CN108459628B - 一种通过混合煤掺烧控制煤电厂污染物排放的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于火电机组领域，并公开了一种通过混合煤掺烧控制煤电厂污染物排放的方法。该方法考虑了混合煤时不同单煤的As、Se、Pb的含量、矿物质及硫和氯元素的含量的差异，通过调节混合煤比例来调节混合煤中As、Se、Pb以及矿物质的含量，实现了混合煤掺烧时As、Se、Pb排放控制的优化，相比传统的As、Se、Pb排放的控制，本发明提供的在炉内掺烧时的混合煤控制方法，既降低了固体吸附剂添加、SCR催化剂中毒等造成的经济成本，也提高除尘器的效率，该方法可以应用于优化燃煤电厂混合煤掺烧，有利于抑制As、Se、Pb的排放，减少运行成本，满足环境保护的要求。

Description

一种通过混合煤掺烧控制煤电厂污染物排放的方法

技术领域

本发明属于火电机组领域，更具体地，涉及一种通过混合煤掺烧控制煤电厂污染物排放的方法。

背景技术

火电厂燃煤是As、Se、Pb污染的重要来源，2016年我国能源消费总量达到43.6亿吨标准煤，其中62％的消费来源于煤炭，而每年我国的煤炭消费中约一半用于发电，煤中除了C、H、O、N、S等大量元素，还有As、Se、Pb等痕量元素，虽然这些元素的含量较低，但由于燃煤电厂巨大的煤耗量，造成的排放量亦十分巨大，As、Se、Pb的排放不仅使SCR催化剂中毒，造成经济损失，同时由于As、Se、Pb的生物毒性，也威胁着社会公众的健康，随着环保要求的日益提高，在常规污染物(SOX、NOX)得到初步有效控制的背景下，As、Se、Pb的有效控制显得迫在眉睫，对As、Se、Pb排放的常规控制方法分为燃烧前洗选、燃烧中加入固体吸附剂和燃烧后尾气处理设备协同控制等，但现有技术仍存在缺陷，As、Se、Pb的排放仍得不到有效控制。

我国经济社会的快速发展带来了对火电燃煤的极大需求，而由于我国煤炭资源有限且分布极不均匀，导致煤炭价格高涨和运力不足，为保证燃煤机组安全经济运行，混合煤掺烧成为一种操作可行，投入较少，却又行之有效的方法，在电厂实际运行中得到广泛应用。一般说来，混合煤掺烧中若选煤合适，混合均匀，配比合理，燃烧条件良好，可利用不同的煤种的不同优势，克服单一煤种的缺陷，优化电厂发电系统的运行条件，现有的环保指标的优化目标主要集中在硫氧化物和氮氧化物的排放上，混合煤燃烧中As、Se、Pb的排放的优化没有被纳入，因此急需一种解决混合煤燃烧中的As、Se、Pb的排放的方法来降低As、Se、Pb超标的问题。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种通过混合煤掺烧控制煤电厂污染物排放的方法，通过采用将多种单煤按照一定比例混合，并控制其中某些元素质量的方式，以此控制As、Se和Pb的含量，由此解决As、Se、Pb超标的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的，提供了一种通过混合煤掺烧控制燃煤电厂污染物排放的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

检测每种待混合的单煤中As、Se和Pb各自的含量，当至少有一种待混合的单煤中的As、Se或Pb中的一个或者多个元素含量超过设定的各自含量的可接受限定值时，将所有所述待混合的单煤混合获得混合煤，计算该混合煤中的As、Se和Pb各自的含量，根据计算的结果判断混合煤属于以下哪种情况，并根据判断的结果做相应的处理，具体判断过程如下：

(a)当所述混合煤中的As超过所述设定的相应的可接受限定值时，调节用于混合的单煤的混合比例使得混合后的混合煤中Na、K、Ca、Mg、Fe、Al和S与As的关系满足预设关系式(一)；

(b)当所述混合煤中的Se超过所述设定的相应的可接受限定值时，调节用于混合的单煤的混合比例使得混合后的混合煤中Na、K、Ca、Mg、Fe、Al和S与Se的关系满足预设关系式(二)；

(c)当所述混合煤中的Pb含量超过所述设定的相应的可接受限定值时，检测所述混合煤中的Cl的质量分数，并做如下判断：

当Cl的质量分数不大于Cl含量预设值时，调节用于混合的单煤的混合比例，使得混合煤中的Si与Pb的关系满足预设关系式(三)；

当Cl的质量分数大于Cl含量预设值时，调节用于混合的单煤的混合比例，使得混合煤中的Si与Pb的关系满足预设关系(四)，且混合煤中的Al与Pb的关系满足预设关系(五)。

进一步优选地，所述As、Se和Pb各自的可接受限定值优选按照下列方式获取：

S1：根据经验值设定排放到环境中的As、Se和Pb各自占原煤的质量分数比例；

S2：根据标准煤耗率和原煤、标准煤消耗量计算获得生产单位电力的原煤煤耗量；

S3：按照下列表达式分别计算As、Se、Pb各自含量的可接受限定值，

C_limit是混合煤中As、Se或Pb含量可接受限定值，M是单位电力输出对应的As、Se、或Pb的排放限定值标准，P是排放到环境中的As、Se和Pb各自占原煤的质量分数比例，b是生产单位电力的煤耗量。

进一步优选地，所述检测每种待混合的单煤中As、Se和Pb各自的含量均优选采用通过煤质分析的方法获得。

进一步优选地，所述计算混合煤中的As、Se和Pb各自的含量，具体按照下列公式计算，

C_X＝C_X1·f₁+C_X2·f₂+C_X3·f₃+…+C_Xn·f_n

其中，C_X是掺混后混合煤的As、Se或Pb的质量浓度，C_Xn是参与混合煤的单煤的As、Se或Pb的质量浓度，f_n是参与混合煤的单煤的质量分数比例，系数1,2,3,…,n是参与混合煤的单煤的序号。

进一步优选地，所述预设关系(一)优选采用下列表达式，

其中，Na，K，Ca，Mg，Fe，Al，S和As分别代表该元素在单位质量的混合煤中摩尔数。

进一步优选地，所述预设关系(二)优选采用下列表达式，

其中，Na，K Ca，Mg，Fe，Al，S和As分别代表该元素在单位质量的混合煤中摩尔数。

进一步优选地，所述预设关系(三)优选采用下列表达式，

Si/(1000Pb)≥2.3～3.5

其中，Si和Pb分别代表该元素在单位质量的混合煤中摩尔数。

进一步优选地，所述预设关系(四)优选采用下列表达式，

Si/(1000Pb)≥9.3～13.9

其中，Si和Pb分别代表该元素在单位质量的混合煤中摩尔数。

进一步优选地，所述预设关系(五)优选采用下列表达式，

Al/(1000Pb)≥9.3～13.9

其中，Al和Pb分别代表该元素在单位质量的混合煤中摩尔数。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

本发明提供的方法，考虑了混合煤时不同单煤的As、Se、Pb的含量、矿物质及硫和氯元素的含量的差异，通过调节混合煤比例来调节混合煤中As、Se、Pb以及矿物质的含量，实现了混合煤掺烧时As、Se、Pb排放控制的优化，相比传统的As、Se、Pb排放的控制，本发明提供的在炉内掺烧时的混合煤控制方法，既降低了固体吸附剂添加、SCR催化剂中毒等造成的经济成本，也提高除尘器的效率，该方法可以应用于优化燃煤电厂混合煤掺烧，有利于抑制As、Se、Pb的排放，减少运行成本，满足环境保护的要求。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的控制燃煤电厂污染物排放的方法流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

煤中As、Se、Pb的含量随着煤种变化而呈现出较大的差异性，当低As、Se、Pb浓度的煤与高As、Se、Pb浓度的煤掺混时，可降低入炉混合煤的As、Se、Pb的含量，同时煤中富含不同种类、不同含量的矿物质(碱金属、碱土金属、铁氧化物、硅铝酸盐等)，这些矿物质在煤燃烧过程中对As、Se、Pb起到不同的固定作用，可将As、Se、Pb从气态转化到固态底渣或大颗粒飞灰中，易于沉降到炉底或者被除尘设备捕集，从而抑制As、Se、Pb的排放，因而，在混合煤燃烧过程中可实现As、Se、Pb的排放控制，另外煤中硫和氯元素对煤中As、Se、Pb与矿物质的相互作用有着重要影响，同时将硫和氯元素纳入到矿物质对As、Se、Pb的固定作用中，因此，本发明提出一种通过混合煤掺烧控制燃煤电厂As、Se、Pb排放的方法，以期对As、Se、Pb的排放进行控制。

图1是按照本发明的优选实施例所构建的控制燃煤电厂污染物排放的方法流程图，如图1所示，一种通过混合煤掺烧控制燃煤电厂As、Se、Pb排放的方法，具体实施步骤是：

(a)检测每种待混合的单煤中As、Se和Pb各自的含量，当至少有一种待混合的单煤中的As、Se或Pb中的一个或者多个元素含量超过设定的各自含量的可接受限定值时，将所有所述待混合的单煤混合获得混合煤，计算该混合煤中的As、Se和Pb各自的含量，具体计算过程如下：

1)混合煤中As、Se、Pb含量依据各单煤中As、Se、Pb含量及掺配比例通过加权平均方法计算获得，计算公式如下：

C_X＝C_X1·f₁+C_X2·f₂+C_X3·f₃+…+C_Xn·f_n (1)

其中，C_X：掺混后混合煤的As、Se或Pb的质量浓度(ppm)，C_Xn：参与混合煤的单煤的As、Se或Pb的质量浓度(ppm)，f_n：参与混合煤的单煤的质量分数比例，系数1,2,3,…,n：参与混合煤的单煤的序号；

2)混合煤中As、Se、Pb含量限定值依据以下公式计算求得：

C_limit是混合煤中As、Se或Pb含量可接受限定值(ppm)；M是美国环境保护局所限定的燃煤电厂单位电力输出对应的As、Se、或Pb的排放限定值(mg/MW·h)；P是排放到环境中的As、Se和Pb各自占原煤的质量分数比例(％)；b是生产单位电力每小时的煤耗量(g/KW.h)；

公式(2)中基于单位电力总输出的As、Se、Pb的排放限定值M取美国环境保护局燃煤电厂As、Se、Pb排放限定值As＝1.3608mg/MW·h、Se＝2.7216mg/MW·h、Pb＝0.9072mg/MW·h；

根据经验值设定排放到环境中的尾部烟气的As、Se、Pb占原煤的质量分数比例P，取统计平均值：As％＝2.96％、Se％＝10.46％、Pb％＝2.71％；

生产单位电力的煤耗量依据我国燃煤电厂标准煤耗率(310g/KW.h)，以及我国2015年原煤消耗量397014.1万吨相当于标准煤耗量273849.5万吨，根据标准煤耗率和2015年的原煤消耗量计算获得煤耗率b＝449.42g/KW.h；

(b)根据计算的结果判断混合煤所属的情况，具体判断过程如下：

1、当全部单煤中As、Se和Pb含量较低，即各单煤掺混后混合煤的As、Se、Pb含量低于设定的限定值，将全部单煤混合掺烧后As、Se、Pb排放仍低于限定值，则无需对待混合的单煤进行处理；

根据公式(2)计算可得混合煤中As、Se、Pb的含量分别为C_limit,As＜10.21×10^{- 2}ppm，C_limit,Se＜5.79×10^-2ppm，C_limit,Pb＜7.45×10^-2ppm；

2、当部分单煤中As或Se或Pb含量较低，则可通过调节各单煤掺混比例，使混和煤的As、Se、Pb含量低于限定值，掺烧后As、Se、Pb排放低于限定值；

3、若参与混合煤的部分单煤中As、Se、Pb含量均较高，无法仅通过掺混达到控制混合煤中As、Se、Pb含量低于限定值，则

i.若混合煤中As、Se含量高于限定值，考虑到煤中碱金属、碱土金属和铁、铝氧化物有固As和固Se效果，且S与Ca、Mg的反应性强于As、Se与Ca、Mg的反应性，同时煤中Na、K、Ca、Mg、Fe、Al、S等含量多为ppt级别，而As、Se多为ppm级别，建立摩尔比系数

分别表征煤中矿物质的固As和固Se能力，通过控制混合煤中的系数M_As和M_Se不低于一个限定值来控制烟气中As和Se浓度，通过实验获得M_As≥3.4～6.4可实现对As的控制，本实施例中采用M_As≥3.6，由于Se的挥发性更强，通过实验获得取M_Se≥5.6～10.6，可实现对Se的控制，本实施例取M_Se≥6.0；

ii.若混合煤中Pb含量高于限定值，考虑到煤中硅铝酸盐具有固Pb效果，考虑到煤中Si、Al含量为ppt级别，而Pb含量为ppm级别，建立摩尔比系数

M_Si,Pb＝Si/(1000Pb)

M_Al,Pb＝Al/(1000Pb)

表征煤中硅铝酸盐对Pb的固定能力，通过控制混合煤中的M_Si,Pb和M_Al,Pb不低于一个限定值来控制烟气中Pb的浓度，另外考虑到煤中Cl会影响燃烧过程中Pb的氧化物和氯化物的生成比例，从而影响Pb被硅铝酸盐的固定过程；

1)若混合煤中Cl≤0.05％，则混合煤中M_Si，Pb不低于一个限定值，通过实验获得M_Si，Pb≥2.3～3.5可实现控制烟气中的Pb的浓度，本实施例中取M_Si，Pb≥2.7；

2)若混合煤中Cl＞0.05％，则M_Si，Pb和M_Al，Pb应不低于某个限定值，通过实验获得M_Si，Pb≥9.3～13.9且M_Al，Pb≥9.3～13.9下，可实现控制烟气中的Pb的浓度，本实施例中取M_Si，Pb≥10.9且M_Al，Pb≥10.9；

步骤(b)中，As、Se和Pb固定的表征系数M_As、M_Se、M_Si，Pb和M_Al，Pb均依据化学反应方程式以及化合物化学式建立，其中As、Se的固定以与Ca的反应为例，化学反应方程式如下：

CaO+SO₂+1/2O₂→CaSO₄ (3)

6CaO+As₄O₆(g)+2O₂→2Ca₃(AsO₄)₂ (4)

CaO(S)+SeO₂(g)→CaSeO₃(s) (5)

SiO₂+2PbO→Pb₂SiO₄ (6)

Al₂O₃·2SiO₂+PbCl₂+H₂O→PbO·Al₂O₃·2SiO₂(S)+2HCl(g) (7)

其中，混合煤中的每个元素的含量均依据各单煤中对应的各个元素的含量及掺配比例通过加权平均方法计算获得，计算公式可参考公式(1)。

其中，混合煤中所涉及的单煤中的每个元素的含量通过煤质分析测量获得单位质量的单煤中所含的每个元素的质量。

综上，通过本发明，与现有技术相比首次提出了针对燃煤电厂控制As、Se、Pb排放的混合煤掺烧控制方法，该方法具备便于操控、经济实用，满足环保要求等特点，因而尤其适用于大型火电机组混合煤掺烧等应用场合。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种通过混合煤掺烧控制燃煤电厂污染物排放的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：检测每种待混合的单煤中As、Se和Pb各自的含量，当至少有一种待混合的单煤中的As、Se或Pb中的一个或者多个元素含量超过设定的各自含量的可接受限定值时，将所有所述待混合的单煤混合获得混合煤，计算该混合煤中的As、Se和Pb各自的含量，根据计算的结果判断混合煤属于以下哪种情况，并根据判断的结果做相应的处理，具体判断过程如下：

(a)当所述混合煤中的As超过所述设定的相应的可接受限定值时，调节用于混合的单煤的混合比例使得混合后的混合煤中Na、K、Ca、Mg、Fe、Al和S与As的关系满足预设关系式(一)，如下：

其中，Na，K，Ca，Mg，Fe，Al，S和As分别代表该元素在单位质量的混合煤中摩尔数；

(b)当所述混合煤中的Se超过所述设定的相应的可接受限定值时，调节用于混合的单煤的混合比例使得混合后的混合煤中Na、K、Ca、Mg、Fe、Al和S与Se的关系满足预设关系式(二)，如下：

其中，Se代表该元素在单位质量的混合煤中摩尔数；

(c)当所述混合煤中的Pb含量超过所述设定的相应的可接受限定值时，检测所述混合煤中的Cl的质量分数，并做如下判断：

当Cl的质量分数不大于Cl含量预设值时，调节用于混合的单煤的混合比例，使得混合煤中的Si与Pb的关系满足预设关系式(三)，如下：

Si/(1000Pb)≥2.3～3.5 (三)

其中，Si和Pb分别代表该元素在单位质量的混合煤中摩尔数；

当Cl的质量分数大于Cl含量预设值时，调节用于混合的单煤的混合比例，使得混合煤中的Si与Pb的关系满足预设关系(四)，且混合煤中的Al与Pb的关系满足预设关系(五)，如下：

Si/(1000Pb)≥9.3～13.9 (四)

Al/(1000Pb)≥9.3～13.9 (五)

所述As、Se和Pb各自的可接受限定值按照下列方式获取：

S1：根据经验值设定排放到环境中的As、Se和Pb各自占原煤的质量分数比例；

S2：根据标准煤耗率和原煤、标准煤消耗量计算获得生产单位电力的原煤煤耗量；

S3：按照下列表达式分别计算As、Se、Pb各自含量的可接受限定值，

C_limit是混合煤中As、Se或Pb含量可接受限定值，M是单位电力输出对应的As、Se、或Pb的排放限定值标准，P是排放到环境中的As、Se和Pb各自占原煤的质量分数比例，b是生产单位电力的煤耗量。

2.如权利要求1所述的一种通过混合煤掺烧控制燃煤电厂污染物排放的方法，其特征在于，所述检测每种待混合的单煤中As、Se和Pb各自的含量均采用通过煤质分析的方法获得。

3.如权利要求1所述的一种通过混合煤掺烧控制燃煤电厂污染物排放的方法，其特征在于，所述计算混合煤中的As、Se和Pb各自的含量，具体按照下列公式计算，

C_X＝C_X1·f₁+C_X2·f₂+C_X3·f₃+…+C_Xn·f_n

其中，C_X是掺混后混合煤的As、Se或Pb的质量浓度，C_Xn是参与混合煤的单煤的As、Se或Pb的质量浓度，f_n是参与混合煤的单煤的质量分数比例，系数1,2,3,…,n是参与混合煤的单煤的序号。

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