燃煤電廠超低排放技術(shù)路線與協(xié)同脫除研究

國能常州發(fā)電有限公司 李 鵬

受“碳中和”理念的影響，我國生產(chǎn)企業(yè)在研制新型生產(chǎn)技術(shù)時(shí)，應(yīng)圍繞“降低包含CO2在內(nèi)的溫室氣體、污染物的排放量”進(jìn)行深入探索。以燃煤電廠為例，在傳統(tǒng)的火力發(fā)電過程中，煤炭作為主要的化石能源，通過燃燒的方式，將煤炭中蘊(yùn)藏的能量轉(zhuǎn)化為熱能，加熱鍋爐之中的水分，使之從液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，之后推動(dòng)汽輪機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，實(shí)際上是完成了從煤炭能源到電能的轉(zhuǎn)化。

傳統(tǒng)的火力發(fā)電流程中，煤炭燃燒不充分，不僅使大量能量被白白地消耗，還產(chǎn)生了多種含硫、含碳化合物。這些物質(zhì)如果直接排放到自然環(huán)境中，必定會(huì)對(duì)臭氧層造成污染。因此，如果燃煤電廠的污染物排放不能達(dá)到“超低”水平，則必定被時(shí)代所拋棄。總體而言，降低污染物排放量，開發(fā)多種污染物的協(xié)同脫除技術(shù)勢在必行。

1 我國燃煤電廠污染物超低排放技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀梳理

1.1 脫硫技術(shù)

含硫化合物是最主要的污染物之一，特別是SO2，進(jìn)入云層之后與水融合下降，便會(huì)形成酸雨。歷史上包含英國倫敦、法國巴黎在內(nèi)的諸多城市都發(fā)生過酸雨災(zāi)害，導(dǎo)致大量人口傷亡。煤炭資源在燃燒的過程中會(huì)產(chǎn)生煙氣，其內(nèi)含有大量SO2和硫酸根離子（以化合物的形式存在）。為消除煙氣中的含硫成分，傳統(tǒng)的脫硫方法包含燃燒前、燃燒中、燃燒后共計(jì)三種脫硫方式。其中，得到最廣泛應(yīng)用的脫硫技術(shù)是石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)，能夠?qū)γ禾抠Y源中超過95%以上的硫進(jìn)行有效脫除。

現(xiàn)階段，我國幾乎所有的火力燃煤發(fā)電廠都裝配了石灰石-石膏濕法脫硫設(shè)備，使得我國火力發(fā)電廠的含硫污染物排放量已得到良好的控制。近年來我國有關(guān)部門進(jìn)一步要求，所有生產(chǎn)單位排放的SO2濃度不得超過每立方米35mg。為達(dá)到這一目的，燃煤電廠需對(duì)常規(guī)石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)進(jìn)行進(jìn)一步改造，可行性思路為：對(duì)煙氣中的余熱進(jìn)行回收，從而達(dá)到降低脫硫過程中的能量損耗的目的。此外，還可將傳統(tǒng)的單塔單循環(huán)脫硫轉(zhuǎn)變?yōu)閱嗡p循環(huán)脫硫，進(jìn)一步降低排放氣體中硫相關(guān)成分的含量。

1.2 脫硝技術(shù)

氮?dú)馐强諝庵械闹饕煞?，含量約占80%。中學(xué)化學(xué)課本上介紹過氮?dú)獾男阅堋€(wěn)定度非常高。但在高溫燃燒的情況下，氮?dú)鈺?huì)轉(zhuǎn)變成二氧化氮。與SO2相同，二氧化氮同樣是誘發(fā)酸雨的主要物質(zhì)之一，所帶來的環(huán)境效應(yīng)多種多樣，包含對(duì)濕地和陸生植物物種之間競爭與組成變化的影響，大氣能見度的降低，地表水的酸化等。基于此，研究脫硝技術(shù)（形成硝酸的主要元素就是氮）同樣十分重要。目前，我國燃煤電廠減排硝酸的主要方式包含使用地硝酸燃燒器、采用空氣分級(jí)和燃料分級(jí)再燃技術(shù)[1]。此外還可通過使用催化還原技術(shù)，均可對(duì)多種氧化氮的排放量進(jìn)行控制。但根據(jù)近年來的新要求，現(xiàn)有技術(shù)無法將各類氧化氮的排放濃度降低到每立方米100mg以內(nèi)?；诖耍柙跓煔饷撓跹b置方面進(jìn)行深入研究。

1.3 除塵技術(shù)

在我國北方重工業(yè)城市居住過的人都有過如下體驗(yàn)：每次回家之后必須立刻洗臉，之后洗臉?biāo)畷?huì)迅速從清澈變成肉眼可見的污濁。原因便在于，我國北方重工業(yè)城市在礦山開采、煤炭燃燒時(shí)使用的傳統(tǒng)技藝較為落后，導(dǎo)致空氣中彌漫大量固體顆粒物。這些物質(zhì)即使沒有毒性，長期被人體吸入也會(huì)引發(fā)呼吸道疾病，對(duì)環(huán)境造成的惡性影響較大。

在現(xiàn)代社會(huì)，隨著PM2.5一詞逐漸為人們所知，包含燃煤電廠在內(nèi)的很多單位都將“除塵”作為重點(diǎn)工作。目前很多燃煤電廠都配備了靜電除塵器，據(jù)統(tǒng)計(jì)此種設(shè)備的除塵效率已經(jīng)高達(dá)99.8%，排放煙氣中的固態(tài)顆粒物濃度已能被控制在每立方米20～30mg 之間。但此種水平與西方發(fā)達(dá)國家相比仍具有一定差距。西方國家已研制了低溫電除塵器，煙塵中固態(tài)顆粒物的濃度被限制在每立方米10mg以下。由此可見，我國燃煤電廠除塵技術(shù)仍需發(fā)展，需進(jìn)一步降低煙氣中固態(tài)顆粒物的濃度。

1.4 脫汞技術(shù)

煤炭燃燒產(chǎn)生的煙氣中汞元素有三種存在形式，分別是微粒結(jié)合狀態(tài)、氧化物狀態(tài)、單質(zhì)汞狀態(tài)，單質(zhì)汞的捕捉難度最大、氧化物狀態(tài)的汞含量最高?，F(xiàn)階段，燃煤電廠的脫汞技術(shù)主要采用如下方式：使用靜電除塵器或布袋除塵器，能對(duì)微粒結(jié)合狀態(tài)的汞進(jìn)行精準(zhǔn)捕獲；使用SCR 脫硝裝置，能將一部分單質(zhì)汞轉(zhuǎn)化為氧化狀態(tài)的汞，從而達(dá)到降低單質(zhì)汞捕捉難度目的；在此基礎(chǔ)上使用煙氣脫硫吸收塔，將一部分氧化物狀態(tài)的汞進(jìn)行吸收處理。但在最后一個(gè)環(huán)節(jié)經(jīng)常發(fā)生一個(gè)問題，即氧化物狀態(tài)的汞的性能穩(wěn)定度不足，有較大的幾率會(huì)被還原成單質(zhì)汞，之后會(huì)立刻彌散到空氣中。目前美國、英國等國家正在探索將SCR 脫硝裝置及石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)相結(jié)合的技術(shù)，希望能夠?qū)崿F(xiàn)“協(xié)同脫汞”。

1.5 脫碳技術(shù)

在諸多溫室氣體和污染物中，CO2是最常見、也可能是最容易被忽略的物質(zhì)。原因在于CO2并不是直接污染物，誠然，此種物質(zhì)是引發(fā)溫室效應(yīng)的主要物質(zhì)，但經(jīng)由植物的光合作盡管“碳中和”、“碳達(dá)峰”等專有名詞中所指的“碳”就是CO2，且國家有關(guān)部門也已經(jīng)出臺(tái)了很多減少碳排放的制度，但一些經(jīng)濟(jì)欠發(fā)達(dá)地區(qū)的燃煤電廠現(xiàn)有技術(shù)不足，故為了短期利益，很可能無視CO2排放量高這一情況。

目前燃燒后脫碳是公認(rèn)的短期內(nèi)最佳CO2減排技術(shù)，無論是CO2的捕捉還是處理，有效率均可達(dá)到90%以上。但此種技術(shù)的缺點(diǎn)在于，捕捉CO2的過程中需要耗費(fèi)大量能量，且特別容易發(fā)生溶劑降解等問題?？傮w而言，燃煤電廠在后續(xù)研發(fā)脫碳技術(shù)的方向應(yīng)集中在開發(fā)新型CO2吸收劑方面[2]。

1.6 針對(duì)煙氣污染物協(xié)同脫除中多種元素相互影響的研究

煤炭資源本身含有多種物質(zhì)，在燃燒的過程中這些物質(zhì)在存在形態(tài)方面會(huì)發(fā)生多種多樣的變化。而針對(duì)多種類型的污染物進(jìn)行處理時(shí)，須考慮多種元素脫除過程中互相影響的情況。如石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)應(yīng)用時(shí)能同時(shí)對(duì)大量煙塵、部分SO2、SO3、汞的化合物進(jìn)行有效脫除。

而應(yīng)用此種技術(shù)的另一個(gè)目的在于：生成硅酸鹽含硫石膏（此種物質(zhì)在性能方面與天然石膏幾乎完全一致，而由于天然石膏是不可再生資源，故該技術(shù)已經(jīng)成為燃煤電廠基于含硫化合物生產(chǎn)可再生石膏產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)節(jié)不可或缺的重要技術(shù)）。但使用該技術(shù)生產(chǎn)含硫石膏的過程中，每次處理的粉塵濃度、質(zhì)量都需經(jīng)過嚴(yán)格控制，否則便會(huì)導(dǎo)致含硫石膏的質(zhì)量受到影響。

與之類似，SCR 裝置、靜電除塵器等設(shè)備在應(yīng)用過程中，除對(duì)特定污染成分進(jìn)行脫除處理之外，有很大的幾率會(huì)使其他成分發(fā)生預(yù)料之外的化學(xué)反應(yīng)（比如使氣態(tài)SO2發(fā)生氧化作用生成SO3，進(jìn)而對(duì)之后的設(shè)備進(jìn)行腐蝕、黏堵等）。由此可見，研究出一種污染物超低排放以及協(xié)同脫除機(jī)制，能大幅提高燃煤電廠污染物處理效率，這也是未來的重點(diǎn)發(fā)展方向。

2 一種基于低溫電除塵原理的燃煤煙氣污染物一體化脫除與超低排放技術(shù)

2.1 技術(shù)實(shí)現(xiàn)原理

2.1.1 低溫電除塵技術(shù)

低溫電除塵技術(shù)的主要原理為：建立并應(yīng)用一種換熱系統(tǒng)，將電除塵器入口處的煙氣溫度大幅度降低。這樣做的目的在于，使低溫環(huán)境下的煙氣性能在一定程度上發(fā)生變化。具體而言，如果不使用此種換熱系統(tǒng)，則電除塵器入口處的煙氣溫度將會(huì)保持在120～130℃之間，此種溫度下的煙氣會(huì)將比電阻提升至較高的水平，引發(fā)的“反電暈”現(xiàn)象將會(huì)降低除塵效率。而使用換熱系統(tǒng)之后，煙氣溫度會(huì)降低至90℃，此時(shí)的粉塵比電阻會(huì)明顯降低，幾乎不會(huì)產(chǎn)生反電暈現(xiàn)象，提高除塵效率的同時(shí)，還有助于將煙氣中存在的大量SO3直接清除。

實(shí)際上，低溫電除塵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)方式并不復(fù)雜，需要重點(diǎn)設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)在于：將上述提到的SCR、石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)設(shè)備等布置在一個(gè)完整的協(xié)同脫除系統(tǒng)中。以常規(guī)的燃煤系統(tǒng)污染物排放系統(tǒng)為例，低溫電除塵技術(shù)綜合應(yīng)用后，針對(duì)多種污染物進(jìn)行脫除作業(yè)的系統(tǒng)排布方式如圖1所示。自左至右分別為鍋爐、SCR 裝置、GAH 裝置、低溫省煤器、LLESP、石灰石-石膏濕法脫硫系統(tǒng)、CO2吸收器、排放煙囪。

圖1 協(xié)同脫除設(shè)備排布圖

具體的協(xié)同脫除污染物的流程為：煙氣產(chǎn)自于煤炭燃燒過程，因此需在鍋爐處設(shè)置換熱系統(tǒng)。但在煙氣進(jìn)入石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)設(shè)備之前，可在無需降溫的情況下首先通過SCR 系統(tǒng)和GAH系統(tǒng)。之后經(jīng)由低溫省煤器完成降溫，以達(dá)到降低粉塵（飛灰）比電阻、提高電除塵器工作效率的目的。

總體而言，煙氣的體積較小，不會(huì)過多損耗風(fēng)機(jī)的能量。當(dāng)煙氣中的SO3經(jīng)過冷凝作用后，在粉塵表面被除塵器捕捉后，可大幅度降低后續(xù)設(shè)備被腐蝕的幾率。不僅如此，后續(xù)協(xié)同脫除環(huán)節(jié)用于脫除硫元素、含硫化合物而使用的水劑量也會(huì)大幅度降低，脫硫效率會(huì)明顯提升。在此種設(shè)計(jì)下，脫硫吸收塔出口SO2的質(zhì)量濃度低于每立方米35mg，可滿足燃燒后CO2化學(xué)吸收對(duì)煙氣中SO2質(zhì)量濃度的要求，減輕或避免SO2對(duì)胺基CO2吸收劑降解的影響。

2.1.2 濕式電除塵技術(shù)

濕式電除塵技術(shù)的作用原理為：以噴淋系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的干式靜電除塵器的振打系統(tǒng)。這種調(diào)整的功能在于能夠在集成板上形成大范圍的水膜，有助于將其上積塵的污染物固體顆粒全部吸走，達(dá)到提高除塵效率的目的。濕式電除塵器應(yīng)用于粉塵顆粒脫除作業(yè)時(shí)，還能夠?qū)M2.5、SO3、硫酸氣溶膠等污染物進(jìn)行有效吸附，大幅度降低二次揚(yáng)塵的發(fā)生率。因此，后續(xù)協(xié)同脫除作業(yè)環(huán)節(jié)無需設(shè)置振打設(shè)備。

2.2 技術(shù)應(yīng)用過程中出現(xiàn)的問題及解決方式

2.2.1 低溫電除塵設(shè)備運(yùn)行期間溫度低于酸露點(diǎn)，造成煙塵性質(zhì)變化問題

低溫電除塵器設(shè)備運(yùn)行需首先將煙氣溫度從120～130℃間降低至90℃左右，從而達(dá)到提高脫出效率目的。但溫度驟然降低30～40℃后，煙塵中的很多物質(zhì)的化學(xué)性能會(huì)發(fā)生較大的改變。這種改變會(huì)與初始目的背道而馳，反而會(huì)提高二次揚(yáng)塵、灰斗堵灰等現(xiàn)象的發(fā)生率。解決該問題的方法為對(duì)煙塵中的灰硫比參數(shù)進(jìn)行精確檢測，若該數(shù)值超過100，則煙氣中的SO3的有效托出率可達(dá)到95%以上。此種情況下煙氣降溫后通過下游煙道時(shí)出現(xiàn)低溫腐蝕的幾率較低。但若溫度進(jìn)一步降低時(shí)，便需考慮SO2與SO3溶于水的情況。這時(shí)便特別容易發(fā)生腐蝕內(nèi)部構(gòu)件的情況。因此需特別注意煤種硫分及煙氣溫度的控制，既要達(dá)到降溫的目的，又要防止煙氣溫度降低幅度過大。

2.2.2 濕式電除塵器入口煙氣溫度過高導(dǎo)致的煙塵顆粒干燥問題

石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)設(shè)備的煙氣入口處的溫度一旦過高，便會(huì)導(dǎo)致煙氣中的固體顆粒處于極其干燥的狀態(tài)，此時(shí)協(xié)同脫除作業(yè)效率會(huì)大打折扣。解決該問題的方法為，將進(jìn)入石灰石-石膏濕法脫硫系統(tǒng)的煙氣溫度控制在飽和溫度之下。但需要注意，石灰石-石膏濕法脫硫系統(tǒng)中排除的水分中同樣會(huì)含有大量細(xì)微顆粒物和含硫酸性物質(zhì)，故不能直接排放，需要在其后方設(shè)置廢水處理系統(tǒng)。

3 結(jié)語

我國是負(fù)責(zé)任的大國，在全球氣候峰會(huì)上各項(xiàng)承諾隨著時(shí)間的進(jìn)展均已在完成。下一階段我國的目標(biāo)是：力爭在2050年前后徹底實(shí)現(xiàn)碳中和（發(fā)展過程中排放的CO2量與通過環(huán)保手段消除的CO2量整體一致）。若要達(dá)到這一目的，包含燃煤電廠在內(nèi)的很多傳統(tǒng)污染物排放重點(diǎn)單位必須對(duì)現(xiàn)有的污染物處理方式進(jìn)行全面升級(jí)，力爭實(shí)現(xiàn)污染物超低排放。只有如此，才有助于堵上西方政客的嘴，并為全球各國做好示范。