碳減排情景下燃煤電廠煙氣脫硫技術(shù)優(yōu)化及評價方法

高明楷，楊 普，吳海濱，程芳琴，，楊鳳玲，

(1.山西大學(xué) 資源與環(huán)境工程研究所，山西 太原 030006；2.國家環(huán)境保護(hù)煤炭廢棄物資源化高效利用技術(shù)重點實驗室，山西 太原 030006)

0 引 言

電力行業(yè)是我國經(jīng)濟(jì)的支柱行業(yè)，其中燃煤火力發(fā)電是我國的主要發(fā)電方式。然而，火力發(fā)電產(chǎn)生的煙氣中含SO2、NOx和煙塵等污染物，造成嚴(yán)重的大氣污染及生態(tài)環(huán)境問題[1]，其中SO2是造成酸雨的主要污染物之一，因此控制燃煤電廠煙氣中SO2的排放至關(guān)重要。國內(nèi)外現(xiàn)有的眾多脫硫技術(shù)中，根據(jù)電廠工作流程，主要分為燃燒前、燃燒中和燃燒后3種控制類型，其中燃燒后控制技術(shù)即煙氣脫硫(Flue Gas Desulfurization，F(xiàn)GD)技術(shù)，通過對鍋爐燃燒后的尾部煙氣進(jìn)行脫硫，在工業(yè)上得到普遍應(yīng)用[2]。

然而，隨環(huán)保要求的提高，污染物排放要求日益嚴(yán)格[3]，要求全國所有具備改造條件的燃煤電廠爭取實現(xiàn)超低排放，煙塵、SO2、NOx質(zhì)量濃度限值分別為10、35、50 mg/m3。同時脫硫系統(tǒng)在運(yùn)行中也存在許多問題，如脫硫劑消耗量高，脫硫劑一般為石灰石，脫硫過程排放大量CO2。因此,碳減排下燃煤電廠煙氣脫硫技術(shù)的優(yōu)化改造尤為重要，如優(yōu)化系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)[4]或合理安排爐內(nèi)爐外脫硫分配比例[5]，可提高整體脫硫效率和鍋爐穩(wěn)定性，減少運(yùn)行成本，降低CO2排放等。此外，由于大多FGD技術(shù)在脫除SO2的同時釋放了大量CO2，對全球變暖造成影響，因此，在減排背景要求下，煤電行業(yè)需滿足能耗及碳排放總量控制要求[6]，需FGD工藝對優(yōu)化前后的碳排放及其他有害物質(zhì)排放進(jìn)行全面計量，并進(jìn)行系統(tǒng)全面的環(huán)境影響評價。然而，傳統(tǒng)評價方法通常只分析技術(shù)成熟度、適應(yīng)性及經(jīng)濟(jì)性等，無法全面分析工藝系統(tǒng)對環(huán)境的影響[7]，為彌補(bǔ)傳統(tǒng)技術(shù)評估的局限性和片面性，可采用生命周期評價方法(Life Cycle Assessment，LCA)。生命周期評價可從工藝的整個生命周期角度，對其能源、資源消耗和污染物排放進(jìn)行量化，評估其產(chǎn)生的環(huán)境影響，并進(jìn)一步提出優(yōu)化建議，科學(xué)進(jìn)行節(jié)能減排[8-9]，實現(xiàn)高效脫硫過程的減碳運(yùn)行。筆者對燃煤電廠煙氣脫硫技術(shù)的工藝、優(yōu)化模型、評價方法進(jìn)行總結(jié)，以期為后續(xù)工藝優(yōu)化實現(xiàn)低碳運(yùn)行提供方案。

1 燃煤電廠脫硫技術(shù)

燃煤電廠脫硫技術(shù)按脫硫過程和脫硫產(chǎn)物的特征形態(tài)可分為爐內(nèi)干法脫硫和半干法脫硫、濕法脫硫3類，其中石灰石-石膏濕法脫硫應(yīng)用最廣泛。此外，對于循環(huán)硫化床(Circulating Fluidized Bed，CFB)鍋爐機(jī)組一般采用爐內(nèi)噴鈣與爐外FGD協(xié)同脫硫的方式。

1.1 CFB爐內(nèi)噴鈣脫硫技術(shù)

循環(huán)流化床鍋爐相較于煤粉爐，其燃燒效率高、燃料適應(yīng)性廣、負(fù)荷調(diào)節(jié)性能好，是一種新型的燃煤發(fā)電技術(shù)?，F(xiàn)階段部分企業(yè)經(jīng)參數(shù)調(diào)整，可實現(xiàn)適應(yīng)新能源發(fā)展的電網(wǎng)調(diào)峰寬負(fù)荷運(yùn)行。在脫硫方面可采用爐內(nèi)石灰石脫硫，具有脫硫效果好、成本低、配套設(shè)施簡單、調(diào)整燃燒實現(xiàn)灰渣綜合利用等優(yōu)點。

爐內(nèi)脫硫技術(shù)是通過氣力輸送系統(tǒng)將一定粒徑的石灰石粉噴射到爐內(nèi)最佳溫度區(qū)，在燃燒過程中脫硫[10-11]。石灰石粉在約850 ℃受熱分解為CaO和CO2；煅燒生成的多孔狀CaO在爐內(nèi)與煙氣中的SOx發(fā)生反應(yīng)生成CaSO4，隨灰渣排出完成脫硫[12]，其化學(xué)方程式為

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未完全反應(yīng)的較大粒徑石灰石可被旋風(fēng)分離器分離，重新返回爐膛循環(huán)利用，使其與煙氣有良好的接觸反應(yīng)時間；同時CFB鍋爐內(nèi)大量循環(huán)的物料顆粒相互摩擦碰撞，使石灰石顆粒表面的CaSO4層被磨損，露出新表面；鍋爐較低的燃燒溫度使CaO不會被燒結(jié)，從而保證了系統(tǒng)的脫硫效率。爐內(nèi)脫硫的整個工藝流程如圖1所示，原料石灰石粉由柱磨機(jī)磨制成合格的粒徑后儲存在石灰石粉倉，石灰石粉通過變頻給料機(jī)計量進(jìn)入緩沖倉，再經(jīng)低壓連續(xù)輸送泵與高壓空氣混合從主輸粉管道，通過分配器噴入爐膛合適的位置，且系統(tǒng)可根據(jù)煙氣中SO2排放量自動調(diào)整出力大小。

圖1 CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫工藝流程

CFB鍋爐爐內(nèi)脫硫效率的影響因素很多，主要包括石灰石的品質(zhì)及粒徑、鈣硫物質(zhì)的量比(Ca/S)、床溫、反應(yīng)時間、加料位置和輸送系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性等。工程設(shè)計應(yīng)用中，石灰石的含水率一般<1%，粒度在0～2 mm，以保證系統(tǒng)的正常穩(wěn)定運(yùn)行；運(yùn)行表明Ca/S>1.6，鍋爐床溫控制在830～900 ℃時具有較高的脫硫效率。實際運(yùn)行中由于Ca/S高，粉煤灰利用困難，因此，合理調(diào)整脫硫比例和運(yùn)行參數(shù)從而更好利用粉煤灰是源頭控制污染的良好途徑。

為提高其反應(yīng)性能、降低Ca/S、減少CO2排放，王鵬程等[13]提出了從二次風(fēng)管帶入脫硫劑，優(yōu)化了石灰石的反應(yīng)條件，并在河坡電廠進(jìn)行了改造，提高了脫硫反應(yīng)的速度和效率，降低了石灰石消耗量和CO2排放，提供了快速固硫減碳的技術(shù)途徑。

1.2 石灰石-石膏煙氣濕法脫硫技術(shù)

石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)具有原料易得、脫硫效率高(95%)、副產(chǎn)品可利用、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點[14]，缺點是投入運(yùn)行成本高，系統(tǒng)復(fù)雜且設(shè)備易磨損，但綜合考慮，認(rèn)為該技術(shù)成熟、適合廣泛應(yīng)用。石灰石-石膏濕法煙氣脫硫典型工藝流程如圖2所示，主要由煙氣、吸收塔、石灰石漿液制備、石膏漿液脫水、廢水處理、漿液排放和回收等單元系統(tǒng)組成，這些系統(tǒng)協(xié)同作用使整個脫硫系統(tǒng)穩(wěn)定有序運(yùn)行[2]。

圖2 石灰石-石膏法煙氣脫硫工藝流程

該工藝的脫硫反應(yīng)在吸收塔內(nèi)完成，石灰石漿液作為脫硫吸收劑從吸收塔上部噴淋與煙氣中SO2、SO3和HCl等酸性氣體反應(yīng)生成CaSO3，并在循環(huán)池中被空氣氧化成CaSO4·2H2O；當(dāng)漿液密度在(1 100±20)kg/m3、固體質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)23%～25%時，由石膏排出泵排到石膏旋流站，石膏漿液一般進(jìn)行兩級分離后綜合利用[15-17]；凈化后的煙氣一般經(jīng)過2層除霧器去除霧滴，最后在出口煙道中加熱升溫后，通過煙囪排入大氣。

煙氣中SO2脫除過程在氣、液、固三相中完成，氣體SO2和固體CaCO3先溶解進(jìn)入液相，在液相中完成復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)[18]，整個過程的主要化學(xué)反應(yīng)方程式為

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(4)

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(6)

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(9)

通常，影響該技術(shù)脫硫效率的主要因素為漿液pH、Ca/S、液氣比、粉塵濃度以及吸收塔內(nèi)漿液密度等。實際運(yùn)行中，由于各企業(yè)設(shè)備不同，存在吸收和氧化不匹配的問題，脫硫石膏漿液中氯離子含量高而結(jié)晶效果差，漿液黏稠難以過濾，石膏產(chǎn)品難以利用等問題，因此優(yōu)化吸收塔中的運(yùn)行參數(shù)和實時控制具有較大的理論意義和經(jīng)濟(jì)價值[19]。

2 煙氣脫硫系統(tǒng)性能優(yōu)化

隨低碳排放和環(huán)保要求的日益嚴(yán)格，燃煤電廠需迫切進(jìn)行精細(xì)化管理，靈活性優(yōu)化改造，以降低運(yùn)行成本，實現(xiàn)靈活調(diào)峰，促進(jìn)電廠適應(yīng)新能源發(fā)展。然而，在實際運(yùn)行中，煙氣脫硫還存在堵塞、腐蝕、磨損等諸多問題，脫硫效率降低、耗時且增加生產(chǎn)成本增加。學(xué)者們采用多種方法對FGD技術(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提出改進(jìn)措施，其方法主要包括理論建模優(yōu)化、控制系統(tǒng)優(yōu)化和系統(tǒng)運(yùn)行條件優(yōu)化3個方面。

2.1 脫硫系統(tǒng)工藝?yán)碚摻?yōu)化

通過建立理論模型模擬脫硫反應(yīng)的過程，尋找可影響系統(tǒng)性能的工藝參數(shù)及其邊界條件，節(jié)省大量試驗投入、研究費(fèi)用和時間。多數(shù)學(xué)者運(yùn)用Aspen Plus軟件模擬計算流體力學(xué)(Computational Fluid Dynamics，CFD)數(shù)值模擬和建立數(shù)學(xué)模型等方法，探究燃煤電廠煙氣脫硫工藝的優(yōu)化。

2.1.1脫硫工藝的Aspen Plus模擬

Aspen Plus軟件是世界公認(rèn)的大型標(biāo)準(zhǔn)模擬流程軟件且是唯一可處理含電解質(zhì)、固體、生物質(zhì)和常規(guī)物料等復(fù)雜體系的流程模擬系統(tǒng)，其廣泛應(yīng)用于煤炭、發(fā)電、化學(xué)和石油工業(yè)等領(lǐng)域[20]。利用Aspen Plus不僅可模擬脫硫脫硝過程的反應(yīng)機(jī)理，還可實現(xiàn)整個過程的模擬，如模擬工藝的物料、熱量恒算、各參數(shù)對工藝影響情況的靈敏度分析及工藝參數(shù)優(yōu)化等。因此，利用Aspen Plus可有效幫助FGD技術(shù)的優(yōu)化研究。

洪文鵬等[21]用Aspen Plus對氨法脫硫工藝單塔系統(tǒng)的化工過程進(jìn)行模擬，分析了主要運(yùn)行參數(shù)對脫硫效率的影響。結(jié)果表明，脫硫效率與入口煙氣中SO2質(zhì)量濃度呈反比，與液氣比呈正比，且液氣比在7.5～10.0 L/m3時脫硫效率高于95%。于荊鑫等[22]用Aspen Plus軟件對某350 MW 燃煤電廠煙氣污染控制單元進(jìn)行模擬，分析了操作參數(shù)對濕法脫硫工藝的影響，得出脫硫塔與除塵器對SO3和灰分脫除具有協(xié)同作用，且濕法脫硫過程中石灰石漿液流量增加及入口煙氣溫度降低均有利于SO2和SO3的脫除。

2.1.2脫硫塔內(nèi)結(jié)構(gòu)參數(shù)的CFD數(shù)值模擬

CFD技術(shù)可利用計算機(jī)實現(xiàn)不同類型和速度范圍內(nèi)流體的數(shù)值模擬計算，預(yù)測流體在變化后的各種性質(zhì)，克服傳統(tǒng)設(shè)計方法中的缺陷，減少物理試驗，縮短研發(fā)周期，還能獲取大量空間分布的瞬時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)可視化效果，從而指導(dǎo)工程設(shè)計和優(yōu)化[23-25]。

已有學(xué)者將CFD技術(shù)應(yīng)用于脫硫吸收塔的設(shè)計及優(yōu)化，為運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化提供參考。曲江源等[26]以實際工業(yè)規(guī)模濕法煙氣脫硫塔為研究對象，采用基于歐拉-拉格朗日法的CFD數(shù)值模擬方法建立塔內(nèi)氣-液兩相流動、傳熱、傳質(zhì)及化學(xué)反應(yīng)相耦合的綜合模型，考察了SO2質(zhì)量濃度與漿液pH的徑向分布特性和流動對化學(xué)吸收過程的影響規(guī)律。鐘毅等[27]基于CFD軟件結(jié)合非穩(wěn)態(tài)傳質(zhì)理論對某300 MW機(jī)組濕法煙氣脫硫(Wet Flue Gas Desulfurization，WFGD)噴淋塔內(nèi)SO2濃度場進(jìn)行數(shù)值模擬研究，分析了主要參數(shù)對脫硫效率的影響，并根據(jù)計算結(jié)果對運(yùn)行參數(shù)的優(yōu)化提出建議，即液氣比宜取16～17 L/m3，煙氣流速宜取3.5～4.0 m/s；低負(fù)荷運(yùn)行時建議關(guān)閉頂層噴淋層，其結(jié)果可為煤電企業(yè)吸收塔的運(yùn)行參數(shù)選取提供依據(jù)。另外，CFD數(shù)值模擬可對吸收塔內(nèi)流場進(jìn)行研究。陳鴻偉等[28]用Fluent軟件考察了噴淋對SO2吸收區(qū)的影響以及不同噴淋層數(shù)和運(yùn)行負(fù)荷塔內(nèi)的阻力特性。卜奔等[29]研究了雙面對切進(jìn)口對塔內(nèi)流場分布的影響。

2.1.3脫硫系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)的數(shù)學(xué)建模

根據(jù)脫硫過程的傳質(zhì)和反應(yīng)機(jī)理建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行數(shù)值模擬能夠?qū)γ摿蚬に囉懈钊氲恼J(rèn)識，為脫硫系統(tǒng)的運(yùn)行和工藝的優(yōu)化與設(shè)計提供參考[18]。由于脫硫的傳質(zhì)和反應(yīng)過程復(fù)雜，難以每個過程都建立精確的數(shù)學(xué)模型。為研究具有混雜系統(tǒng)特性的WFGD過程中吸收塔的優(yōu)化操作和漿液pH的控制問題，史運(yùn)濤等[19]運(yùn)用混雜系統(tǒng)的混合邏輯動態(tài)(Mixed Logic Dynamical，MLD)的建模方法，建立了以吸收塔吸收率和pH為對象的MLD優(yōu)化模型。將WFGD的過程優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為可實時求解的混合整數(shù)規(guī)劃問題，實現(xiàn)對最優(yōu)pH設(shè)定的快速跟蹤，解決了該過程的優(yōu)化與控制問題。此外，濕法煙氣脫硫系統(tǒng)中液滴的蒸發(fā)也伴有非常復(fù)雜的傳質(zhì)傳熱過程。陶敏等[30]采用微元分析法，建立濕法煙氣脫硫過程的一維穩(wěn)態(tài)模型，發(fā)現(xiàn)采用多層噴水使塔內(nèi)溫度場的軸向變化更加平緩，并使平均反應(yīng)溫度降低，液滴蒸發(fā)過程變緩，提高脫硫效率。NEVEUX等[31]基于雙膜理論建立了脫硫數(shù)學(xué)模型，結(jié)果表明，吸收塔中噴淋的漿液液滴的直徑越小，越有利于提高脫硫效率。

對FGD工藝進(jìn)行優(yōu)化分析，可通過基于過程的反應(yīng)機(jī)理建立數(shù)學(xué)模型，也可通過對FGD系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)擬合進(jìn)而建立數(shù)學(xué)模型[25]。由于機(jī)理模型建模復(fù)雜、求解困難，需考慮吸收塔內(nèi)各種復(fù)雜的物理化學(xué)過程，只能做特性分析研究，且無法及時提出指導(dǎo)建議，因而基于運(yùn)行數(shù)據(jù)的建模受到關(guān)注。不論何種建模方式，模擬結(jié)果均需經(jīng)實際工程驗證后才可用于實際工藝的設(shè)計、優(yōu)化。

2.2 脫硫系統(tǒng)自動控制系統(tǒng)優(yōu)化

FGD自動控制系統(tǒng)可完成數(shù)據(jù)的采集處理、監(jiān)控、存儲以及對設(shè)備進(jìn)行控制、警報等，從而實現(xiàn)整個系統(tǒng)的自動化運(yùn)行[32]。其難點主要集中在如何提高脫硫效率、保證脫硫系統(tǒng)及主系統(tǒng)的安全及節(jié)能等方面[33]。王偉等[34]針對FGD系統(tǒng)中傳統(tǒng)石灰石供漿泵控制方案難以及時響應(yīng)pH變化、抗擾動能力弱、自動化程度低等問題，提出根據(jù)凈煙氣SO2濃度的石灰石供漿泵的自動控制策略，通過引入補(bǔ)償修正系數(shù)修正理論供漿量，并引入模糊控制進(jìn)一步提高了控制質(zhì)量，實現(xiàn)了對石灰石供漿泵自動控制的目標(biāo)，提高了FGD系統(tǒng)自動化程度。肖賢[35]針對現(xiàn)有濕法煙氣脫硫控制系統(tǒng)存在的問題，設(shè)計了雙閉環(huán)pH控制方案和循環(huán)漿液流量調(diào)節(jié)方案，實現(xiàn)脫硫效率的有效控制。陳曉雷等[36]提出新型脫硫供漿智能控制系統(tǒng)，應(yīng)用人工智能技術(shù)，根據(jù)工況運(yùn)行參數(shù)將傳統(tǒng)pH控制和吸收塔出口SO2濃度控制有效結(jié)合，建立持續(xù)優(yōu)化的動態(tài)控制模型，實現(xiàn)了脫硫漿液量自動控制，降低了能源、物料的消耗。王藝霏[37]將建立的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)模型集成至脫硫除塵協(xié)同控制設(shè)計系統(tǒng)中，實現(xiàn)了不同脫硫參數(shù)對煙塵脫除能力的量化，解決了實際過程中煙塵排放不達(dá)標(biāo)問題。

綜上，隨電廠靈活調(diào)峰的要求，機(jī)組運(yùn)行的工況復(fù)雜多變，脫硫系統(tǒng)呈非線性、大滯后性的特點。因此，需基于FGD運(yùn)行時出現(xiàn)的實際問題，優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)行的控制能力以滿足精細(xì)化控制的要求。

2.3 脫硫系統(tǒng)運(yùn)行條件優(yōu)化

每個電廠機(jī)組的運(yùn)行工況、燃燒煤種及煙氣處理技術(shù)等不同，因此，需結(jié)合各個電廠的具體工藝設(shè)備和運(yùn)行過程中的實際情況對脫硫系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，通過調(diào)整運(yùn)行時的主要參數(shù)，使系統(tǒng)處于最佳運(yùn)行狀態(tài)，從而提高脫硫效率和安全性。

邊小君[38]通過對某石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統(tǒng)運(yùn)行狀況進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化分析，提出保持吸收塔漿液pH在5.4～5.5，石膏漿液密度在1 075～1 085 kg/m3；漿液循環(huán)泵和氧化風(fēng)機(jī)德爾投用數(shù)目需根據(jù)具體情況合理增減。蘇曉艷[39]針對濕法脫硫系統(tǒng)增壓風(fēng)機(jī)電耗高、運(yùn)行成本與脫硫效率不匹配等問題，通過控制漿液pH、漿液排放密度及改造增壓風(fēng)機(jī)等措施，使脫硫系統(tǒng)獲得了最佳的經(jīng)濟(jì)性和脫硫效率。高明明等[4]對CFB機(jī)組煙氣處理系統(tǒng)進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性分析，提出其運(yùn)行優(yōu)化的技術(shù)路線，并針對動態(tài)運(yùn)行過程中SO2瞬時值超限的難題，提出了CFB 機(jī)組爐內(nèi)脫硫動態(tài)控制的優(yōu)化方案。

2.4 脫硫系統(tǒng)人工智能技術(shù)

對于FGD系統(tǒng)的優(yōu)化一般是針對一類問題或某一具體問題進(jìn)行分析，缺少對脫硫系統(tǒng)整體全面的研究與挖掘。目前燃煤電廠的工況復(fù)雜多變，系統(tǒng)中出現(xiàn)的問題相互影響，因此有必要從系統(tǒng)整體性角度對FGD系統(tǒng)進(jìn)行分析優(yōu)化，延長裝置的使用壽命，提高電廠的生產(chǎn)效益。曹建宗等[40]提出了基于人工智能的脫硫系統(tǒng)概念模型，通過對脫硫系統(tǒng)進(jìn)行整體分析，根據(jù)物料守恒、化學(xué)反應(yīng)等原理建立脫硫塔脫硫的仿真模型，利用大數(shù)據(jù)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等智能化技術(shù)實現(xiàn)脫硫系統(tǒng)的低成本運(yùn)行、故障診斷以及自動化調(diào)節(jié)等。神經(jīng)元控制技術(shù)具有應(yīng)對復(fù)雜環(huán)境的能力，并且人工智能技術(shù)的自學(xué)習(xí)、自尋優(yōu)功能可與脫硫系統(tǒng)有效結(jié)合[40]。因此，人工智能技術(shù)在FGD整體性復(fù)雜性問題優(yōu)化方面作用巨大，使燃煤電廠脫硫系統(tǒng)更智能、高效。

2.5 脫硫技術(shù)優(yōu)化效果的評價方法

大部分FGD技術(shù)都存在溫室氣體排放的隱患，因此，在提高系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性、脫硫效率，減少運(yùn)行成本的同時也需著重考慮對環(huán)境的影響。如石灰石/石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)在脫除SO2的同時也釋放了大量溫室氣體CO2，對全球變暖造成影響；并且也會消耗大量石灰石、電力及其他物料，這些物料在上游生產(chǎn)制造階段同樣也會排放大量溫室氣體和其他有害物質(zhì)，破壞環(huán)境。

我國大部分機(jī)組目前采用的脫硫技術(shù)并非無碳工藝，這導(dǎo)致大量CO2排放，加劇氣候變暖。索新良等[41]對某600 MW燃煤機(jī)組的CO2排放量進(jìn)行測算，2010—2014年脫硫過程平均每年排放CO2103 461.86 t。因此，有必要建立全面的環(huán)境意識，在控制大氣污染與減排溫室氣體上尋找結(jié)合點[42]。雖然，部分電廠采用電石渣代替石灰石脫硫和CO2捕集與封存技術(shù)等實現(xiàn)CO2減排，但在我國并未普遍實施。因此，優(yōu)化脫硫系統(tǒng)性能，提高脫硫效率，減少脫硫劑和能源的消耗，對降低碳排放非常重要。另外，在國家節(jié)能減排的背景要求下，煤電行業(yè)要滿足電力增長的需求和污染物排放，尤其是能耗及碳排放總量控制的要求，強(qiáng)調(diào)全生命周期的碳減排與控制[43]。故需在FGD工藝優(yōu)化前后對碳排放及其他有害物質(zhì)排放進(jìn)行計量控制，并進(jìn)行系統(tǒng)全面的環(huán)境影響評價。

傳統(tǒng)評價方法通常只分析技術(shù)的成熟度、適應(yīng)性及經(jīng)濟(jì)性，無法全面分析工藝系統(tǒng)對環(huán)境的影響。為彌補(bǔ)傳統(tǒng)技術(shù)評估的局限性和片面性，可采用生命周期評價的方法。LCA可從工藝的整個生命周期角度，對其能源、資源的消耗和污染物排放進(jìn)行量化，評估其產(chǎn)生的環(huán)境影響，并進(jìn)一步提出優(yōu)化建議，科學(xué)地進(jìn)行節(jié)能減排。

3 LCA在燃煤電廠煙氣脫硫中的應(yīng)用

LCA是對一個產(chǎn)品或服務(wù)體系在其整個生命周期中所有投入、產(chǎn)出的環(huán)境因素和潛在影響的研究方法，即通過對能源、物料消耗和廢物排放的鑒定與定量化來評估其產(chǎn)生的環(huán)境影響[44]，由此可以對資源消耗和環(huán)境污染有徹底、全面綜合的了解。

3.1 LCA的優(yōu)點與不足

LCA從工藝全生命周期的角度考慮能源、資源的消耗量和污染物排放量，對其全生命周期內(nèi)所產(chǎn)生的環(huán)境影響進(jìn)行綜合評價，可識別環(huán)境問題在不同階段的轉(zhuǎn)移，并提出科學(xué)合理的節(jié)能減排和優(yōu)化建議，克服了傳統(tǒng)末端影響評價的片面性。

LCA研究仍存在待改進(jìn)的問題：確定目標(biāo)和范圍以及清單量化分析時需要做很多假設(shè)；需要大量數(shù)據(jù)支持，所獲得的數(shù)據(jù)完整性和精度有限[45]；環(huán)境影響評價模型的適用性還受到一定制約；影響因子當(dāng)量系數(shù)的確定缺乏一套普適的科學(xué)方法；仍需一種合理的數(shù)學(xué)方法來解決清單數(shù)據(jù)向環(huán)境影響潛值的定量轉(zhuǎn)化[46]。

通過多年的發(fā)展，研究人員已開發(fā)出許多LCA軟件，如國際上較常用的SimaPro和GaBi軟件。LCA軟件能根據(jù)清單數(shù)據(jù)對環(huán)境影響進(jìn)行評價，同時軟件中還包含豐富的材料信息數(shù)據(jù)庫。我國四川大學(xué)王洪濤教授課題組結(jié)合LCA國際通用標(biāo)準(zhǔn)ISO14040—2006EnvironmentalManagement-LifeCycleAssementPrinciplesandFramework提出了一套從單元過程數(shù)據(jù)收集到建立完整的LCA模型的方法，并編制了具有特征因子數(shù)據(jù)庫的LCA在線系統(tǒng)軟件eFootproot，可應(yīng)用于我國不同行業(yè)LCA研究。

3.2 LCA在燃煤電廠煙氣脫硫中的實施步驟

ISO14040系列LCA標(biāo)準(zhǔn)將LCA實施步驟分為系統(tǒng)目標(biāo)和范圍的界定，生命周期清單分析，環(huán)境影響評價和解釋結(jié)果4個步驟。

3.2.1系統(tǒng)目標(biāo)和范圍的界定

該步驟確定預(yù)期的LCA研究目標(biāo)、系統(tǒng)邊界、功能單元、環(huán)境影響類型、數(shù)據(jù)要求、假定條件以及限制條件等[47-48]。功能單位是對產(chǎn)品系統(tǒng)性能進(jìn)行量化的基準(zhǔn)單位[49]，為目標(biāo)范圍和清單分析的相關(guān)輸入、輸出提供參考。

一般CFB機(jī)組電力生產(chǎn)的實際流程是將經(jīng)開采、儲運(yùn)及初步處理后的原煤和石灰石粉投入爐膛燃燒，產(chǎn)生高溫高壓蒸氣進(jìn)入汽輪機(jī)做功，將機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔躘50]。其產(chǎn)品為生產(chǎn)的電能，上游階段為煤炭、石灰石等物料的開采和運(yùn)輸，下游階段為煙氣、灰渣的各項處理過程。燃煤電廠的煙氣脫硫作為電廠發(fā)電的下游階段，是一種煙氣凈化服務(wù)，其工藝產(chǎn)品應(yīng)為脫除的SO2，功能單位一般定義為所處理的SO2質(zhì)量。在確定燃煤電廠脫硫系統(tǒng)全生命周期的目標(biāo)和范圍時，應(yīng)從建設(shè)、長期運(yùn)行和使用后退役3個階段進(jìn)行考慮，但有研究[7,51]表明脫硫系統(tǒng)運(yùn)行階段的環(huán)境影響遠(yuǎn)大于建設(shè)和退役階段，故運(yùn)行階段可作為主要研究對象。

燃煤電廠FGD技術(shù)運(yùn)行階段的生命周期邊界范圍以原材料、脫硫劑、能量、占用土地等作為輸入，以大氣污染物、廢水和固體廢棄物等作為輸出[7]；還應(yīng)包括物料生產(chǎn)和運(yùn)輸?shù)纳嫌坞A段以及廢棄物處理的下游階段；其中，可排除對研究無顯著影響的輸入/輸出，但應(yīng)明確說明并解釋排除的原因及可能產(chǎn)生的后果[52]。如石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)運(yùn)行過程消耗的物料有石灰石粉、電力、工藝水；輸出有廢水、CO2和石膏。對于采用濕式球磨機(jī)制備脫硫漿液和化學(xué)混凝沉淀法處理廢水的石灰石-濕法煙氣脫硫工藝而言，其運(yùn)行階段的全生命周期系統(tǒng)邊界如圖3所示。

圖3 石灰石-石膏濕法煙氣脫硫LCA系統(tǒng)邊界

3.2.2燃煤電廠脫硫系統(tǒng)的生命周期清單分析

生命周期清單(LCI)分析是對所研究的產(chǎn)品、工藝或活動在整個生命周期中所消耗的資源和能量以及對環(huán)境的排放進(jìn)行量化的過程[53]。清單分析貫穿于整個生命周期，即從原料的生產(chǎn)、運(yùn)輸?shù)疆a(chǎn)品的使用及廢棄處理。一個完整的LCI分析能為系統(tǒng)所涉及的投入和產(chǎn)出建立一個數(shù)據(jù)清單。

根據(jù)運(yùn)行階段的系統(tǒng)邊界，可分為石灰石粉磨、煙氣脫硫、石膏脫水及廢水處理4個階段實景過程。結(jié)合目標(biāo)及工藝特點做出合理的假設(shè)，獲取工藝在全生命周期的資源、能源消耗和污染物排放清單。對所構(gòu)建的生命周期清單，可利用不確定性分析模型對所收集的數(shù)據(jù)質(zhì)量進(jìn)行驗證[54-55]：符合質(zhì)量要求的數(shù)據(jù)可用于清單的構(gòu)建，不符合的則應(yīng)被舍棄，然后重新收集相關(guān)數(shù)據(jù)，再次驗證數(shù)據(jù)質(zhì)量，直至所有的數(shù)據(jù)均達(dá)到數(shù)據(jù)質(zhì)量要求的標(biāo)準(zhǔn)[56]。燃煤電廠石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝在運(yùn)行階段輸入與輸出的資源與能量如圖4所示。

圖4 石灰石-石膏濕法煙氣脫硫運(yùn)行階段的輸入與輸出

3.2.3環(huán)境影響評價

對上述清單分析的結(jié)果進(jìn)行分類、特征化及權(quán)重賦值，轉(zhuǎn)化為能反映環(huán)境影響潛值的指標(biāo)，通過定量方式評估整個工藝系統(tǒng)及各過程能源、資源的消耗及污染物排放對環(huán)境造成的影響。根據(jù)ISO14040標(biāo)準(zhǔn)的框架，環(huán)境影響評價可分為3個步驟：影響分類、特征化和加權(quán)評估。① 影響分類是將清單分析得到的數(shù)據(jù)歸于不同的環(huán)境影響類型。時文肖[56]對燃煤電廠濕法煙氣脫硫技術(shù)進(jìn)行分析，提出其對溫室氣體排放、陸地酸性化、人類毒性、光化學(xué)氧化物質(zhì)形成、化石燃料耗竭6個環(huán)境影響類別的影響相對較大。由于石灰石-石膏法脫硫運(yùn)行階段的資源消耗主要為煤炭、汽油、石灰石等，均為不可再生資源，因此在研究中，資源耗竭潛值的計算可只考慮非生物資源耗竭潛值。② 特征化是依據(jù)特征化因子，將某一環(huán)境類型中的不同物質(zhì)轉(zhuǎn)化為統(tǒng)一的單元，并計算出對該環(huán)境類型的影響，可通過負(fù)荷模型、當(dāng)量模型等方法完成特征化。③ 量化評估是確定不同影響類型的相對貢獻(xiàn)大小或權(quán)重，以得到一個數(shù)字化的可供比較的單一指標(biāo)[57]，即總環(huán)境影響負(fù)荷；并需要根據(jù)不同影響類型的重要性賦予權(quán)重[58]，將其結(jié)果加和得到總的環(huán)境影響負(fù)荷，從而反映了所研究的系統(tǒng)在其整個生命周期中對環(huán)境的貢獻(xiàn)大小。綜上，對石灰石-石膏濕法煙氣脫硫LCI結(jié)果進(jìn)行環(huán)境影響評價過程如圖5所示。

圖5 石灰石-石膏濕法煙氣脫硫環(huán)境影響評價過程

3.2.4小結(jié)

對石灰石-石膏濕法脫硫的LCA已有許多報道[56,59-60]，其結(jié)果為石灰石-石膏濕法脫硫可有效降低酸化問題，獲得的生態(tài)和環(huán)境效益遠(yuǎn)超過系統(tǒng)固有的負(fù)面環(huán)境影響；運(yùn)行階段生命周期中電力使用對環(huán)境影響負(fù)荷最大，其次是廢水處理；對全球變暖造成影響的關(guān)鍵物質(zhì)是CO2和CH4；對酸化和光化學(xué)氧化物質(zhì)的形成影響最大的是NOx；煤的使用是造成化石燃料耗竭的關(guān)鍵物質(zhì)。

3.3 不同煙氣脫硫技術(shù)的LCA研究

利用LCA可全方面評估燃煤電廠脫硫工藝全生命周期所產(chǎn)生的環(huán)境影響，將其影響與物質(zhì)能源的消耗、環(huán)境污染和全球性或區(qū)域性的環(huán)境影響等與人類生存、發(fā)展相關(guān)的重大問題聯(lián)系起來，為我國制定新的大氣污染控制政策提供科學(xué)依據(jù)[7,61]。

王紅[7]利用LCA對燃煤電廠的石灰石-石膏濕法和循環(huán)懸浮式半干法2種煙氣脫硫工藝進(jìn)行了對比分析，評價2種方案所消耗的能源、資源和對環(huán)境產(chǎn)生的影響。結(jié)果顯示，2種脫硫技術(shù)均有效改善了環(huán)境酸化問題，循環(huán)懸浮式半干法工藝物耗較大，但在能耗和污染物排放引起環(huán)境影響綜合指數(shù)均優(yōu)于石灰石石膏濕法工藝。鄧雙等[61]聚焦于石灰石-石膏濕法煙氣脫硫技術(shù)脫硫副產(chǎn)物的產(chǎn)量及其中Hg、F和Cl等有毒有害元素質(zhì)量，對其在生態(tài)、廢水和固廢等方面進(jìn)行環(huán)境影響評價和成本分析，得出石灰石-石膏法不具有可持續(xù)性，其生態(tài)恢復(fù)成本、脫硫石膏和脫硫廢水的無害化處理成本遠(yuǎn)高于目前所估算的煙氣脫硫成本。此外，于偉靜[62]以某電廠1 000 MW 機(jī)組脫硫系統(tǒng)超低改造項目為研究對象進(jìn)行生命周期評價，從設(shè)備制造、石灰石的開采與破碎、工程材料和石灰石的運(yùn)輸及煙氣脫硫4個過程進(jìn)行清單分析，分別計算了各過程對環(huán)境的影響，得出超低改造后的系統(tǒng)具有更高的環(huán)境效益，但在清單計算時只考慮了超低改造前后各污染物濃度的變化值，并未詳細(xì)分析改造前后各環(huán)境影響類型的具體變化情況。而韓濤等[63]運(yùn)用LCA對某1 000 MW超臨界燃煤機(jī)組FGD超低排放改造前后進(jìn)行研究，計算了各過程的能源消耗量和對環(huán)境的影響潛值，并詳細(xì)分析了改造前后的環(huán)境影響變化。經(jīng)過改造后的脫硫系統(tǒng)資源消耗增加，總環(huán)境影響負(fù)荷減少，對于評價的各環(huán)境類型除對光化學(xué)臭氧合成的影響有所增加外，對全球變暖、富營養(yǎng)化、酸化、人體毒性及煙塵灰塵的影響均有所降低，故FGD超低排放設(shè)備改造項目具有正向環(huán)境影響效益。SAMPATTAGUL等[59]對泰國最大的褐煤發(fā)電廠安裝煙氣脫硫設(shè)備前后進(jìn)行了生命周期評價和生命周期成本計算，比較所排放的污染物對環(huán)境及經(jīng)濟(jì)的影響。結(jié)果表明，使用煙氣脫硫系統(tǒng)獲得的生態(tài)和經(jīng)濟(jì)效益遠(yuǎn)超過該系統(tǒng)固有的負(fù)面環(huán)境影響，但在環(huán)境影響評價中所運(yùn)用的凈環(huán)境影響負(fù)荷定量評估系統(tǒng)在LCA法中并不常用。XIAO等[64]用LCA方法比較了我國7種不同的清潔發(fā)電技術(shù)的生命周期清單，對材料消耗和環(huán)境排放進(jìn)行了量化分析，得出“原料—選煤—超臨界發(fā)電—煙氣脫硫”的路線更有環(huán)境優(yōu)勢，同時選煤對環(huán)保和經(jīng)濟(jì)效益高，但并未對各技術(shù)路線產(chǎn)生的環(huán)境影響進(jìn)行分析評價。

綜上，雖然FGD技術(shù)會消耗更多資源和能源，但可減少大量電廠燃煤排放的SO2，具有更高的環(huán)境效益。但不同LCA研究得到的結(jié)果差異較大，這是由于研究選取的系統(tǒng)邊界、數(shù)據(jù)來源以及評價模型不統(tǒng)一，煙氣脫硫技術(shù)不同LCA研究對象、評價模型及數(shù)據(jù)來源見表1。此外，對FGD的研究多針對其單一技術(shù)的環(huán)境影響，缺乏從燃煤電廠整個煙氣處理系統(tǒng)角度評判其環(huán)境影響的優(yōu)劣。

表1 煙氣脫硫技術(shù)的不同LCA研究對象、評價模型及數(shù)據(jù)來源

3.4 基于過程模擬的LCA

LCA研究中不確定性的主要來源之一是整個工藝系統(tǒng)通常被簡化為黑箱。這忽略了過程參數(shù)和操作條件的實際可變性，限制了評價的技術(shù)和地理差異以及量化更改任何技術(shù)參數(shù)后的環(huán)境影響能力。將工藝過程的模擬同LCA相結(jié)合是一種能編制更詳細(xì)的生命周期清單的方法，可提高LCA研究的分辨率，有助于識別所述過程的問題區(qū)域[66]，并設(shè)計工藝優(yōu)化的方案?；谶^程模擬的LCA方法已在一些不同技術(shù)的研究中得到了證明。

綜上，將過程模擬與LCA相結(jié)合進(jìn)而快速、準(zhǔn)確地獲得不同方式的環(huán)境影響信息的方式，有助于識別工藝系統(tǒng)潛在的弱點和優(yōu)勢。這種方式消除了傳統(tǒng)LCA的固定輸入與輸出，利用數(shù)學(xué)關(guān)系將工藝系統(tǒng)內(nèi)部各流程連接起來，修改主要過程的某些參數(shù)可快速得到不同的評價結(jié)果，以比較工藝不同方式的差異，明確其對氣候變化的影響，在低碳情形下提高對不同技術(shù)的選擇、優(yōu)化和決策的能力。

4 結(jié)語及展望

1)FGD技術(shù)是燃煤電廠脫硫的重要方式，其中石灰石-石膏脫硫技術(shù)在我國電廠脫硫中應(yīng)用最為廣泛，其脫硫效率高、可靠性強(qiáng)，但有投入運(yùn)行成本高、占地面積大、設(shè)備易磨損等缺點。循環(huán)流化床燃燒技術(shù)是一種新型的燃燒技術(shù)，其燃燒效率高、燃料適應(yīng)性廣、負(fù)荷調(diào)節(jié)性能好，配合爐內(nèi)噴鈣脫硫技術(shù)可有效實現(xiàn)煙氣脫硫，具有成本低、配套設(shè)施簡單、灰渣可綜合利用等優(yōu)點，根據(jù)煤中硫含量實時控制固硫劑的噴入量，調(diào)整爐內(nèi)脫硫和爐后濕法脫硫的比例，為副產(chǎn)物粉煤灰的利用提供最佳運(yùn)行技術(shù)參數(shù)，實現(xiàn)電廠安全、環(huán)保、經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定的運(yùn)行。

2)通過理論建模找到最佳的工藝參數(shù)及邊界條件對FGD工藝進(jìn)行優(yōu)化，可節(jié)省大量試驗投入、研究費(fèi)用及時間，但模擬結(jié)果需要與實際工程相結(jié)合，驗證準(zhǔn)確后才能作為指導(dǎo)工藝優(yōu)化、設(shè)計的基礎(chǔ)。在變負(fù)荷的運(yùn)行條件下，對FGD自動控制能力和運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化以滿足電廠精細(xì)化控制，可減少運(yùn)行成本、提高運(yùn)行穩(wěn)定性和脫硫效率等。此外，人工智能技術(shù)將在FGD整體復(fù)雜問題的優(yōu)化方面發(fā)揮巨大作用，使火電廠脫硫系統(tǒng)更智能、高效。

3)LCA可以量化FGD工藝全生命周期內(nèi)溫室氣體及其他有害物質(zhì)的排放，并做出全面綜合的環(huán)境影響評價。將過程模擬與LCA相結(jié)合可快速、準(zhǔn)確地得到工藝不同方式的環(huán)境評價結(jié)果，明確其對氣候變化的影響，在低碳情形下提高對不同技術(shù)的選擇、優(yōu)化和決策能力，該方法將在燃煤電廠污染物實時控制中發(fā)揮越來越重要的作用。隨著標(biāo)準(zhǔn)及實踐經(jīng)驗的不斷積累完善，LCA將成為更加規(guī)范的環(huán)境管理工具，為我國資源環(huán)境的可持續(xù)性發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。