【來訊】煤粉工業鍋爐超低排放技術淺析
2019-08-1218:40:15
針對煤粉工業鍋爐的主流污染控制技術及其項目應用效果進行分析,參照電站鍋爐煙氣凈化布置工藝及小型濕式電除塵器在中國的應用情況,提出一種煤粉工業鍋爐超低排放技術.該工藝在可以實現煙塵、SO2、NOx超低排放，對煙氣中復合污染物進行控制，適合在中國大面積推廣。
0引言
中國在用燃煤工業鍋爐47×104臺余，廣泛應用于冶金、化工、水泥、造紙、供熱等多個行業，年消耗煤炭達6.4×108t，占總煤炭消費量的18%左右。由于能源消費基數大、技術裝備落后、運營水平不高、環保措施不到位等原因，燃煤工業鍋爐年排放煙塵約410×104t、SO2約570×104t、NOx約200×104t，分別占排放總量的32%、26%、15%[1]，是名副其實的污染物排放大戶。
近年來，隨著煙氣治理技術不斷發展，對煙污染物的排放控制日趨嚴格。要求所有具備改造條件的燃煤電廠，到2020年力爭實現煙塵、SO2、NOx在基準氧含量6%條件下，排放濃度分別不高于10mg/m3、35mg/m3、50mg/m3;山東省出臺了《關于加快推進燃煤機組(鍋爐)超低排放的指導意見》，對燃煤工業鍋爐的煙塵、SO2和NOx的超低排放做出明確要求。針對燃煤工業鍋爐超低排放的推廣已是大勢所趨。
煤粉工業鍋爐由于能源利用效率和污染物排放控制的良好表現，近年來獲得了較為廣泛地發展。煙塵、SO2、NOx排放濃度均可滿足GB13271—2014鍋爐大氣污染物排放標準中地區大氣污染物特別排放限值的要求，即基準氧含量9%條件下煙塵、SO2、NOx排放濃度分別不高于30mg/m3、200mg/m3、200mg/m3。但各項污染物的排放數據對比超低排放限值，仍有差距。一種適合煤粉工業鍋爐的低成本、的超低排放技術迫在眉睫。
1煤粉工業鍋爐的污染控制技術
煤粉工業鍋爐的主流污染控制技術是袋式除塵技術、濕法脫硫技術、低氮燃燒技術、SNCR脫硝技術和SCR脫硝技術。
1.1袋式除塵技術
袋式除塵技術(FabricFilter，FF)是一種是利用袋狀過濾元件來捕集含塵氣體中固體顆粒物的干式除塵技術。目前根據煙氣的溫濕度、原始灰塵濃度、酸堿度等使用條件的不同，已出多種耐熱性良好、化學性能穩定性、過濾效率的濾袋產品。袋式除塵技術，一般可達到以上，煙塵排放質量濃度可低于30mg/m3，對亞微米顆粒具有較高的分級除塵效率[4]，已廣泛應用在各工業，成為中國大氣污染控制特別是PM2.5排放控制的主流技術。
1.2濕法脫硫技術
濕法脫硫技術(WetFlueGasDesulfurization，WFGD)是一種用堿性氧化物水溶液或水漿液在吸收塔內噴淋洗滌煙氣中SO2的技術。根據采用脫硫劑的不同，常用的濕法脫硫技術有石灰石/石膏法、氨法和氧化鎂法等三類，脫硫效率均能達到以上。濕法脫硫技術在電力、冶金、石化等行業應用廣泛，占世界脫硫總裝機容量的85%左右。中國90%以上的煙氣脫硫工程采用的是石灰石/石膏濕法脫硫工藝，遼寧、山東等鎂礦儲量較為豐富的地區有氧化鎂法脫硫工藝的應用。
1.3NOx控制技術
1.3.1低氮燃燒技術
低氮燃燒技術是采用空氣分級燃燒、燃料分級燃燒、煙氣再循環等手段，通過延緩燃燒進程或稀釋煙氣顯熱，以控制熱力型NOx的一類技術的統稱。環境保護燃煤工業鍋爐節能與污染控制工程技術(以下簡稱“工程”)采用空氣分級燃燒和煙氣再循環等方式，的新一代煤粉工業鍋爐燃燒器已可實現NOx折算初始排放濃度<200mg/m3。
1.3.2SNCR脫硝技術
SNCR(SelectiveNon-CatalyticReduction，選擇性非催化還原)是一種通過向高溫煙氣中尿素或氨基化合物作為還原劑，有選擇性地把煙氣中的NOx還原為N2和H2O的脫硝技術操作溫度在800℃~1000℃，脫硝效率在30%～80%[5]。
1.3.3SCR脫硝技術
SCR(SelectiveCatalyticReduction，選擇性催化還原)是一種基于在催化劑的作用下，通過向煙氣中噴入尿素或氨基化合物作為還原劑，有選擇性地將煙氣中的NOx還原為N2和H2O的脫硝技術。操作溫度與催化反應的活性溫度范圍有關，以V2O5/TiO2金屬氧化物為例，反應溫度在260℃~425℃[6]，脫硝效率在80%以上。
1.4應用案例
項目一：東北J市2#熱源廠選用藍天環保兩臺58MW新型煤粉工業鍋爐(型號AXS58-1.6/130/70-AⅢ)及其附屬配套設施，為機場及周圍城區提供熱源。煙氣污染控制技術選用了袋式除塵技術和氧化鎂濕法脫硫技術。2013年組織對該熱源廠兩臺鍋爐進行環保測試，煙塵折算排放濃度20mg/m3，除塵效率99.77%，SO2折算排放濃度48mg/m3，脫硫效率85.63%，排放指標均優于標準GB13271—2014鍋爐大氣污染物排放標準。
項目二：石家莊市為了加強居民供熱工程的霧霾治理，選用藍天環保兩臺29MW新型煤粉工業鍋爐(型號QXS29-1.6/125/70-AⅢ)及其附屬配套設施，為石家莊西北區域提供熱源。煙氣污染控制技術選用了袋式除塵技術、氧化鎂濕法脫硫技術、低氮燃燒聯合SNCR脫硝技術。2015年組織對該熱源廠2#鍋爐進行環保測試，煙塵折算排放濃度7mg/m3，SO2低于儀器檢出限，NOx折算排放濃度58mg/m3，排放指標均優于標準GB13271—2014鍋爐大氣污染物排放標準。
2超低排放技術方案
2.1現有污染控制技術效果分析
在基準氧含量9%條件下，規定的煙塵、SO2、NOx超低排放濃度限值折算為8mg/m3、28mg/m3、40mg/m3。高于同樣折算條件下，根據GB13271—2014鍋爐大氣污染物排放標準對地區大氣污染物特別排放限值的要求，即分別不高于30mg/m3、200mg/m3、200mg/m3。
按項目一應用效果分析，袋式除塵效率已經高達99.77%，但折算排放濃度仍高于超低排放限值。煙塵處理效率需要進一步提高，單靠除塵器較難實現超低排放的目的，需要串聯除塵裝置，理論上其除塵效率應達到60%以上。項目一中氧化鎂濕法脫硫效率為85.63%，低于濕法脫硫技術平均效率。經測算，該項目其余條件不變情況下，當脫硫效率達到91.62%時，即可滿足28mg/m3排放要求。故此，濕法脫硫系統進行提效技術優化改造可以超低排放要求。
低氮燃燒聯合SNCR脫硝技術，理論上在SNCR脫硝效率佳狀態時可以實現NOx超低排放。考慮到SNCR脫硝效率受鍋爐工況、噴射布置等多種因素影響，同樣設計在不同工況下處理效果差異較大。出于穩定運行考慮，選擇低氮燃燒聯合SCR技術，即在低氮燃燒NOx原始排放不高于200mg/m3的條件下，串聯效率在80%以上的SCR脫硝技術，NOx超低排放。
2.2濕式電除塵器
電站鍋爐系統在WFGD的下游安裝濕式電除塵器(WetElectrostaticPrecipitator，WESP)，作為煙氣凈化工藝的終端處理設備。WESP工作原理和干式電除塵除塵原理基本相同，都要經歷電離、荷電、收集和清灰四個階段。如圖1所示，含塵煙氣經多孔板均勻進入收塵室，在放電作用下被電離形成電子和正離子，電子與粉塵發生碰撞使其表面荷電，荷電粒子在電場作用下在集塵機富集，水流自上而下沖洗集塵表面將粉塵帶走，經灰斗排至排水池。
日本的濕式電除塵技術起步較早，已經有30a多的應用歷史，碧南電廠5臺濕式電除塵器器投產20a來，煙塵排放濃度長期保持在2mg/m3～5mg/m3的水平。中國WESP技術發展，至今已有近百臺工程業績。同時，產品國產化進程顯著加快，可供工業鍋爐配套選用的小型WESP產品已成功應用在上海長興島發電廠2×12MW鍋爐和福建上杭瑞翔紙業20t/h循環流化床鍋爐。前者濕式電除塵器出口粉塵排放濃度為6.1mg/m3，后者濕電除塵器出口粉塵排放濃度9.3mg/m3。
經驗表明，除塵效率可達到70%～80%，具有控制復合污染物的功能。由于煙氣溫度降低及含濕量，粉塵比電阻大幅度下降，可對PM2.5、黏性的或高比電阻粉塵及煙氣中SO3酸霧、氣溶膠、重金屬(Hg、As、Se、Pb、Cr)、污染物(多環芳烴、二噁英)等起到的控制作用，社會效益巨大。
2.3超低排放技術工藝路線
通過對煤粉工業鍋爐的主流污染控制技術項目應用情況的分析，結合電站鍋爐超低排放系統的工藝布置及小型WESP產品的應用情況，提出一種適用于煤粉工業鍋爐的超低排放技術工藝。
如圖2所示，該工藝路線為“低氮燃燒器+鍋爐本體+SCR反應器+袋式除塵器+濕法脫硫洗滌塔+濕式電除塵+煙囪”。即選用低氮燃燒聯合SCR脫硝技術及提效技術優化的濕法脫硫技術，用于NOx和SO2的超低排放控制。同時，在煤粉工業鍋爐WFGD下游安裝WESP，控制煙超低排放和對復合污染物的控制，解決濕法脫硫不能避免的石膏雨、藍煙問題。
3關于WESP的經濟分析
以熱效率90%、額定出力75t/h的蒸汽工業鍋爐(3.82MPa，450℃)為例，過剩系數1.8，煙氣溫度60℃，WESP阻力損失Δp=300Pa，燃用Ⅲ類煙煤(Car=57.77%、Har=4.07%、Oar=10.18%、Nar=0.83%、Sar=0.48%、Mar=10.71%、Aar=15.、Vdaf=29.85%、Qar，net=22848kJ/kg)條件下，煙氣流量Qy=104430Nm3/h，含氧量9.08%，參照風機功率計算公式：
則在介質壓縮系數取ψ=1，風機效率取η=90%的條件下，增加風機功率N=9.86kW。
煙塵排放限值自30mg/m3降至8mg/m3后，按照年運行7200h考慮，則增加電耗70992kW˙h，減少煙塵排放16.54t。
4結語
濕式電除塵技術成熟、煙塵減排效果良好，國內已完成小型化產品的應用，可以廣泛應用于煤粉工業鍋爐污染控制系統;“低氮燃燒+SCR+FF+WFGD+WESP”煙氣處理工藝優化了各單元的污染物脫除效率，兼顧了對尾端煙氣中復合污染物的治理，可以煤粉工業鍋爐煙氣實現超低排放，適合在中國大面積推廣;燃煤工業鍋爐能源消費基數大，污染物排放量大，參照電站燃煤機組政策要求，開展針對燃煤工業鍋爐的超低排放技術改造，可以實現超低排放，對煤粉工業鍋爐意義重大。
