火电厂锅炉汽轮机系统节能环保的问题及措施

摘要：基于可持续发展概念，许多学者提出了绿色产品概念，即资源和能源消耗最少而利用率最高、对环境危害最小或无害产品。本文概述了电厂锅炉汽轮机系统节能环保特征及对环境危害的问题进行综合分析与评价。

关键词：电厂；锅炉汽轮机系统；节能环保

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。