以山西为代表的一大批能源大省，已经逐步开始进行能源结构改革，在大的能源背景下，很多发电单位开始围绕煤炭的高效燃烧与尾气排放管理进行能源结构改造，其中燃煤电厂超低排放改造技术就是电厂实现转变的一种重要方式，本文基于燃料和尾气排放管理两个方面进行分析，以煤炭的富氧燃烧技术进行分析，并以太原市第二热电厂的改造为例，进行尾气排放改造方案的实例分析。
1 燃煤电站超低排放改造技术发展背景
能源在人类的生活和生产中起着至关重要的作用，是我们赖以生存的基础，也是现代社会经济发展的重要支柱，同时也是国家重要的战略物资。合理的开发和利用能源，将对人类社会和世界经济的发展将起到至关重要的作用。自20世纪70年代出现的两次能源危机，导致了油价暴涨，经济重挫。在当今世界全球化发展中，能源安全已经上升到国家安全的高度。
在油气资源相对集中的中东地区，一直存在着政治，外交及军事的冲突，在近期的战争就有2011年美国发动的利比亚战争，2013年美国攻打叙利亚以及2015年沙特发动的对也门的战争。因此，能源的安全关系到一个国家的长治久安，无论是发展中国家还是发达国家都把能源的安全作为国家安全的一个重要组成部分。习主席提出建设 “一带一路”战略构想，中国与中东国家的能源关系发展迅速，已成为中国“一带一路”框架的战略支点。
面对国内石化能源短缺、能源价格和使用成本的大幅攀升、以及国内环境的不断恶化，积极开发新能源，寻求未来经济的可持续发展已经成为我们国家的重要战略任务，运用新的燃料燃烧技术和尾气管理设备改善传统的石化能源运行现状，已经成为我们目前迫不及待的任务，无论是从环境保护还是社会经济的可持续发展来看，石化能源在未来将会逐渐走向一个衰退的过程，能源的合理开发和有效的利用关系到世界的未来，我们现如今正面临着人口与环境，社会与资源的多重压力挑战。
表1 大气污染物特别排放限值
基于大的能源背景，我国对现存的燃煤电厂提出了新的要求——节能改造。在现存的改造过程中主要是围绕已有的节能技术，对煤粉的高效燃烧和尾气排放管理进行进一步技术提升，从而到达工业排放新标准(表一)。这也是今后燃煤电厂一个重要的研究和发展方向。
2 燃煤电厂超低排放技术研究路线——以富氧燃烧为例的高效燃烧
2.1 富氧燃烧概述
现如今，人类消费的能源其中约80%是通过燃烧获得的，然而燃烧却带来了一系列环境问题。如何在提高资源的利用率的同时，也能减少有害气体的排放量是很有前景的课题。
目前可以采用的技术有催化燃烧、高温空气燃烧、富氧燃烧等。这些技术可以有效的缓解现在的环境污染问题，具有很大的实用前景。富氧是指氛围中氧气浓度高于空气中的浓度(>20.97%)。
富氧燃烧又称为OEC(oxygen enriched combustion)，被认为是一项节能高效的燃烧技术。就低碳排放来说，该技术也是燃煤电厂最有潜力的技术之一。富氧燃烧的极限是使用纯氧(含氧>99%)为燃烧氛围进行燃烧。观察在足氧的氛围，污染物的排放情况。
以O2/CO2气氛代替空气作为燃烧环境进行煤粉富氧燃烧。寿恩广经研究发现，提高氧气浓度可以改善煤粉/煤的燃烧反应，降低燃尽温度，使燃烧反应像低温区移动;煤粉与煤的掺混比例不同，对燃烧特性参数的影响也不同。当煤粉与煤的掺混比较小时，氧气浓度的变化对混合燃料的着火温度的影响并不明显。
在O2/CO2各占一半的气氛下，随着煤粉比例的增加，所有特征参数都会向低温区域前移，在固定碳燃烧阶段逐渐增大。由于富氧燃烧对提高火焰温度和燃烧效率有显著对的作用，故在玻璃熔窑和金属冶金等需要高温操作行业的使用广泛。
2.2 富氧燃烧的特点
富氧燃烧与普通空气燃烧相比，是将氛围中的氧气浓度提高。由于氧气浓度较高，它可以使反应更加完全从而也可以使空气的过量系数得到降低，提高反应速率，最重要的是可以减少烟气量的排放。即使富氧燃烧有上述特点，燃烧产生的污染物仍是需解决的问题。
实验过程中，需要分析在富氧状态下，烟气中SO2、NOX和颗粒物等污染物的含量是否发生变化，调整氧气浓度如何影响污染物成分的浓度大小以及后续的污染物的排放都也是研究的主要方向。
2.3 国内外煤粉富氧燃烧研究
近些年来，国内外的学者对煤粉和煤的富氧燃烧进行了研究。罗思义[8]做了煤粉微米燃料在富氧状态下燃烧的实验并分析其特性。他认为富氧燃烧对改善煤粉的燃烧特性起到很大作用。他指出在氧浓度为40%时，炉膛温度可达1600℃，释放出大量热量。陈祎研究了不同煤粉的燃烧特性，燃料采用了3种煤粉。
得出结论：受氧气浓度的影响与煤粉种类是相关的，然而对于同一煤粉来说，氧气浓度增加，煤粉的燃烧特性变化明显且气体的析出温度范围变小。王芸以褐煤为实验原料在不同的氧气浓度下进行热解实验，并对实验结果进行了动力学分析。
实验分析得出：随着氧气浓度的增加，燃烧反应的时间减少但是放热的峰值增加，由此可知，氧气浓度的增加增强了热解反应;在研究各种生成气体的曲线时发现，随着氧气浓度的增加，大部分气体析出的时间都减少但是峰值也在增加。王泉斌[11]将煤粉与生物质进行了掺混作为实验燃料，进行了实验。
实验结果表明，当氧气浓度增加时，不同直径的颗粒变化不同，小颗粒的样品变化幅度较小，较大的颗粒变化有较大的增长。外国学者H. Haykiri-Acma 研究了在空气和纯氧两种不同气氛下，煤粉与褐煤混合燃烧的特性。实验结果表明，在纯氧条件下，煤粉与煤掺混作为原料较只有煤作为原料的情况产生的热流率较大。
3 燃煤电厂超低排放技术应用分析——以太原第二热电厂为例
山西是我国的煤炭生产和利用大省，高效用煤是山西在新的能源改革趋势下一个重要的主题。基于燃煤的高效燃烧和尾气排放管理，对传统的发电、减排系统进行了一些列的改进和发展，从实际使用来说，得到了很好的应用效果，笔者以太原第二热电厂为例，对本厂实现的一系列超低排放技术应用进行简单介绍。
本实例中的超低排放改造工作中，主要进行了两期改造工程(六期、七期)，且值得一提的是，该厂针对设备情况，对六期、七期各机组采用了不同的改造方案。
3.2 改造前本厂设备建筑概况
太原第二热电厂是山西大唐发电集团下属的以发电和供热为主的热电厂，太原第二热电厂扩建工程2×330MW项目 12号炉为亚临界压力一次中间再热自然循环锅炉。亚临界参数、自然循环、单汽包、单炉膛平衡通风、死角切圆燃烧、一次中间再热、平衡通风、燃烧器摆动调温、紧身封闭、主副双钢架π汽包炉、固态排渣、煤粉炉、空气预热器采用三分仓回转式预热器。
锅炉的制粉系统采用ZGM95G-Ⅱ中速磨煤机正压冷一次风机直吹式系统。设计煤种每台锅炉配置5台中速磨煤机。煤粉细度R90≤14.5%，其中4台运行，1台备用。本工程点火方式采用微油点火+常规油枪点火，在燃烧器A层配置微有点火装置。
厂设备在改造前使用的是石灰石脱尿酸热解SCR脱硝不带除尘。针对除尘，目前常用的技术主要为静电除尘、布袋除尘、电袋复合除尘及湿式静电除尘等，在技术方面，MEIJI等诸多国内外学者展开了深入的研究，其研究方向主要为除尘器电源设计、颗粒物比电阻对于除尘少于的影响等。
图1 显示是一种MGGH低低温电除尘超低排放技术，这种排放技术是低低温电除尘技术的典型代表，在我国目前使用的装机容量已经达到13000MW。图二显示的是一种MGGH湿式电除尘超低排放技术，在烟气脱硫装置欧增设实施电除尘器，既可以满足烟尘超级排放要求，哈可以减轻湿法脱硫后的环境污染。
图2 MGGH湿式电除尘超低排放技术
3.2 针对10号/11号机组的第六期改造工程
对于六期工程，主要是针对10号，11号机组脱硝设备进行了改造。其改造后的脱销系统示意图可如图3所示。改造的主要工作是由下三个部分组成的。
第一、采取了在原有的“2+0”基础上，同时使用新型的催化剂(或更换新的催化剂配方)，并对催化剂吸收层结构采取加高处理，使得改造之后的10号，11号机组脱硝设备反应面积相比原有反应面积有效增加了30%，改造的效果是有效提高了NOx吸收率。
第二、脱硫设备改造中采取了在吸收塔入口烟道至第一层喷淋层之间加装脱硫提效装置，优化设计喷淋层支管和喷嘴布置，采用高效喷嘴，净烟道在原GGH处拉直减少弯头和烟道长度的方式。
第三、除尘设备采取了脱硫系统协同除尘技术，将原吸收塔除雾器更换为管束式除尘除雾装置，对应改造管束式除尘器冲洗水管道和阀门及控制逻辑。
图3 实际运行中10号/11号机组改造之后的脱硝系统
3.3 针对12号/13号机组的第七期改造工程
对于七期工程，主要是针对12号，13号机组脱硝设备进行了改造。
七期12号、13号机组脱硝设备采取了在SCR预留层新加催化剂，增容为3层催化剂布置。除尘设备使用脱硫系统协同除尘技术，12号脱硫将原吸收塔除雾器更换为管束式除尘除雾装置，13号脱硫将原吸收塔除雾器(2层屋脊+1层管式)更换为高效除雾器(3层屋脊式)。
如图4是13号机组改造之后的CEMS参数，从图中可以看出实现超低排放改造之后，13号机组的烟气废气得到进一步控制，经过相同的观察后发现：全部机组改造后NOx排放浓度小于50?mg/Nm?SO2排放浓度小于35mg/Nm?，固体颗粒物排放浓度小于5?mg/Nm?，远低于国家标准，达到了超低排放的要求。
图4 实际运行中13号机组改造之后的CEMS参数
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《电力技术》2016年第10期 作者：刘义林