潔凈煤技術及其在廣東電力工業中應用范文
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能源、環境是人類生存與發展所面臨的兩大課題，我國能源以煤為主的局面還會長期存在，煤炭燃燒將化學能轉化為熱能的同時產生大量污染物，造成我國“煤煙型大氣污染”的嚴重性與長期性。目前我國燃煤發電技術較落后，發電效率較低，污染物排放較嚴重。因此，以高效和低污染排放為特征的“潔凈煤技術”的提出既反映中國國民經濟發展的緊迫需要，也完全符合國家能源轉換、環境保護的可持續發展戰略。
1潔凈煤技術提出的背景
當今人類面臨著三大環境問題：酸雨、溫室效應和臭氧層破壞，這都與經濟的發展密切相關。
1．1燃燒排放與酸雨污染
形成酸雨的主要物質是SO2和NOx，這兩類物質的90％都來自礦物質燃料燃燒。酸雨影響水生生物生長或使其死亡；大面積的森林死亡也歸因于酸雨的危害；酸雨還加速建筑材料的腐蝕；酸雨使地面水呈酸性。為減少酸雨的危害，必須采取增大燃煤洗選率、增加低硫煤開采與使用、大規模采用煙氣脫硫裝置、大力采用循環流化床燃燒技術、征收SO2排放稅等措施，控制造成酸雨的污染物SO2等的排放。
1．2全球氣候變暖與能源工業
大氣底層聚集大量溫室氣體，地球輻射的長波被溫室氣體反射回來，有效地避免熱量散失。當大氣層中溫室氣體濃度上升時，溫室效應增強，導致全球氣候變暖，其中影響較大的是濃度增加最快的CO2和CH4。礦物燃料燃燒和地球植被破壞是CO2濃度增加的主要原因，能源工業同時也是CH4的一個重要的產生源。隨著世界能源消耗不斷增長，電力行業在能源直接消耗中所占份額越來越大，加快電力行業的科技轉化，研究開發潔凈煤技術，將成為解決溫室效應的重點突破口。
1．3臭氧層破壞與燃燒排放
人類過多使用CFCS及礦物燃料燃燒的排放物有關。大氣同溫層O2可通過四種途徑減少：紫外光照射下的分解反應；Cl與其反應；NO與其反應；OH及HO2與O3的反應。其中，70％的O3與NO反應而消減。近年來，燃燒過程中N2O的排放引起較大重視，它是一種溫室效應氣體，并且能破壞大氣同溫層的臭氧層，同溫層中N2O濃度的增加將引起臭氧層中NO濃度增加，從而使臭氧層變薄加速。在電力行業引進先進的潔凈燃燒技術，降低NOx排放，對保護臭氧層起到積極的作用。
2潔凈煤技術進展
潔凈煤技術是針對燃煤對環境造成污染提出的技術對策，是旨在減少污染和提高效率的煤炭加工、燃燒、轉換和污染控制新技術總稱，它將成為21世紀煤炭利用中既能降低動力耗費，又能創造友好生態環境的高新技術，其構成如圖1所示。
2．1煤炭燃燒前處理技術
動力用煤洗選加工是提高煤炭質量、增加煤炭品種、節約能源、節省運力、降低燃煤對大氣污染和保護環境的重要措施。浮選脫硫屬先進的物理洗選工藝；干法分選適用于分選氧化煤與水資源缺乏的地區；化學分選適用于物理分選排除大部分礦物質后的最后一道分選工序，需要高活性化學試劑，工藝過程大多在高溫、高壓下進行，成本較高；微生物脫硫具有反應條件溫和、成本低、能耗省、無煤流失、能脫除煤中的有機硫與黃鐵礦硫等優點，
但作用時間長，反應容器大，生產工藝復雜，處理費用高，不適合大規模能源工業。
型煤加工技術在經濟上是合理的，而且環境效益、社會效益顯著。將粉煤加工成型煤，比燃燒散煤節約能源20％～30％，減少煙塵排放量40％～60％，提高鍋爐出力10％～30％。加入適量的固硫劑，燃燒時煙塵和SO2的排放都比燃燒散煤時減少40％～60％。在我國，民用型煤加工已有成熟技術，但工業型煤的發展比較緩慢，其技術開發仍處于分散的低水平重復狀態，對于其推廣缺乏有效的組織管理。
水煤漿是一種煤基液態燃料，發展水煤漿技術，不僅能節省寶貴的油資源，而且還可以解決煤炭運輸、環境污染等問題。目前國內外水煤漿技術的發展趨勢為：由小規模工業示范廠、試驗廠向大型化、商業化方向發展；水煤漿應用向多用途方向發展；水煤漿向大型化、系統化方面發展；水煤漿研究向低污染燃燒方向發展。
2．2燃燒中處理技術
為適應煤種多變、調峰及穩定強化燃燒的需要，出現不少新型煤粉燃燒器，如：煤粉鈍體燃燒器、穩燃腔燃燒器、夾心風燃燒器、雙通道自穩燃式煤粉燃燒器、火焰穩定船式燃燒器。這些燃燒器用于燃用劣質煤和低揮發分煤。其特點為：低負荷穩燃，提高熱效率；加強煤粉氣流與高溫煙氣流的湍動和混合，明顯改善著火條件；穩定燃燒，防止結渣，煤種適應性好；減少燃燒過程中NOx的生成，降低對大氣的污染；等等。目前，降低燃燒過程中氮氧化物的生成和排放采取如下一些措施：空氣分級燃燒；煙氣再循環燃燒；煤粉濃淡分離燃燒；燃料分級燃燒。
燃燒中固硫是在燃燒過程中使煤中硫分轉化成硫酸鹽,隨爐渣排出。生成的CaSO4在800～950℃時熱穩定性好，應用成功的有LIMB爐內噴鈣技術和LIFAC煙氣脫硫工藝。LIMB技術噴入固硫劑時只要避開高溫區便能改善脫硫效果，吸收劑在爐膛出口處噴入，避免吸收劑的燒結失活。LI－FAC工藝是一種改進的爐內噴鈣工藝，除爐內噴射石灰石脫硫外，還在爐后煙道上增設一個獨立的活化反應器將爐內未反應完的CaO通過霧化水進行活化后，再次脫除煙氣中的SO2，這兩種爐內脫硫技術都已投入商業性運行。
固體顆粒處于流動化狀態下具有一系列特殊的氣固流動、熱質傳遞和化學反應特性，使得流化床鍋爐具有如下特點：燃料適應性好，可以燃用各種高灰分、高水分、低熱值、低灰熔點的劣質燃料和難于點燃和燃盡的低揮發分煤；低溫燃燒，燃燒過程中NOx大幅下降；顆粒床內停留時間較長，燃盡度高；保證蒸汽參數，實現低負荷穩定燃燒。流化床燃燒工藝由小、中型的鼓泡流化床，常壓循環流化床發展到增壓流化床燃氣蒸汽聯合循環發電，其發電效率不斷增加，且脫硫率不斷提高。
2．3燃燒后處理技術
煙氣凈化是燃燒后潔凈煤技術，主要是脫除煙氣中的灰塵、SO2，NOx。離心分離除塵器結構簡單，運行操作方便，除塵效率在85％左右；洗滌式除塵器結構簡單，除塵效率高，文丘里洗滌除塵器除塵效率在95％以上，且能吸附煙氣中的SO2和SO3，但需要污水處理裝置；袋式過濾除塵器具有較高的除塵效率，但其阻力較大；靜電除塵器除塵效率最高可達99．99％，可捕集0．1μm以上的塵粒，處理煙氣量大，運行操作方便，可完全實現自動化。
煙氣脫硫（FGD）是控制燃煤SO2排放應用最廣和最有效的技術，傳統的FGD主要是化學法，是目前唯一實現工業化的方法，但它能耗大，產生廢水或廢渣，造成二次污染，應用前景一般。電子束照射含有水蒸氣的煙氣，使煙氣中分子如O2，H2O產生強氧化性的自由基O，OH，HO2和O3等，這些自由基氧化煙氣中的SO2和NO，在有氨
存在下，生成較穩定的硫銨和硫硝銨固體，通過除塵器達到脫硫脫硝的目的。脈沖電暈法是電子束法的改進，用高壓電源電暈放電代替加速器電子束產生等離子體，不需昂貴的電子槍與輻射屏蔽，在節能方面具有很大的潛力。海水脫硫（F－FGD）將SO2以硫酸鹽的形式直接送入大海，不經過大氣、淡水湖泊、河流和土壤，F－FGD不需添加任何化學物質，依靠海水的天然堿度進行脫硫。
2．4轉換技術
整體煤氣化聯合循環（IGCC）是先將煤氣化成可燃氣體，供燃氣輪機燃用，以煤氣化設備和燃氣輪機取代鍋爐發電，排氣余熱再發生蒸汽，推動蒸汽輪機發電，其發電效率可高達47％，從而能更好地實現高品位煤化學能的梯級應用。IGCC是最潔凈和最有效的潔凈煤技術之一，在相同發電量條件下，凈化煤氣的數量低于需凈化的煙氣量，高溫煤氣凈化減輕對環境的污染，同時也保護下游燃氣輪機等設備免遭腐蝕。高溫煤氣脫硫劑種類很多，從物系上大體可分為鐵系、鋅系、銅系、鈣系和復合金屬氧化物等。高溫煤氣脫硫反應器可以采用固定床、移動床、流化床和氣流床等，目前流化床和氣流床使用最為廣泛，主要是因為它們的傳熱傳質能力高，易于實現脫硫和再生的連續運轉。
煤炭氣化能克服由于煤的直接燃燒產生的燃燒效率低、燃燒穩定性差、環境污染嚴重等問題，可在使用前將煤氣中的氣態硫化物和氮化物較容易地高效脫除。按照煤在氣化劑中的流體力學條件，把氣化方法分為：移動床氣化；流動床氣化；氣流床氣化；熔融床氣化。它們都是在特定的條件下，以一定流動方式把煤完全轉化成可燃氣體，煤中的灰分以廢渣的形式排出。煤炭氣化技術開發的熱點是煤氣化聯合循環發電技術，中國目前發展煤炭氣化技術的主要途徑是加強現有技術的推廣應用，改變傳統落后的用煤方式，達到節約利用煤炭資源，減輕用煤過程中對環境的污染。
通過加氫法、抽提法和合成法可由煤制取液體產品，煤炭液化獲得的潔凈液體燃料可以滿足飛機、坦克、火箭、汽車和多種現代化工業設備的動力需求，用于燃燒可以達到不污染環境的目的。煤的液化產物燃燒對環境造成的影響非常輕微，煤直接液化時，煤經過加氫反應，所有異質原子基本被脫除，回收的硫可變成元素硫，氮經過水處理可變成氨。煤間接液化時，是由氣化階段的氣體產物轉變而來，催化合成過程中排放物不多，未反應的尾氣可以在燃燒器中燃燒，排出的廢氣中NOx和硫很少，沒有顆粒物生成。
燃料電池是反應物燃料與空氣中的氧發生電化學反應而獲得電能和熱能的電化學裝置，將化學能直接轉化為熱能和低壓直流電能。根據燃料電池所使用的電解質的不同，可分為堿性燃料電池、磷酸型燃料電池、熔融碳酸鹽燃料電池、固體氧化物電解質燃料電池和聚合物電解質膜燃料電池。燃料電池具有熱效率高、對系統負荷變動適應力強、燃料來源廣、環境污染小、不需要大量循環水、建設工期短等特點，燃料電池從可能性原理的提出到磷酸型燃料電池兆瓦級產品的商業化應用，都是根據實際需要而發展的。熔融碳酸鹽燃料電池雖然離商業化階段有一定距離，但由于它與煤氣化能結合應用，其預計價格低于同規模的磷酸型燃料電池，因而有望用于主力電站。
廣東地處我國華南沿海，改革開放以來珠江三角洲經濟發展迅猛，能源需求急劇增長，環境污染日趨嚴重。雖然廣東已大力開發水電和核電，加大投資開發西部水電的力度，增架西電東送的輸變電線路，與云南、貴州等西部省份簽訂西電東送的協議，但在21世紀初，廣東以燃煤為主的火力發電的電源結構不可能改變。電力是經濟建設和社會發展不可替代的二次能源，大量燃煤對沿海經濟發達港口城市的污染日趨嚴重，電力建設者將面臨解決發展與環境矛盾的重要課題。潔凈煤技術可使煤在燃燒過程中大量減少污染物的產生和排放，同時還可以提高燃燒效率，達到高效、潔凈、環保的目的。潔凈煤技術將在廣東電力工業的持續發展中占據重要地位。
3．1廣東電力工業現狀
燃煤火電廠是廣東電力的主要電源，每年消耗原煤約23000kt，截止2000年8月，燃煤火電廠裝機總容量達12．005GW，主要電廠煤耗情況如表1。廣東通過多渠道辦電，電力增長速度較快，基本能適應經濟發展的需要。近期由于經濟復蘇，電源建設規劃滯后，經濟增長速度超過電力增長速
度，迫使許多燃煤火電機組超時運行，電網處于缺電局面，部分市（縣）采取了拉閘限電措施。因而在今后的一二十年內仍要加快廣東電力工業的建設，使電力由基本適應型向同步或超前發展型轉變。燃煤火力發電廠的建設相對核電和水電來說，具有投資小、見效快的優勢，若采用先進的潔凈煤發電技術，可減輕對環境的破壞。
3．2潔凈煤發電技術在廣東電力工業的應用前景
廣東電力工業緊隨經濟發展而發展，發電燃煤量逐年增長。能源是歷史發展和社會進步的物質基礎，大量消耗能源的結果，促進工業經濟的快速發展，但同時使環境付出巨大的代價，大量燃煤燃燒給廣東地區生態環境帶來巨大壓力。廣東電力工業以燃煤火力發電為主的電源結構，短時期內不會改變，因此，為降低污染物的排放，滿足國家環保要求，應該積極采用新的潔凈燃燒技術，從而提高能源轉化效率，降低能源系統成本，提供優質能源服務。
近期，廣東省的連州發電廠、沙角A電廠實施煙氣脫硫工程，茂名熱電廠進行把燃油機組改造為燃燒水煤漿機組的技改工程。廣東省正在惠州建設天然氣發電廠，深圳能源公司屬下的西部電廠已實現海水脫硫。這些項目的實施都已取得巨大的社會效益，并將獲取顯著的經濟效益。為最大限度降低環境污染，廣東省可根據各電廠的具體情況，在老廠改造、新廠建設和發展大機組時盡可能采用潔凈煤發電技術。
3．3潔凈煤技術應用保障
電力工業是關系社會經濟發展和國計民生的基礎產業，是政策上予以鼓勵和保障的先導產業。潔凈煤發電技術是當今世界先進的發電技術，是一項造福人類的重大工程項目，社會各部門應予以扶持和保障潔凈煤技術的應用。廣東電力工業應通過各種途徑采用潔凈煤技術，加強潔凈煤技術的開發與應用，組織有關科研、設計、制造與生產部門協同攻關；引進國內外較成熟的先進技術，建立示范電廠；在人力、物力、資金和稅收等方面給予優惠扶持；走節能降耗、創建友好生態環境的生存發展之路，使企業在未來的市場競爭與持續發展中處于不敗之地。
