燃煤机组烟气污染物排放特性研究

燃煤机组烟气污染物排放特性研究

梁锦彬

（广东粤电云河发电有限公司广东云浮市527300）

摘要：随着环境污染的加剧，国家对环保的要求越来越严格，自2013年以来国家陆续颁布了“大气10条”等相关的政策，2018年更是进行了全国性的环保治理工作。作为大气污染的大户，对燃煤机组烟气污染物排放特性进行研究，并在此基础上实现超低排放，具有重要的现实意义。

关键词：燃煤机组；烟气污染物；排放特性；SO3；脱硫工艺；脱硝工艺；汞排放；超低排放

引言

随着工业化的进程和燃料消耗的不断加剧，我国的PM2.5指标也越来越高，为了改善我国的空气质量，减少环境污染。根据GB13223—2011中的规定火电厂的大气污染物排放质量浓度烟尘不得高于5mg/m3，SO2不得高于35mg/m3，NOx不得高于50mg/m3。本文着重对烟气污染中产生的主要污染物，二氧化硫，硝、汞和三氧化硫的排放特性进行论述，并对相应的处理工艺进行解读。

一、污染物的生成及相互作用机制

1.SO2的生成受到烟气在炉膛中的停留时间以及炉膛的温度、风量原料煤中的硫分影响。在计算SO2实际生成量时要考虑燃料中碱性氧化物对脱硫的有益影响，需要代入不同燃煤的SO2排放系数。

2.NOx的生成燃煤在燃烧过程中其中富含的氮元素会被氧化成NOx；同时空气中的N2因为受热氧化也会形成NOx。尽量使烟气在高温区停留的时间缩短、减少过量空气供给、避免炉膛产生局部高温等措施，均能有效降低NOx的生成量。

3.协同脱除通过一定的措施，使一种设备具有同时脱除两种或以上的烟气污染物的能力，或者创造有利条件提高下一级设备污染物脱除能力，这种联合脱除的方案叫做协同脱除技术。燃煤电厂所用的烟气协同脱除系统通常是以下配置方式：烟气脱硝装置+烟气冷却换热器+低温电除尘器+湿法烟气脱硫。

4.梯级脱除将脱硫、脱硝和除尘等设备按照一定的顺序进行梯级安装，合理利用各个设备之间运行时的相互作用机理，从而有效提高脱除污染物的效率。

二、常见的超净排放技术及应用

1.脱硫技术：

（1）单塔分区脱硫除尘技术：

将浆液池分隔成为上下两层或更多层数，越到上层PH越低，由下层的高pH区负责吸收，上层的低pH区负责氧化，通过功能分区，分级的吸收和氧化，来提高SO2脱除效率，对于含硫较高的情况较为有效。具有烟气阻力小、维修方便的优点。

（2）脱硫除尘一体化技术：使用湿法脱硫塔脱除SO2，通过将高效节能喷淋装置、旋汇耦合装置、管束式除尘装置优化结合形成一体化设备，符合HJ/T179火电厂烟气脱硫工程技术规范相关要求，通过烟气大面积与含石灰石（CaCO3）的吸收液接触，使烟气中的SO2溶解于水并与石灰石浆液反应生成亚硫酸氢钙（Ca（HSO3）2），在鼓入大量空气条件下，使亚硫酸氢钙（Ca（HSO3）2）氧化生成二水石膏（CaSO4·2H2O），从而达到降低烟气中SO2含量的目的。在一个吸收塔里就可以同时完成深度的脱硫和除尘，达到超净排放要求。

2.氮氧化物的危害与脱硝技术

（1）NOx即氮氧化物的污染与危害：由于氮氧化物在阳光下会因为光化学反应，从而形成光化学烟雾，造成严重的大气污染，同时也会形成硝酸雨，严重危害人们的健康。而火力发电厂所用的燃煤机组排放的烟气中含有大量的氮氧化物，随着人们对氮氧化物污染的危害进一步认识，烟气脱硝现在已经成为除了二氧化硫以外另一个重大的关注范畴。

（2）湿法脱硝：由于烟气中的氮氧化物百分之九十以上是难溶于水的NO，常用的脱硝方法主要是采用化学氧化还原法，首先将烟气中的NO氧化成易溶于水的NO2，再通过水或者是碱性溶液的洗涤来进行有效的吸收，从而去除烟气中的氮氧化物。

（3）选择性催化还原脱硝技术简称SCR：主要采用催化剂和还原剂相配合的方式进行脱硝，可用于还原剂的物质很多，相对来说氨气作为还原剂脱硝的效率最高。目前比较成熟的通常是采用金属氧化物作为催化剂配合氨气的组合方式。

化学反应式如下：

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O（1）

4NH3+2NO2+O2→3N2+6H2O（2）

NO2+NO+2NH3→2N2+3H2O（3）

（4）低氮燃烧技术

低氮燃烧技术称为炉内脱氮技术：通常采用燃料分级燃烧的方式，降低过量空气的系数。同时燃料从不同的区段投入，既保证了锅炉的出力又能够使得高温的燃烧区和高氧浓度的区域错开。通常划分为主燃区，再燃区和燃尽区。在主燃区产生的氮氧化物经过再燃区的低过量空气状态下燃烧，可以被还原并抑制新的氮氧化物产生，同时燃尽区供给适量的空气则可以保证将未完全燃烧物完全燃尽。

3.除尘技术

（1）袋式除尘器：布袋式除尘器具有效率高，适应能力强等特点，可以去除极其细微的颗粒物，其家族的新成员脉冲式布袋除尘器，更是得到了广泛的使用。但由于其结构的特点，在使用时要注意使用的温度，当气体温度低于露点温度时，会因为尘粒的湿润而导致堵塞布袋除尘器，从而大大降低其使用效率，甚至无法正常工作。并具有粉尘爆炸的危险，需要严格控制粉尘浓度。

（2）旋风除尘器：旋风除尘器因为其特性可以适应高温高湿的烟气处理，但其只对较大颗粒去除效果好，对粒径过小的尘粒去除率较低，因其成本较低，特别适合作为初级除尘设备进行预除尘使用，可以有效降低后级除尘器的负担和延长使用寿命。

（3）电袋复合除尘技术：具有静电除尘和布袋除尘两者的优势，前级通过电场对尘粒进行荷电收尘，再通过后级滤袋区过滤残余的微尘，最终实现超静排放。

4.SO3的排放特性与脱除

长期以来公众所关心和重视的通常是SO2，殊不知SO3相比SO2来讲毒性要高很多倍，其腐蚀性也更强，当其暴露在空气中时，可以极快的吸收空气中的水分而产生酸雾，同时其和空气中的碱性物质发生反应，可以生成大量的硫酸盐颗粒，从而造成能见度降低，是雾霾形成的主要成分之一，因此在追求超低排放的同时SO3不容忽视。

大部分SO3主要是在两个环节中产生，其中一部分是SO2在炉膛中高温氧化产生，另一部分则是在SCR系统中氧化而成。低氮燃烧技术在降低过量空气系数的情况下，减少NOx产生的同时，也会相应降低SO3的排放量，同时配合湿式静电除尘，可以有效减少SO3的排放。

5.根据GB13223—2011规定燃煤电厂烟气中的汞排放浓度不得高于0.03mg/m3。对于烟气汞排放的控制，为了降低成本和不影响燃烧副产物的二次利用通常不采用喷射吸附剂的技术来控制汞，而是通过精确掌控汞在气、液、固各燃烧产物中的变化情况，通过协同控制和调整电厂各设备的运行参数来实现提高脱汞效率。相关文献中指出煤粉炉（PC）的烟气中汞浓度要远高于循环流化床（CFB）锅炉。对于固相副产物，CFB电厂汞绝大部分富集在飞灰中，而PC炉电厂汞在飞灰和脱硫石膏中均有分布。相比之下汞对CFB电厂的副产物利用影响最小，CFB电厂在不增加设备的情况下就可以实现汞的超低排放。

三、超低排放改造

前期的燃煤机组虽然有各种环保措施，但并未达到超低排放的标准，为了达到超低排放标准，需要在上述各种技术措施中采用合理的组合方式，在尽量少增加设备和环节的情况下，来实现超低排放，以达到环保和经济的统一性。根据前面所述，在进行超低排放改造时，不仅要考虑烟尘、SO2和NOx的脱除，同时还要考虑SO3和Hg的脱除，以实现真正的超低排放。

1.方案1：选择性催化还原（SCR）高效脱硝+静电除尘器+高效脱硫+湿式电除尘器。

高效脱硝主要是通过增加脱硝催化剂层来实现，静电除尘器通过改进高频电源，效率可以控制在99.8%以上，并且还能能协同去除烟气中的SO3等；在脱硫塔之后设置湿式电除尘器，可以脱除90%烟气中的PM2.5，还能协同脱除SO3、Hg等污染物。

高效脱硫主要是通过增大浆液循环泵流量、增加脱硫塔喷淋层数和面积、扩展气液接触的反应空间等，以达到99%以上的脱硫效率，在协同脱除的作用下可以达到80%以上的脱汞效率。可以实现超低排放的目标。但改造的工程量较大，投资费用偏高。

2.方案2：SCR+空预器+热回收器+低温除尘器+高效脱硫+湿式电除尘器+再加热装置

该方案中，烟气经过空预器和热回收器的降温作用，将进入低温除尘器之前的烟气温度降低，其中的SO3会冷凝成酸雾吸附在飞灰表面，既有效降低了SO3的排放量，又能够降低飞灰比电阻提高除尘效率。小的飞灰和粉尘被低温除尘器脱除后，剩余进入脱硫塔的粉尘颗粒粒径相对增大，有利于湿法脱硫塔以及湿式电除尘器的运行，降低其负担。脱硫塔一般采用脱硫除尘一体化技术，再加热器主要使进入烟囱前的烟气温度升高，改善烟囱腐蚀及“石膏雨”的发生。该技术路线在节能方面具有突出的亮点，得到了广泛的应用。

四、污染物排放特性研究和优化，

1.燃煤机组概况

某电厂有两台125兆瓦和两台135兆瓦的燃煤机组，通过采用方案2进行了超低排放改造，流程如图1所示：

图1

2.脱硝工艺

首先对烟气温度和总风量进行优化，通过研究发现，烟气温度在380～405区间时，脱硝效率最高，而不是理论上的温度越高越好。当温度超过400℃后脱硝的效率反而会下降。烟气流速是极为关键的反应条件，而烟气流速的控制主要由风量确定，当总风量为476t/h时，NOx可以达到最高脱除效率。实际运行中总风量的变化范围应在450～500t/h之间较好。

3.脱硫除尘工艺

通过对比改造前后机组的脱硫除尘分析检测。改造完成后，出口的烟尘和SO2浓度均得到了降低，均达到了GB13223—2011超净排放的标准。

4结论

通过对燃煤机组烟气污染物排放特性的研究，我国已经具备大量成熟的超净排放改造技术，绝大部分燃煤机组通过技术改造，可以达到国家要求的超净排放标准，并显著减少排污费用，既保护了环境，又获得了显著的经济效益。为我国的绿色节能作出贡献，为实现绿水青山就是金山银山提供有力支持。

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