【來(lái)訊】煤粉工業(yè)鍋爐超低排放技術(shù)淺析
2019-08-1218:40:15
針對(duì)煤粉工業(yè)鍋爐的主流污染控制技術(shù)及其項(xiàng)目應(yīng)用效果進(jìn)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(guó)的應(yīng)用情況,提出一種煤粉工業(yè)鍋爐超低排放技術(shù).該工藝在可以實(shí)現(xiàn)煙塵、SO2、NOx超低排放，對(duì)煙氣中復(fù)合污染物進(jìn)行控制，適合在中國(guó)大面積推廣。
0引言
中國(guó)在用燃煤工業(yè)鍋爐47×104臺(tái)余，廣泛應(yīng)用于冶金、化工、水泥、造紙、供熱等多個(gè)行業(yè)，年消耗煤炭達(dá)6.4×108t，占總煤炭消費(fèi)量的18%左右。由于能源消費(fèi)基數(shù)大、技術(shù)裝備落后、運(yùn)營(yíng)水平不高、環(huán)保措施不到位等原因，燃煤工業(yè)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(shí)的污染物排放大戶。
近年來(lái)，隨著煙氣治理技術(shù)不斷發(fā)展，對(duì)煙污染物的排放控制日趨嚴(yán)格。要求所有具備改造條件的燃煤電廠，到2020年力爭(zhēng)實(shí)現(xiàn)煙塵、SO2、NOx在基準(zhǔn)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(tái)了《關(guān)于加快推進(jìn)燃煤機(jī)組(鍋爐)超低排放的指導(dǎo)意見(jiàn)》，對(duì)燃煤工業(yè)鍋爐的煙塵、SO2和NOx的超低排放做出明確要求。針對(duì)燃煤工業(yè)鍋爐超低排放的推廣已是大勢(shì)所趨。
煤粉工業(yè)鍋爐由于能源利用效率和污染物排放控制的良好表現(xiàn)，近年來(lái)獲得了較為廣泛地發(fā)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(biāo)準(zhǔn)中地區(qū)大氣污染物特別排放限值的要求，即基準(zhǔn)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(xiàng)污染物的排放數(shù)據(jù)對(duì)比超低排放限值，仍有差距。一種適合煤粉工業(yè)鍋爐的低成本、的超低排放技術(shù)迫在眉睫。
1煤粉工業(yè)鍋爐的污染控制技術(shù)
煤粉工業(yè)鍋爐的主流污染控制技術(shù)是袋式除塵技術(shù)、濕法脫硫技術(shù)、低氮燃燒技術(shù)、SNCR脫硝技術(shù)和SCR脫硝技術(shù)。
1.1袋式除塵技術(shù)
袋式除塵技術(shù)(FabricFilter，F(xiàn)F)是一種是利用袋狀過(guò)濾元件來(lái)捕集含塵氣體中固體顆粒物的干式除塵技術(shù)。目前根據(jù)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(xué)性能穩(wěn)定性、過(guò)濾效率的濾袋產(chǎn)品。袋式除塵技術(shù)，一般可達(dá)到以上，煙塵排放質(zhì)量濃度可低于30mg/m3，對(duì)亞微米顆粒具有較高的分級(jí)除塵效率[4]，已廣泛應(yīng)用在各工業(yè)，成為中國(guó)大氣污染控制特別是PM2.5排放控制的主流技術(shù)。
1.2濕法脫硫技術(shù)
濕法脫硫技術(shù)(WetFlueGasDesulfurization，WFGD)是一種用堿性氧化物水溶液或水漿液在吸收塔內(nèi)噴淋洗滌煙氣中SO2的技術(shù)。根據(jù)采用脫硫劑的不同，常用的濕法脫硫技術(shù)有石灰石/石膏法、氨法和氧化鎂法等三類，脫硫效率均能達(dá)到以上。濕法脫硫技術(shù)在電力、冶金、石化等行業(yè)應(yīng)用廣泛，占世界脫硫總裝機(jī)容量的85%左右。中國(guó)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(chǔ)量較為豐富的地區(qū)有氧化鎂法脫硫工藝的應(yīng)用。
1.3NOx控制技術(shù)
1.3.1低氮燃燒技術(shù)
低氮燃燒技術(shù)是采用空氣分級(jí)燃燒、燃料分級(jí)燃燒、煙氣再循環(huán)等手段，通過(guò)延緩燃燒進(jìn)程或稀釋煙氣顯熱，以控制熱力型NOx的一類技術(shù)的統(tǒng)稱。環(huán)境保護(hù)燃煤工業(yè)鍋爐節(jié)能與污染控制工程技術(shù)(以下簡(jiǎn)稱“工程”)采用空氣分級(jí)燃燒和煙氣再循環(huán)等方式，的新一代煤粉工業(yè)鍋爐燃燒器已可實(shí)現(xiàn)NOx折算初始排放濃度<200mg/m3。
1.3.2SNCR脫硝技術(shù)
SNCR(SelectiveNon-CatalyticReduction，選擇性非催化還原)是一種通過(guò)向高溫?zé)煔庵心蛩鼗虬被衔镒鳛檫€原劑，有選擇性地把煙氣中的NOx還原為N2和H2O的脫硝技術(shù)操作溫度在800℃~1000℃，脫硝效率在30%～80%[5]。
1.3.3SCR脫硝技術(shù)
SCR(SelectiveCatalyticReduction，選擇性催化還原)是一種基于在催化劑的作用下，通過(guò)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(shù)。操作溫度與催化反應(yīng)的活性溫度范圍有關(guān)，以V2O5/TiO2金屬氧化物為例，反應(yīng)溫度在260℃~425℃[6]，脫硝效率在80%以上。
1.4應(yīng)用案例
項(xiàng)目一：東北J市2#熱源廠選用藍(lán)天環(huán)保兩臺(tái)58MW新型煤粉工業(yè)鍋爐(型號(hào)AXS58-1.6/130/70-AⅢ)及其附屬配套設(shè)施，為機(jī)場(chǎng)及周圍城區(qū)提供熱源。煙氣污染控制技術(shù)選用了袋式除塵技術(shù)和氧化鎂濕法脫硫技術(shù)。2013年組織對(duì)該熱源廠兩臺(tái)鍋爐進(jìn)行環(huán)保測(cè)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(biāo)均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)GB13271—2014鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。
項(xiàng)目二：石家莊市為了加強(qiáng)居民供熱工程的霧霾治理，選用藍(lán)天環(huán)保兩臺(tái)29MW新型煤粉工業(yè)鍋爐(型號(hào)QXS29-1.6/125/70-AⅢ)及其附屬配套設(shè)施，為石家莊西北區(qū)域提供熱源。煙氣污染控制技術(shù)選用了袋式除塵技術(shù)、氧化鎂濕法脫硫技術(shù)、低氮燃燒聯(lián)合SNCR脫硝技術(shù)。2015年組織對(duì)該熱源廠2#鍋爐進(jìn)行環(huán)保測(cè)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(biāo)均優(yōu)于標(biāo)準(zhǔn)GB13271—2014鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)。
2超低排放技術(shù)方案
2.1現(xiàn)有污染控制技術(shù)效果分析
在基準(zhǔn)氧含量9%條件下，規(guī)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(jù)GB13271—2014鍋爐大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)對(duì)地區(qū)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(xiàng)目一應(yīng)用效果分析，袋式除塵效率已經(jīng)高達(dá)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(jìn)一步提高，單靠除塵器較難實(shí)現(xiàn)超低排放的目的，需要串聯(lián)除塵裝置，理論上其除塵效率應(yīng)達(dá)到60%以上。項(xiàng)目一中氧化鎂濕法脫硫效率為85.63%，低于濕法脫硫技術(shù)平均效率。經(jīng)測(cè)算，該項(xiàng)目其余條件不變情況下，當(dāng)脫硫效率達(dá)到91.62%時(shí)，即可滿足28mg/m3排放要求。故此，濕法脫硫系統(tǒng)進(jìn)行提效技術(shù)優(yōu)化改造可以超低排放要求。
低氮燃燒聯(lián)合SNCR脫硝技術(shù)，理論上在SNCR脫硝效率佳狀態(tài)時(shí)可以實(shí)現(xiàn)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(shè)計(jì)在不同工況下處理效果差異較大。出于穩(wěn)定運(yùn)行考慮，選擇低氮燃燒聯(lián)合SCR技術(shù)，即在低氮燃燒NOx原始排放不高于200mg/m3的條件下，串聯(lián)效率在80%以上的SCR脫硝技術(shù)，NOx超低排放。
2.2濕式電除塵器
電站鍋爐系統(tǒng)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(shè)備。WESP工作原理和干式電除塵除塵原理基本相同，都要經(jīng)歷電離、荷電、收集和清灰四個(gè)階段。如圖1所示，含塵煙氣經(jīng)多孔板均勻進(jìn)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(fā)生碰撞使其表面荷電，荷電粒子在電場(chǎng)作用下在集塵機(jī)富集，水流自上而下沖洗集塵表面將粉塵帶走，經(jīng)灰斗排至排水池。
日本的濕式電除塵技術(shù)起步較早，已經(jīng)有30a多的應(yīng)用歷史，碧南電廠5臺(tái)濕式電除塵器器投產(chǎn)20a來(lái)，煙塵排放濃度長(zhǎng)期保持在2mg/m3～5mg/m3的水平。中國(guó)WESP技術(shù)發(fā)展，至今已有近百臺(tái)工程業(yè)績(jī)。同時(shí)，產(chǎn)品國(guó)產(chǎn)化進(jìn)程顯著加快，可供工業(yè)鍋爐配套選用的小型WESP產(chǎn)品已成功應(yīng)用在上海長(zhǎng)興島發(fā)電廠2×12MW鍋爐和福建上杭瑞翔紙業(yè)20t/h循環(huán)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(jīng)驗(yàn)表明，除塵效率可達(dá)到70%～80%，具有控制復(fù)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(duì)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(huán)芳烴、二噁英)等起到的控制作用，社會(huì)效益巨大。
2.3超低排放技術(shù)工藝路線
通過(guò)對(duì)煤粉工業(yè)鍋爐的主流污染控制技術(shù)項(xiàng)目應(yīng)用情況的分析，結(jié)合電站鍋爐超低排放系統(tǒng)的工藝布置及小型WESP產(chǎn)品的應(yīng)用情況，提出一種適用于煤粉工業(yè)鍋爐的超低排放技術(shù)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(yīng)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(lián)合SCR脫硝技術(shù)及提效技術(shù)優(yōu)化的濕法脫硫技術(shù)，用于NOx和SO2的超低排放控制。同時(shí)，在煤粉工業(yè)鍋爐WFGD下游安裝WESP，控制煙超低排放和對(duì)復(fù)合污染物的控制，解決濕法脫硫不能避免的石膏雨、藍(lán)煙問(wèn)題。
3關(guān)于WESP的經(jīng)濟(jì)分析
以熱效率90%、額定出力75t/h的蒸汽工業(yè)鍋爐(3.82MPa，450℃)為例，過(guò)剩系數(shù)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(fēng)機(jī)功率計(jì)算公式：
則在介質(zhì)壓縮系數(shù)取ψ=1，風(fēng)機(jī)效率取η=90%的條件下，增加風(fēng)機(jī)功率N=9.86kW。
煙塵排放限值自30mg/m3降至8mg/m3后，按照年運(yùn)行7200h考慮，則增加電耗70992kW˙h，減少煙塵排放16.54t。
4結(jié)語(yǔ)
濕式電除塵技術(shù)成熟、煙塵減排效果良好，國(guó)內(nèi)已完成小型化產(chǎn)品的應(yīng)用，可以廣泛應(yīng)用于煤粉工業(yè)鍋爐污染控制系統(tǒng);“低氮燃燒+SCR+FF+WFGD+WESP”煙氣處理工藝優(yōu)化了各單元的污染物脫除效率，兼顧了對(duì)尾端煙氣中復(fù)合污染物的治理，可以煤粉工業(yè)鍋爐煙氣實(shí)現(xiàn)超低排放，適合在中國(guó)大面積推廣;燃煤工業(yè)鍋爐能源消費(fèi)基數(shù)大，污染物排放量大，參照電站燃煤機(jī)組政策要求，開展針對(duì)燃煤工業(yè)鍋爐的超低排放技術(shù)改造，可以實(shí)現(xiàn)超低排放，對(duì)煤粉工業(yè)鍋爐意義重大。
