中國燃煤鍋爐節(jié)能減排技術近況及展望

林宗虎

(西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安)

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中國燃煤鍋爐節(jié)能減排技術近況及展望

林宗虎

(西安交通大學能源與動力工程學院,710049,西安)

燃煤鍋爐是溫室氣體CO2及大氣污染物的重要排放源,加強對燃煤鍋爐節(jié)能減排技術的研究和應用對于CO2的減排和大氣品質的改善具有重要意義。由此,對近期燃煤電站鍋爐和燃煤電站鍋爐的節(jié)能減排技術和方法進行了分析和評議,這些方法和技術包括推行嚴格的節(jié)能減排政策、利用大型超臨界壓力燃煤發(fā)電機組、采用整體煤氣化聯合循環(huán)、研發(fā)煤炭綜合利用技術和CO2捕集技術、改造燃煤工業(yè)鍋爐、采用先進排煙凈化設備等,并對該領域未來研究和發(fā)展方向進行了展望及建議。

燃煤鍋爐;節(jié)能;減排

氣候變暖和溫室氣體CO2等的減排是當前各國面對的全球性戰(zhàn)略問題。在2009年哥本哈根氣候變化大會上中國莊嚴承諾,2020年中國單位GDP(國內生產總值)的CO2排量(質量分數)要比2005年減少40%～45%,而這是一個不易達到的指標。中國既要持續(xù)發(fā)展經濟又要減排CO2,就只有依靠科技創(chuàng)新、走改革發(fā)展的道路。根據中國國情和科學分析表明,這一CO2減排任務可以通過三大措施來實現:各行各業(yè)通過節(jié)能提效、降低能耗可減少CO2排量26%～30%;通過發(fā)展低碳能源和可再生能源可減少CO2排量8%～10%;通過化石能源清潔化可減少CO2排量6%～7%。

2015年4月25日發(fā)表的《中共中央國務院關于加速推進生態(tài)文明建設的意見》中的主要目標之一為到2020年單位GDP的CO2排放強度比2005年下降40%～45%。由此可見,這一減排指標是一定要達到的。

近年來,中國大氣污染和霧霾環(huán)境十分嚴重,為了提高空氣品質、保障人民健康,必須迅速加強工業(yè)廢氣污染物的控制和治理。

減排任務的完成與加強燃煤鍋爐的節(jié)能減排有著密切的關系。中國一次能源以煤炭為主,2014年底煤電機組約占發(fā)電機組的62%,2013年中國CO2、SO2、NOx和煙塵排放量均居世界第一,其中燃煤電站鍋爐排出的CO2、SO2、NOx和煙塵分別占各總排放量的50%、38%、43%和17%。此外,中國現存的大量效能不高的燃煤工業(yè)鍋爐也是一個重要的大氣污染源。因此,針對主要污染源的燃煤鍋爐進行節(jié)能減排對于完成減排任務是十分重要的。

1 中國燃煤電站鍋爐的近期節(jié)能減排技術和措施

1.1 實行“上大關小”的強制性機制

中國原有煤電機組主要由效率不高的中小型機組構成,一般105kW以下的機組發(fā)電煤耗≤400 g/(kW·h),而106kW超超臨界壓力機組的煤耗僅為273 g/(kW·h)。因而,關停105kW以下的中小型機組、發(fā)展超臨界壓力機組對于節(jié)能減排是十分有效的。2005年全國平均發(fā)電煤耗為370 g/(kW·h),到2014年平均發(fā)電煤耗已降為319 g/(kW·h)。

2014年9月國家發(fā)改委、環(huán)保部、國家能源局聯合下發(fā)的《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014年～2020年)》[1](以下簡稱“行動計劃”)明確規(guī)定:東部地區(qū)新建燃煤電廠的大氣污染物排放濃度基本達到燃氣輪機排放極限值,即在基準氧含量(氧的質量分數)為6%的條件下,標準狀態(tài)(20 ℃、101.325 kPa狀態(tài))的煙塵、SO2、NOx排放的質量濃度分別不高于10、35、50 mg/m3(文中排放濃度均指標準狀態(tài)下的濃度);中部地區(qū)新建燃煤電廠的發(fā)電機組原則上接近或達到此限值;鼓勵西部地區(qū)的接近或達到此限值。亦即要求:新建燃煤發(fā)電機組的排放濃度應向燃氣輪機電廠看齊,各現役機組經5年改造后平均煤耗應低于310 g/(kW·h),新建電廠平均煤耗應低于300 g/(kW·h),即煤耗超過當前的國際先進水平,成為超低排放燃煤發(fā)電機組。

1.2 確立燃煤發(fā)電機組的環(huán)保示范項目

2014年國家能源局確立了13個環(huán)保示范項目,對天津軍糧城電廠、山東章丘電廠、河北裕華電廠等進行超低排放改造。在煤電環(huán)保改造中,采用技術成熟的石灰石——石膏濕法煙氣脫硫技術脫硫,和采用低氮燃燒器、加裝一層催化劑等脫硝技術,已使排煙中的SO2、NOx排放濃度達到“行動計劃”規(guī)定的排放限值,但煙塵的質量濃度要低于10 mg/m3的要求不易達到。在2015年2月通過天津市環(huán)保局驗收的第一個環(huán)保改造示范項目的軍糧城電廠9號機組,采用了濕式靜電除塵器使煙塵排放濃度低于限值要求,實時監(jiān)測數據顯示:SO2排放的質量濃度為9.2 mg/m3,NOx排放的質量濃度為39.6 mg/m3,標煙塵排放的質量濃度為2.9 mg/m3,達到煤電超低排放標準,其中煙塵排放濃度已低于燃氣輪機排放限值。軍糧城電廠的濕式靜電除塵器安裝在脫硫吸收塔頂部,煙氣自下而上進入除塵器以去除細微顆粒與霧滴,凈化后的煙氣從頂部排出。濕式靜電除塵器收集的懸浮液體及沖洗水靠重力流回脫硫吸收塔漿液池。該除塵器創(chuàng)新性地采用機制導電玻璃鋼作為陽極材料,保證了除塵器本體的耐腐蝕性能,使用壽命可達25年。

在新建燃煤發(fā)電機組方面,北京、福建、江蘇等11個省份新建機組的大氣污染物排放濃度基本達到燃氣輪機排放限值。近日投產的福建石獅市鴻山鎮(zhèn)的神華福能鴻山電廠首臺106kW超超臨界煤電機組,其煙氣實時排放環(huán)保參數檢測結果為:煙塵排放的質量濃度為8.01 mg/m3,SO2排放的質量濃度為20.87 mg/m3,NOx排放的質量濃度為27.6 mg/m3,均小于超低排放標準的限值。

常規(guī)燃煤電站采用超低排放改造后,發(fā)電成本僅增加0.015～0.02元/(kW·h),而燃煤改為燃氣后發(fā)電成本將平均增加0.6元/(kW·h)[2]。根據環(huán)境保護部2015年發(fā)表的《“十二五”生態(tài)環(huán)境保護成就報告》[3]的統計,中國已完成煤電超低排放改造8.4×107kW,約占全國煤電裝機的1/10,正在進行改造的超過8.1×107kW。

在政府組織支持和指導下,由產學研協同取得的煤電超低排放科研成果,具有重要的社會和經濟意義。此成果初步解決了煤電發(fā)展與環(huán)境污染增大之間的矛盾,可避免將大量發(fā)電成本低的燃煤機組改為發(fā)電成本高的燃氣機組所支持的改造和運行費用,顯著減少了天然氣進口量,并在較長時期內依托中國主力一次能源煤炭的充分利用,確保中國一次能源的安全性。

1.3 采用先進的燃煤發(fā)電技術[4]

1.3.1 采用超臨界和超超臨界煤電機組 一般煤電機組發(fā)電效率均低于40%,超臨界機組可達到42%,而超超臨界機組可將發(fā)電效率提高到45%～50%。因而,積極發(fā)展超臨界煤電機組不僅可以顯著地節(jié)能提效、減少大量煤炭燃用,同時也起到重要減排作用。超臨界及以上的發(fā)電機組全球有600多臺,中國已有150多臺。

1.3.2 采用整體煤氣化聯合循環(huán)(IGCC)發(fā)電機組在這類發(fā)電機組中,煤先在氣化爐中氣化成煤氣,經凈化后,清潔煤氣送入燃氣輪機機組發(fā)電。燃氣輪機機組的排氣溫度很高,可送入余熱鍋爐產生蒸汽,再利用蒸汽帶動蒸汽輪機機組發(fā)電,這樣發(fā)電效率可達45%～50%。如采用純氧氣化,合成器中N2很少,主要為高濃度的CO2和H2,有利于CO2的捕集和減排。全球現有該設備30臺左右,中國華能天津250 MW的IGCC有一臺示范機組,已實現滿負荷、長周期穩(wěn)定運行,其煙氣排放實測數據為:SO2與粉塵排放的質量濃度為均小于1 mg/m3,NOx排放的質量濃度低于50 mg/m3。

1.3.3 發(fā)展煤炭多聯產技術 這是國際上正在發(fā)展的煤炭綜合利用技術。煤經煤氣化和凈化后,可用于生產電力、油、氨肥及其他化工產品,由此可提高10%～20%的煤炭利用率,且CO2較易捕集排出,是提高煤炭利用率的發(fā)展方向,對此中國正在研發(fā)中。

2 中國燃煤工業(yè)鍋爐的近期節(jié)能減排技術和措施[4-5]

2.1 采用先進的節(jié)能減排技術

中國工業(yè)鍋爐有55萬多臺,大多為燃煤火床爐,年耗煤達4×108t且熱效率不高,實際運行熱效率一般為70%～80%或更低,因而節(jié)能提效潛力較大。

2.1.1 采用強化燃燒技術 一般可通過優(yōu)化爐拱結構、優(yōu)化配風和加入添加劑等方法來提高鍋爐燃燒效率,以達到節(jié)煤減排的目的。近年來,富氧燃燒用于工業(yè)鍋爐和工業(yè)窯爐后得到顯著節(jié)能減排效果,其為使空氣流過高分子膜,由于氧氣滲透率高于氮氣,因而膜后空氣中含氧量可提高27%～30%。該富氧經除濕穩(wěn)壓并預熱到100 ℃后送入爐膛助燃。由于空氣中大量氮氣不參與吸熱,使得排煙量減少,排煙熱損失減少。

富氧燃燒可提高火焰溫度,增強輻射傳熱并增大燃燒的速度和強度,由此可降低不完全燃燒損失,有利于燃盡和消除黑煙污染。江西阜寧化肥廠和遼寧瓦房店軸承集團在工業(yè)鍋爐上采用此技術后使鍋爐熱效率提高10%左右,并消除了排煙黑度不合格現象。濟南鋼鐵集團的石灰回轉窯用此法后降低煤耗達10%。

2.1.2 采用冷凝式鍋爐 鍋爐排煙中含有水蒸氣,若將該水蒸氣冷凝使其汽化潛熱得以利用,便可提高鍋爐的熱效率。這類鍋爐稱為冷凝式鍋爐,特別適用于燃氣鍋爐。由于燃氣成分主要是CH4,所以燃燒后煙氣中水蒸氣含量高,氣化潛熱大,冷凝后可顯著提高鍋爐熱效率。冷凝式鍋爐用于燃煤鍋爐的效果相對較小,用于由燃煤改為燃氣工業(yè)鍋爐的效果很好。在當前燃用天然氣鍋爐的排煙溫度下,煙氣中水蒸氣帶走的熱損失約占排煙熱損失的75%,若將排煙溫度降到60 ℃以下,回收水蒸氣潛熱和煙氣顯熱后可使鍋爐熱效率提高10%以上,而水蒸氣冷凝設備的制造費用可在一年內回收。

2.1.3 燃煤火床爐改為煤粉爐 燃煤火床爐一般熱效率較低,其改為煤粉爐后可有效提高熱效率,但首先要有煤粉供應單位,否則對蒸發(fā)量小于35 t/h的鍋爐帶有自制煤粉設備是不經濟的。

2.1.4 燃煤火床爐改為燃氣爐 燃氣工業(yè)鍋爐一般熱效率比火床爐高得多。全自動燃氣工業(yè)鍋爐熱效率可達90%,其排出的煙塵和有害氣體也比火床爐少得多。燃煤鍋爐的煙塵排放量為燃氣鍋爐的500倍,SO2排放量為燃氣鍋爐的4 000倍,NOx排放量為燃氣鍋爐的4倍,CO2排放量為燃氣鍋爐的2倍。為了改善環(huán)境,不少地方政府對燃用天然氣寄予厚望,紛紛提出將大量燃煤工業(yè)鍋爐改成燃氣鍋爐。但是,天然氣存在氣源不足和經濟性較差的問題,燃氣成本約為燃煤的2倍多。如果燃氣供應充足,當地政府有能力給企業(yè)和居民適當的財政補貼,則將這種分散污染源且煙氣凈化力度不足的燃煤工業(yè)鍋爐改為燃氣鍋爐,不失為一種節(jié)能減排的有效措施。

2.2 采用煙氣潔凈裝置

近期,中國燃煤工業(yè)鍋爐都加裝了各種高效價廉的煙氣潔凈設備,以降低排煙中的煙塵量和氣體污染物,使之達到規(guī)定的排煙標準。

3 燃用清潔煤以節(jié)能減排

燃煤鍋爐燃用清潔煤可提高熱效率,降低排煙中煙塵和有害氣體排量。清潔煤有洗煤、配煤和型煤3種。原煤經洗選后可去除50%～80%灰分,30%～40%硫分,因而燃用時可提高熱效率,降低煙塵、SOx和NOx排量。配煤按煤顆粒度分為粉煤配煤和粒煤配煤。前者供煤粉爐燃用,后者供火床爐燃用。工業(yè)鍋爐的火床爐燃用粒煤配煤時由于煤中不含粉煤且具有較穩(wěn)定的熱值等煤質指標,因而可節(jié)煤10%以上,煙塵排量可減少60%。型煤利用黏結劑將粉煤和低品位煤炭經機械加工而成,供工業(yè)鍋爐或民用爐灶燃用,可提高鍋爐熱效率。

發(fā)展清潔煤技術是中國近期和將來發(fā)展燃煤鍋爐和防治大氣污染的重要措施,必將得到日益重視和發(fā)展推廣。

4 中國燃煤電站鍋爐節(jié)能減排技術與措施展望

4.1 發(fā)展高效率煤電機組

中國尚處于工業(yè)化階段,隨著經濟技術持續(xù)發(fā)展、能源耗量的增加以及人民對空氣質量改善要求的提高,必然對燃煤電站鍋爐的高效清潔發(fā)電提出了更高的要求。因此,高效率、高參數超臨界壓力煤電機組,整體煤氣化聯合循環(huán)發(fā)電機組和煤炭多聯產裝備等將得到較快發(fā)展。

4.2 發(fā)展高效率排煙污染物治理設備

重點研發(fā)高性能電除塵技術,發(fā)展煙塵凝聚、超細粉塵捕集技術,開發(fā)新型脫硫、脫硝裝置以及多污染物協同控制技術。

4.3 發(fā)展煙氣中CO2捕集和利用技術

燃煤鍋爐排煙中含有大量CO2氣體,是大氣中溫室氣體的一個重要來源。在現有排煙污染物限制標準中尚未列入對CO2氣體的限制值,但國內外已開展研發(fā)煙氣中CO2的捕集和利用技術。歐盟規(guī)定,到2020年新建燃煤電站鍋爐必須加裝CO2捕集設備。

4.3.1 燃燒前捕集CO2技術 發(fā)電方式采用整體煤氣化聯合循環(huán)發(fā)電機組,可應用燃燒前捕集CO2技術。其可將氣化爐中產生的合成煤氣中的CO,通過加水的變換反應變?yōu)镠2,然后將CO2分離出來。若采用純氧氣化,合成氣中主要為CO2和H2,有利于CO2分離減排,這種CO2減排成本只有常規(guī)煤粉鍋爐CO2減排成本的1/2。

4.3.2 煙氣中CO2的物理吸收捕集技術 利用溶劑甲醇、二甲醚、聚乙二醇或固體吸附劑沸石、活性炭等,對煙氣中CO2的溶解和吸附程度隨壓力而變化的原理,來捕集和排出CO2,這些溶劑或吸附劑都在壓力高時吸收CO2氣體,再在壓力低時使CO2析出并排出。這種方法吸附劑用量少,而CO2捕集排除率高。

4.3.3 CO2的膜分離法 由于CO2氣體對高分子膜的滲透率高于混合氣體中的N2等氣體,所以可在煙氣流過膜后得到CO2的分離與捕集。此法投資少、耗能低、占地小,但一般需經兩級處理后才能達到所需CO2的純度。

4.3.4 采用富氧燃燒捕集CO2采用純氧燃燒,煙氣中主要氣體為CO2和水蒸氣,通過水蒸氣冷凝便可分離出CO2氣體。

4.3.5 利用乙醇氨等溶劑的CO2化學吸收法 煙氣經脫硫、脫硝和除塵后進入吸收器,吸收CO2后的溶劑入再生器并被加熱到100 ℃～120 ℃析出CO2。析出的CO2經冷凝器并用壓縮機加壓后送入儲罐,再生后的溶劑可送入吸收器再利用。北京熱電廠用此法已于2008年投入商業(yè)運行,年產純度99.99%的液態(tài)CO23 000 t,可制成達國家食品級標準的干冰出售,總投資2 300萬元,已有收益。

2009年底上海石洞口電廠建成12×104t/a的煙氣脫CO2工程,該裝置能耗低,達國際領先水平,為國際上最大燃煤電廠CO2捕集工程。

4.3.6 利用氨水洗滌煙氣的CO2化學吸收法 用氨水洗滌煙氣,可脫除煙中CO2氣體并生成以碳酸氫銨(NH4HCO3)為主的副產品,后者可用作農肥。此法經中南大學開發(fā)后,在2010年已由安徽理工大學在淮化集團中試用成功。中試設備可處理煙氣1 000 m3/h,減排CO2達110 m3/h,CO2脫除效率為80%,可生產NH4HCO3農肥270 kg/h。

4.4 發(fā)展CO2氣體捕集扣的利用技術

CO2氣體用途廣泛,化學用途為與其他物質反應制取尿素、合成醇、合成酸等,物理用途為焊接保護、滅火、制干冰進行人工降雨等,生物用途為植物氣肥和果蔬保鮮劑等。此外,CO2氣體還可用作制冷劑和油田的驅油劑,其驅油成本較低,采油率較高,是一種較新的驅油方法。捕集到的CO2氣體還能用于養(yǎng)殖微藻來生產生物柴油和飼料。氣體品質達國家食品標準的CO2還可供廣大食品工業(yè)應用。隨著科技和經濟的發(fā)展,CO2的應用面和利用技術一定會更加廣泛和先進。

5 中國燃煤工業(yè)鍋爐節(jié)能減排技術與措施展望

(1)強制性淘汰效率低的蒸發(fā)量10 t/h以下的小型燃煤鍋爐,發(fā)展區(qū)域性應用的高效清潔的大型燃煤工業(yè)鍋爐,或根據當地情況走清潔能源替代的道路。

(2)淘汰落后的除塵技術,采用靜電和布袋除塵技術,采用干法和濕法脫硫技術和選擇性非催化還原煙氣脫硝技術。

(3)研發(fā)價廉、實用、高效的煙氣多種污染物協同脫除技術。

6 結 論

(1)燃煤鍋爐是中國溫室氣體CO2和大氣污染物的主要排放源,因此重點加強其節(jié)能減排措施對于中國實現CO2減排的國際承諾和空氣質量的改善具有重要的經濟和社會意義。

(2)燃煤鍋爐的持續(xù)發(fā)展與環(huán)境惡化互為矛盾。中國初步實現的煤電鍋爐的超低排放研究成果成功地破解了這一矛盾,使煤電鍋爐得以持續(xù)發(fā)展,中國主力一次能源煤炭得以持續(xù)地合理應用。今后,超低排放技術必將進一步深化研發(fā),以期獲得更高的排煙潔凈度。

(3)燃煤鍋爐節(jié)能減排的要點是提高機組效率和排煙的潔凈化,因而各種增效技術和措施以及新型高效污染物協同控制的煙氣潔凈設備將得到重點研發(fā)和應用。

(4)排煙中的CO2捕集和利用技術正在國內外重點研發(fā),不久將在煤電鍋爐上得到應用。其中,采用化學法捕集CO2的技術已取得了一定的成效,但耗能、耗水仍較大,因而應重點研發(fā)耗水、耗能較小的價廉高效的CO2捕集技術及CO2利用技術。

(5)在政府的組織指導下進行的產學研協同創(chuàng)新科研已為燃煤鍋爐節(jié)能減排取得了一系列重要成果,使中國CO2減排和大氣污染改善取得了預期進展。中國已經勝利完成了“十二五”規(guī)劃的預定減排任務。按照目前的科技水平,到2020年中國對世界承諾的CO2減排任務一定可以順利完成。隨著科技研發(fā)的創(chuàng)新深化,中國大氣質量一定可以迅速得到逐年優(yōu)化和改善。

[1] 中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會. 煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014～2020年) [R]. 北京: 中華人民共和國國家發(fā)展和改革委員會, 2014.

[2] 電力規(guī)劃設計總院. 火電工程限額設計參考造價指標: 2012年水平 [M]. 北京: 中國電力出版社, 2013: 1-396.

[3] 陳吉寧. “十二五”生態(tài)環(huán)境保護成就報告 [R]. 北京: 中華人民共和國環(huán)境保護部, 2015.

[4] 林宗虎, 徐通模. 實用鍋爐手冊 [M]. 2版. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2009: 1-1293.

[5] 王善武, 錢風華. 工業(yè)鍋爐行業(yè)“十二五”回顧、“十三五”發(fā)展展望與建議 [J]. 工業(yè)鍋爐, 2016(1): 1-15.

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(編輯 苗凌)

Recent Situation and Prospect of Technologies for Energy Saving and Emission Reduction of Coal-Fired Boilers in China

LIN Zonghu

(School of Energy & Power Engineering, Xi’an Jiaotong University, Xi’an710049, China)

Coal-fired boiler is a main exhaust source of greenhouse gas CO2and air pollutants. Therefore, enhancing the research and application of technologies for energy saving and emission reduction of coal-fired boiler is very important to CO2reduction and air quality improvement. Recent technologies and methods for energy saving and emission reduction for coal-fired utility boiler and industrial boiler are analyzed and reviewed respectively. These technologies and methods include promoting strict policy for energy saving and emission reduction, using large capacity supercritical pressure coal-fired power generation unit, using IGCC, developing coal based co-production system and CO2capture technique, reforming industrial boiler, and using advanced cleaning apparatus of boiler exhausted gas. The research and development of the technologies are finally anticipated and suggested.

coal-fired boiler; energy saving; emission reduction

2016-07-21。 作者簡介:林宗虎(1933—),男,教授,博士生導師,中國工程院院士。

10.7652/xjtuxb201612001

TK22

A

0253-987X(2016)12-0001-05