中国燃煤锅炉烟气治理技术的需求与评估

简介： 中国是燃煤大国，SO2排放量连续多年超过2000万t，电厂锅炉和燃煤工业锅炉SO2排放量约占全国SO2排放量的70%。对“十五”期间中国燃煤锅炉治理技术的市场需求、研究和应用现状、行业发展状况进行了综述。从调整能源结构、合理利用天然气，积极发展和实施洁净煤技术，制定促进火电厂脱硫国产化的配套政策三方面对燃煤锅炉烟气污染治理提出了对策和建议。
关键字：燃煤锅炉 烟气治理 需求与评估

　　中国是燃煤大国，燃煤占一次能源消费总量的75%左右。随着经济发展，煤炭消费量增长，二氧化硫排放量不断增加，已连续多年二氧化硫排放量超过2000万t，居世界首位，致使我国酸雨和二氧化硫污染日趋严重。目前我国降水pH小于5.6的国土面积，已占总面积的30%左右，已有约60%的城市环境空气中二氧化硫年平均浓度超过国家《环境空气质量标准》的二级标准值或日均浓度超过三级标准值^[1]。

　　据报道，到2000年底全国火电厂装机容量和发电量分别达到3.19亿kW和1.37万亿kW·h，每年耗用煤炭近5亿t，排放二氧化硫约800万t^[2]；全国现有燃煤工业锅炉50余万台，年耗用煤炭4亿t，排放二氧化硫约640万t^[3]。上述两种燃煤锅炉二氧化硫排放量约占全国二氧化硫排放量的70%，是影响我国城市空气环境质量和形成酸雨、二氧化硫污染的主要污染源。

　　1  中国燃煤锅炉烟气污染治理技术的需求

　　1.1 “十五”期间大气污染的治理目标与任务

　　据“十五”规划，2005年，二氧化硫、尘（烟尘及工业粉尘）等主要大气污染物排放量将比2000年减少10%。二氧化硫排放量控制在1800万t；尘（烟尘和工业粉尘）排放量控制在2000万t。酸雨控制区和二氧化硫控制区二氧化硫排放量比2000年减少20%，排放量控制在1053万t以内。工业二氧化硫排放量控制在1450万t；烟尘排放量控制在850万t；粉尘排放量控制在900万t。保护城市环境，改善重点地区的环境质量，70%以上的城市空气中二氧化硫浓度达到国家空气环境质量二级标准；50%地级以上城市空气质量达到国家二级标准。

　　1.2 “十五”期间大气污染治理投资预测

　　中国以燃煤为主的能源构成决定了防治烟尘和二氧化硫污染是防治大气污染的重点。《国家环境保护“十五”重点工程项目规划》中重点工程项目约1137个，总投资为2620亿元。其中，大气项目182个，投资为974亿元，占总投资的37.2%。目前大气项目已完成投资197.5亿元，占大气项目总投资的20.3%。大气项目中包括清洁能源替代项目84个，需投资482亿元，占大气项目投资的49.5%；集中供热项目47个，需投资230亿元，占大气项目投资的23.6%；污染治理项目51个，需投资261.6亿元，占大气项目投资的26.9%。从大气项目投资的地区分布来看，改善北京市大气环境的项目25个，投资466亿元，占全国总投资的47.8%；建设“两控区”内37个燃煤电厂的脱硫工程，削减二氧化硫排放量能力105万t/a，需投资120亿元。

　　1.3 火电厂烟气污染治理市场预测

　　按照国家环保总局《两控区酸雨和二氧化硫污染防治“十五”计划》，采取的有关火电厂脱硫措施是：(1)严格控制新建火电厂二氧化硫排放。“十五”期间两控区内将投产燃煤火电厂的装机容量为36050 MW，其中计划脱硫的机组装机容量为11924 MW。(2)有效削减现有火电厂约3000万kW机组二氧化硫排放，实现达标排放。“十五”期间，除采取换烧低硫煤和关停小火电机组外，预计约有1/4的机组需进行烟气脱硫。

　　据此两项估计需安装脱硫设施的火电机组装机容量，按照各种脱硫工艺单位造价平均为600元/kW计算，我国两控区2001~2005年火电厂脱硫市场需求见表1^[4]。

　　从表1可以看出，2001~2005年间，我国火电厂需安装脱硫设施的火电机组容量19424 MW左右，市场需求总规模约116.5亿元，平均每年达23.3亿元。如果以2000年全国要求脱硫机组容量11000 MW为基数，则2001~2005年需要安装脱硫设施的火电厂容量平均每年增长22.6%。

　　电除尘器是治理燃煤锅炉烟气中粉尘的主导设备。据测算，“十五”期间，全国对电除尘器的需求总重量为107万t。按9700元/t计，总产值将达到103亿元。其中到2005年，我国火电厂装机容量将达到2.86亿kW。从2000年至2005年新增火电厂装机容量为4846万kW，所需电除尘器总重量为32万t，对旧有机组改造还需18.2万t，共计50.2万t，此时其总产值为48.7亿元。

　　表1   2001-2005年两控区内火电厂脱硫市场预测

　　2  中国燃煤锅炉烟气脱硫技术研究和应用发展趋势

　　早在20世纪70年代我国就开始了火电厂和工业锅炉脱硫技术的研究，先后开展了10多项不同工艺和不同规模的试验研究。主要有：含碘活性炭吸附脱硫技术、旋转喷雾干燥脱硫技术、磷胺复合肥料脱硫技术、炉内喷钙增湿活化脱硫技术、湿式脱硫除尘一体化技术等，取得了阶段性研究成果，有的技术已得到工业性应用，积累了宝贵的经验。在此同时，还引进了一批工艺成熟、技术先进的脱硫工艺和装置，详见表2^[4]。

　　我国控制火电厂二氧化硫排放工作起步较晚，到2000年底，全国投运和在建脱硫机组规模超过1000万kW。1998~2000年审批的大型火电建设项目中，有839万kW机组要求配套脱硫装置，到2000年底，已投入运行的火电厂脱硫工程容量达501.5万kW，占火电厂装机总容量的2.1%，具体包括：在6个火电厂的7台机组（共105万kW）建设了6种不同工艺的脱硫示范工程，在9个火电厂的16台机组（共396.5万kW）建设了商业化脱硫设施，估计每年可削减二氧化硫20万t以上。在501.5万kW投入运行的机组中，国电公司所属电厂约占70%。我国火电厂6个烟气脱硫示范工程见表3^[5]。

　　目前，我国火电厂二氧化硫治理技术仍处于对各种工艺的工程示范阶段。经过10多年的研究开发和工程示范，我国对世界上现有的烟气脱硫技术的一些主要类型都进行过研究和试验。主要技术有：循环流化床烟气脱硫技术、炉内喷钙尾部增湿活化脱硫技术、旋转喷雾干燥烟气脱硫技术、氨法烟气脱硫技术及湿式脱硫除尘技术等。重点发展燃烧高硫煤机组或装机容量大于200 MW机组，脱硫效率大于90%的湿式石灰石-石膏法脱硫工艺，以及适用于燃烧含硫量小于2%，装机容量小于200 MW，脱硫效率大于75%的半干法和其他费用较低的成熟工艺。适当发展适用产热量大于14 MW的工业锅炉和炉窑，脱硫效率大于70%，低成本、使用寿命和可靠性较好的湿式脱硫除尘一体化设备。发展低氮燃烧技术、等离子体法烟气脱硫脱硝技术及工程配套设备、石灰石（石灰）-石膏法、炉内喷钙和各种简易湿法脱硫技术^[5]。

　　表2   引进的脱硫工艺和装置部分情况汇总

　　表3  我国火电厂烟气脱硫示范工程

　　*其中外汇部分按1993年外汇汇率计算

　　目前已具备了一定的脱硫设备制造和配套能力。如石灰石-石膏湿法脱硫系统中，除GGH热交换器、采样与检测元件及控制系统等专用设备外，大多数通用设备及常规电器设备国内均能制造。部分引进国外技术生产的产品，其质量与国外标准接近，而价格则大幅度降低。从总体上来说，我国与发达国家比较，差距比较明显。脱硫设备大多从国外进口，致使脱硫投资大大增加，制约了脱硫技术在国内火电厂的推广使用^[5]。

　　3  中国电除尘行业的发展现状

　　到目前为止，我国电除尘行业已生产近万台板卧式电除尘器，已投入运行的电除尘器单机容量达424 m²，主要用户为电力工业（约占65%～70%）、建材工业（约占16%～18%），其次为钢铁工业、有色冶金工业、化学工业、轻工业等。在电力行业，80年代中期以后200 MW以上机组几乎全部配备了电除尘器，老的100 MW和50 MW机组也有一些将原来的水膜除尘器或文丘里洗涤器改成了电除尘器。建材工业中应用电除尘器最多的是水泥行业，其中用于水泥回转窑的有200多台，熟料冷却机、烘干机、原料磨、水泥磨使用电除尘也有400余台，至于星罗棋布的小水泥厂则更多地使用立管式或简易式电除尘器 ^[5]。

　　目前，我国电除尘行业供大于求。据初步统计，中国电除尘器生产企业已达240多家，50家本体生产企业的生产能力已达28万t左右，年产值超过20亿元。相应的电源厂也有近40家，电除尘设备本体的关键生产线－极板轧制机，按目前市场规模，全国有10套轧机生产线就能满足市场需求，但实际上已建成了39条生产线^[5]。因此，依靠技术进步，调整产业结构，开发有特色的品种，提高产品质量，减轻重量，降低成本，开拓国际市场是电除尘器今后一段时间的发展方向。

　　我国电除尘技术一直跟踪国际先进目标，并自主开发出一批具有特色的电除尘器新型结构，如透镜式电除尘器、屋顶电除尘器、带钢刷清灰电除尘器、立板式电除尘器、管极式电除尘器、横向极板电除尘器、双区电除尘器等，丰富了电除尘器的规格品种，拓展了应用范围。

　　进入90年代，我国电除尘器本体技术水平基本上接近或者部分达到了国际先进水平。主要的标志是：(1) 常规电除尘器的主要性能能够满足国内外不同用户要求，能与国外主要厂家参与国际项目的招标和竞争，有部分产品出口创汇。(2) 我国80年代到90年代初，从国外引进的部分电除尘设备达不到使用要求，如北仑电厂600 MW机组（美国GE公司），宝钢450 m²电除尘器（日立造船公司），但经过国内厂家改造，性能大大改善，超过了原设备。(3) 我国主要的电除尘生产企业已经采用了国外先进的设计方法，包括计算机程序选型和强度计算，CAD设计等^[5]。

　　据统计，1998年电除尘器出口产值达1100万美元。其产品总体水平和国外先进水平相比，还存在一些差距。主要表现在：(1)应用领域尚待进一步开拓，如适用于高浓度（>100 g/m³）、高温（>350 ℃）、高比电阻（>10¹³ Ω·cm）烟尘和含有腐蚀性气体等场合的电除尘器还不普遍；(2)配套的检测仪器和装备比较落后；(3)电除尘器所需的型材不论是规格和品种，还有待改进；(4)本体重量近年来有较大的降低，但比钢耗（kg/m²）仍普遍高于国外先进水平；(5)选型是电除尘应用中的一个技术关键，我国的选型技术还不够成熟，计算机选型在准确性方面有待进一步提高^[5]。

　　4  控制燃煤锅炉烟气污染的对策建议

　　（1）调整能源结构，合理利用天然气。

　　我国长期以来能源构成以煤为主，在一次能源消费中煤炭约占70%以上，每年排放SO₂和烟尘约为2000万t和1200万t，是世界上排放量最大的国家。随着人民生活水平和大中城市对大气环境保护的要求的提高，对优质一次能源的需求必然会不断扩大，特别是天然气的利用，由于有很好的环境效果而受到多方关注。

　　在天然气开发和“西气东输”工程的带动下，近期我国不少地区规划了天然气电厂，如新疆和田电站50 MW、陕西靖边电厂2×300 MW和兰州燃气电厂一期工程600 MW已开始筹建。另外，华东地区已有8个燃气电厂和河南省郑州燃气电厂等项目通过初步可行性审查，总装机容量达到5300 MW。北京高井电厂、湖北武昌热电厂、沙市热电厂等装机容量为1250 MW的10台机组将由燃煤或然油改为燃气。福建、广东、广西等省（区）拟新建或改建7020 MW容量的燃气机组。

　　仅根据上述不完全统计，在近3～5年内全国将会有14820 MW燃气发电机组先后投入运行，年耗天然气量将达到280亿～300亿m³（折合3440万～3680万t标煤），相当于2000年全国天然气的年产量，约占2005年全国天然气预测产气量的50%以上。由于天然气发电是一项技术和资金密集型的项目，而目前我国在技术装备、管理经验，资金筹措和发电成本的消纳等方面有许多实际问题需要解决。因此，在起步阶段对天然气发电项目的规模应适当控制。另外，天然气是一种高品位的优质能源，把它用于发电燃料时，不能单纯的将现有燃煤锅炉改为燃气锅炉，而应在锅炉前增设燃气轮机，做功后的尾气再进锅炉，提高整个发电机组的效率，增加发电量，以消纳一部分因燃料价格不同而造成的发电成本的增加，减轻用户的负担。

　　采用天然气发电后，其环保效益从减少排放总量来说，烟尘和二氧化硫的排放量将大幅度减少，氮氧化物的排放量也会有不同程度地减少。其效果是十分显著的。就其对城市大气环境质量的影响来看，由于电厂大多建在城区外围，又是高烟囱排放，有利于扩散，加之污染治理设施较为完善，其影响程度可得到有效控制。因此，在发展天然气发电时，因根据不同地区的环境要求、天然气来源及其价格、发电厂所处的地理位置等诸多方面因素进行合理性分析，以取得全社会环境效益事半功倍的效果。

　　（2）积极发展和实施洁净煤技术

　　据了解1999年全国煤炭消费量为12.64亿t，其中约84%煤炭作为动力煤用于直接燃烧。预计在今后相当长的一段时间内，煤炭仍是我国的主要一次能源。发展和实施洁净煤工程是保证能源持续发展战略和控制燃煤污染的现实选择。“十五”国民经济和社会发展计划中已将洁净煤技术列为能源建设的重要内容，为此建议：

　　①在全国建立一批以动力煤的洗选、配煤、型煤、水煤浆等综合加工配送工程，按燃煤用户的需要，提供质量优良的加工产品。

　　②结合电力、工业和民用燃煤设备的规模和特点，通过技术和经济分析、分期、分区域对燃煤设备进行技术改造和设备更新，尤其应强化对中小型燃煤设备的技术改造和更新工程，推广应用低硫煤和层燃燃煤设备燃用筛选块煤等节能减污技术。

　　③在已有水煤浆技术成果的基础上，为完成“十五”期间的节油目标，应进一步完善水煤浆代油技术，通过工程示范，积累经验，为大型燃煤设备的应用创造条件。

　　（3）制定促进火电厂脱硫国产化的配套政策^[6]

　　为促进火电厂烟气脱硫国产化，必须研究制定相配套的鼓励政策，如向承担建设火电厂烟气脱硫国产化的企业和承包火电厂烟气脱硫工程的工程公司提供长期低息优惠贷款政策；对进口烟气脱硫成套设备分阶段合理征税，引导和鼓励企业使用国产烟气脱硫设备的政策；鼓励烟气脱硫国产化依托工程所在的电厂多发电，提高其经济效益的政策等等。政策是否配套，影响到规划目标能否如期实现。国家有关部门应研究制定火电厂烟气脱硫关键技术和设备国产化的政策，逐步形成促进火电厂烟气脱硫国产化和产业化的配套政策体系。

　　参考文献

　　1  中国环境科学研究院标准所.大气污染达标技术指南，1997

　　2  中国21世纪议程管理中心《中国环保科技及产业研究》课题组.中国环保科技及产业研究.2000

　　3  郝吉名,王书肖,陆永琪.燃煤二氧化硫污染控制技术手册. 北京：化学工业出版社，2001

　　4  中国工程院、中国科技院先进环保技术领域咨询项目组.《燃煤锅炉脱硫技术装备》重点专题咨询研究报告. 2000

　　5  中国环境保护产业协会.中国环境保护产业技术装备水平评价. 北京：中国环境科学出版社，2000

　　6  国家经济贸易委员会文件.关于印发《火电厂烟气脱硫关键技术与设备国产化规划要点》的通知.   2000

　　（收到修改稿日期：2004-05-15）

　　[1] 第一作者：宁寻安，男，(1967-  )广东工业大学讲师，华南理工大学环境工程硕士研究生毕业，目前为中山大学环境科学专业博士生。研究方向：三废治理、环境规划与环境影响评价。