火电厂锅炉汽轮机系统节能环保的问题及措施

技术方法 2015-04-22 18:50:13
  1 传统电厂锅炉汽轮机存在的环保问题 
  1.1 SO2高浓度排放 
  我国能源消耗以煤炭为主,煤炭中84%用于燃烧,以2008年为例,我国火电厂用煤达13.4亿t,煤炭平均含硫量达1%,我国SO2排放达2500万t,其中电厂排放占30%。SO2是一种腐蚀性气体,严重影响人体健康、动植物生长和生态环境,SO2是造成酸雨的主要污染物,当酸雨落到地面时,使水质下降,土壤贫化,森林、作物枯萎,鱼类死亡,腐蚀金属和建筑物等。排放到大气的SO2在日光催化下,与烟尘结合形成硫酸烟雾,其毒性比SO2大10倍以上,如1952年的伦敦烟雾事件,造成上千人死亡。 
  1.2 CO2的大量排放 
  当前一个重要的环境问题是全球变暖,其直接原因是大气中CO2和其他温室气体浓度的增加,而所有温室效应的气体中,CO2对温室效应的贡献占60%,从1700年至2008年,大气中CO2的浓度已由280ppmV上升到385.57ppmV,增加率为0.4%~0.5%,全球1995年CO2的总排放量为220亿t,导致在过去的100年中全球平均地面温度上升0.3~0.6℃。中国CO2的排放为30亿t,居第二位,其中燃煤电站CO2的排放占总排放的11%。全球变暖将引起雪山融化,南极冰川减少,大洋海平面上升等。如果人类对CO2的排放不采取有效的控制措施,到2050年海平面会升高30~50cm,直接威胁沿海国家以及30多个海岛国家的生存与发展。另外,海平面升高引起海水不断侵入火山岩引起山体滑坡,岩石张力受到破坏。全球有90%的火山分布于大洋周围,这样会在山体承受不了内部炽热熔岩的情况下导致熔岩喷发,给地球环境带来难以预测的重大破坏。 
  1.3 烟气的高温排放 
  由于燃烧高硫煤,烟气中含有SO3,酸露点温度高达140~160℃,为防止设备腐蚀,采用较高的烟气排放温度。目前全国电厂锅炉的排烟温度约在110~160℃,工业锅炉的排烟温度还要高。由于烟气的高温排放,使电站热效率降低,电厂锅炉向大气排放的热量造成的热损失为5%~12%,相当于全国每年损失2500~6000万t煤,燃烧这些燃料,多排放500~1200万t的SO3和4000~9600万t的CO2,引起恶性循环。 
  1.4 冷却塔高温排放 
  根据热力学第二定理,热力循环必须有低温热源,汽轮机末级叶片不可能做到很大,使得汽轮机乏气温度依然很高,大量热量向大气排放,汽轮机乏气向大气排放的热量的热损失为50%以上,相当于损失2.5亿t煤。全国电厂热效率降低,需要燃烧更多的燃料,多排放SO3和CO2 0.55亿t和4亿t,造成更大污染。 
  1.5 灰渣的大量产生 
  煤的含灰量达10%~50%,电厂运行中产生大量的灰渣,不仅使尘埃飞扬,还需要浪费大量土地。 
  2 锅炉汽轮机系统节能环保的措施 
  2.1 脱硫 
  燃煤锅炉的脱硫对环境保护具有重要作用,虽然目前脱硫成本很高,但从可持续发展角度分析,国家必须采取强制措施,对现有电厂进行脱硫改造,新建电厂必须有脱硫装置。 
  目前脱硫装置有循环流化床脱硫和烟气脱硫等方式,脱硫效率高达60%以上。烟气脱硫技术已属成熟,但投资大,约为建电厂投资的1/4~1/3。目前循环流化床脱硫技术锅炉吨位太小,用于电厂还需要进一步研究。 
  2.2 降低锅炉排烟温度 
  对电厂锅炉进行脱硫改造后,烟气中SO2浓度大幅度下降,使设备的低温腐蚀减轻,可大幅度降低烟气排放的温度,烟气温度在60~70℃为宜,提高机组热效率5%左右,对节能、减少温室气体排放、防止地球温度变暖具有重要作用。 
  2.3 降低汽轮机冷凝温度 
  汽轮机冷凝温度从热力循环角度已无法降低,只有充分利用凝汽热量,应用于其他工业领域,才是它的发展方向。热电厂是最好的利用方式,已建电厂逐步改造成背压式热电厂,使冷凝热量得到充分利用,有效地减少温室气体排放。大型热电机组需要综合布置,与大型热用户企业统筹设计。 
  2.4 CO2的减排措施 
  CO2的排放量与燃料消耗量成正比,故减少CO2的排放量的有效方法是提高能源利用率,降低煤耗;CO2的减排措施有:改进和完善投运机组性能;利用超临界技术、循环流化床技术、热电联产技术;关停小机组等。燃料脱碳是以含碳量较低的(如天然气)或无碳燃料取代含碳量较高的燃料,使得每单位能耗的平均CO2排放减少。燃料电池是通过电化学氧化生产电力的,即直接将化学能转化为电能,冲破了燃烧产热生成水蒸气再带动汽轮发电机组的传统模式,因而燃料电池的效率不受卡诺定律的限制。目前,碳氧燃料电池发电效率还不高,要与锅炉汽机机组结合,国内外正在进行积极探索。 
  2.5 CO2的回收利用 
  CO2的大量排放,不仅加剧了人类赖以生存的地球温暖化倾向,还造成CO2资源的大量浪费,因此,控制CO2排放量,对排放的CO2进行回收、固定、利用及再资源化已成为世界各国特别是发达国家十分关注的问题。CO2进行回收、固定可分为对锅炉CO2的排放的直接回收、固定和对空气中的CO2回收、固定。CO2的回收是整个控制体系的第一步。目前有化学吸收、膜分离、冷冻分级分离、分子筛吸附和浮石吸附等方法,但对电厂而言,由于烟气量大,CO2的浓度低,目前烟气脱碳的代价还很高。国内进行了大量的研究,日本科学家研究发现海洋生物吸收CO2的潜力巨大,已筛选出几种能在高浓度CO2下繁殖的海藻并计划在太平洋海岸进行繁殖,以吸收附近工业区排出的CO2。美国一些研究人员以加巨藻为载体,在其上繁殖一种可吸收CO2的钙质海藻,它吸收后形成碳酸钙沉到海底,腾出表面可继续繁殖。 
  CO2在化工工业上可制成尿素、干冰、水杨酸、CO、甲醇、碳酸酯、环状脂、二甲醚、甲酸、乙烯、甲烷、有机羧酸、碳酸盐等,而这些产品又可深加工成更多产品,可以说CO2在国民经济中具有很大的使用价值。目前工业副产气和废气中的CO2浓度很高,完全具备被利用的条件。我国在用CO2合成甲醇、甲烷方面已取得了很大进展。在催化剂研究中也有许多成果,尤其在CO2转化率、甲醇选择性催化剂的寿命等技术指标方面在国际上领先。能源紧缺是制约以后经济发展的主要因素,目前世界上最广泛的石油、天然气到下个世纪的中叶将枯竭,必须有新的碳源补充进去, 而丰富的低温排放、汽机凝汽热量的工业利用、CO2的减排、回收与综合利用、灰渣综合利用等途径。电厂锅炉的脱硫、脱碳目前技术还不够成熟, 需要进一步研究。完全可作为新的碳源,其最大的优点是可以同时解决能源和温室效应问题。人们将CO2的研究、开发应用重点放在CO2的转化上,通过化学、光学、电学、生化的各种方法,将CO2转化成其他有用的物质,或固定在其他物质上,形成新的有用物质。以气、液、固3种状态存在的,直接作为产品的CO2,在工业和国民经济的各部门具有广泛的实用价值。我国对CO2的研究工作起步较晚,为解决能源紧张和温室气体问题,大力开展CO2的回收、开发、利用,具有现实意义和广泛的应用前景。 
  2.6 机组灰渣的综合利用 
  灰渣的主要成分是硅、铝、铁和钙,将灰渣制成建筑材料,是一种比较有效的方法,电厂锅炉汽轮机系统绿色设计需将灰渣利用进行综合设计。 
  3 结论 
  能源在国民经济发展中具有重要作用, 而我国80%的电力是由火电厂完成的,火电厂锅炉汽轮机在发电的同时,高温烟气、高温凝汽向大气排放,降低了机组的效率,同时产生大量SO2和CO2气体向大气排放,对环境造成极大的影响,分别是造成酸雨、地球温室效应的主要原因。为了保持经济的可持续发展,电厂锅炉汽轮机系统应采取脱硫、烟气低温排放、汽机凝汽热量的工业利用、CO2的减排、回收与综合利用、灰渣综合利用等途径。电厂锅炉的脱硫、脱碳目前技术还不够成熟, 需要进一步研究。 

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