绿色环保对燃煤发电技术的挑战课件

华东电力设计院2013年01月14日 绿色环保对燃煤发电技术的挑战 背景环境保护是人类21世纪发展的最大挑战已被广泛接受人类的能源活动而造成的环境问题已受到前所未有的关注社会发展向低碳经济转型正走向全球性行动中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国中国以煤炭发电为主的电源结构必然较长时间存在 背景中国2012年的发电装机容量达11 4亿千瓦 世界第一水电装机容量达2 49亿千瓦 世界第一风点装机容量达6300万千瓦 成为世界第一风电大国 年发电量超过1000亿千瓦时光伏发电装机容量达700万千瓦核电装机容量达1256万千瓦 在建机组30台 3273万千瓦 在建规模居世界第一 背景 火电厂大气污染物排放标准 GB13223 2011 迎接挑战积极开展电源结构调整2013年全国能源工作会议 1月7日 优化发展煤电 大力发展新能源和可再生能源 积极发展水电 协调发展风电 大力发展分布式光伏发电 中国能源报刊登黄毅诚老部长文章 2050年中国发电容量达30亿千瓦 由6个5亿千瓦组成 火电 核电 水电 新能源发电 天然气发电 页岩气发电 迎接挑战积极发展洁净煤发电技术 整体式煤气化联合循环发电技术 IGCC 整体式煤气化联合循环 IGCC 也是一种高效低排放的洁净煤发电技术 虽然30多年来IGCC技术有了很大的发展 但仍未得到大规模推广的主要原因是投资成本高 可靠性低 尤其在煤气化系统部分 IGCC具有节能减排尤其是二氧化碳达到接近零排放方面的优点 值得给予重视 我国华能天津250MWIGCC示范电厂历时三年多于2012年12月12日投产 迎接挑战积极采取更有效更高效的污染物排放控制措施 粉尘 二氧化硫 氮氧化物 酸性气体排放的有效控制汞和微量重金属排放的有效控制二氧化碳排放的有效控制 CCS 除尘烟气全颗粒物捕捉技术 二级除尘 第一级除尘选用适用的除尘器型式 静电电除尘器 包括旋转电极 布袋式除尘器和电袋除尘器 结合低温省煤器方案达到更高的除尘效率 第二级除尘采用湿式静电除尘器湿式静电除尘器技术及应用情况分析 湿式静电除尘器的主要工作原理与干式除尘器基本相同 即烟气中的粉尘颗粒吸附负离子 通过电场力的作用 被吸附到集尘极上 与干式电除尘器通过振打将极板上的灰振落至灰斗不同的是 湿式电除尘器将水喷至极板上使粉尘冲刷到灰斗中随水排出 同时喷到烟道中的水雾既能捕获微小烟尘又能降电阻率 利于微尘向极板移动 从美国的资料以及日本电厂运行情况来看 湿式静电除尘器可以长期高效稳定地除去烟气中PM2 5 SO3等污染物微小颗粒 湿式静电除尘器结构 湿式静电除尘器的主要结构与干式静电除尘器基本相同 包括 进口喇叭 出口喇叭 壳体 放电极及框架 集电极绝缘子 喷嘴和管道以及灰斗等 三菱湿式静电除尘器技术及特点 三菱湿式静电除尘器从1975年开始应用 最早是用于处理化工厂的重油锅炉产生的烟气 目前用于处理锅炉后烟气共有25台套投入运行 其中燃煤锅炉为碧南700MW机组锅炉 1 采用雾化效果良好的喷嘴 在冲洗时放电极和集尘极同时通电 可保证不产生有害放电现象 2 放电极采用特殊形状和安装方法 不会因振动或腐蚀而损坏 3 对喷嘴排列形式和集尘极板型式进行优化 可保证对极板最佳的清洗效果 4 除尘原理与普通电除尘原理相同 喷淋水仅对集尘极板表面进行清洗作用 不直接对烟气中粉尘产生影响 单一电场的除尘效率在70 左右 5 循环水需加入NaOH进行中和 烟气中SO3含量较高时 NaOH加入量相应增大 6 湿式电除尘器壳体内表面鳞片衬里耐温120 140 7 喷嘴 滤网为易损件 寿命在5 10年 日立湿式静电除尘器的主要技术及特点 日立的湿式静电除尘器于2001年开始应用于中部电力的碧南电厂4 5号1000MW机组上 日立的湿式电除尘技术与三菱重工基本一致 只是在喷嘴型式和布置方式 放电极的形式 集尘极板的形式上有所不同外 在对放电极进行水冲洗时必须要断电 1 放电极采用带芒刺片的钢管制成 集尘板采用大平板设计 极间距300mm 2 集尘极与放电极的喷淋水由不同管道提供 在电除尘运行过程中集尘极一直保持喷淋状态 而放电极一般一天只喷淋一次 放电极喷淋时电除尘需停止运行几分钟 3 集尘极喷淋的喷嘴在设计上指向性较强 可避免将水喷到放电极上 4 湿式电除尘中的烟气流速较高 达到3 1m s左右 除尘效率60 70 5 日立湿式电除尘器的壳体 喷嘴 放电极和集尘极等与烟气和水接触的部件均采用SUS317耐蚀不锈钢制作 基本上不会腐蚀现象发生 龙净自主知识产权湿式LKWESP型静电除尘器的主要技术特点 1 极板采用高强度 高抗腐蚀性合金材料制成 板面平整光滑 能有效保证湿式电除尘器极板表明水膜平整光滑 无 死区 无粉尘堆积 2 龙净与澳大利亚科学技术与工程学院合作建设了CFD数值模拟仿真研究室 根据现场工程的布置需要 采用CFD计算软件对其进行流场优化模拟 保证湿式电除尘器内部流场均匀 无旁路与泄漏 3 超细雾化喷嘴在较低压力下能优质雾化 迅速传递液滴与热量 不但能有效对湿式电除尘器的细微颗粒物进行浸润 对微细颗粒起到凝结作用 而且能保证极板表面水膜分布均匀4 LKWESP型湿式电除尘器还可以对SO3酸雾 汞等重金属进行有效控制 在电除尘器内部通过喷雾增湿 SO3酸雾在静电凝聚作用下粒径增大 被捕集于极板并与水膜形成稀酸 去除效率可达95 以上 同时 基于电除尘器内部过饱和环境和静电脱除效应 对烟气中颗粒汞 氧化汞的脱除效率高达60 以上 5 上海长兴岛第二热电厂2台65t h锅炉改造项目 2013年投产 湿式静电除尘器的缺点 设备系统比较复杂 要求设备调试 运行和安装以及维护管理水平高 湿式静电除尘器出口雾滴浓度较高 烟气湿度高 需要加装除雾器 一次投资较大 卧式的电除尘器占地面积较大 湿式静电除尘器因阳极板和芒刺线 喷嘴等接触烟气的部件大量采用耐蚀不锈钢材料 设备投资费用要高于普通静电除尘器 运行过程中除了除尘器本体消耗的电量外 辅助的循环水泵等还将消耗部分电量 冲洗水中添加的NaOH溶液也将提高运行成本 喷嘴更换和泵的维护也增加了额外费用 湿式静电除尘器的优点 1 湿式静电除尘器在日本已有30年以上的应用历史 日本中部电力碧南电厂五台机组 将湿式静电除尘器布置在湿式脱硫系统后 其排放浓度长期稳定在2 5mg Nm3 远低于日本国家标准和新国标的要求 表明湿式静电除尘器能高效地除去烟气中的烟尘和石膏雨微液滴 2 湿式静电除尘器冲洗水对烟气有洗涤作用 可除去烟气中部分SO3微液滴 虽然三菱和日立公司均无法提供具体除去率 但是冲洗水中必须加入碱液 NaOH 以中和水中酸性 也表明部分SO3液滴被捕获后进入水中 3 湿式静电除尘器布置在湿法脱硫后 脱硫后的饱和烟气中携带部分水滴 在通过高压电场时也可捕获并被水冲洗走 这样可降低烟气中总的携带水量 减小石膏雨形成的几率 4 从日本电厂运行情况 湿式静电除尘器可以将进口烟尘浓度从17 5mg Nm3降到5mg Nm3 这些烟尘主要是PM2 5范围内的微尘 表明湿式静电除尘器可有效地除去PM2 5微尘 脱硫高效脱硫技术脱硫工艺通常有 石灰石 石膏湿法脱硫 海水脱硫 喷雾干燥法脱硫 炉内喷钙尾部加湿活化器脱硫 电子束脱硫 氨法脱硫等 若采用高效湿法脱硫技术 脱硫效率可达到98 以上 SO2的排放浓度不高于30mg Nm3 高效脱硫技术 石灰石 石膏湿法脱硫 A 双托盘湿法脱硫技术除了单托盘外 在应对高脱硫效率及低排放浓度等深度脱硫项目中 B W公司开发使用了双托盘技术 双托盘可以在更高的脱硫效率和更低的SO2排放浓度上发挥作用 双托盘的气流均质作用较高流速的烟气进入吸收塔后 首先通过塔内下层托盘 并与托盘上的液膜进行气 液项的均质调整 托盘会阻碍塔的横截面上气流均匀地分布 这种阻碍会产生于气体和浆液接触区域的开始阶段或产生于吸收塔内的吸收区域 因此 在吸收区域的整个高度以上可以实现气体与浆液的最佳接触 B 双回路吸收塔该型式吸收塔为德国诺尔 克尔茨能源环保公司的专利技术 其实质是将喷淋空塔中的SO2吸收氧化过程划分成两个阶段 两个阶段各自形成一个回路循环 第一阶段起预吸收作用 去除粉尘 HCl和HF 部分去除SO2 使第二阶段不需面对HCl HF和粉尘对吸收过程的有害效应 第一阶段回路中 下环 主要发生CaSO3氧化成CaSO4 2H2O的反应 最佳PH控制在4 5左右 第二阶段实现SO2吸收 效率高 石灰石相对过量 可以应付负荷的变化 保证脱硫效率 C 双循环U形塔 液柱 喷淋双塔 该方案为重庆远达环保自主研发的自主知识产权技术 专利号为201220446704 8 该技术结合了三菱液柱塔和喷淋塔的特点 双循环U形塔由一个顺流塔与一个逆流塔串联而成 前面的顺流塔 与三菱的U形液柱塔顺流塔作法一致 空塔流速高 塔体较小 后面的逆流塔为方形喷淋塔 其参数选择与AEE喷淋塔技术一致 锅炉烟气首先进入顺流液柱塔 在此与液柱顺流接触 先去除70 SO2 然后通过连接通道进入逆流喷淋塔 在逆流喷淋塔里面烟气与浆液逆流接触 进一步脱除残余的SO2 直到达标排放 整体脱除率达98 以上 经过优化详细设计 脱除率可以达到98 5 最后经除雾器去除大部分烟气中的液滴后即可达标排放 双循环U形塔两个区域循环浆液浓度不一致 液柱区循环浆液浓度为30 喷淋区循环浆液浓度为15 故底部浆池采用隔板分开 喷淋塔浆池液位较液柱塔高 浆液从喷淋塔溢流至液柱塔 外形与U型塔相似 D 串联吸收塔采用分级进行脱硫 两个吸收塔中各自都设置喷淋层 氧化空气分布系统 氧化浆液池 烟气先进入预洗塔脱除部分SO2和其它污染物后 再进入后吸收塔脱除剩余的污染物 两塔串联运行 共同脱硫 满足排放标准 此技术适合于高硫煤系统 同样液气比条件下运行电耗小于多喷淋层方案 但系统复杂 占地较大 脱硝脱硝工艺通常有 SCR烟气脱硝方案 SNCR炉内脱硝方案 SNCR SCR混合烟气脱硝方案 全负荷脱硝技术 锅炉采用低氮燃烧方案 锅炉厂积极支持很重要 锅炉燃烧方式采用复合式空气分级低NOx燃烧技术 调整SOFA风的比例 在主燃烧器上方布置两级分离燃尽风 通过深层次的空气分级 有效控制炉内燃烧过程中NOx的生成 使NOx排放浓度不超过200mg Nm3 选择高效的脱硝装置使出口NOx指标低于30mg Nm3 全负荷脱硝机组在大部分运行的时间中 使脱硝装置的进口烟气温度满足脱硝运行所需要的温度 实现全负荷脱硝 脱汞 汞的三种形态 煤粉进入炉膛燃烧 高温将煤中的汞气化成气态汞 即单质汞 Hg 随着燃烧气体的冷却 气态汞与其他燃烧产物相互作用产生氧化态汞 Hg2 和颗粒态汞 Hgp 其中单质的气态汞占了主要的存在形式 利用现有污染物控制设备协同脱汞技术电气除尘器脱汞率可达28 布袋除尘器脱汞率可达76 选择性催化还原 SCR 技术不但是一种可以有效控制NOx排放的方法 而且对脱除氧化汞也是十分有效的 美国国家能源技术实验室和美国环保署所做过的试验证明 利用燃煤电厂常规的脱硝 除尘 脱硫等设施就能在一定程度上达到一体化脱汞的效果 美国能源公司对6个燃煤电厂进行了试验 结果表明当采用电除尘器 SCR脱硝装置和湿法FGD脱硫装置进行一体化协同控制脱汞后 其联合脱汞效率可以达到83 以上 吸附剂喷射技术脱汞烟道活性炭喷射技术 ACI 是当今最为成熟可行的主动汞污染控制技术 通过活性炭喷入空预器后的烟道 将气态汞转化为固定在吸附剂上的颗粒态汞 然后利用电气除尘器或布袋除尘器脱汞 问题是运行成本较高 上述二技术的协同脱汞 脱碳碳捕获和埋存 CCS 技术 要真正解决燃煤电厂CO2减排问题 这就是全球正在积极研发的的碳捕获和埋存 CCS 技术 CCS 技术主要包括三个方面 1 捕获和液化2 运输3 埋存其中 捕获和液化是在火电厂完成的 CO2捕集的不同方案 1 燃烧后烟气侧捕集 主要为化学吸收法 烟气进入胺溶液吸收塔 2 燃烧捕集 氧燃料法 用氧代替空气作为燃烧介质 3 燃烧前气化捕集 合成气法 以氧为气化剂先进行煤的气化 CCS是高投资和高能耗的系统 电厂的效率要下降20 40 目前 全世界尚没有投入商业运行的CCS系统 组合拳 污染物排放控制技术协同作用污染物排放控制技术协同作用分析 注 表示直接作用 表示间接作用 表示协同作用 表示基本无作用或无作用 示意图采用湿法脱硫装置 SCR脱硝 电除尘器或电袋除尘器 湿式电除尘器等相结合 形