燃煤烟气超低排放技术开发及标准探讨

燃煤烟气超低排放技术开发及标准探讨朱维群山东大学目录课题背景燃煤烟气超低排放技术探讨高效气相烟气脱硫脱硝技术化石燃料环境友好工业路线开发总结课题背景我国大面积发生的大气雾霾已成民生之患、民心之痛，要铁腕治理。雾霾形成的根本原因是废气污染物排放量巨大，因此，应该大幅度减少污染物排放是实现我国环境空气质量明显改善的重点措施。近年来，燃煤电厂环保投入资金数以千亿计，几乎100%都装了脱硫、脱硝和除尘装置。并且根据有关部门提供的排放物指标检测数据，污染物的量确实在下降，但为什么总体来看，雾霾依旧越来越严重?是哪里出了问题?近期全国正在进行燃煤散烧的治理，效果有待观察。课题背景全世界每年向大气中排放CO2320亿吨以上，中国每年排放大约100亿吨。其中约20亿吨被海洋吸收，陆地生态系统吸收7亿吨左右；人工利用量不足10亿吨。显然，CO2排放量已经远远超过了大自然自身平衡的能力，降低化石燃料利用过程中的CO2排放，进而降低大气中的CO2浓度已成为全球面临的重大挑战。课题背景燃煤烟气超低排放技术探讨挖掘已有技术和设备潜力、辅机改造、系统优化超低排放设备扩容、增加新设备优化煤质：热值高、灰分少、硫分低1.技术分析没有创新性、革命性的技术出现机组改造难度大2.效益分析减排量：实际减排的总绝对量不大；环境质量分析：因减排的总的绝对量不大，超低排放对环境质量影响的分担率要远远小于排放量的分担率，对环境质量改善的作用相对较小；CO2排放：预计每年因超低排放改造，仅脱硫脱硝两项增加CO2排放约2380万吨（未考虑改造用的钢材、催化剂等生产及物料运输过程的CO2排放）。燃煤烟气超低排放技术探讨3.经济分析1）单位发电量增加成本按20年运行周期，在现有环保电价基础上，实现超低排放机组（MW）单位发电量增加成本（分/KWh）3001.476001.0810000.82虽然从2016.1.1起，超低排放电价补贴1分/KWh。但由于补偿标准将逐年降低，从长远看，不断提高的环保成本将有业主承担。燃煤烟气超低排放技术探讨3.经济分析2）单位污染物控制成本SO2NOX备注全社会平均成本（元/kg）1.26按指定排污收费标准测算北京（元/kg）10天津（元/kg）6.38.5SO2：超低排放削减增量的成本是改造前成本的近20倍烟尘：湿式电除尘器控制成本是前端除尘器控制成本的千倍燃煤烟气超低排放技术探讨燃煤烟气超低排放技术探讨依法性问题：缺乏法律方面保障；一些技术性问题尚未清楚（如氨逃逸、SO3产生量增加、废弃催化剂处理）监管问题：监测方法（低浓度监测的精准性）技术层面问题：无技术创新超低排放与其他方面的协调性问题：如何统筹超低排放与节能、减碳、节水以及其它常规污染物控制间的关系经济型问题：改造成本高，尤其是现有机组的超低改造燃煤烟气超低排放技术探讨开展超低排放综合效果的系统研究与评估适时修订《火电厂大气污染物排放标准》有序推进超低排放改造提前部署超低排放技术研发GB13223-2011大气污染物排放标准（最严格排放标准）大气污染物超低排放标准燃煤锅炉（重点地区）烟尘20mg/m3SO250mg/m3NOX(以NO2计)100mg/m3汞及其化合物0.03mg/m3燃煤机组（重点地区）烟尘5mg/m3SO235mg/m3NOX(以NO2计)50mg/m3燃煤烟气污染物排放标准大气污染物排放标准制定的初衷并非是治理雾霾，而是治理环境空气质量标准中限定的三种常规污染物——烟尘、二氧化硫和氮氧化物，它们是雾霾污染物的主要成分，与雾霾关系密切。从总体来看，燃煤电厂烟尘、二氧化硫、氮氧化物三种常规污染物的排放已不是影响环境质量和雾霾形成的主要原因。燃煤烟气污染物排放标准国内正在开发的超低排放工艺流程图如下：国内正在开发的超低排放工艺流程示意图烟气污染物超低排放技术探讨石灰石-石膏法脱硫数据表机组2×300MW年运行时间/h6000耗水量/kt·年-1825耗电量/MW·h·年-137500CO2排放量/SO20.72石膏堆砌量/SO22.7现有超低排放技术的湿法脱硫数据如下表：烟气污染物超低排放技术探讨湿法脱硫方法存在的主要问题如下：（1）固定资产投资大：湿法脱硫装置固定资产投资大；（2）运行费用高：从上表可知，2×300MW的机组的年耗电量高达37500MW·h，相当于燃烧4614吨标准煤。（3）耗水量大：年运行6000小时年水耗近82.5万吨水，每小时消耗137.5吨水，也就是向大气中排放大量的废气。（4）脱硫废水难于处理，脱硫产物石膏难以有效利用，作为固体废物堆埋，浪费大量的硫资源。烟气污染物超低排放技术探讨烟气污染物超低排放技术探讨湿法脱硫之后加装的湿式电除尘虽然能够去除烟气中的部分石膏颗粒，但存在下述问题：（1）增加了湿烟气中的水雾含量，使烟囱冒“白烟”的现象更加严重；（2）设备运行能耗(含阻力能耗)增大约1000-1200kw；（3）相比减排效果，湿电除尘器的运行成本过高（超过1500元/h）。以2×60万千瓦机组除尘改造为例，仅设备投资约7000万元或更高，年运行费用增加500万元以上。燃煤电厂锅炉超低排放技术中90%以上采用湿法脱硫，脱硫之后的烟气温度在30-50℃，湿度在100~200g/Nm3，而我国大气的平均湿度仅为9g/Nm3，锅炉湿法脱硫排烟湿度为大气平均湿度的10倍以上。总量上看，按燃烧1吨煤，湿法脱硫烟气带出1吨水汽估算，我国燃煤锅炉烟气湿法脱硫每年向大气排放近40亿吨的水汽。烟气污染物超低排放技术探讨烟气污染物超低排放技术探讨在现有超低排放技术中，湿法脱硫烟气中水汽的排放量是二氧化硫排放量的2800~5600倍，因此，超低排放标准中SO2等排放指标是否能够真正代表燃煤烟气污染物的排放量值得商榷？（100~200/0.035=2800~5600）在室内加湿器中分别加入纯净水、矿泉水和自来水，监测空气污染情况，实验结果如下：纯净水，PM2.5值，20微克/米3矿泉水，PM2.5值，30微克/米3自来水，PM2.5值，340微克/米3空气质量参考指数标准：PM2.5值，0－50微克/米3，空气质量一级PM2.5值，51－100微克/米3，空气质量二级PM2.5值，大于300微克/米3，重度污染烟气污染物超低排放技术探讨在家庭房间中使用添加自来水的加湿器，3岁儿童咳嗽不仅没有改善，反而愈加严重，咳嗽持续半个月，到医院检查，被医生诊断为“加湿器肺炎”。燃煤烟气湿法脱硫过程与使用加湿器相似，显然脱硫液中的成分更加复杂，烟气中的水汽成分也比自来水更加复杂，虽然利用湿法电除尘除去一部分较大的颗粒物，但对于较小的颗粒及水溶性物质无能为力。因此，湿法脱硫烟气中水汽带来的空气污染（PM2.5、PM10）应该引起人们的高度重视。烟气污染物超低排放技术探讨高效气相烟气脱硫脱硝技术针对现有脱硫脱硝方法及超低排放技术存在的缺点，我们开发了一种固定资产投资少、运行维护成本低、能耗水耗少、产物可资源利用的高效气相烟气脱硫脱硝超低排放技术。该技术可以克服现有超低排放技术固定资产投资高、运行维护费用高、废气排放量大、操作复杂等问题。工艺路线如下图所示：图.高效气相脱硫脱硝超低排放新技术示意图高效气相烟气脱硫脱硝技术13:1813:2213:2613:3013:3413:3813:4213:4613:5013:5413:58050100150200250NOx(mg/m3)时刻图.220t/h循环流化床锅炉脱硝结果高效气相烟气脱硝技术在电厂的应用高效气相烟气脱硫脱硝技术高效气相烟气脱硫技术已在电厂进行了现场试验，锅炉类型为170t/h煤粉炉，烟气量为3×105Nm3/h。图.高效气相脱硫技术在电厂的脱硫结果高效气相烟气脱硫脱硝技术从上述结果得出，高效气相脱硫剂将烟气中的SO2从4000mg/Nm3脱除至35mg/Nm3以下，脱除率高达99.1%以上，能够满足环保部对SO2控制在50mg/Nm3以下的超低排放要求。高效气相烟气脱硫脱硝技术高效气相烟气脱硫技术高效气相烟气脱硫脱硝技术特点（1）脱硫脱硝除尘设备投资大幅度降低与国内正在开发的脱硫脱硝超低排放装置相比，固定资产投入可降低80%以上；（2）运行能耗大为降低该技术不需要大量脱硫浆液的循环，使烟气沿程阻力大为降低，从而使烟气处理系统的能耗大为降低；（3）运行水耗几乎为零不向烟气处理系统中加水，使烟气带出的水量大为降低，形成雾霾的可能性也大为降低。（4）脱硫脱硝除尘效率高脱硫脱硝效率高，SO2排放浓度小于35mg/Nm3、NOx小于50mg/m3。（5）烟气处理系统安全性高该技术使用的脱硫剂和脱硝剂都是固体粉末，避免使用氨水、液氨带来的安全隐患。高效气相烟气脱硫脱硝技术特点新型气相烟气脱硫脱硝超低排放技术具有创新的理论基础，是脱硫脱硝烟气处理技术的一次革命。该技术可根据电厂、水泥厂及其他高温烟气需要处理的厂家要求，分别使用或部分使用，特别适合于电厂的脱硫脱硝改造和未预留脱硫脱硝改造空间的老电厂。高效气相烟气脱硫脱硝技术化石燃料环境友好工业路线开发•绿色能源快速发展受限成本、环境、不确定因素•现有工业节能减排有限例如：吨电解铝耗电不小于13000度•因此，开发新的低碳工业路线化石燃料环境友好的能源路线开发传统能源利用方式有两大缺点：一是化石燃料中的化学能必需先转变成热能再转变成机械能或电能，受卡诺循环及材料的限制，在机端所获得的能量效率只有33～35%；二是传统能源利用方式给人类生活环境造成了巨量的废水、废气、废渣、废热和噪声的污染。多年来人们一直努力寻找既有较高能源利用效率又不污染环境的能源利用方式。化石燃料环境友好的能源路线开发将化石燃料碳氢化合物在一定工艺条件转化为CO2和H2，将H2利用燃料电池发电；CO2进行封存利用（CCUS），被认为是化石燃料对环境友好的能源路线：图1.化石燃料环境友好能源路线示意图化石燃料环境友好的能源路线开发氢燃料电池发电是具有能源革命意义的新一代能源动力系统，是一种可持续发展的能源，其能量转换率可达60％～80％，使用效率是普通内燃机的2～3倍。另外它还具有排气干净、噪音低、环境污染小、可靠性强及维修性好等优点。对于解决“能源短缺”和“环境污染”这两大世界难题有重要意义。化石燃料环境友好的能源路线开发因此，我们提出了利用一部分H2与N2反应成NH3，NH3与CO2在一定工艺过程条件下得到CO2含量最高的稳定固体产品三嗪醇，剩余的H2再去发电：图2.化石燃料环境友好的能源工业路线图化石燃料环境友好的能源路线这条化石燃料环境友好的能源路线可以在现有燃气电厂、燃煤电厂、煤制天然气及煤制油的工厂进行全部或部分二氧化碳的封存利用。化石燃料环境友好的材料工业路线是将二氧化碳封存产品继续开发成高分子材料，替代一部分高耗能高排放的材料工业。化石燃料环境友好的能源工业和材料工业路线是我国大气雾霾治理、工业产业结构调整、应对全球气候变化及实现生态文明等最有效的一条技术途径。化石燃料环境友好的材料工业路线雾霾治理建议1.建议国家在全国或全球范围内征集雾霾治理技术路线，然后进行实验并进行推广。2.优先考虑产业环保化，认真梳理现有工业生产及消费体系的各种污染物排放，征集各种污染物源头治理技术路线。3.发展低碳经济，开发出化石燃料环境友好的工业路线是解决我国CO2、SO2、NOx及大气雾霾的根本方法。山东大学朱维群电话[phone]email:[e-mail]