火電廠脫碳、脫汞技術(shù)

火電廠脫碳、脫汞技術(shù)第一節(jié)概述第二節(jié)燃煤電廠脫碳第一節(jié)概述聯(lián)合國(guó)大會(huì)于1992年6月4日通過《聯(lián)合國(guó)氣候變化框架公約》(以下簡(jiǎn)稱《公約》)，《公約》是世界上第一個(gè)為全面控制二氧化碳等溫室氣體排放，以應(yīng)對(duì)全球氣候變暖給人類經(jīng)濟(jì)和社會(huì)帶來不利影響的國(guó)際公約，也是國(guó)際社會(huì)在對(duì)付全球氣候變化問題上進(jìn)行國(guó)際合作的一個(gè)根本框架?！豆s》規(guī)定興旺國(guó)家為締約方，應(yīng)采取措施限制溫室氣體排放，同時(shí)要向開展中國(guó)家提供新的額外資金以支付開展中國(guó)家履行《公約》所需增加的費(fèi)用，并采取一切可行的措施促進(jìn)和方便有關(guān)技術(shù)轉(zhuǎn)讓的進(jìn)行。第一節(jié)概述1997年12月，《公約》第3次締約方大會(huì)在日本京都召開，包括我國(guó)在內(nèi)的149個(gè)國(guó)家和地區(qū)的代表通過了旨在限制興旺國(guó)家溫室氣體排放量以抑制全球變暖的《京都議定書》，該議定書己于2005年2月生效。《京都議定書》規(guī)定，到2023年，所有興旺國(guó)家的CO2等6種溫室氣體的排放量，要比1990年減少5.2％，其中美國(guó)削減7％，歐盟8％，日本6％，加拿大削減6％，東歐各國(guó)削減5％至8％，開展中國(guó)家未作限定。第一節(jié)概述我國(guó)積極推進(jìn)減緩氣候變化的政策和行動(dòng)，在調(diào)整經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)變開展方式，大力節(jié)約能源、提高能源利用效率、優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)，植樹造林等方面采取了一系列政策措施，取得了顯著成效。如2006年1月1日起實(shí)施《中華人民共和國(guó)可再生能源法》，2007年6月發(fā)布《中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化國(guó)家方案》、《中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化科技專項(xiàng)行動(dòng)》，2007年8月起在全國(guó)開展節(jié)能減排全民行動(dòng)，2023年11月26日，我國(guó)正式對(duì)外宣布控制溫室氣體排放的行動(dòng)目標(biāo)，決定到2023年單位國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值CO2排放比2005年下降40％～45％。第一節(jié)概述《中國(guó)應(yīng)對(duì)氣候變化國(guó)家方案》中指出了我國(guó)電力行業(yè)減緩溫室氣體排放的重點(diǎn)領(lǐng)域。①水電。在保護(hù)生態(tài)的根底上有序開發(fā)水電，重點(diǎn)加快西部水電建設(shè)，因地制宜開發(fā)小水電資源。通過上述措施，預(yù)計(jì)2023年可減少CO2排放約5億t。②核電。積極推進(jìn)核電建設(shè)，逐步提高核電在中國(guó)一次能源總量中的比重，加快經(jīng)濟(jì)興旺、電力負(fù)荷集中的沿海地區(qū)的核電建設(shè)。通過上述措施，預(yù)計(jì)2023年可減少CO2排放約0.5億t。第一節(jié)概述③火電。加快火力發(fā)電的技術(shù)進(jìn)步，優(yōu)化火電結(jié)構(gòu)，加快淘汰落后的小火電機(jī)組，適當(dāng)開展以天然氣、煤層氣為燃料的小型分散電源，大力開展超(超)臨界機(jī)組、大型聯(lián)合循環(huán)機(jī)組等高效、潔凈發(fā)電技術(shù)，開展熱電聯(lián)產(chǎn)、熱電冷聯(lián)產(chǎn)和熱電煤氣多聯(lián)供技術(shù)；④輸變電。加強(qiáng)電網(wǎng)建設(shè)，采用先進(jìn)的輸、變、配電技術(shù)和設(shè)備，降低輸、變、配電損耗。通過上述措施，預(yù)計(jì)2023年可減少CO2排放約1.1億t?！斗桨浮愤€強(qiáng)調(diào)了推進(jìn)生物質(zhì)能源開展和積極扶持風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)崮艿鹊拈_發(fā)和利用。CDM是開展中的國(guó)家參與環(huán)保的一種新型國(guó)際合作機(jī)制。該機(jī)制是興旺國(guó)家通過提供資金和技術(shù)援助，來?yè)Q得在開展中國(guó)家境內(nèi)實(shí)施溫室氣體減排工程的經(jīng)核證的CO2減排量〔CERS〕，該CERS可抵消興旺國(guó)家在本國(guó)的CO2減排量。由于興旺國(guó)家在本國(guó)減排CO2本錢比在開展中國(guó)家高出5～20倍，因此興旺國(guó)家愿意以資金援助與技術(shù)轉(zhuǎn)讓的方式在沒有減排責(zé)任〔義務(wù)〕的開展中國(guó)家實(shí)施減排工程。碳減排潛力很大，而這種潛力可通過清潔開展機(jī)制(CDM)轉(zhuǎn)化為經(jīng)濟(jì)效益。截至2023年11月1日，在《公約》網(wǎng)站上公示的我國(guó)CDM工程總數(shù)為1521個(gè)，占全球CDM工程總數(shù)的36%，預(yù)計(jì)到2023年底減排溫室氣體15.1億t。我國(guó)CDM工程數(shù)量和預(yù)計(jì)的溫室氣體減排量均位居全球第一。我國(guó)的CDM工程中關(guān)于可再生能源發(fā)電工程共1059個(gè)，天然氣發(fā)電工程有30個(gè)，預(yù)計(jì)到2023年底這些工程共將減排CO26.45億t。由于傳統(tǒng)煤電方面的方法學(xué)，如超超臨界燃煤發(fā)電工程、新建熱電聯(lián)產(chǎn)工程、現(xiàn)有電廠改造或效率提高工程等獲得批準(zhǔn)不久，CDM工程開發(fā)周期又較長(zhǎng)，目前國(guó)內(nèi)燃煤發(fā)電CDM工程正處于開發(fā)階段。燃煤發(fā)電是一個(gè)具有較大溫室氣體減排潛力的領(lǐng)域，也是開展CDM工程的重點(diǎn)領(lǐng)域。碳捕集與封存(CCS)技術(shù)碳捕集與封存〔CarbonCaptureandStorage，簡(jiǎn)稱CCS〕在全球各地受到了廣泛重視。國(guó)際能源署研究說明，到2050年將溫室氣體濃度限制在450ppm的所有減排技術(shù)中，僅CCS就需奉獻(xiàn)20%。當(dāng)前，包括IEA(國(guó)際能源機(jī)構(gòu))在內(nèi)的全球主要能源研究機(jī)構(gòu)和主要碳減排積極倡導(dǎo)組織和國(guó)家已經(jīng)一致將CCS技術(shù)作為未來的主要碳減排技術(shù)。發(fā)電和油氣生產(chǎn)是CCS應(yīng)用的兩個(gè)主要領(lǐng)域發(fā)電領(lǐng)域應(yīng)用CCS的技術(shù)途徑主要有兩條：一是燃燒前捕集CO2；二是燃燒后捕集CO2。在天然氣生產(chǎn)過程中別離CO2不僅十分必要，還可以回注到地下來提高石油與天然氣的產(chǎn)量。全球大多數(shù)CCS工程目前還在規(guī)劃研究階段全球?qū)CS工程的示范與規(guī)劃正在不斷升溫全球?qū)CS工程的示范與規(guī)劃正在不斷升溫美國(guó)、日本、加拿大、英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)、意大利等主要興旺國(guó)家都在研究建設(shè)CCS示范工程澳大利亞、印尼、墨西哥、沙特阿拉伯，都在考慮建設(shè)CCS示范工程BP、殼牌等許多大型國(guó)際石油公司都成立了專門的業(yè)務(wù)機(jī)構(gòu)。我國(guó)華能、中石油、神華、中國(guó)綠色煤電、新奧等公司都在開展CCS工程研究工作。華能年捕集3000tCO2的高碑店工程已于2023年投產(chǎn)。而國(guó)內(nèi)最大的兩個(gè)工程神華集團(tuán)馬家塔煤碳直接液化工程年捕集與封存100萬(wàn)tCO2方案和中國(guó)綠色煤電準(zhǔn)備在天津建設(shè)的250MWIGCC加CCS工程。煤氣化聯(lián)合循環(huán)2目前面臨的主要問題仍缺少CO2捕集、凈化、運(yùn)輸、封存一體化的商業(yè)性示范工程難以接受CCS所引起的高昂本錢按照現(xiàn)有工程估算，CCS工程的商業(yè)化運(yùn)行本錢是每噸CO2約70美元左右。CCS將降低發(fā)電效率并增加能耗生產(chǎn)同一度電需要多消耗能源約20%～25%左右。還未找到可行的獨(dú)立運(yùn)營(yíng)商務(wù)模式封存涉及一系列復(fù)雜的具體問題CO2驅(qū)油還不是CO2永久封存技術(shù)缺少一個(gè)明確的政策與法律框架全球公眾當(dāng)前對(duì)CCS技術(shù)難以接受將CCS納入CDM機(jī)制存在難度第二節(jié)燃煤電廠脫碳在電廠主要有3種不同的捕集技術(shù)路線，即：燃燒前脫碳整體煤氣化聯(lián)合循環(huán)(IntegratedGasificationCombinedCycle，IGCC)發(fā)電技術(shù)富氧燃燒技術(shù)(燃燒中捕集)燃燒后脫碳一、燃燒前脫碳燃燒前脫碳是指在碳基燃料燃燒前，先將其化學(xué)能從碳元素中轉(zhuǎn)移出來，然后再將碳和攜帶能量的其他物質(zhì)別離，這樣就可以實(shí)現(xiàn)碳在燃料利用前進(jìn)行捕集一、燃燒前脫碳(一)燃燒前脫碳的工藝流程煤經(jīng)過氣化成為中低熱值煤氣；經(jīng)過冷卻凈化，除去煤氣中的硫化物、氮化物、粉塵等污染物；清潔的煤氣經(jīng)過變換反響(CO+H2O→CO2+H2)，使煤氣轉(zhuǎn)變?yōu)镃O2和H2，燃料的化學(xué)能轉(zhuǎn)移到H2上；將CO2和H2進(jìn)行別離，別離后的氫氣送入燃?xì)廨啓C(jī)的燃燒室中燃燒，加熱燃?xì)夤べ|(zhì)以驅(qū)動(dòng)燃?xì)馔钙阶龉?；排氣進(jìn)入余熱鍋爐加熱給水，產(chǎn)生過熱蒸汽驅(qū)動(dòng)蒸汽輪機(jī)做功。2023年7月，我國(guó)開始建設(shè)首座自主開發(fā)設(shè)計(jì)的IGCC示范工程工程—華能天津IGCC示范電站。IGCC示范電站研究開發(fā)以IGCC系統(tǒng)為根底，大幅度提高煤炭的發(fā)電效率。最終形成以煤氣化制氫、氫氣輪機(jī)聯(lián)合循環(huán)發(fā)電和燃料電池發(fā)電為主，并進(jìn)行CO2別離和處理的煤基能源系統(tǒng)，使煤炭發(fā)電到達(dá)CO2近零排放。其流程如下圖。典型IGCC工藝流程(二)燃燒前脫碳的IGCC工藝系統(tǒng)燃燒前脫碳的IGCC工藝系統(tǒng)由兩大局部組成煤的氣化、凈化與CO2別離系統(tǒng)局部主要有氣化爐、空分裝置、煤氣冷卻凈化、CO2別離設(shè)備等；燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)局部主要有燃?xì)廨啓C(jī)發(fā)電系統(tǒng)、余熱鍋爐、汽輪機(jī)發(fā)電系統(tǒng)等。1.氣化爐煤氣化一般包括枯燥、熱解(揮發(fā)份析出)、燃燒氣化三個(gè)階段煤發(fā)生熱分解反響，生成大量揮發(fā)性物質(zhì)，如CO2、CO、H2、CH4、NH3、H2S、焦油等，同時(shí)煤粘結(jié)成半焦；半焦一局部在燃燒區(qū)的氧化氣氛下燃燒，產(chǎn)生的高溫用來切斷煤中高分子化學(xué)鍵，使其與氣化劑反響，生成含有CO、H2、CH4等可燃?xì)怏w的合成煤氣。在煤氣化過程中，當(dāng)氣化劑是氧氣時(shí)生成中熱值煤氣；當(dāng)氣化劑是空氣時(shí)，因其含有大量N2，生成低熱值煤氣。煤氣化主要反響碳與水蒸汽的反響：C+H2O→CO+H2；C+2H2O→CO2+2H2碳與二氧化碳的反響：C+CO2→2CO甲烷生成反響：C+2H2→CH4；CO+3H2→CH4+H2O；CO2+4H2→CH4+2H2O；變換反響：CO+H2O→CO2+H2完全燃燒反響：C+O2→CO2此外氣化過程中還會(huì)發(fā)生一些微量成份的化學(xué)反響，生成H2S、COS、NH3等有害物質(zhì)。氣化爐爐型有噴流床、流化床和固定床。目前，普遍看好的氣化爐主要是以氧氣為氣化劑的噴流床氣化爐，主要包括Texaco爐，E-Gas爐、Prenflo爐和Shell爐。前兩者為水煤漿供料方式，后兩者為干粉供料方式。氣化爐工作性能的技術(shù)指標(biāo)(1)碳的轉(zhuǎn)化率，即煤中所含的碳元素在氣化爐中轉(zhuǎn)化成為煤氣成分中含碳量的百分?jǐn)?shù)。(2)冷煤氣效率，即氣化生成煤氣的化學(xué)能與氣化用煤的化學(xué)能的比值。(3)熱煤氣效率，即氣化生成煤氣的化學(xué)能、煤氣中回收的熱能之和與氣化用煤的化學(xué)能的比值。此外，還有氣化爐的負(fù)荷跟蹤能力、產(chǎn)氣能力、煤氣熱值及其可靠性等指標(biāo)。2．煤氣凈化設(shè)備必要性煤氣化時(shí)，原煤中所含的相當(dāng)一局部S、N以及礦物質(zhì)等，以不同尺寸的塵粒、H2S+COS、NH3+HCN、Na和K鹽的蒸汽以及HCl+HF等形式轉(zhuǎn)移到粗煤氣中。這些有害物質(zhì)假設(shè)不除去，不僅會(huì)導(dǎo)致燃?xì)廨啓C(jī)的腐蝕、磨蝕和結(jié)垢，影響其使用壽命和工作可靠性，還同樣會(huì)因燃煤而造成大氣污染。因而粗煤氣進(jìn)入燃?xì)廨啓C(jī)之前，必須經(jīng)過凈化處理。2．煤氣凈化設(shè)備目前，在IGCC中使用的粗煤氣凈化系統(tǒng)有“常溫濕法的凈化系統(tǒng)〞和“高溫干法的凈化系統(tǒng)〞。當(dāng)前所應(yīng)用的氣體凈化系統(tǒng)以濕法除塵常溫脫硫的凈化技術(shù)較為成熟。凈化流程煤氣粉塵濃度降至1mg/L以下；除塵后的煤氣經(jīng)過HCN/COS水解器，將COS轉(zhuǎn)為H2S，將HCN轉(zhuǎn)化為NH3，進(jìn)而進(jìn)入Claus脫硫設(shè)備中脫出95%～99%的含硫化合物；為降低燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室內(nèi)燃燒火焰的溫度，控制燃?xì)廨啓C(jī)排氣NOx的含量，潔凈的煤氣在飽和器中與除鹽水接觸，使?jié)衩簹庵械暮康竭_(dá)其飽和狀態(tài)，最后經(jīng)換熱器預(yù)熱后進(jìn)入燃燒室內(nèi)燃燒。Claus(克勞斯)法工藝過程高溫段包括H2S燃燒爐和廢熱鍋爐，燃燒反響：2H2S+3O2→2SO2+2H2O約有1/3的H2S于1200℃左右下與空氣在燃燒爐內(nèi)反響生成SO2。Claus反響器中的反響：2H2S+SO2→3S+2H2O在加氫催化復(fù)原反響器中，反響式為：SO2+2H2→S+2H2OSO2+3H2→H2S+2H2OSO2+2CO→S+2CO2選擇性催化氧化處理尾氣回收硫，反響式：2H2S+O2→2S+2H2O。3．空分設(shè)備為了提高氣化爐的單爐產(chǎn)氣率并獲得中熱值煤氣，須用高濃度的氧或純氧作氣化劑。目前，從空氣中別離出O2是大規(guī)模獲取O2的唯一來源空分制氧大致分為深冷法、變壓吸附法(PSA)和膜法富氧技術(shù)。變壓吸附法讓空氣通過分子篩吸附塔，利用分子篩對(duì)空氣中的O2、N2組分選擇性吸附而使空氣別離獲得O2的技術(shù)。常用PSA(超大氣壓吸附常壓解吸)和VPSA(常壓吸附真空解吸)兩種方法。4．CO2別離基于燃燒前脫碳的IGCC處理的氣體具有高的氣體壓力和CO2濃度(約30%～40%)，這使得物理吸收法比化學(xué)吸收法更能表達(dá)出優(yōu)勢(shì)。別離CO2的典型物理吸收法是聚乙二醇二甲醚法(Selexol法)和低溫甲醇法。目前大多數(shù)基于燃燒前脫碳的IGCC研究方案都選擇Selexol法進(jìn)行物理吸收。5.燃?xì)廨啓C(jī)由于一般的燃?xì)廨啓C(jī)是根據(jù)天然氣等標(biāo)準(zhǔn)燃料設(shè)計(jì)的，當(dāng)用于燃?xì)鋾r(shí)，除燃燒室需進(jìn)行一定改動(dòng)以適應(yīng)燃料變化外，壓氣機(jī)與透平匹配的運(yùn)行工況以及燃?xì)廨啓C(jī)特性將發(fā)生變化。目前對(duì)于燃?xì)淙細(xì)廨啓C(jī)應(yīng)采取摻氮燃燒方式還是純氫燃燒方式的問題尚無(wú)定論。由于氫氣的熱值遠(yuǎn)高于天然氣，純氫燃燒容易引起回火，材料的氫脆裂，預(yù)混火焰的穩(wěn)定性，熱段材料性能降級(jí)，高NOx排放等問題；摻氮后由于燃?xì)饬髁吭龃?，又?huì)引起軸系扭矩增大，軸系扭矩過大會(huì)對(duì)燃?xì)廨啓C(jī)轉(zhuǎn)子造成損傷。因此，究竟采用純氫燃燒還是摻氮燃燒，還有待進(jìn)一步研究。(三)燃燒前脫碳的IGCC技術(shù)特點(diǎn)(1)燃料適應(yīng)性強(qiáng)?？衫酶吡蚍帧⒏呋曳?、低熱值的低品位煤以及常規(guī)火力發(fā)電技術(shù)不能接受的劣質(zhì)燃料(固體或液體)；(2)發(fā)電效率高。發(fā)電效率可達(dá)45%以上，高于同容量的燃煤機(jī)組5%以上；(3)環(huán)保性能優(yōu)良。IGCC中處理的對(duì)象主要是粗煤氣，在相同條件下，煤氣的流量只是煙氣的1/10量級(jí)，而且煤氣在更高壓力下污染物的濃度高，因而可以用更小的代價(jià)脫除更多的污染，能實(shí)現(xiàn)98%以上的污染物脫除效率。煤炭氣化后煤中的硫分主要變成H2S，它比SO2的脫除要容易得多；(4)耗水量較少耗水量只有常規(guī)火電廠耗水量的50%～70%；(5)可以實(shí)現(xiàn)多聯(lián)產(chǎn)，能與其他先進(jìn)的發(fā)電技術(shù)如燃料電池等結(jié)合等；(6)裝置系統(tǒng)復(fù)雜，造價(jià)高IGCC電站的造價(jià)較高，是常規(guī)燃煤電站本錢的2倍左右。(7)國(guó)外投產(chǎn)和運(yùn)行的IGCC示范電站僅有幾十臺(tái)，運(yùn)行不穩(wěn)定，缺乏成熟的經(jīng)驗(yàn)；(8)燃?xì)淙細(xì)廨啓C(jī)、系統(tǒng)的整體優(yōu)化配置及電站系統(tǒng)的控制技術(shù)有待深入研究。二、富氧燃燒技術(shù)(一)富氧燃燒技術(shù)概述富氧燃燒人們把含氧量大于21％的空氣叫做富氧空氣。用富氧空氣進(jìn)行燃燒，稱為富氧燃燒。富氧的極限就是使用純氧。富氧燃燒的形式大致可分為：微富氧燃燒、氧氣噴槍、純氧燃燒、空—氧燃燒4大類。二、富氧燃燒技術(shù)富氧燃燒特點(diǎn)①減少煙氣排量及熱損失；②提高火焰強(qiáng)度和燃燒速度；③降低燃料的燃點(diǎn)和減少燃盡時(shí)間；④降低CO2、SO2、NOx等污染物的排放等。(二)燃煤電廠富氧燃燒技術(shù)燃煤電廠富氧燃燒技術(shù)采用O2/CO2燃燒技術(shù)，也稱為空氣別離/煙氣再循環(huán)技術(shù)，被認(rèn)為是一種可以實(shí)現(xiàn)燃燒污染物近零排放的新型潔凈煤發(fā)電技術(shù)。全球首個(gè)O2/CO2燃燒技術(shù)試驗(yàn)工程—阿爾斯通的德國(guó)黑泵電廠試驗(yàn)裝置已于2023年9月投入運(yùn)行，截止2023年1月，已運(yùn)行將近4500小時(shí)。1．O2/CO2燃燒技術(shù)工藝原理鍋爐排氣中超過70%的氣體為CO2，其余為水蒸汽和少量的其他氣體，其煙氣總量的70%～75%循環(huán)使用，以維持平安經(jīng)濟(jì)的爐膛溫度、合理的鍋爐輻射與對(duì)流受熱面吸熱以及固態(tài)排渣。余下的煙氣產(chǎn)物經(jīng)凈化后壓縮冷凝液化，可得濃度為95%以上的CO2，壓縮后可商業(yè)利用或深埋，一小局部不凝氣體經(jīng)煙囪排放。2．O2/CO2燃燒技術(shù)特點(diǎn)(1)減少鍋爐熱損失，提高鍋爐效率(2)增強(qiáng)鍋爐燃燒適應(yīng)性實(shí)驗(yàn)已證明，當(dāng)O2含量相同時(shí)，在O2/CO2燃燒氣氛下，煤粉燃燒的火焰?zhèn)鞑ニ俣容^空氣燃燒氣氛下低，這主要是由于CO2的比熱容較N2大，另外還有氣體輻射特性的差異。但在組織O2/CO2燃燒時(shí)可以適當(dāng)提高氧濃度，煤焦著火點(diǎn)提前，火焰溫度提高，燃燒時(shí)間縮短，燃盡率提高，燃燒性能得到改善。(3)提高煙氣中CO2的濃度煙氣中CO2的濃度到達(dá)90％以上2．O2/CO2燃燒技術(shù)特點(diǎn)(4)減少SO2的生成，便于脫硫研究說明，O2/CO2燃燒介質(zhì)和溫度對(duì)SO2的排放沒有明顯的影響CETC—O在試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)進(jìn)行O2/CO2燃燒時(shí)爐堂內(nèi)SO2的濃度比空氣氣氛下增大很多，甚至增長(zhǎng)了3～4倍，導(dǎo)致SO3濃度高，加劇對(duì)金屬材料的腐蝕，因此在設(shè)備選材時(shí)需要慎重考慮，或者在進(jìn)行循環(huán)之前對(duì)煙氣進(jìn)行脫硫、脫水處理。煙氣中SO2由于沸點(diǎn)－10.02℃高于CO2的三相點(diǎn)溫度－78.5℃，在壓縮冷凝液化回收CO2的過程中，煙氣中的SO2首先被液化并回收，有可能省去復(fù)雜昂貴的煙氣脫硫設(shè)備，并得到資源化利用。2．O2/CO2燃燒技術(shù)特點(diǎn)(5)減少NOx的生成實(shí)驗(yàn)已證明，在富氧燃燒方式下，NOx的生成量顯著減少，是常規(guī)空氣燃燒的1/5～1/7。由于CO2代替了空氣中的N2，防止了熱力型NOx和快速型NOx的生成；O2/CO2氣氛下高濃度的CO2會(huì)與煤或煤焦發(fā)生復(fù)原反響生成大量的CO，促進(jìn)了NO的分解；煙氣再循環(huán)增加了NOx的復(fù)原反響時(shí)間，降低了NOx的排放；大量的研究說明，燃燒介質(zhì)和溫度對(duì)SO2的排放沒有明顯的影響。O2/CO2氣氛有利于飛灰固硫，對(duì)于富含CaO的煤種，固硫作用更明顯。這是O2/CO2氣氛下SO2排放量較空氣氣氛有所減小的重要原因之一；高濃度CO2下SO2排放量較低，另一種含硫有害污染物COS濃度相應(yīng)升高。對(duì)于C，O，S的氣態(tài)物質(zhì)局部反響方程式可描述如下：C+CO2→2CO(1)2CO+SO2→CO2+S(2)CO+S→COS(3)SO2+2COS→2CO2+3/2S2(4)三、燃燒后脫碳-煙氣脫碳(一)概述吸收法吸附法低溫蒸餾法膜別離法等(二)醇胺吸收法脫碳吸附法吸附法可分為變壓吸附法〔PSA法〕和變溫吸附法〔TSA法〕。PSA法是基于固態(tài)吸附劑對(duì)原料氣中的CO2有選擇性吸附作用，高壓時(shí)吸附量較大，降壓后被解吸出來而進(jìn)行的。TSA法那么是通過改變吸附劑的溫度來吸附和解吸CO2。通常工業(yè)上較多采用變壓吸附法。低溫蒸餾法低溫蒸餾法是利用CO2與其它氣體組分沸點(diǎn)的差異，通過低溫液化，然后蒸餾來實(shí)現(xiàn)CO2與其它氣體的別離。該方法設(shè)備龐大、能耗較高、別離效果較差，因而本錢較高，目前尚處于理論研究階段。膜別離法原理膜別離法是利用某些薄膜對(duì)不同氣體具有不同滲透率來選擇別離氣體的。膜別離的驅(qū)動(dòng)力是膜兩側(cè)的壓差，在壓力作用下，滲透率高的氣體組分優(yōu)先透過薄膜，形成滲透氣流，滲透率低的氣體那么在薄膜進(jìn)氣側(cè)形成殘留氣流，兩股氣流分別引出從而到達(dá)別離的目的。不同氣體的滲透速率氣體別離膜材料聚砜、聚酰亞胺、聚硅氧烷、含氟聚乙胺、聚乙炔、醋酸纖維素、聚酰胺、聚醚等。常見的有平板式、卷式和中空纖維式３種。進(jìn)行氣體別離時(shí)通常采用中空纖維式膜組件。特點(diǎn)膜別離法裝置簡(jiǎn)單、操作方便，投資費(fèi)用低，是當(dāng)今世界上開展迅速的一項(xiàng)節(jié)能型CO2別離回收技術(shù)，但是膜別離法難以得到高純度CO2。美國(guó)田納西州的Mallet礦區(qū)將膜法和溶劑吸收法結(jié)合起來，前者做粗別離，后者做精別離，結(jié)果說明：該法取得了二者單獨(dú)操作時(shí)所得不到的最正確效果吸收法吸收法可分為物理吸收法和化學(xué)吸收法。(1)物理吸收物理吸收是利用原料氣中的CO2在吸收劑中的溶解度較大而除去的方法。一般吸收采用低溫、高壓，解吸時(shí)采用減壓或升溫，減壓解吸所需再生能量較少。常用的物理吸收法有加壓水洗法、N-甲基吡咯烷酮法、Selexol法、低溫甲醇法、碳酸丙烯酯法等。該法的關(guān)鍵是選擇優(yōu)良的吸收劑，所選的吸收劑必須對(duì)CO2的溶解度大、選擇性好、沸點(diǎn)高、無(wú)腐蝕、無(wú)毒性、性能穩(wěn)定。但是由于CO2在溶劑中的溶解服從亨利定律，因此這種方法僅適用于CO2分壓較高的煙氣處理，不適合燃煤電廠煙氣處理。(2)化學(xué)吸收法所謂化學(xué)吸收法，指的是采用液相溶液，通過化學(xué)反響選擇性地自氣相中脫除易溶于吸收液成分的方法?；瘜W(xué)吸收法脫除CO2實(shí)質(zhì)是利用吸收劑與煙氣中的CO2接觸并發(fā)生化學(xué)反響，形成不穩(wěn)定的鹽類，而鹽類在一定的條件下會(huì)逆向分解釋放出CO2而再生，從而到達(dá)將CO2從煙氣中別離脫除。常用的吸收劑有醇胺、熱碳酸鉀和氨等堿性溶液，目前應(yīng)用廣泛的是醇胺吸收劑，即一乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)、甲基二乙醇胺(MDEA)和2-氨基-2-甲基-1-丙醇(AMP)?；瘜W(xué)吸收法適合處理CO2濃度較低的煙氣，所得CO2純度可達(dá)99.99%。(二)醇胺吸收法脫碳1．工藝系統(tǒng)及流程(1)吸收(2)再生(3)精制2．捕集系統(tǒng)主要參數(shù)控制3．工藝特點(diǎn)脫碳裝置與鍋爐煙氣系統(tǒng)連接示意圖脫碳工藝流程1-引風(fēng)機(jī)；2-洗滌液貯槽；3-尾氣洗滌泵；4-洗滌液冷卻器；5-吸收塔；6-富液泵；7-貧液冷卻器；8-活性炭過濾器；9-貧/富液換熱器；10-貧液泵；11-溶液貯槽；12-胺回收加熱器；13-堿泵；14-堿槽；15-再生塔；16-煮沸器；17-自吸泵；18-地下槽；19-回流補(bǔ)液泵；20-再生氣冷卻器；21-再生氣別離器；22-旋風(fēng)別離器(1)吸收在一般情況下，從除塵、脫硫后引來的煙氣溫度約為40～50℃，正好處于MEA理想吸收溫度在吸收塔中，煙氣與由塔頂噴射的吸收液形成逆流接觸，煙氣中的CO2與吸收劑發(fā)生化學(xué)反響而形成弱聯(lián)結(jié)化合物，脫除了CO2的煙氣從塔頂排出富含CO2的吸收液(簡(jiǎn)稱富液)回收熱量后送入再生塔的頂部。由于MEA具有較高的蒸汽壓，為減少M(fèi)EA蒸汽隨煙氣帶出而造成吸收液損失，通常將吸收塔分成兩段，下段進(jìn)行酸氣吸收，上段通過水洗，降低煙氣中MEA蒸汽含量。洗滌水循環(huán)利用，為防止洗滌水中MEA富集，需要將一局部洗滌水并入富液中送去再生塔進(jìn)行再生，損失的洗滌水通過補(bǔ)給水(除鹽水)來保持。(2)再生富液從再生塔頂部噴頭噴淋而向下流動(dòng)，經(jīng)塔下部上升的熱蒸汽加熱，汽提解吸出局部CO2(因此也常將再生塔稱為汽提塔)，此時(shí)吸收液可稱為半貧液；半貧液進(jìn)入煮沸器內(nèi)進(jìn)一步解吸，剩余的CO2別離出來，吸收液變?yōu)樨氁?；貧液由再生塔底流出，?jīng)貧/富液換熱器、貧液冷卻器冷卻，冷卻后的貧液進(jìn)入吸收塔循環(huán)吸收。吸收劑往返循環(huán)構(gòu)成連續(xù)吸收和解吸CO2的工藝過程。(2)再生再生氣(或產(chǎn)品氣)經(jīng)再生氣冷卻器和別離器別離，水通過回流補(bǔ)液泵打回再生塔上部，產(chǎn)品氣至精制工序。在貧液冷卻器后設(shè)立旁路，約10～15%的貧液經(jīng)過活性炭過濾器，脫除吸收液中的鐵銹等固體雜質(zhì)。為處理系統(tǒng)產(chǎn)生的熱穩(wěn)定鹽，設(shè)置胺回收加熱器，需要時(shí)將局部貧液送入回收加熱器中，參加NaOH或Na2CO3溶液，通過蒸汽加熱再生回收MEA溶液。由于SO2、NOx等氣體與MEA反響生成不能再生的化合物，凈化后的煙氣也會(huì)帶走局部MEA蒸汽，因此，在工藝過程中設(shè)置MEA溶液貯罐，通過吸收劑補(bǔ)充泵進(jìn)行補(bǔ)充。(3)精制生產(chǎn)食品級(jí)CO2精制流程為：原料氣→緩沖罐→冷卻除濕器→壓縮機(jī)→活性炭過濾器→脫硫塔→分子篩枯燥塔→冷凝器→提純塔→過冷器→CO2低溫儲(chǔ)槽→充裝。工藝原理根據(jù)理論分析，MEA與二氧化碳反響生成比較穩(wěn)定的氨基甲酸鹽，在再生過程中需要較多的能量才能分解，導(dǎo)致再生能耗較大。同時(shí)氨基甲酸鹽對(duì)設(shè)備的腐蝕性較強(qiáng),又易形成水垢。MEA與二氧化碳的反響式如下：因?yàn)镸EA與二氧化碳反響生成比較穩(wěn)定的氨基甲酸鹽，反響〔2〕比反響〔1〕要快得多，所以總反響式可以寫為：2．捕集系統(tǒng)主要參數(shù)控制(1)系統(tǒng)水平衡控制由于吸收塔煙氣排出帶走水份，貧、富液泵機(jī)械密封不好泄漏及出再生塔的CO2帶走水份，導(dǎo)致吸收—再生溶液循環(huán)系統(tǒng)水不平衡，運(yùn)行中通過參加吸收塔洗滌液或再生氣別離器別離出的水來維持；吸收塔洗滌液循環(huán)系統(tǒng)的水平衡，通過參加新鮮除鹽水來維持；當(dāng)吸收塔洗滌液循環(huán)系統(tǒng)有機(jī)胺濃度到達(dá)2%左右，洗滌液經(jīng)尾氣洗滌泵至地下槽，通過自吸泵打入再生塔，由于洗滌液中所含胺的濃度比溶液循環(huán)系統(tǒng)中胺的濃度低得多，相當(dāng)于系統(tǒng)的水量增加，此時(shí)，要將相同量的冷凝液經(jīng)由回流補(bǔ)液泵補(bǔ)回至洗滌液貯槽。2．捕集系統(tǒng)主要參數(shù)控制(2)溫度控制對(duì)吸收塔而言，溫度低有利于CO2吸收，但溫度太低，溶液對(duì)CO2吸收速度太慢，CO2脫除率反而會(huì)降低，同時(shí)加重?fù)Q熱設(shè)備的負(fù)荷。溫度上升雖增加擴(kuò)散系數(shù)，提高反響速率，但同時(shí)會(huì)造成CO2溶解度降低。綜合考慮吸收塔溫度控制為40℃左右。對(duì)再生塔而言，溫度高有利于解吸，但溫度過高會(huì)引起有機(jī)胺的降解，增加腐蝕，增加能耗，還可能使溶液在局部地區(qū)產(chǎn)生爆沸，造成塔內(nèi)攔液和泛塔現(xiàn)象，影響再生效果。因此，當(dāng)塔頂壓力維持在0.02～0.04MPa，MEA含量在20％左右時(shí)再生塔底溶液溫度控制在約110℃。再生塔的溫度是通過調(diào)節(jié)溶液煮沸器加熱蒸汽的流量來控制。第五章火電廠脫汞技術(shù)一、燃煤電廠汞排放特征

二、燃煤電站汞排放控制技術(shù)汞是唯一主要以氣相形式存在于大氣的重金屬元素。在過去的100年中，約20萬(wàn)噸的汞被釋放到大氣中，目前仍有3500t左右的汞滯留在大氣中。20世紀(jì)80年代后期，人們?cè)跊]有人為污染源的北美和北歐偏遠(yuǎn)地區(qū)湖泊魚體中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)了汞含量超標(biāo)的現(xiàn)象，而大氣汞經(jīng)長(zhǎng)距離傳輸后在這些地區(qū)沉降是造成汞污染的主要原因。至此，這種全新的汞污染模式引起了全球科學(xué)家的普遍關(guān)注，而汞作為一種全球性污染物的概念也正式被提出。由此，在西方興旺國(guó)家興起了環(huán)境汞污染的研究熱潮。在瑞典哥德堡大學(xué)無(wú)機(jī)化學(xué)系OliverLindqvist教授的建議下，于1990年在瑞典召開了首屆汞全球污染物的國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議，之后，這一國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議每2～3年定期召開一屆。隨著國(guó)際社會(huì)對(duì)環(huán)境汞污染問題的關(guān)注，聯(lián)合國(guó)環(huán)境署理事會(huì)第25次會(huì)議決定，擬訂一項(xiàng)具有全球法律約束力的汞問題文書，政府間談判委員會(huì)第一次會(huì)議于2023年6月在瑞典首都斯德哥爾摩召開，來自140多個(gè)國(guó)家和國(guó)際組織的300多名代表出席了本次會(huì)議，會(huì)議選舉了政府間談判委員會(huì)主席團(tuán)成員，通過了談判委員會(huì)議事規(guī)那么，并就汞文書的結(jié)構(gòu)、實(shí)質(zhì)條款、資金機(jī)制、技術(shù)轉(zhuǎn)讓與援助、遵約機(jī)制等進(jìn)行了全面政策交流。談判委員會(huì)將從2023年6月至2023年年初，召開5次會(huì)議，制定出關(guān)于汞污染控制的國(guó)際公約。在全球汞排放來源中，燃煤排放是主要排放途徑之一。2000年12月，美國(guó)環(huán)保署(英文縮寫EPA)宣布開始控制燃煤電站鍋爐煙氣中汞的排放。2005年3月15日，EPA公布了《清潔空氣汞法案》對(duì)燃煤電廠汞排放實(shí)施總量控制，美國(guó)成為世界上首個(gè)針對(duì)燃煤電站汞排放實(shí)施限制標(biāo)準(zhǔn)的國(guó)家，這說明世界在汞污染控制的道路上已走出了重要的一步。目前，我國(guó)除對(duì)垃圾燃燒爐和與汞有關(guān)的化工生產(chǎn)過程出臺(tái)相關(guān)的控制標(biāo)準(zhǔn)外，還沒有制定針對(duì)燃煤過程汞排放的控制標(biāo)準(zhǔn)。但在不遠(yuǎn)的將來，在汞排放領(lǐng)域制定相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)也必是大勢(shì)所趨。一、燃煤電廠汞排放特征

1.燃煤煙氣中汞存在形態(tài)氣態(tài)單質(zhì)汞(Hg0)、氣態(tài)二價(jià)汞(Hg2+)以及顆粒態(tài)汞[Hg(p)]。不同形態(tài)汞的物理、化學(xué)性質(zhì)差異較大一般Hg2+易溶于水，并且易被煙氣中的顆粒物吸附，因此易被濕法脫硫或除塵設(shè)備別離；顆粒態(tài)汞也易被除塵器別離；相反，氣態(tài)單質(zhì)汞不溶于水，除塵或脫硫設(shè)備很難捕獲，幾乎全部釋放到大氣中。因此目前研究的重點(diǎn)是如何將單質(zhì)汞有效地轉(zhuǎn)化為二價(jià)汞，以便于捕捉和控制。一、燃煤電廠汞排放特征

2.三種形態(tài)汞來源煤中的汞在爐膛里釋放出來幾乎全部以氣態(tài)Hg0的形式存留于煙氣中，殘留在底灰中的汞含量占總汞的2%～7%。隨著煙氣流出爐膛，溫度逐漸降低，Hg0經(jīng)過以下幾種不同的變化：①局部Hg0被氧化成Hg2+。目前，學(xué)術(shù)界認(rèn)為含氯物質(zhì)對(duì)Hg0的氧化起主要作用，煙氣中Hg2+大局部是氣態(tài)HgCl2；一、燃煤電廠汞排放特征

②局部Hg0在煙氣溫度降至一定范圍時(shí)受到飛灰和未燃碳顆粒外表物質(zhì)的催化氧化作用，被氧化成Hg2+；③當(dāng)溫度下降到400K以下，各種形態(tài)汞局部被飛灰通過物理吸附、化學(xué)吸附和化學(xué)反響幾種途徑吸收、轉(zhuǎn)化為Hg(p)；④局部Hg0保持不變，隨煙氣排出。一、燃煤電廠汞排放特征

3.三種形態(tài)汞比例的影響因素(1)煤中汞的賦存形態(tài)及含量，其他元素(S、Cl、O)賦存比例和形態(tài)；(2)灰渣中可燃物碳的含量；(3)煙氣從燃燒至排出過程中的溫度變化規(guī)律；(4)靜電除塵器的結(jié)構(gòu)和效率；(5)爐型和燃燒方式。EPA在84個(gè)燃煤電站的測(cè)試結(jié)果說明：約40%的汞遷移到飛灰中被顆粒控制裝置捕捉或存在于濕法洗滌裝置的殘留漿液中，60%的汞那么隨煙氣排入大氣。二、燃煤電站汞排放控制技術(shù)燃燒前脫汞燃燒中脫汞燃燒后脫汞(煙氣脫汞)其中以燃燒后脫汞技術(shù)的應(yīng)用最為廣泛。二、燃煤電站汞排放控制技術(shù)(一)燃