何淑仲

(國(guó)核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100095)

0 引言

生物質(zhì)能發(fā)電是利用生物質(zhì)能轉(zhuǎn)化為電能的技術(shù)。利用生物質(zhì)能發(fā)電可以有效解決生物質(zhì)資源浪費(fèi)、焚燒環(huán)境污染等問(wèn)題，在增加能源數(shù)量、調(diào)整能源結(jié)構(gòu)、保障能源安全等方面有更發(fā)揮重要作用。因此，生物質(zhì)能發(fā)電是一種變廢為寶的技術(shù)。目前，我國(guó)生物質(zhì)能發(fā)電只占可再生能源發(fā)電裝機(jī)容量的0.5%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于世界平均25%的水平［1］。據(jù)測(cè)算，我國(guó)理論生物質(zhì)能資源相當(dāng)于5×1010t 標(biāo)準(zhǔn)煤，可作為能源利用的生物質(zhì)能約5×109t 標(biāo)準(zhǔn)煤［2］，說(shuō)明我國(guó)在這方面還有很大的發(fā)展空間。國(guó)家可再生能源發(fā)展十一五規(guī)劃提出，未來(lái)將建設(shè)生物質(zhì)發(fā)電5500 MW 裝機(jī)容量［3］;《可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃》確定，到2020年生物質(zhì)發(fā)電裝機(jī)要達(dá)到30000 MW［4］。

由于生物質(zhì)燃料中硫含量為0.08%～0.25%，僅相當(dāng)于燃煤硫分的1/10 左右，其燃燒生成的SO2、NOx等污染物比燃煤低，因此生物質(zhì)能發(fā)電已被公認(rèn)是一種低硫、低硝、低碳的發(fā)電技術(shù)。

但是隨著技術(shù)發(fā)展和社會(huì)進(jìn)步，環(huán)境保護(hù)在工業(yè)生產(chǎn)中逐漸被提到一個(gè)越來(lái)越高的位置。2011年7月29日，環(huán)境保護(hù)部和國(guó)家質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)檢疫總局聯(lián)合發(fā)布了新的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223－2011)［5］，新標(biāo)準(zhǔn)對(duì)火電廠大氣污染物排放提出了更為嚴(yán)格的要求。因此，應(yīng)對(duì)新標(biāo)準(zhǔn)，如何采取更有效的煙氣治理措施成為生物質(zhì)電廠環(huán)保設(shè)計(jì)中一個(gè)新的議題。

1 新標(biāo)準(zhǔn)施行前生物質(zhì)電廠的防治措施

根據(jù)《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223－2003)［6］中對(duì)第3 時(shí)段綜合利用火力發(fā)電鍋爐排放限值的要求，生物質(zhì)電廠的排放標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

表1 GB 13223－2003 中新建生物質(zhì)電廠排放標(biāo)準(zhǔn)

為滿足排放標(biāo)準(zhǔn)，目前已運(yùn)行的生物質(zhì)電廠中采取以下簡(jiǎn)單污染物防治措施。

1.1 煙塵治理措施

根據(jù)生物質(zhì)燃燒后煙塵粒徑小、比電阻大的特點(diǎn)［7］，一般選用布袋除塵器除塵，除塵效率可達(dá)到99.6%，煙塵排放濃度能夠滿足200 mg/m3的要求。

1.2 NOx 治理措施

目前，國(guó)內(nèi)運(yùn)行的生物質(zhì)電廠鍋爐大多采用低氮燃燒技術(shù)，運(yùn)行時(shí)爐內(nèi)溫度比較低，可以有效地抑制NOx的生成。根據(jù)不同的鍋爐廠家提供的保證值，NOx的排放濃度在200～400 mg/m3之間，均能夠滿足450 mg/m3的限值要求。同時(shí)，根據(jù)電廠設(shè)計(jì)的前瞻性要求，為了滿足將來(lái)更高環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)的要求，多數(shù)生物質(zhì)電廠在設(shè)計(jì)時(shí)預(yù)留了脫硝裝置空間。

1.3 SO2 防治措施

一般生物質(zhì)燃料中硫的含量較低，僅相當(dāng)于煤含硫量的1/10 左右。表2為國(guó)內(nèi)幾個(gè)生物質(zhì)電廠設(shè)計(jì)燃料的含硫量及計(jì)算SO2排放情況?？梢?jiàn)，新標(biāo)準(zhǔn)施行前，生物質(zhì)電廠一般不需另外采取脫硫措施，即可滿足800 mg/m3的排放要求。

表2 生物質(zhì)電廠設(shè)計(jì)燃料硫分及計(jì)算SO2 排放情況

1.4 高煙囪排放

鍋爐煙氣通過(guò)高煙囪排放，可以有效增加煙氣的擴(kuò)散稀釋能力，降低煙塵、NOx和SO2對(duì)地面的污染。平原地區(qū)生物質(zhì)電廠煙囪高度大多為80 m左右，可以降低污染物的地面濃度。

1.5 煙氣監(jiān)測(cè)

根據(jù)《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223－2003)及《火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》(DL 5000－2000)［8］中的有關(guān)規(guī)定，生物質(zhì)電廠應(yīng)安裝煙氣連續(xù)自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，以便對(duì)環(huán)境空氣污染物的排放進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)因子包括煙塵、NOx、SO2等項(xiàng)目。監(jiān)測(cè)信號(hào)預(yù)留輸送至當(dāng)?shù)丨h(huán)保主管部門(mén)和電力調(diào)度中心的接口。

2 應(yīng)對(duì)新標(biāo)準(zhǔn)的新措施

根據(jù)新實(shí)施的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223－2011)，生物質(zhì)電廠應(yīng)滿足的更嚴(yán)格的排放標(biāo)準(zhǔn)其排放限值詳見(jiàn)表3。

表3 GB 13223－2011 中生物質(zhì)電廠排放標(biāo)準(zhǔn)

為滿足以上排放標(biāo)準(zhǔn)，生物質(zhì)電廠的環(huán)保設(shè)計(jì)必須在已有經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上探求新的發(fā)展。因此，在除塵、脫硝、脫硫等方面需要采取新的應(yīng)對(duì)措施。

2.1 除塵

提高除塵器的除塵效率，必要時(shí)采用旋風(fēng)分離器+布袋除塵器的方式，除塵效率可達(dá)到99.9%，煙塵排放濃度能夠低于30 mg/m3，甚至更低。旋風(fēng)+布袋除塵方式在實(shí)際電廠運(yùn)行中已較為成熟，此處不再贅述。

2.2 脫硝

生物質(zhì)燃燒過(guò)程中形成的NOx主要有3 種:燃料型、熱力型和快速型。其中快速型NOx所占比例很小，可忽略不計(jì);燃料型NOx生成量與火焰附近的氧濃度有關(guān);熱力型NOx生成量與燃燒溫度和氧濃度有關(guān)［9］。目前，電廠鍋爐NOx排放控制主要通過(guò)兩種方式來(lái)進(jìn)行:一是采用低氮燃燒技術(shù)減少NOx的生成;二是采用煙氣脫硝技術(shù)還原已生成的NOx，減少NOx排放量。

經(jīng)過(guò)調(diào)研，目前國(guó)內(nèi)運(yùn)行的低氮燃燒技術(shù)仍有一定的提升空間，通過(guò)進(jìn)一步改善燃燒狀況，控制爐內(nèi)溫度，可以控制NOx的濃度低于200 mg/m3。但是隨著新標(biāo)準(zhǔn)要求的提高，僅依靠低氮燃燒技術(shù)已經(jīng)不能滿足要求，脫硝成為未來(lái)生物質(zhì)電廠必不可少的煙氣治理措施。

常用的煙氣脫硝技術(shù)有兩種:選擇性催化還原(SCR)和選擇性非催化還原(SNCR)。這兩種方法都是通過(guò)在煙氣中加入氨或尿素溶液等還原劑，在一定溫度下與煙氣中的NOx發(fā)生還原反應(yīng)，生成無(wú)害的氮?dú)夂退?。不同之處是前者由于催化劑的參與，降低了反應(yīng)溫度，提高了反應(yīng)效率，通常脫硝效率可達(dá)80%以上。但同時(shí)SCR 技術(shù)存在投資大、煙氣阻力大、運(yùn)行費(fèi)用高等問(wèn)題。SNCR 技術(shù)脫除NOx的效率取決于反應(yīng)溫度、尿素溶液濃度、噴口位置、反應(yīng)時(shí)間等，通常設(shè)計(jì)合理的SNCR 工藝能達(dá)到40%～70%的脫硝效率。

為滿足100 mg/m3的NOx排放要求，生物質(zhì)電廠可采用低氮燃燒技術(shù)，控制NOx出口濃度不超過(guò)200 mg/m3;同時(shí)選擇投資較低、脫硝效率中等的SNCR 脫硝方式，要求脫硝效率不低于50%。這樣，可盡量減少因滿足新標(biāo)準(zhǔn)而增加的投資。

2.3 脫硫

新的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 13223－2011)中，對(duì)SO2的控制分時(shí)段區(qū)別對(duì)待:自2014-07-01 起，現(xiàn)有火發(fā)電鍋爐需滿足200 mg/m3的限值要求;自2012-01-01 起，新建火力發(fā)電鍋爐需滿足100 mg/m3的鍋爐。因此，生物質(zhì)電廠在SO2的控制方面也可分為兩種情況。

對(duì)于現(xiàn)有電廠，從經(jīng)濟(jì)的角度出發(fā)，可首先考慮選用低硫燃料。由表2可見(jiàn)，部分硫分較低的燃料即使不采取任何措施也可滿足200 mg/m3的限值要求。生物質(zhì)電廠中普遍采用的燃料包括小麥秸稈、玉米秸稈、稻殼、樹(shù)皮等，生物質(zhì)燃料的硫分不僅跟燃料種類有關(guān)，還跟燃料產(chǎn)區(qū)有關(guān)，電廠設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)情況選擇。同時(shí)，為了電廠的可持續(xù)發(fā)展，宜在選擇低硫燃料的同時(shí)預(yù)留脫硫裝置空間。但是，選用低硫燃料具有較大的局限性，并且把硫分較高的秸稈拋向其他環(huán)節(jié)，從環(huán)境保護(hù)的角度來(lái)說(shuō)，也是不科學(xué)的。因此，對(duì)于新建電廠以及部分現(xiàn)有電廠，脫硫措施是必要的。

目前，全世界脫硫工藝共有100 多種，按其燃燒的過(guò)程可分為:燃燒前脫硫、燃燒中脫硫、燃燒后脫硫(煙氣脫硫)。煙氣脫硫(Flue Gas Desulfurization，F(xiàn)GD)技術(shù)，是目前世界上唯一大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的脫硫技術(shù)，被認(rèn)為是SO2污染控制最為行之有效的途徑。典型的煙氣脫硫工藝包括:石灰石—石膏濕法脫硫工藝、氨法脫硫工藝和循環(huán)流化床干法脫硫工藝等?？紤]到生物質(zhì)電廠通常規(guī)模不大，總投資不高，而石灰石—石膏濕法脫硫工藝和氨法脫硫工藝造價(jià)較高，經(jīng)濟(jì)性較差，因此建議生物質(zhì)電廠脫硫首選循環(huán)流化床干法脫硫工藝。同時(shí)考慮到生物質(zhì)電廠煙氣含硫量較低，實(shí)際操作時(shí)可根據(jù)工程情況對(duì)循環(huán)流化床工藝適當(dāng)簡(jiǎn)化。

循環(huán)流化床法脫硫副產(chǎn)物為脫硫灰及灰和亞硫酸鈣、少量硫酸鈣混合物，目前脫硫灰的利用途徑很廣泛，在不少領(lǐng)域如水泥、建材行業(yè)、建筑以及農(nóng)業(yè)等都能夠應(yīng)用，可進(jìn)一步增加生物質(zhì)電廠的環(huán)境效益和經(jīng)濟(jì)效益。

3 結(jié)語(yǔ)

以上應(yīng)對(duì)新標(biāo)準(zhǔn)的措施大多是根據(jù)燃煤電廠的經(jīng)驗(yàn)而采取的，對(duì)于生物質(zhì)電廠的適用性，還需要根據(jù)具體工程具體研究。同時(shí)，更多的適用于生物質(zhì)電廠的低成本控制措施還有待開(kāi)發(fā)。

另外，新標(biāo)準(zhǔn)中首次提到了對(duì)汞及其化合物的控制，此項(xiàng)要求于2015年實(shí)施。雖然目前對(duì)于電廠煙氣脫汞的研究較多，但多處于機(jī)理探索或技術(shù)研發(fā)階段，國(guó)內(nèi)對(duì)于電廠煙氣中汞的控制的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)幾乎為零，所以，對(duì)于汞及其化合物的控制技術(shù)的開(kāi)發(fā)也迫在眉睫。

［1］2010年中國(guó)生物質(zhì)發(fā)電技術(shù)研討會(huì)召開(kāi)［J］.中國(guó)資源綜合利用，2010，(5):7.

［2］譚宗云.生物質(zhì)能分布式發(fā)電技術(shù)及意義［J］.農(nóng)村電氣化，2010(7):52－53.

［3］國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).關(guān)于印發(fā)可再生能源發(fā)展十一五規(guī)劃的通知(發(fā)改能源［2008］610號(hào)文件)［EB/OL］.http://www.sdpc.gov.cn/zcfb/zcfbtz/2008tongzhi/t20080318_198262.htm，2008-03-03.

［4］國(guó)家發(fā)展和改革委員會(huì).關(guān)于印發(fā)可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃的通知(發(fā)改能源［2007］2174號(hào)文件)［EB/OL］.http://www.sdpc.gov.cn/zcfb/zcfbtz/2007tongzhi/t20070904 _ 157352.htm，2007-08-31.

［5］GB 3223－2011，火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)［S］.

［6］王翠蘋(píng)，王鳳印，楊啟榮，等.生物質(zhì)能源轉(zhuǎn)換技術(shù)的經(jīng)濟(jì)性比較［J］.電力環(huán)境保護(hù)，2007，23(增刊):98－100.

［7］王少權(quán)，趙少明，王 輝.秸桿發(fā)電煙氣處理技術(shù)探討［J］.電力科技與環(huán)保，2011，27(1):58－60.

［8］DL 5000－2000，火力發(fā)電廠設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程［S］.

［9］楊宏民，段景衛(wèi)，蘭增林.低氮燃燒加SNCR 脫硝技術(shù)在超臨界鍋爐上的應(yīng)用［J］.電站系統(tǒng)工程，2011，(27):30－35.

［10］武文江.石灰石—石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)［M］.北京:中國(guó)水利水電出版社，2006.

［11］薛建明，劉 濤，許月陽(yáng)，等.燃煤電廠應(yīng)對(duì)新標(biāo)準(zhǔn)的煙塵控制對(duì)策研究［J］.電力科技與環(huán)保，2011，27(2):25－29.