循環(huán)流化床鍋爐多污染物協(xié)同控制技術(shù)應(yīng)用探討

李萬忠，李浩杰

（1.內(nèi)蒙古國電能源投資有限公司金山熱電廠，呼和浩特 010110；2.內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院環(huán)保所，呼和浩特 010020）

1 概述

循環(huán)流化床鍋爐燃燒技術(shù)是清潔煤技術(shù)中商業(yè)化程度最好的優(yōu)選技術(shù)之一，其具有煤種適應(yīng)性強、負(fù)荷可調(diào)節(jié)范圍大、燃燒穩(wěn)定、爐內(nèi)燃燒時可添加石灰石實現(xiàn)低成本脫硫、分級燃燒能有效降低NOx排放、灰渣可綜合利用等優(yōu)點。我國已經(jīng)成為世界上擁有循環(huán)流化床鍋爐數(shù)量最多、技術(shù)示范最多的國家，已積累了大量的經(jīng)驗，形成了完整的設(shè)計理論體系，目前循環(huán)流化床鍋爐已在600MW機組上得到應(yīng)用，在燃煤鍋爐中占有重要的地位。

當(dāng)前，我國的經(jīng)濟增長與環(huán)境容量的矛盾日益突出，國家已出臺更為嚴(yán)格的大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，其中包括2011年7月29日頒布的《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223-2011）。新標(biāo)準(zhǔn)再一次大幅調(diào)低了燃煤發(fā)電廠煙塵、SOx、NOx等污染物的排放限值，并首次提出了重金屬汞排放限值低于30ng/Nm3，這就意味著燃煤電廠煙氣今后將必須同時進行塵、硫、氮和汞等多污染物的脫除。循環(huán)流化床鍋爐通過爐內(nèi)投入石灰石可實現(xiàn)成本脫硫，但采用該工藝脫硫效率一般在80%左右，鍋爐出口SOx排放濃度無法達到100mg/Nm3的要求，為滿足排放要求，必須設(shè)置爐外脫硫裝置；如果爐內(nèi)投入了石灰石，勢必導(dǎo)致飛灰中比電阻增加，直接會影響到除塵器的選型；循環(huán)流化床鍋爐采用分級燃燒方式，燃燒溫度較低，NOx生成濃度通常在200～300mg/Nm3之間，也無法滿足排放限值低于100mg/Nm3的要求，仍需設(shè)置煙氣脫硝裝置，而脫硝過程中氨逃逸所形成的亞硫酸氫氨對下游的除塵器運行也會帶來一定的影響；除塵器出口煙塵排放濃度會影響到濕法脫硫裝置的運行穩(wěn)定性和副產(chǎn)品品質(zhì)；對于重金屬汞排放限值低于30mg/Nm3的要求，需根據(jù)燃料中重金屬汞的含量及煙氣中重金屬汞的形態(tài)、氣態(tài)單質(zhì)汞的含量來確定是否需單獨設(shè)置脫汞裝置。

火電廠依據(jù)國家環(huán)保法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)要求階段性完成了單一污染物的控制，先后建設(shè)了高效除塵設(shè)備和脫硫裝置，發(fā)達地區(qū)的一些火電廠進行了脫硝改造，近兩年新上機組同步實施了脫硝裝置建設(shè)，削減了煙塵、SOx、NOx等污染物的排放量。在一系列環(huán)保項目實施過程中，國內(nèi)的環(huán)保企業(yè)或引進國外技術(shù)、或自主研發(fā)、或引進吸收國外技術(shù)再創(chuàng)新，形成了一批較成熟的除塵、脫硫和脫硝技術(shù)。火電廠通常會將除塵器、脫硫裝置和脫硝裝置分開建設(shè)或分步實施，并根據(jù)各環(huán)保企業(yè)的專長來確定實施廠家，而實施廠家往往只關(guān)注自身所承接的項目范圍，很少會系統(tǒng)性考慮對上下游設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)作用和相互影響，最終導(dǎo)致各種脫除設(shè)備或裝置之間會相互造成一些不利的影響，而相互之間可利用的積極因素沒有得到有效挖掘。因此從國際環(huán)保技術(shù)發(fā)展方向看，研究開發(fā)高效、經(jīng)濟的多種污染物協(xié)同控制技術(shù)并進行系統(tǒng)集成已成為一種必然趨勢。

2 各種污染物治理工藝路線的選擇

目前現(xiàn)有的火電廠均安裝有除塵器，采用循環(huán)流化床鍋爐的機組還有大部分尚未安裝脫硫裝置和脫硝裝置，《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》（GB 13223-2011）中已明確要求現(xiàn)有火電廠到2014年7月1日前通過改造來滿足污染物排放限值要求，因此選擇一條適合火電廠自身特點的多污染物治理工藝路線尤為重要。

2.1 火電廠除塵技術(shù)工藝路線

目前，我國的靜電除塵技術(shù)已處于國際領(lǐng)先水平，應(yīng)用比例在90%以上。由于我國燃煤的灰分較高，煤質(zhì)和負(fù)荷多變，要穩(wěn)定達到30mg/Nm3的煙塵排放限值，需采用6電場以上的電除塵器。國內(nèi)現(xiàn)役機組電除塵器以4電場為主，絕大多數(shù)沒有增加電場的空間，須采用袋式除塵技術(shù)、電袋復(fù)合除塵技術(shù)或移動電極等新工藝。而循環(huán)流化床鍋爐如考慮在爐內(nèi)投入石灰石來實現(xiàn)脫硫，將影響到飛灰的比電阻，對電除塵器的除塵效率會帶來不利影響。即使?fàn)t內(nèi)不脫硫，考慮到除塵器下游的濕法脫硫裝置不設(shè)置旁路系統(tǒng)，在鍋爐投油點火時，應(yīng)避免油污進入到脫硫系統(tǒng)內(nèi)，導(dǎo)致吸收劑被污染，造成噴嘴、管道和皮帶脫水機濾布堵塞現(xiàn)象發(fā)生。因此在選擇除塵器型式時需考慮投油時對除塵器的保護措施。

2.2 火電廠脫硫技術(shù)工藝路線

目前，我國火電廠脫硫技術(shù)已形成了石灰石-石膏濕法脫硫工藝為主，海水脫硫工藝、煙氣循環(huán)流化床脫硫工藝、氨法脫硫工藝為輔的技術(shù)路線。其中石灰石-石膏濕法脫硫工藝占93%，海水脫硫工藝占3%，煙氣循環(huán)流化床脫硫工藝占3%，氨法脫硫工藝占2%。石灰石-石膏濕法脫硫技術(shù)具有脫硫效率高、技術(shù)成熟、運行可靠性高、石灰石資源豐富價廉易得、石膏便于綜合利用等特點，該工藝的最佳脫硫效率在95%左右，脫硫效率超過96%后，脫硫能耗會大大增加；煙氣循環(huán)流化床脫硫技術(shù)脫硫效率通常為85%～90%，如果要進一步提高脫硫效率，勢必會導(dǎo)致吸收劑的耗量大大增加；海水脫硫工藝和氨法脫硫工藝在應(yīng)用上受到一定的限制，主要是要考慮海水或氨水的來源。循環(huán)流化床鍋爐如有爐內(nèi)脫硫裝置，可考慮爐內(nèi)脫硫和爐外循環(huán)流化床脫硫的復(fù)合脫硫方式，利用爐內(nèi)脫硫時殘余的石灰和外加的消石灰一起作為吸收劑在脫硫塔內(nèi)進行反應(yīng)，達到SOx滿足排放標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.3 火電廠脫硝技術(shù)工藝路線

目前國內(nèi)火電廠采用脫硝技術(shù)主要有選擇性催化還原法（SCR），選擇性非催化還原法（SNCR） 和氧化吸收法（COA）。已投運的煙氣脫硝機組95%以上采用選擇性催化還原法技術(shù)，原因是這些機組以煤粉鍋爐為主，而循環(huán)流化床鍋爐因其NOx排放濃度低，要達到排放限值僅需50%～60%的脫硝效率，且鍋爐爐膛出口處設(shè)置的旋風(fēng)分離器有利于氨與NOx的充分混合，采用選擇性非催化還原法工藝既能夠滿足排放要求，又具有投資省、運行費用低等優(yōu)點，因此選擇性非催化還原法是循環(huán)流化床鍋爐煙氣脫硝技術(shù)中比較理想的工藝。氧化吸收法具有投資省、脫硝效率較選擇性非催化還原法高等優(yōu)點，但使用該工藝時需結(jié)合脫硫裝置來實現(xiàn)脫硝的目的。

3 多污染物協(xié)同控制技術(shù)應(yīng)用的可行性

隨著國家對大氣污染物控制的種類增加，火電廠需要設(shè)置的環(huán)保設(shè)施增多，如果不統(tǒng)籌性進行考慮，而是孤立地考慮單一污染物的治理措施，勢必會導(dǎo)致煙氣污染物治理系統(tǒng)更加龐大復(fù)雜，系統(tǒng)設(shè)備占地大、能耗高、運行風(fēng)險大、副產(chǎn)物二次污染等問題發(fā)生。一些火電廠已先后建成了除塵器、脫硫裝置和脫硝裝置，實際運行中發(fā)現(xiàn)這些環(huán)保設(shè)施在運行中會相互作用、相互影響，其中既有積極的因素，也有消極的因素，通過開展多污染物協(xié)同控制技術(shù)應(yīng)用試驗與研究，可以實現(xiàn)煙氣污染物綜合治理系統(tǒng)揚長避短，充分發(fā)揮其多污染物協(xié)同控制的作用。

3.1 選擇性非催化還原法脫硝技術(shù)、循環(huán)流化床干法脫硫技術(shù)和袋式除塵技術(shù)對多污染物的協(xié)同控制分析

循環(huán)流化床鍋爐脫硝裝置采用SNCR工藝，在鍋爐爐膛出口和旋風(fēng)分離器入口之間煙道上布置噴槍，此處煙氣溫度通常在800℃～900℃之間，處于使用該工藝?yán)硐氲姆磻?yīng)溫度區(qū)間，氨水或尿素溶液作為還原劑通過噴槍噴入煙道與煙氣接觸，借助旋風(fēng)分離器實現(xiàn)氨與煙氣中NOx的充分混合并發(fā)生反應(yīng)，達到對煙氣脫硝的目的。行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求氨逃逸率應(yīng)小于10ppm，在滿足這一要求的前提下，脫硝效率可保證60%，如果鍋爐未進行脫硝處理時出口NOx濃度小于250mg/Nm3，鍋爐脫硝時則可滿足出口NOx濃度小于100mg/Nm3的排放要求；如果鍋爐未進行脫硝處理時出口NOx濃度大于250mg/Nm3，為滿足鍋爐出口NOx濃度排放達標(biāo)，需適當(dāng)提高還原劑添加量，氨逃逸率將大于10ppm，此時應(yīng)考慮逃逸的氨在不造成空預(yù)器堵塞的情況下進入循環(huán)流化床干法脫硫裝置內(nèi)，在脫硫反應(yīng)過程中將氨消耗掉，滿足煙囪出口氨的排放指標(biāo)要求。

循環(huán)流化床鍋爐脫硫裝置采用循環(huán)流化床干法脫硫工藝，脫硫效率可長期達到90%，如果入爐煤含硫量較低，脫硫塔入口SOx濃度小于1000mg/Nm3，脫硫后煙氣中的SOx濃度小于100mg/Nm3，可滿足排放限制要求；如果入爐煤含硫量較高，脫硫塔入口濃度小于1500mg/Nm3，此時應(yīng)考慮向爐內(nèi)添加石灰石，通過爐內(nèi)脫硫?qū)崿F(xiàn)脫硫塔入口濃度小于1000mg/Nm3，再通過爐外脫硫裝置脫硫后實現(xiàn)達標(biāo)排放，爐外脫硫時一部分吸收劑來自煙氣中殘留的石灰，其余則來自外部加入的石灰，采用該脫硫工藝可有效避免下游設(shè)備和煙道的腐蝕，防腐工作可大大簡化。此外，PM2.5以下超細粉塵在脫硫增濕過程中會實現(xiàn)凝聚和黏附，有利于后續(xù)袋式除塵器對PM2.5以下超細粉塵捕集的效率。

除塵采用袋式除塵工藝，袋式除塵器可滿足煙塵出口排放濃度小于30mg/Nm3，甚至可實現(xiàn)更低的排放值，袋式除塵器不僅具有除塵功能，對脫硫效率的提升也起到了積極的作用。吸收劑附著在濾袋外表面，與煙氣中的SOx接觸充分，還能起到進一步發(fā)生脫硫反應(yīng)的作用。此外，袋式除塵器還能起到脫汞的作用，對于固態(tài)汞化合物的脫除效率可達到99%以上，對氣態(tài)汞也有一定的脫除效率。一般情況下煙氣中的汞通過袋式除塵器后即可實現(xiàn)達標(biāo)排放，如果煙氣中的汞含量過高，可在除塵器入口煙道內(nèi)噴入少量活性炭，通過活性炭對汞的吸附作用實現(xiàn)脫汞的目的。活性炭與脫硫副產(chǎn)物一起被除塵器捕集落入灰斗中，通過返料輸送裝置少量外排，絕大部分返回脫硫塔，進而實現(xiàn)循環(huán)利用。

采用上述工藝組合，不僅可實現(xiàn)脫硝、脫硫和除塵的目的，還可實現(xiàn)脫汞，此外還可有效控制氨逃逸量和提高PM2.5以下超細粉塵的捕集率，各裝置除實現(xiàn)自身的主要功能外，還對其它裝置實現(xiàn)協(xié)同作用，有利于實現(xiàn)對煙氣多污染物的協(xié)同控制，不但可降低整個污染治理系統(tǒng)的造價，而且有利于整個污染治理系統(tǒng)穩(wěn)定運行。

3.2 選擇性非催化還原法脫硝技術(shù)、袋式除塵技術(shù)和石灰石-石膏法脫硫技術(shù)對多污染物的協(xié)同控制分析

循環(huán)流化床鍋爐脫硝裝置采用SNCR工藝，不僅要考慮氨逃逸率對空預(yù)器的影響，而且要考慮對袋式除塵器濾袋的影響，避免逃逸的氨與煙氣中的SO3生成硫酸氫銨，黏附在濾袋外表面，造成糊袋現(xiàn)象發(fā)生。因此，為提高脫硝效率而適當(dāng)加大還原劑的投入量，必須對袋式除塵器的濾袋進行必要的表面處理和保護，以保證袋式除塵器穩(wěn)定可靠運行。在此情況下，袋式除塵器的清灰力度需適度，使濾袋表面保留一定厚度的粉餅層，實現(xiàn)對硫酸氫銨的攔截和包覆，可有效避免糊袋現(xiàn)象發(fā)生，同時可對氨起到相應(yīng)的脫除作用。

袋式除塵器出口煙塵排放濃度低有利于下游的石灰石-石膏法脫硫裝置的穩(wěn)定運行，吸收劑漿液可不被煙塵污染，有利于脫硫效率和脫硫副產(chǎn)物品質(zhì)的保證。脫硫過程中可對煙氣中的氨同步脫除，也能起到進一步除塵的作用，但脫硫裝置主要功能為脫硫，煙塵排放濃度應(yīng)在上游的袋式除塵器出口就保證達標(biāo)。在袋式除塵器入口煙道內(nèi)噴入少量活性炭，通過活性炭對汞的吸附作用可以實現(xiàn)脫汞的目的，但活性炭無法實現(xiàn)循環(huán)利用，與本文章節(jié)3.1中提出的工藝組合相比，活性炭的耗量較大。

采用上述工藝組合，可實現(xiàn)對煙塵、SOx、NOx、汞的脫除，各裝置之間也存在協(xié)同控制，需熟知和掌握彼此之間的相互影響，充分利用整個污染治理系統(tǒng)的潛力。

3.3 氧化吸收法脫硝技術(shù)、循環(huán)流化床干法脫硫技術(shù)和袋式除塵技術(shù)對多污染物的協(xié)同控制分析

循環(huán)流化床鍋爐脫硝裝置采用COA工藝，在脫硫塔入口煙道處通過向煙氣中噴入KMnO4、NaClO等氧化性溶液，利用添加劑的催化和氧化作用，促使煙氣中的O2和NO發(fā)生氧化反應(yīng)生成NO2，與H2O發(fā)生反應(yīng)生成HNO3，再與吸收劑Ca(OH)2發(fā)生反應(yīng)生成Ca(NO3)2，從而實現(xiàn)脫硝過程。脫硝添加劑具有催化氧化功能，在催化氧化NO轉(zhuǎn)化為NO2的同時，也會將煙氣中一部分SO2催化氧化成SO3；而干法系統(tǒng)對SO3的脫除效率極佳，幾乎可以全部脫除。因此采用COA工藝后對系統(tǒng)整體的脫硫效率有一定的提高。

COA脫硝系統(tǒng)單獨設(shè)置，與脫硫系統(tǒng)既相對獨立，又相互作用，脫硫塔不僅起到脫硫的作用，而且脫硝反應(yīng)也主要在脫硫塔內(nèi)完成，合理匹配脫硝和脫硫之間的交互關(guān)系，對脫硫系統(tǒng)的正常運行不會造成不利的影響，而在一定程度上又有利于脫硫效率的提高。實際運行中，可通過脫硫出口的煙氣溫度控制脫硝添加劑中水量和脫硫增濕水量的平衡。

采用上述工藝組合，脫硝添加劑還具有氧化單質(zhì)汞的作用，促使煙氣中的單質(zhì)汞部分轉(zhuǎn)化成氧化汞，可在后續(xù)的除塵過程中加以脫除，因此脫硝過程和除塵過程可以實現(xiàn)聯(lián)合脫汞，使整個污染治理系統(tǒng)得到有效簡化，占地面積大幅減少，主要占地設(shè)備集中體現(xiàn)在循環(huán)流化床干法脫硫裝置和袋式除塵器上，脫硝劑制備系統(tǒng)占地很小，脫硝反應(yīng)設(shè)備則借用脫硫塔，而脫汞功能的實現(xiàn)不需要添加其它設(shè)備。

4 結(jié)語

多種污染物協(xié)同控制技術(shù)已經(jīng)成為當(dāng)前各科研機構(gòu)和環(huán)保企業(yè)研究的熱點，也得到了工程設(shè)計單位和火電廠的廣泛關(guān)注。本文結(jié)合循環(huán)流化床鍋爐的煙氣特征，提出上述幾種多種污染物綜合治理的工藝路線，旨在為火電廠在考慮煙氣凈化處理工藝選擇和裝置集成時提供一些參考性建議。現(xiàn)有火電廠已有一種或兩種以上針對單項污染物的治理設(shè)施，如何因地制宜地選擇技改路線，以滿足當(dāng)前及今后一個階段的大氣污染物排放要求，需要多方考察、充分論證，力爭一次性解決問題，避免重復(fù)投資、重復(fù)建設(shè)。新建火電廠在選擇大氣污染物治理工藝方案時，應(yīng)統(tǒng)籌兼顧，全面考慮，即使當(dāng)前某個污染物暫時不在治理范圍內(nèi)，也應(yīng)為將來的治理留有余地。