塵器是燃煤煙氣治理接近零排放的重要設(shè)備,適合環(huán)保要求極嚴(yán)格的重點(diǎn)地區(qū)應(yīng)用。
根據(jù)我國燃煤電廠煙氣治理設(shè)備現(xiàn)狀,國際與國內(nèi)煙氣治理的新技術(shù),結(jié)合我國不同區(qū)域資源、環(huán)境條件,考慮我國燃煤鍋爐條件和煙塵成分等因素,比較符合我國國情的燃煤電廠多污染物協(xié)同治理主要技術(shù)工藝路線可能有以下幾種:
(1)在我國東部地區(qū)的新建電廠,主要應(yīng)以SCR煙氣脫硝裝置、電除塵器或電袋除塵器、濕法脫硫裝置為主要設(shè)備,同時(shí)靈活選擇除塵或脫硫協(xié)同脫汞方案,以系統(tǒng)集成為技術(shù)主線的多污染物協(xié)同治理工藝技術(shù)路線。
(2)在西部部分缺水且燃煤硫分低于2%的區(qū)域,可選擇應(yīng)用以循環(huán)流化床干法除塵、脫硫、脫汞一體化為核心的多污染物治理工藝技術(shù)路線,結(jié)合鍋爐低氮燃燒技術(shù)以及SNCR或SCR煙氣脫硝技術(shù),實(shí)現(xiàn)節(jié)能、節(jié)水、多污染物綜合治理的目標(biāo)。
(3)在已建設(shè)濕法脫硫裝置、高效除塵器的電廠,為了達(dá)到新的排放標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)具體項(xiàng)目具體分析,在增加SCR煙氣脫硝裝置、除塵器改造、脫硫系統(tǒng)增容(或增加一套干法,實(shí)現(xiàn)干、濕法脫硫級聯(lián)的靈活方式)、協(xié)同脫汞等技術(shù)方面統(tǒng)籌考慮,選擇一個(gè)最適合的多污染物協(xié)同治理工藝技術(shù)方案。
(4)在我國東部發(fā)達(dá)地區(qū)和重點(diǎn)地區(qū),在排放要求極高的情況下,不僅要綜合研究污染物極低排放的技術(shù)措施,還要同步研究 SO3、PM2.5微細(xì)顆粒控制的技術(shù)措施,在參考以上主要治理設(shè)備的系統(tǒng)配置方案基礎(chǔ)上,可以考慮采用更先進(jìn)的技術(shù)方案。
目前,正在研究開發(fā)濕式電除塵器與濕法脫硫吸收塔相結(jié)合,形成一體化的煙氣污染治理設(shè)備,具有脫汞、捕集PM2.5細(xì)微顆粒、脫除SO3酸霧等功能,可以滿足國家東部發(fā)達(dá)地區(qū)更嚴(yán)格的火電廠污染物排放要求。
“煙氣治理島”治理模式的主要特點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢有:利用污染物治理先進(jìn)技術(shù)和協(xié)同控制工藝,為火電廠煙氣治理選擇適合的多污染物協(xié)同治理技術(shù)工藝路線和治理方案;按“煙氣治理島”概念,從系統(tǒng)設(shè)計(jì)角度出發(fā),對各污染物治理工藝進(jìn)行一體化設(shè)計(jì),同時(shí)有效配置動力、配電、輸送等配套系統(tǒng),降低污染治理的投資、占地、能耗和運(yùn)行費(fèi)用,減少二次污染并盡可能實(shí)現(xiàn)副產(chǎn)物的資源化再利用;“煙氣治理島”全套設(shè)備由同一家制造商提供,接口聯(lián)接順暢,工藝銜接良好;由承包方實(shí)施“煙氣治理島”項(xiàng)目,并對整個(gè)工程的施工負(fù)責(zé),在電廠改造工程中可縮短主機(jī)的停運(yùn)時(shí)間;各個(gè)污染物治理工藝的控制和調(diào)整得到統(tǒng)一的協(xié)調(diào),從整體的角度來規(guī)劃操作工藝,盡可能發(fā)揮多污染物協(xié)同治理的有利因素,在運(yùn)行過程中達(dá)到性能優(yōu)化、能耗和物料消耗較低化;降低維護(hù)費(fèi)用。
福州可門電廠采用“煙氣治理島”模式運(yùn)行,可門電廠規(guī)劃裝機(jī)容量為8×600MW機(jī)組。二期工程2×600MW超臨界機(jī)組煙氣治理采用脫硝、脫硫、除塵聯(lián)合治理方案,由龍凈環(huán)保進(jìn)行總體設(shè)計(jì),同時(shí)提供包括脫硫、脫硝、除塵、氣力輸灰的全部設(shè)備。2008年8月3號機(jī)組投產(chǎn),2008年10月4號機(jī)組投產(chǎn),脫硫、脫硝、除塵等煙氣治理設(shè)備同步投入運(yùn)行,系統(tǒng)運(yùn)行良好。
福州可門電廠“煙氣治理島”系統(tǒng)由SCR煙氣脫硝系統(tǒng)、石灰石—石膏濕法脫硫系統(tǒng)、電除塵器系統(tǒng)、氣力輸灰系統(tǒng)組成,其主要技術(shù)參數(shù)如下:
(1)SCR煙氣脫硝系統(tǒng)。每臺爐配2個(gè)SCR反應(yīng)器,設(shè)計(jì)脫硝效率≥80%,SO2/SO3轉(zhuǎn)化率≤1%,SCR電耗124kW·h/h,氨耗量≤232kg/h。經(jīng)第三方測試,3、4號機(jī)組配套SCR煙氣脫硝系統(tǒng)脫硝效率分別為96.15%、91.3%;SO2/SO3轉(zhuǎn)化率分別為0.83%、0.67%;電能消耗分別為 50kW 、59kW,純氨消耗量分別為115kg/h、192kg/h。
(2)濕法脫硫系統(tǒng)。每臺爐配1套煙氣脫硫系統(tǒng),一爐一塔,設(shè)計(jì)脫硫效率≥95.8%,凈煙氣SO2濃度≤73mg/m3,電耗≤5400kW。經(jīng)第三方測試,3、4號機(jī)組配套石灰石—石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)脫硫效率分別為96.4%、96.3%,凈煙氣SO2濃度分別為 31.4mg/m3、70.8mg/m3;系統(tǒng)運(yùn)行電耗分別為4848kW、5007kW。
(3)電除塵器系統(tǒng)。每臺爐配2臺雙列雙室四電場電除塵器。設(shè)計(jì)除塵效率≥99.68%,本體漏風(fēng)率<3%,設(shè)備阻力<245Pa,總集塵面積79344m2;比集塵面積(400mm)為95.94 m2/m3/s。經(jīng)第三方性能測試,3、4號機(jī)組配套電除塵器出口煙塵濃度分別為 38.08mg/m3、40.70mg/m3;除塵效率均為99.71%;除塵器本體壓降分別為 190、171.5Pa;本體漏風(fēng)率分別為1.3%、1.55%。
(4)氣力輸灰系統(tǒng)。每臺爐配1套氣力除灰系統(tǒng),含省煤器灰和電除塵器灰輸送。設(shè)計(jì)出力為88t/h,設(shè)計(jì)省煤器灰氣比6.7kg/kg,電除塵器灰氣比23kg/kg,2臺爐設(shè)計(jì)耗氣量121m3/min。經(jīng)調(diào)試,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,滿足設(shè)計(jì)出力要求。
福州可門電廠二期工程2×600MW燃煤機(jī)組,每年產(chǎn)生 NOx4292t,粉塵 211733t,SO2為16871t,安裝“煙氣治理島”系統(tǒng)后,NOx、粉塵、SO2排放量分別降為 858t、614t、709t,減排效果明顯。
國際上研究燃煤煙氣多污染物協(xié)同控制是一種新的技術(shù)動向,煙氣多污染物治理系統(tǒng)集成控制是主要方向。我國燃煤煙氣治理的重點(diǎn)已經(jīng)開始轉(zhuǎn)向煙氣脫硝和脫汞,并且硫和塵的排放標(biāo)準(zhǔn)也趨嚴(yán)格。考慮到多污染協(xié)同治理、PM2.5和其他重金屬控制、SO3腐蝕、副產(chǎn)物利用、設(shè)備成本、運(yùn)行成本等是一個(gè)復(fù)雜的問題?!盁煔庵卫韻u”新模式,是基于燃煤煙氣多污染物協(xié)同控制的基本理論和經(jīng)驗(yàn),可以實(shí)現(xiàn)電廠多污染物協(xié)同治理。
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Discussion on new model for coal-fired flue gas multi-pollutant co-benefit control system—Longking"Flue Gas Treatment Island"system
Interaction and co-benefit of several flue gas pollution control technologies has been discussed based on the current status and demands of coal- fired flue gas treatment.The basic concept of coal- fired flue gas multi- pollutant co -benefit control system has been proposed during the discussion.New model of"Flue Gas Treatment Island"for multi-pollutant co-benefit control has been proposed by analysis of several existing multi- pollutant control processes.The"Flue Gas Treatment Island"was supposed to be the solution for flue gas multi-pollutant control and the main features of the system.
flue gas treatment island;multi-pollutant;co-benefit control;model
X701
B
1674-8069(2012)03-013-04
2012-01-08;
2012-05-13
郭 俊(1955-),男,福建龍巖人,教授級高工,長期從事環(huán)保除塵領(lǐng)域新產(chǎn)品、新技術(shù)的研究開發(fā)和技術(shù)管理工作。E-mail:junguo318@yahoo.com.cn