電廠燃煤鍋爐與潔凈化生產(chǎn)

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(chǎn)過程就是將煤的化學能轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(fā)電機。鍋爐的作用是將煤炭的化學能轉(zhuǎn)化為推動汽輪機運轉(zhuǎn)的熱能，汽輪機的作用則是將鍋爐傳遞來的熱能轉(zhuǎn)化為供發(fā)電機使用的機械能，而發(fā)電機則是最終將機械能轉(zhuǎn)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(huán)流化床鍋爐和煤粉爐。循環(huán)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(chǎn)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(zhuǎn)化為蒸汽的熱能，其原理和系統(tǒng)（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(tǒng)，由燃燒器和爐膛組成了鍋爐的燃燒系統(tǒng)，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(tǒng)，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(tǒng)）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(zhì)主要是是SO2、氮氧化物和粉塵，因此，除去這些有害物質(zhì)，達標排放成為燃煤電廠潔凈化生產(chǎn)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?qū)⑹沂w粒參入煤中送入爐膛，煤在爐膛內(nèi)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(nèi)與煤燃燒產(chǎn)生的二氧化硫（SO2）反應生成亞硫酸鈣（CaSO3），亞硫酸鈣與爐膛內(nèi)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(tǒng)簡單、投資少、成本低，是循環(huán)流化床鍋爐首選的脫硫方式。但因為大量的CaCO3進入爐內(nèi)，對鍋爐水冷壁及煙道內(nèi)的受熱面產(chǎn)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(tǒng)容易出現(xiàn)磨損、堵管等，進入爐內(nèi)的石灰石量過大對燃燒和床溫產(chǎn)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(diào)整，以應對煤質(zhì)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(nèi)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(tǒng)，俗稱消化系統(tǒng)，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(jié)晶形成二水石膏CaSO4·2H2O。其反應方程式如下：

濕法脫硫系統(tǒng)組成有：二氧化硫吸收系統(tǒng)、漿液制備系統(tǒng)、漿液排出系統(tǒng)、石膏脫水系統(tǒng)、廢水處理系統(tǒng)、工藝水系統(tǒng)等。二氧化硫吸收系統(tǒng)包含吸收塔、漿液循環(huán)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(huán)，并在吸收塔底部漿液池內(nèi)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)主要包含廢水加藥系統(tǒng)、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?cè)紵諝饬康?0%～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(qū)域的燃料只能部分燃燒（因含氧量不足），降低了燃燒區(qū)內(nèi)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(huán)法。利用一部分溫度較低的煙氣返回燃燒區(qū)，煙氣中含氧量較低，從而降低燃燒區(qū)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(qū)域即“溫度窗口”內(nèi)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(qū)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(huán)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(nèi)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(tǒng)簡單，投資少，被循環(huán)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(qū)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(tǒng)、熱解系統(tǒng)、噴射系統(tǒng)和檢測系統(tǒng)。 SCR 脫硝效率依據(jù)催化劑層數(shù)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(diào)整，被廣泛應用于煤粉鍋爐的發(fā)電企業(yè)。

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(cè)進入布袋內(nèi)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(cè)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(cè)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(chǎn)生尖端放電現(xiàn)象，在電暈區(qū)外產(chǎn)生大量的負電荷，當煙塵流經(jīng)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(fā)電企業(yè)的廣泛應用。但電除塵的效率受粉塵性質(zhì)（比電阻）、設備構(gòu)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(huán)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(jié)語

從中央發(fā)出的眾多信號可以看出，燃煤電廠的革命性時代已經(jīng)來臨。我國燃煤火力發(fā)電廠只有廣泛應用超臨界循環(huán)流化床鍋爐設備和超超臨界煤粉鍋爐，最終將會實現(xiàn)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(xiàn)燃煤電廠的潔凈化生產(chǎn)，為中國的經(jīng)濟發(fā)展提供有力的保障。