高硫高灰燃煤電廠超低排放技術(shù)路線研究

徐 波

(中國華電集團科學(xué)技術(shù)研究總院， 北京　100160)

?

高硫高灰燃煤電廠超低排放技術(shù)路線研究

徐 波

(中國華電集團科學(xué)技術(shù)研究總院， 北京100160)

摘要：隨著環(huán)保要求的日益嚴苛，電廠超低排放已經(jīng)成為發(fā)展趨勢。目前如何在燃用高硫高灰煤電廠實現(xiàn)超低排放是研究和工程實踐中的難點。本文分析了目前熱點污染物控制技術(shù)，結(jié)合重慶、貴州兩家電廠實際情況，認為在該區(qū)域?qū)崿F(xiàn)超低排放是可行的，但是投資運行費用較大。

關(guān)鍵詞：超低排放；二氧化硫；氮氧化物；煙塵；高硫高灰煤

近年來全國范圍內(nèi)霧霾頻發(fā)，城市細顆粒物主要來源于火力發(fā)電、工業(yè)生產(chǎn)、汽車尾氣、生物質(zhì)燃燒、二次生成、道路揚塵等過程[1-2]。為此環(huán)保相關(guān)部門相繼發(fā)布《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014-2020年)》和《全面實施燃煤電廠超低排放和節(jié)能改造工作方案》，以期通過超低排放來改善空氣質(zhì)量。超低排放所涉及的污染物為3種，分別是二氧化硫、氮氧化物和煙塵，基準氧含量6%條件下，排放濃度分別不高于35、50、10 mg/m3。其中二氧化硫來自于煤中硫元素轉(zhuǎn)化，氮氧化物來自于煤中氮元素以及空氣中的氮元素，煙塵主要來自煤中的灰分，后續(xù)設(shè)備的二次揚塵也會造成煙囪出口污染物濃度超標。

1　主流超低排放技術(shù)路線介紹

1.1脫硝技術(shù)

煙氣中NOx生成機理主要來源于3種方式：燃料型NOx，熱力型NOx和快速型NOx[3]。從控制階段上來說一般可分為燃燒前，燃燒中和燃燒后。燃燒前脫硝，可用化學(xué)或生物法實現(xiàn)，但所需成本較高。目前常用技術(shù)為燃燒中脫硝和煙氣脫硝。

1.1.1燃燒中脫硝

燃燒中脫硝技術(shù)以低氮燃燒改造為主，主流技術(shù)有低氮燃燒器(LNB)，空氣分級燃燒技術(shù)、燃料分級燃燒技術(shù)和煙氣再循環(huán)技術(shù)。低氮燃燒器根據(jù)NOx控制原理不同大致分為5類:自身再循環(huán)型、濃淡燃燒型、階段燃燒型、分割火焰型和混合促進型[4]。其中空氣分級燃燒技術(shù)應(yīng)用最為廣泛?；驹砭褪菍⑷紵玫目諝夥謨啥嗡腿?，在主燃燒區(qū)富燃料貧氧抑制NOx生成，在燃燼區(qū)貧燃料富氧降低飛灰中未燃燼碳。根據(jù)送風(fēng)位置不同可分為燃燼風(fēng)(OFA)和分離燃燼風(fēng)(SOFA)。從實際效果來說，一般是低氮燃燒器和空氣分級燃燒技術(shù)組合使用能降低約50%～80%的NOx排放，但是會引發(fā)飛灰可燃物含量增加，無法再利用；燃燒損失加大；爐膛出口煙溫升高；燃燒器區(qū)域出現(xiàn)了還原性氣氛，從而引起水冷壁腐蝕；增加燃燒室受熱面結(jié)渣的可能性。

1.1.2燃燒后脫硝

燃燒后脫硝常用方案由選擇性非催化還原(SNCR)和選擇性催化還原(SCR)兩種技術(shù)，SCR法由于脫除效率高已經(jīng)成為主流技術(shù)。SCR法雖然有高含塵煙氣段、低含塵煙氣段以及尾部煙氣段三種布置方式，但是從經(jīng)濟性考慮以高含塵煙氣段布置方案為主。根據(jù)催化劑所需溫度段300～400℃，一般來說布置在省煤器之后、空預(yù)器之前。脫硝過程中脫硝劑是氨氣，可由液氨、氨水和尿素三種方式產(chǎn)生，液氨雖然儲運和使用過程中安全等級較高，但是投資運行費用低，因此大多數(shù)電廠均使用液氨來制備氨氣。根據(jù)化學(xué)平衡，噴入更多的NH3有利于NOx的轉(zhuǎn)化，但是由于煙氣中SO3的存在，多余NH3易與之反應(yīng)生成硫酸銨，硫酸銨造成催化劑微孔結(jié)構(gòu)堵塞和空預(yù)器堵塞，因此必須嚴格控制噴氨量。

脫硝催化劑主要是釩鈦鎢型或改性釩鈦鎢型，結(jié)構(gòu)形式有蜂窩式、板式和波紋板式。當(dāng)灰分較高時，采用不易堵灰的平板式催化劑較為合適[5]。另外要根據(jù)灰成分，如堿金屬的含量、砷的含量等，設(shè)計有效的催化劑成分配方。

1.2除塵改造

為了實現(xiàn)煙塵超凈排放，目前應(yīng)用較多的除塵技術(shù)有低低溫靜電除塵技術(shù)、電袋復(fù)合除塵技術(shù)、濕式電除塵技術(shù)、高頻電源技術(shù)、旋轉(zhuǎn)電極靜電除塵技術(shù)等[6]。

高頻電源技術(shù)通過“工頻交流-直流-高頻交流-高頻脈沖直流”的轉(zhuǎn)換方式提高了電能轉(zhuǎn)換效率，相同功率下，比常規(guī)電源具有更小的輸入功率，具有節(jié)能效果。同時高頻電源的適應(yīng)性及火花控制特性要優(yōu)于常規(guī)工頻電源。高頻電源技術(shù)缺點在于對比電阻高的煙塵適應(yīng)性差。

旋轉(zhuǎn)電極靜電除塵技術(shù)一般應(yīng)用于末級電場，能有效避免振打產(chǎn)生的揚塵，雖然初期建設(shè)成本較高，但是運行維護費用較低并能顯著降低電除塵器出口煙塵濃度。

1.2.1低低溫靜電除塵技術(shù)

低低溫靜電除塵技術(shù)是在低溫電除塵器(130～150℃)之前加裝換熱系統(tǒng)，如GGH或低溫省煤器，將煙氣溫度降低到酸露點以下85～90℃，使煙氣中SO3凝結(jié)，降低煙塵比電阻，提高除塵效率。

該方案中置換出的熱能有兩種利用方式：一種可以用于加熱汽輪機用水，節(jié)能效果明顯；另一種可以用于加熱尾部煙氣，提升煙氣擴散效果。此外在利用該技術(shù)時，需要考慮灰硫比和二次揚塵?；伊虮容^低時，需要提高設(shè)備防腐等級，應(yīng)對二次揚塵需要考慮抑塵措施，如離線振打和配置旋轉(zhuǎn)電極。

1.2.2電袋復(fù)合除塵技術(shù)

電袋復(fù)合技術(shù)從流程上來說，電除塵在前，布袋除塵在后。從設(shè)計層面來講，電袋復(fù)合除塵器需要同時考慮靜電除塵和袋式除塵2種工藝的出入口流場、煙塵濃度和粒徑分布。在該過程中2級除塵設(shè)備主要存在如下相互影響機制：后級袋式除塵的結(jié)構(gòu)影響電除塵的流場分布，進而影響除塵效率；電除塵的結(jié)構(gòu)和效率決定進入袋式除塵的顆粒物濃度和粒徑分布，從而影響袋區(qū)的粉餅層結(jié)構(gòu)、過濾特性和清灰特性。

1.2.3濕式電除塵技術(shù)

濕式電除塵技術(shù)與干式電除塵原理基本相同，區(qū)別在于依靠水膜代替振打清灰，除塵效率不受到比電阻、二次揚塵及反電暈的影響。另外由于煙氣中濕度大，對PM2.5、酸性氣體、有毒重金屬等具有較好的脫除效率。

根據(jù)布置形式的不同，濕式電除塵器可分為臥式和立式2種。立式布置占地面積小，適用于現(xiàn)有電廠超凈排放改造，而臥式相對投資較小，無布置限制。目前立式除塵器的用水量小，且廢水可直接進入脫硫塔，目前該方案采用較多。

1.3脫硫改造

石灰石-石膏法技術(shù)成熟、吸收劑來源廣泛、適應(yīng)煤種性能強，目前是最主流的工藝，因此超凈排放改造大都以該設(shè)備為主。目前常用的方案有增加噴淋層、單塔雙循環(huán)技術(shù)、雙塔串聯(lián)技術(shù)、托盤塔技術(shù)等。簡單增加噴淋層對脫除效率提升并不明顯，托盤塔技術(shù)能對煙氣進行整流，明顯改善塔壁流，使流場更為均勻，但是為了保證脫除效率，加裝托盤以后會提高煙氣阻力，增加能耗，因此上述2種技術(shù)一般是和循環(huán)技術(shù)結(jié)合在一起使用[7]。

1.3.1單塔雙循環(huán)技術(shù)

石灰石漿液與SO2反應(yīng)，從反應(yīng)過程上來說是分為2個步驟：第一步， SO2與石灰石漿液生成Ca(HSO3)2和CaSO3；第二步，生成的Ca(HSO3)2和CaSO3與鼓入的氧氣反應(yīng)生成CaSO4·2H2O。2步反應(yīng)目的不同，從提高脫除效率、保證石灰石溶解和亞硫酸鹽氧化的角度來說，第一步反應(yīng)需要較高的pH值(5.8～6.4)，而第二步反應(yīng)則需要較低的pH值(4.5～5.3)。單塔雙循環(huán)技術(shù)對原有設(shè)備改造小，效率提升高，因此被廣泛利用。

1.3.2雙塔串聯(lián)技術(shù)

雙塔串聯(lián)技術(shù)原理上與單塔雙循環(huán)一致，從已實施的機組來看，該方案對脫除效率提升最多，適用于排放標準低、原吸收塔改造困難、預(yù)留場地大的機組，并且改造期間不影響原吸收塔正常工作。但是該方案初期投資較大，由于煙氣阻力較高，因此一般需要更換引風(fēng)機或增壓風(fēng)機[8]。

1.3.3爐內(nèi)脫硫技術(shù)

循環(huán)流化床鍋爐(CFB鍋爐)由于較高的燃燒效率、廣泛的煤種適應(yīng)性和低濃度的有害氣體產(chǎn)生量，常被用于燃燒高硫高灰煤和矸石電廠。目前常用的爐內(nèi)固硫劑為石灰石粉，但是爐內(nèi)高溫環(huán)境對脫硫反應(yīng)有一定的限制性，干法脫硫過程由于受氣固擴散條件約束，硫鹽化的速率減慢。雖然將物料多次循環(huán)送至爐內(nèi)可以增加反應(yīng)時間，降低脫硫劑的浪費，但是CFB鍋爐的鈣利用率僅為20%～45%。為了使CFB鍋爐煙氣SO2脫除效率達到 90%，需要使得Ca/S>2；當(dāng)燃用高硫煤種時，通常要將Ca/S比加大到大約2.5。有時即使通過增大Ca/S比也很難達到超低排放要求，而且增加石灰石粉量還會對鍋爐的運行產(chǎn)生不利后果[9]。因此對于循環(huán)流化床鍋爐超低排放所采用的脫硫技術(shù)，常采用爐內(nèi)脫硫+爐外脫硫技術(shù)聯(lián)用[10]。

2　適合燃用高硫高灰煤電廠的超低排放技術(shù)

以重慶、貴州地區(qū)兩家具有代表性電廠設(shè)計煤種為例，見表1。

表1　兩家電廠灰硫比計算

兩家電廠所用的均為W型火焰爐，燃用無煙煤。為了適應(yīng)無煙煤的燃盡需要，一般鍋爐設(shè)計為高溫富氧環(huán)境，該條件利于生成熱力型NOx。采用低氮燃燒改造，在降低NOx的同時會提高飛灰含碳量，降低鍋爐效率。因此潘棟等人[11]通過對300MW和600MW的機組實際運行情況來看，需要結(jié)合后續(xù)SCR裝置，制定合理的NOx排放值，盡量降低熱值損失。低氮燃燒改造方式以改造燃燒器和空氣分級為主，有條件的電廠可以改造受熱面，經(jīng)改造，一般W型火焰爐出口NOx濃度在800～850 mg/m3。提高脫硝效率，常規(guī)采用的手段是增加SCR催化劑層數(shù)，但是為了實現(xiàn)50 mg/m3的排放目標，入口濃度以850mg/m3計，脫除效率要保證在94.11%以上，這在實踐中是難以實現(xiàn)的。此外，過多的增加催化劑層數(shù)將會促進SO2向SO3的轉(zhuǎn)化，引起后續(xù)換熱設(shè)備的堵塞[12]。因此針對這兩個電廠實施超低排放時，應(yīng)首先考慮SCR脫硝，在僅用SCR脫硝不能滿足排放要求的時候，加裝SNCR裝置，采用SNCR+SCR方式脫硝，目前在山西平朔煤矸石發(fā)電有限責(zé)任公司和羅定電廠已經(jīng)成功應(yīng)用SNCR+SCR脫硝方式[13-14]。

根據(jù)表1中的灰硫比計算，高硫高灰地區(qū)使用低低溫電除塵技術(shù)是可行的，該方案脫除煙氣中SO3能更好的降低后續(xù)設(shè)備腐蝕問題，并且能提升除塵效率。以出口煙氣SO2濃度35 mg/m3為基準，表1中兩家電廠脫硫效率需達到99.67%和99.70%才能滿足排放標準，在現(xiàn)行技術(shù)中只有雙塔雙循環(huán)技術(shù)才能滿足該要求。在脫硫系統(tǒng)后，可以根據(jù)脫硫塔出口煙塵濃度，加裝高效除霧器或者濕式電除塵器。

3　結(jié)論

經(jīng)過分析，通過現(xiàn)有技術(shù)可以實現(xiàn)燃用高硫高灰煤電廠的超凈排放，采用的技術(shù)工藝路線為：脫硝增加SCR催化劑層數(shù)，選裝SNCR，低低溫電除塵，雙塔雙循環(huán)脫硫，選裝濕式電除塵或高效除霧器。但是該工藝整體投資較大，邊際成本過高，因此需要結(jié)合電廠實際情況進行規(guī)劃。

參考文獻

[1]李澤彥. 超重力法脫除超細粉塵新工藝研究[D]. 北京：北京化工大學(xué), 2015.

[2]楊新興, 尉鵬, 馮麗華. 大氣顆粒物PM2.5及其源解析[J]. 前沿科學(xué), 2013(2):12-19.

[3]曹曉凡. 火電廠氮氧化物產(chǎn)排放量的核算方法研究[J]. 環(huán)境科學(xué)與管理, 2013, 37(12):55-58.

[4]郝青哲, 史洋, 杜超,等. 新排放標準下電廠脫硝改造技術(shù)分析[J]. 河北電力技術(shù), 2015, 34(3)：52-54.

[5]李俊杰, 牟洋, 楊娟,等. 負載型釩鈦脫硝催化劑酸化處理與性能[J].化工學(xué)報, 2013, 64(04):1249-1255.

[6]金定強, 舒喜, 申智勇,等. 濕式靜電除塵器在火電廠大型機組中的應(yīng)用[J]. 環(huán)境工程, 2015, 33(3):65-68.

[7]馬苗云. 燃煤電廠濕法煙氣脫硫系統(tǒng)優(yōu)化控制的仿真運行研究[D]. 保定：華北電力大學(xué), 2012.

[8]薛方明, 邵媛. 雙塔雙循環(huán)脫硫技術(shù)在執(zhí)行污染物超低排放火電機組中的應(yīng)用[J]. 山東化工, 2015, 44(20):147-150.

[9]王曙光. 300MWCFB鍋爐高效脫硫技術(shù)的應(yīng)用研究[D]. 太原：中北大學(xué), 2015.

[10]孫獻斌, 時正海, 金森旺. 循環(huán)流化床鍋爐超低排放技術(shù)研究[J]. 中國電力, 2014, 47(1):142-145.

[11]潘棟, 王春昌, 丹慧杰,等. W火焰鍋爐低氮燃燒改造策略分析[J]. 熱力發(fā)電, 2013, 42(12):137-140.

[12]姜燁, 高翔, 吳衛(wèi)紅,等. 選擇性催化還原脫硝催化劑失活研究綜述[J]. 中國電機工程學(xué)報, 2013, 33(14):18-31.

[13]楊玉環(huán), 侯致福. 1060T/H CFB鍋爐SNCR+SCR聯(lián)合脫硝工藝設(shè)計[J]. 電站系統(tǒng)工程, 2016(2):61-65.

[14]付春冶. 鍋爐SNCR+SCR聯(lián)合脫硝技術(shù)在羅定電廠的應(yīng)用[J]. 廣西電力, 2015, 38(3):73-76.

收稿日期：2016-04-11；2016-05-25修回

作者簡介：徐波，男，1972年生，高級工程師，研究方向：煤炭清潔利用。E-mail: 2094395591@qq.com

中圖分類號：X51

文獻標志碼：A

Study on technical route of ultra-low emissions of high sulfur and ash coal-fired power plant

Xu Bo

(China Huadian Science and Technology Institute，Beijing 100160)

Abstract:ultra-low emissions of power plant have become the future trend due to the increasingly stringent environmental requirements. How to achieve ultra-low emissions in power plants which still used coal with high sulfur and ash as fuel was the main problem for the research and practice. In this paper, we discussed the hot technologies of emission control for power plants, and made the analysis for 2 power plants in Guizhou and Chongqing, and concluded that the ultra-low emission in the 2 areas which used high sulfur and ash coal was achievable, but it had to go with very high cost.

Keywords:ultra-low emissions; sulfur dioxide; nitrogen oxides; ash; high sulfur and ash coal