燃煤火电与水泥行业污染物排放标准的对比分析与控制

殷 闯

(国家能源集团谏壁发电厂, 江苏 镇江 201006)

后疫情时代,全国各地重大项目复工复产进度加快,水泥行业也随之“风生水起”。由于疫情期间积压的需求量集中释放,以及基建提速叠加行业旺季来临,水泥行业近期出货量创新高,市场价格也持续增长。在这种形势下,各大水泥厂在全力生产的同时,也不得不直面政府愈发严格的环保政策。随着火力发电厂超低排放改造工程的陆续完工,中国已成为世界上最大的清洁燃煤技术使用国。在这样的背景下,国家提出了在水泥、钢铁等非电行业的烟气治理方面推进超低排放改造及工业挥发性有机物(Valatile Organic Compounds,VOCs)治理。许多地区也陆续开展了针对非电行业中的重点行业超低排放改造,有些省份要求2020年全省工业企业在原基础上主要污染源排放量下降10%～15%。为了进一步降低污染物的排放,本文基于燃煤火电行业超低排放技术,通过对比分析,探讨将其超低排放技术应用于水泥行业进行超低排放改造的可行性。

1 燃煤火电与水泥行业污染物排放标准

1.1 燃煤火电厂污染物排放标准

燃煤火电厂是煤炭消费的集中用户,占煤炭消费总量的50%以上。控制火电行业污染物的排放,对于改善大气环境品质起到积极的促进作用[1]。根据火电行业污染物生成与排放的实际情况,从控制污染物排放、提高环境质量的角度出发,国家针对火电行业颁布了严格的污染物排放标准GB 13223—2011《火电厂大气污染物排放标准》[2]。具体内容如表1所示。

表1 火电厂(燃煤锅炉)大气污染物排放标准 单位:mg/m3

该标准于2012年1月1日开始实施,对于主要大气污染物粉尘、硫氧化物、氮氧化物等都作了具体的规定。

根据国家标准,意味着300 MW及以上燃煤发电机组需要采取一定的技术措施才能达到国家规定的排放标准。对于粉尘主要采取4-5电场静电除尘技术,二氧化硫采取湿法石灰石石膏脱除技术,氮氧化物采取低氮燃烧技术+选择性催化还原选择性催化还原法(Selective Catalytic Reducation,SCR)脱除技术。在此基础上,为了更好地控制污染物排放,进一步提升大气环境质量,国家制定了洁净煤技术发展纲要,要求实施超低排放。如对火电厂燃煤锅炉运行、末端治理采用多种污染物高效协同脱除集成技术[3-4];对粉尘采用低低温电除尘、湿式电除尘等;对二氧化硫采用均流提效、提高液气比、分区控制、湿法脱硫装置脱硫增效;对氮氧化物采用锅炉低氮燃烧改造、SCR脱硝装置增设新型催化剂等。

通过超低排放改造使其大气污染物排放浓度达到燃气机组排放限值,比文献[2]规定的燃煤锅炉重点地区特别排放限值分别下降了75%,30%,50%,有效降低了污染物的排放,为进一步提升大气环境品质奠定了良好的基础[5]。

1.2 水泥行业污染物排放标准

除电力行业所消费的煤炭之外,约50%的煤炭被非电力行业所消耗,其中水泥行业也是重点高能耗行业之一[6]。为了保护大气环境,水泥行业也相应颁布了严格的污染物排放标准GB 4915—2013《水泥工业大气污染物排放标准》[7],具体内容如表2所示。

表2 水泥污染物排放标准 单位:mg/m3

该标准自2014年3月1日起执行,要求粉尘排放浓度限值为30 mg/m3,二氧化硫排放浓度限值为200 mg/m3,氮氧化物排放浓度限值为400 mg/m3。另外,水泥行业对氟化物、汞及其化合物等的排放也规定了相应的限值。

1.3 主要污染物排放对比分析

火电行业与水泥行业排放的主要污染物是粉尘、二氧化硫和氮氧化物,二者在排放物种类上具有一定的相似性,但又具有各自的独特性。水泥生产的核心设备是水泥窑,其粉尘排放主要分为3部分:含煤生料与物料高温煅烧产生;熟料冷却受鼓风机作用逃出窑尾;磨粉系统、水泥磨工作中因输送装置密封不良产生粉尘外逸。目前新型干法窑颗粒物的初始浓度为30～80 mg/m3,经过布袋除尘与静电除尘,烟尘排放浓度可降至30 mg/m3,满足污染物排放国家标准。二氧化硫主要产生源头为:原料中含有少量的硫或有机硫化物在炉窑内部被氧化;煤炭在燃烧过程中释放的硫被氧化生成二氧化硫。水泥窑本身的特性使得二氧化硫排放通常可以控制在国家规定的范围内。氮氧化物在煤的燃烧过程中分解为热力NOx和燃料NOx。由于水泥窑温度高,空气量过于富裕,使得NOx的排放量偏高,初始浓度大多在800～1 200 mg/m3,高于国家规定的排放限值。

相比之下,经过超低排放技术改造以及生产流程的进一步优化,火电行业的烟尘排放浓度可降低至2～4 mg/m3以下[8],达到燃气轮机发电规定的排放限值;经过超低技术改造,燃煤火电机组二氧化硫的排放浓度可降到10～20 mg/m3;氮氧化物的生成同样分为燃料氮氧化物以及在燃烧过程中产生的氮氧化物,但火电行业的脱硝经过超低排放的技术改造,氮氧化物排放浓度可降低至20～30 mg/m3。

水泥行业与火电行业同为大气污染物的排放大户,在现行的污染物排放标准下,虽然都能符合有关排放标准,但面对严峻的环境污染问题,提高排放标准、降低污染物排放的呼声愈加高涨。在此背景下,借鉴火电行业的超低排放技术,降低水泥行业主要污染物排放指日可待[9-10]。

2 污染物排放控制技术

2.1 火电行业污染物排放控制技术

火电行业的燃料来源主要是煤,主要污染物为粉尘、硫化物、氮氧化物等,针对粉尘的控制多为增加除尘设备。目前除尘方式主要分为3种:一是静电除尘,其原理为通过高压电对烟尘进行电离,当烟气通过时,粉尘在电场力的作用下向电极板移动并吸附在电极板上;二是布袋式除尘,通过布袋的细小空隙对烟气中的粉尘进行捕集;三是湿式电除尘,在烟道中布置湿式除尘器,当烟气向上运动时向下喷淋液体,使烟气中的粉尘颗粒与液体混合凝结下降脱除。

对烟气中氮氧化物的控制,目前主要为SCR、非选择性催化还原法(Selective None-Catalytic Reduction,SNCR)及SCR与SNCR相结合的方法。SNCR不需要额外使用催化剂,运行成本较低,但会造成二次污染,脱除氮氧化物效率偏低,通常为30%～50%。SCR具有脱除效率高、技术比较成熟的特点。两种方式相结合的方法能够满足日趋提高的环保要求。

硫化物脱除方法主要分为两种:一是在煤燃烧之前对其进行脱硫处理,减少燃烧过程中二氧化硫的产生;二是采用石灰石-石膏湿法脱硫技术对煤燃烧后产生的二氧化硫进行脱除。

2.2 水泥行业污染物排放控制技术

水泥行业是粉尘排放的最大来源。其粉尘控制除尘设备包括布袋除尘器、静电除尘器、旋风除尘器和电袋复合除尘器4种。各类除尘器的优缺点比较如表3所示。

表3 各类除尘器的优缺点

二氧化硫的控制可以借鉴电力行业的湿法脱硫技术,将石灰与水制成石灰石浆,石灰石稀浆喷入吸收塔中实现脱硫,获得硫酸钙。该方法具有工艺成熟、效率高、操作简单、反应速度快、脱硫效率高等优点。

氮氧化物的控制同样可以借鉴电力行业的SCR脱硝技术,以氨为还原剂,在催化剂的作用下,与NOx反应生成N2和H2O。SCR脱硝效率可达90%,能有效满足环保要求。

3 结 语

火电行业与水泥行业都是能源消耗的集中用户,面临着严峻的大气环境污染问题。针对火电行业与水泥行业的污染物排放,国家颁布了相应的排放标准。火电行业与水泥行业的主要污染物类型基本相同,但在具体的排放限值上存在一定的差别。相对而言,火电行业的国家环保标准高于水泥行业。火电行业的生产企业在污染物控制与治理方面,通过一系列技术改造,取得了一些成功经验。尤其是超低排放技术,对水泥行业实施污染物超低排放提供了可借鉴的技术和经验。