淺析脫硫脫硝技術在企業自備電站鍋爐系統改造中的應用

徐茂利

摘 要：企業自備電站鍋爐脫硫脫硝項采用層燃鍋爐低NOx燃燒系列集成技術對鍋爐進行脫硝處理改造，采用石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝的濕法脫硫裝置進行脫硫。通過文章的分析，希望對相關工作起到參考的意義。

關鍵詞：脫硫脫硝；自備電站；鍋爐系統；應用

目前，隨著國家環保部節能減排總體規劃的實施，企業自備電站鍋爐煙氣排放實行（GB13223-2003）《火電廠大氣污染物排放標準》中的Ⅱ時段排放的相關指標，煙塵最高允許最高排放濃度為50 mg/Nm3的限值、二氧化硫允許最高排放濃度為200mg/Nm3，氮氧化物允許最高排放濃度為650mg/Nm3。八九十年代建設的企業自備電站原有設施已無法滿足要此求，其改造現有鍋爐除塵脫硫脫硝項目已是迫在眉睫的大事。

寧安市鏡泊湖糖業有限責任公司自備電站于1989年建設，公司正在運行的三臺鍋爐（35t/h×2臺、20t/h×1臺），原配套的除塵器是2006年投入使用的陶瓷多管除塵器，原有設施已不能滿足現行排放標準。2012年對現有自備電站鍋爐系統進行了脫硫脫硝除塵技術改造。項目采用層燃鍋爐低NOx燃燒系列集成技術對鍋爐進行脫硝硝處理改造，在原來的除塵器后增加濕法脫硫裝置。

1 脫硝系統方案

1.1 采用層燃鍋爐低NOx燃燒系列集成技術

針對燃煤工業鍋爐的燃燒特性和NOx生成規律，脫硝工藝技國內開發了層燃鍋爐低NOx燃燒系列集成技術。根據不同煤種、不同爐型、不同運行方式、不同控制指標，選擇單元方案，協同實現煤層燃過程的NOx經濟高效控制。單元技術包括如下內容：

1.1.1 煤層燃過程N元素前移途徑改變技術

研究表明，煤中的含氮結構相對比較穩定，對于高揮發分煤，主要的氮析出一般在溫度高于950℃時才會發生，此時煤己失重10%。在溫度低于700℃時，基本沒有HCN和NH3等前驅產物析出，焦油氮是主要的氮析出物。在高溫下脫除揮發分時，氮的釋放速率大于其余揮發分，導致焦炭中的N/C比小于原煤中的N/C比。

在揮發分熱解過程中，燃料中的氮一部分隨揮發分析出，這部分氮被稱為揮發分氮；而另一部分留在焦炭中，被稱為焦炭氮。燃料中的氮在揮發分和焦炭中的分配比例受多種因素的影響，主要包括：煤種、溫度、加熱速率、停留時間、壓力和氧氣水平。

對于低階煤，氮組分的析出遠慢于揮發分的析出，這主要是由于在低階煤熱解早期水分和小分子熱解產物的迅速析出。對于中等煤階的煤種，氮析出速率基本與揮發分析出速率相同；而對于高階煤如低揮發分的貧煤和無煙煤，氮的析出速率反而要快于煤的失重速率。由于煤脫除揮發分的程度隨溫度升高不斷增大，初級脫揮發分放出的焦油等物質，其含氮量與原煤接近；次級脫揮發分放出甲烷、氫氣等氣體，導致半焦N/C比升高；而隨熱解溫度進一步升高，揮發分氮大量析出，導致煤焦N/C比趨于下降。

基于上述理論研究，提出了與關鍵參數：煤種、溫度、加熱速率、停留時間、壓力和氧氣水平等關聯的N元素前移途徑改變技術。通過匹配調整上述關鍵參數，實現煤層燃過程的自主低NOx排放過程。

1.1.2 低過量空氣系數與貧氧燃燒結合的低NOx燃燒技術

針對燃料型NOx控制機理的研究已開展了近半個世紀，有試驗表明，HCN是熱解首先析出的物質，而NH3則在焦炭氧化及低階煤的高溫熱解過程中析出。煤熱解過程中釋放的HCN量很少，但其余含N組分在高化學當量比氣氛下會迅速轉化為HCN。在富燃料氣氛下，燃料N和C-H化合物的主要產物為HCN，所以在燃燒區域，燃料N主要以HCN形式析出。因此可以認為煤在高溫主燃燒區域燃燒過程中，HCN是最穩定的含N產物。無論是在富燃料氣氛下還是富氧燃燒氣氛下，HCN都是析出的中間產物之一，HCN隨后反應生成NHi，并進一步生成NO或者N2。

基于上述理論研究，提出了協同考慮煤層燃過程燃盡與低NOx生成的“低過量空氣系數與貧氧燃燒結合的低NOx燃燒技術”。

1.1.3 氣固異相催化還原NOx技術

煤在熱解的過程中，揮發分N會生成中間產物HCN和NHi（R1），然后中間產物會被氧化為NOx（R2）或把NOx還原為N2（R3），而焦炭N在燃燒或者氣化過程中則會被氧化為NOx（R4）。值得一提的是，NOx（高溫下主要是NO）在焦炭表面又會被還原為N2（R5）。

1.2 具體工程技術方案

低NOX燃燒原理示意圖如下。

具體包括三個系統和三個工作區域，三個系統為煙風調整系統、選擇性氣固分離系統和測量控制系統；三個工作區域為化學當量比調整區、爐內還原區和爐內燃盡區。

2 脫硫方案系統介紹

石灰石-石膏濕法煙氣脫硫工藝是當今世界主導脫硫工藝，約占煙氣脫硫裝置總容量的90%以上，其特點是技術最為先進成熟，系統可靠性高，脫硫效率高，吸收劑來源廣泛且價廉，副產品處理工藝技術成熟，自動化程度高，副產品有廣泛的利用價值，適用于各種煤種。

2.1 工藝系統概述

本脫硫工程工藝系統主要由煙氣系統、吸收塔系統、氧化空氣系統、排漿及一級脫水系統、石膏二級脫水系統、吸收劑制備及加漿系統、工藝水系統、壓縮空氣系統等組成。吸收塔為逆流噴淋空塔，就地強制氧化方式。

脫硫產物石膏經一、二級脫水，汽車外運處置。

吸收劑制備系統按買粉制漿方案考慮。

脫硫廢水為石膏濾液，直接送到鍋爐房沖渣或粉煤灰調濕用，不另行設置脫硫廢水處理系統。

2.2 脫硫系統圖、布置圖見附圖。

改造后，經環保部門驗收除塵效率可達99%以上、脫硫效率為90%、脫硝效率為40%。經除塵脫硫凈化處理后，從煙囪排放的煙塵濃度為二氧化硫排放濃度為52.64mg/Nm3、氮氧化物排放濃度為315.92mg/Nm3。該值均低于國標（GB13223-2003）《火電廠大氣污染物排放標準》中規定的鍋爐二氧化硫最高允許排放濃度200mg/Nm3的限值、鍋爐氮氧化物最高允許排放濃度650mg/Nm3的限值。