我國燃煤工業鍋爐大氣污染物治理技術探討

左朋萊，張 鋒，陳文龍，井 鵬，岳蘭秀，宋 華，王晨龍，高佳佳，岳 濤*

（1.北京市勞動保護科學研究所，北京 100054；2.首鋼技師學院，北京 100144；3.中國環境保護產業協會，北京 100037）

我國燃煤工業鍋爐大氣污染物治理技術探討

左朋萊1，張 鋒2，陳文龍2，井 鵬3，岳蘭秀2，宋 華2，王晨龍1，高佳佳1，岳 濤1*

（1.北京市勞動保護科學研究所，北京 100054；2.首鋼技師學院，北京 100144；3.中國環境保護產業協會，北京 100037）

基于我國燃煤工業鍋爐大氣污染物治理發展現狀，結合國家及地方鍋爐大氣污染物排放標準，從技術原理、優缺點、脫除效率等方面探討了燃煤工業鍋爐煙塵、二氧化硫、氮氧化物的治理技術，在此基礎上，提出了燃煤工業鍋爐大氣污染物治理技術選擇的建議。

燃煤工業鍋爐；大氣污染物；治理技術

我國是目前世界上工業鍋爐生產和使用最多的國家。截至2012年底，我國有各類工業鍋爐62.4萬臺，總蒸發量達到290萬蒸噸[1-2]。

我國的工業鍋爐中絕大多數是燃煤鍋爐，年消耗4.9億噸標準煤，平均效率為65%～70%，比國際先進水平低10～20個百分點，污染物排放居高不下。2012年燃煤工業鍋爐排放煙塵約410萬噸、二氧化硫約570萬噸、氮氧化物約200萬噸，分別占全國排放總量的32%、26%、15%左右[1]。

燃煤工業鍋爐大多分布在城市及其周邊地區，又是低煙囪排放，運行熱效率普遍低于設計熱效率，加之燃用煤種與設計煤種差異大，是影響城市空氣質量的重要原因之一，特別是在采暖期采暖鍋爐大量投入運行，城市冬季大氣污染指數較其他季節明顯偏高，導致冬季城市空氣質量進一步惡化。

1 我國燃煤工業鍋爐大氣污染治理現狀

1.1 煙塵

我國燃煤工業鍋爐煙塵的治理始于20世紀70年代，最初廣泛使用的是機械式除塵器，包括慣性除塵器、旋風除塵器等，其中以旋風除塵器為主，特點是結構簡單、造價低，能處理大流量、高濃度的含顆粒（固體和液體）氣體，缺點是除塵效率不高[3]，該類除塵器作為一級預除塵現在鍋爐煙氣治理中仍有應用。隨著環境保護要求的不斷嚴格，又發展了濕式除塵器。濕式除塵器對細粒子的捕集很有效，除塵效率可達70%～95%[4]。目前，國內大于10 t/h的工業鍋爐基本上都是采用濕式除塵器，對10 t/h以上的拋煤機鍋爐、煤粉爐或沸騰爐，在原鍋爐配套的干式旋風除塵器后部再加一級麻石離心水膜除塵器。近年來，由于受到嚴格的地方排放標準的約束，新建的小型熱電聯產、集中供熱等用途的鍋爐，配置了靜電除塵器或袋式除塵器，或者將原有的機械式除塵或濕法除塵改造為靜電或布袋除塵，且高效除塵器的發展很快。

1.2 二氧化硫

燃煤鍋爐二氧化硫的治理按燃燒過程可分為燃燒前、燃燒中和燃燒后脫硫三種。

燃燒前脫硫技術中的物理洗選煤技術得到了大規模推廣應用，目前的煤炭洗選能力已達到15億t/a[5]。

燃燒中脫硫技術包括燃用固硫型煤、爐內噴鈣加尾

部增濕活化脫硫和循環流化床技術等。固硫型煤固硫率可達40%～60%，減少煙塵排放量60%，節約煤炭15%～27%，尤其適宜中小型燃用中低硫煤的鍋爐應用[6]。爐內噴鈣加尾部增濕活化脫硫技術曾在貴陽、上海等地的20t/h及以下工業鍋爐中得到應用，在循環流化床鈣硫比為1.2（摩爾比）時，脫硫率可達85%。

燃燒后脫硫是指對鍋爐尾部煙氣進行脫硫處理，凈化煙氣。這是目前世界上已實現大規模商業化應用的脫硫技術，從技術、成本等各個方面綜合考慮，在今后相當長的時間內，鍋爐煙氣二氧化硫污染的治理仍會以煙氣脫硫技術為主，常見的有石灰/石灰石法、氨法、氧化鎂法等脫硫技術[7]。

1.3 氮氧化物

“十二五”期間，國家將“氮氧化物”作為新的考核指標納入了總量減排體系。氮氧化物控制技術包括低氮燃燒技術和煙氣脫硝技術，低氮燃燒技術是根據燃料在燃燒過程中氮氧化物的生成機理，通過改進燃燒技術來降低氮氧化物生成和排放的技術，一般是指空氣分級燃燒技術、燃料分級燃燒技術和低氮燃燒器等。煙氣脫硝技術分為選擇性催化還原技術（SCR）、選擇性非催化還原技術（SNCR）兩種。

鑒于燃煤工業鍋爐的爐膛結構和燃燒方式有別于發電鍋爐，且鍋爐容量較小，運行方式也不相同，燃煤工業鍋爐氮氧化物的減排技術首先應在發展部分循環流化床鍋爐的同時，針對燃煤工業鍋爐以層燃爐為主的特點，借鑒發電鍋爐低氮燃燒技術的原理進行拓展[8-9]；探索性開展鍋爐煙氣脫硝技術的應用。

選擇性催化還原技術（SCR）、選擇性非催化還原技術（SCR）和作為比較成熟的技術已在火力發電廠煙氣脫硝中得到廣泛應用，但由于鍋爐運行不穩定等原因，在工業和采暖鍋爐中的應用較少。近年來，大氣污染形勢嚴峻，一些地方政府為有效控制氮氧化物的排放量，積極推進燃煤鍋爐煙氣脫硝技術的應用。如北京市為繼續控制煤煙型污染，在遠郊區不具備清潔能源供應條件的城鎮地區實施燃煤鍋爐整合，昌平、順義、懷柔等遠郊區縣已基本建成23個大型集中燃煤供熱中心，并要求配套建設脫硝設施[10]。

2 燃煤工業鍋爐煙氣達標技術分析

2014年，環境保護部發布了新修訂的《鍋爐大氣污染物排放標準》（GB 13271-2014），一些省市（如北京、山東等）發布了嚴于國家排放標準的地方鍋爐大氣污染物排放標準。因此為滿足污染物穩定達標排放，合理的選擇治理技術顯得至關重要。

2.1 煙塵達標技術

燃煤工業鍋爐相較電站鍋爐而言，煙氣量小，煙塵排放規模小。但當前的在用燃煤工業鍋爐煙塵排放標準≤80mg/m3，重點地區燃煤工業鍋爐煙塵排放標準≤30mg/m3，為實現煙塵治理設施的連續穩定運行，燃煤工業鍋爐煙塵達標排放治理裝置應優先選用電除塵器或袋式除塵器。

2.1.1 電除塵器

電除塵器是利用高壓電場使顆粒荷電，在庫侖力作用下使顆粒與氣流分離而被捕集的裝置。靜電除塵器幾乎可以捕集一切細微粉塵及霧狀液滴，其捕集粒徑范圍在0.01～100μm，粉塵粒徑＞0.2μm時，除塵效率可高達99%以上，煙塵排放濃度低于30mg/m3。電除塵器具有高效率、低能耗、使用簡單、維護費用低且無二次污染等特點，除塵器阻力很小，可處理高溫、高壓的含塵氣流，在國內外工業顆粒物治理領域一直占據主導地位。電除塵器的主要缺點是設備龐大、占地面積大、一次性投資費用高。我國的電除塵產品主要是臥式電除塵器，其典型結構如圖1所示。

圖1 臥式電除塵器結構示意圖

杭州航民熱電公司將7臺35 t/h鏈條爐排熱電聯產鍋爐的麻石水膜除塵器改為電除塵器，煙塵排放濃度可控制在30 mg/m3以下[11]。

2.1.2 袋式除塵器

袋式除塵器是一種干式高效除塵器，是利用纖維編織物制作的袋式過濾元件來捕集含塵氣體中固體顆粒物的除塵裝置。作用原理是粉塵通過濾布時產生的篩分、

慣性、黏附、擴散和靜電等作用而被捕集。典型的袋式除塵器由過濾室、凈氣室、濾袋、清灰裝置、卸灰裝置五部分組成。目前廣泛應用的典型袋式除塵設備有長袋低壓脈沖袋式除塵器，以圓袋、固定管行列噴吹區別于其他型式，例如直通均流袋式除塵器和回轉噴吹脈沖袋式除塵器，以扁袋、噴吹管在回轉過程中噴吹為顯著特征。脈沖噴吹袋式除塵器結構及工作原理如圖2所示。

圖2 脈沖噴吹袋式除塵器結構及工作原理示意圖

袋式除塵器不受煤種以及粉塵濃度、粒徑、比電阻等粉塵特性的影響，可脫除PM2.5（細微顆粒物）和重金屬等有毒、有害物質，除塵效率高，一般在99.5%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。但袋式除塵器的缺點也不可忽視，相對電除塵器而言，袋式除塵器阻力大；對煙溫、濕度等煙氣成分適應性差，需進行高溫保護，低溫防結露，防腐蝕；濾袋壽命短，不超過3萬h，濾袋每3～4年需全部更新一次等。

北京市順義區近年來新建的15臺45.5MW的燃煤采暖鍋爐已全部配用袋式除塵器，運行穩定，煙塵排放質量濃度可控制在20～30 mg/m3[11]。

2.2 二氧化硫達標技術

在用燃煤工業鍋爐煙氣二氧化硫排放標準≤400mg/m3，重點地區新建燃煤工業鍋爐煙氣二氧化硫排放標準≤200mg/m3。為使煙氣二氧化硫達標，且連續穩定運行，二氧化硫達標排放治理也必須選用高效的濕法脫硫技術，主要有石灰/石灰石-石膏法、氧化鎂法、氨法等脫硫工藝。

2.2.1 石灰石/石膏法

石灰石/石膏法煙氣脫硫原理是以石灰石或石灰的水漿液做脫硫劑，在吸收塔內對SO2煙氣噴淋洗滌，使煙氣中的SO2反應生成CaSO3和CaSO4，從而除去煙氣中的SO2。工藝流程如圖3所示。

圖3 石灰石/石膏法脫硫工藝流程

該技術的主要優點是適用的煤種范圍廣、脫硫效率高（有的裝置Ca/S = 1時，脫硫效率大于90%）、吸收劑利用率高（可大于90%）、設備運轉率高（可達90%以上）、工作的可靠性高、脫硫劑石灰石來源豐富且廉價。但是石灰石/石膏法的缺點也是比較明顯的，初期投資費用很高、運行費用高、占地面積大、系統管理操作復雜、磨損腐蝕現象較為嚴重、副產物石膏很難處理、廢水較難處理等[7，12]。浙江天藍環保公司在3臺75t/h燃煤工業鍋爐上對煙氣采用石灰石/石膏法脫硫技術，入口二氧化硫最大濃度為4900mg/Nm3時，二氧化硫排放濃度低于50mg/Nm3，脫硫效率達到98.5%以上[13]。

2.2.2 氨法

氨法煙氣脫硫原理是采用氨水作為脫硫吸收劑，與進入吸收塔的煙氣接觸混合，煙氣中SO2與氨水反應，生成亞硫酸銨，經與鼓入的強制氧化空氣進行氧化反應，生成硫酸銨溶液，經結晶、離心機脫水、干燥器干燥后即制得化肥硫酸銨。氨法也是一種技術成熟的脫硫工藝，其主要技術優點是系統不結垢、不堵塞、SO2吸收效率高、投資低；缺點是吸收劑價格昂貴，運行費用高、系統腐蝕嚴重[7，14]。晉煤集團明水大化集團1×130t/h+ 1×75t/h生產用鍋爐煙氣采用氨法脫硫技術，在入口煙

氣SO2濃度為2480Nmg/m3時，出口煙氣二氧化硫濃度為100mg /Nm3，脫硫效率達到96%[15]。氨法煙氣脫硫工藝流程如圖4所示。

圖4 氨法煙氣脫硫工藝流程

2.2.3 氧化鎂法

氧化鎂法煙氣脫硫原理是含SO2的煙氣進入吸收塔后與循環吸收液逆流接觸，氣體中的SO2被脫除，凈化后的氣體經除霧器除濕后排放。由于MgSO4的溶解度是CaSO4的近百倍，因此工藝系統運行穩定，不易發生堵塞現象。北京大龍供熱中心近幾年新建了15臺45.5MW的燃煤熱水采暖鍋爐，全部裝配了鎂法脫硫裝置。脫硫系統自投運以來運行穩定，脫硫效率在95%以上，二氧化硫排放濃度可控制在20mg/Nm3以內[11]。氧化鎂法煙氣脫硫工藝流程如圖5所示。

圖5 氧化鎂法煙氣脫硫工藝流程

2.3 氮氧化物達標技術

在用燃煤工業鍋爐煙氣氮氧化物排放標準≤400mg/m3，重點地區新建燃煤工業鍋爐煙氣氮氧化物排放標準≤200mg/m3。燃煤工業鍋爐采用低氮燃燒技術很難滿足排放標準，適用于燃煤工業鍋爐煙氣脫硝技術主要有選擇性催化還原法（SCR）、選擇性非催化還原法（SNCR）。

2.3.1 選擇性非催化還原法（SNCR）

SNCR是在不采用催化劑的條件下，將還原劑以800℃～1100℃煙氣高溫區噴入，還原煙氣中的氮氧化物（主要是一氧化氮和二氧化氮），生成氮氣和水，從而減少煙氣中氮氧化物排放的一種脫硝工藝。SNCR工藝流程如圖6所示。

圖6 SNCR工藝流程示意圖

SNCR還原NOx的反應對于溫度條件較為敏感，一般爐膛內噴氨點位的溫度選擇在800℃～1100℃。該技術工藝簡單，操作便捷，不需要催化劑床層，因而初始投資相對于SCR工藝來說要低得多，但脫硝效率較低，一般為25%～40%。該工藝目前應用的主要瓶頸為溫度對SNCR的還原反應的影響較大。

2.3.2 選擇性催化還原法（SCR）

SCR是利用還原劑在催化劑作用下有選擇地與煙氣中的氮氧化物發生化學反應，生成氮氣和水，從而減少煙氣中氮氧化物排放的一種脫硝工藝。SCR典型工藝如圖7所示。

圖7 SCR典型工藝流程圖

選擇性催化還原法（SCR）是目前世界上應用最多、最為成熟且最有成效的一種煙氣脫硝技術。該技術脫硝效率一般可達80%～90%，氮氧化物排放濃度可降至100mg/m3左右；技術成熟，應用廣泛，在我國已建成或擬建的煙氣脫硝工程中大多采用SCR法。但該技術一次投資費用和運行成本高，主要表現在催化劑價格昂貴；失效的催化劑是一種重金屬富集物，需作特殊處置；還原劑（液氨、氨水、尿素等）消耗費用大；液氨或氨水為危險化學品，在儲運和使用過程的安全問題尤其應引起關注。

北京市通州區某供熱廠58MW的燃煤鍋爐熱負荷在58.4%～101.5%時，NOx初始濃度為344～368 mg/m3，采用SCR脫硝裝置，NOx排放濃度為53～83mg/m3，脫硝效率高達83.5%，氨逃逸量在1.11～4.67 mg/m3[10]。

3 燃煤工業鍋爐煙氣達標技術選擇建議

選擇何種煙氣污染物治理工藝，其環境效益是明顯的，但污染物脫除效率的高低并不是評價治理方法優劣的唯一標準，除了考慮其污染物脫除效率外，還要看該方法的綜合技術經濟情況。為此本文提出如下煙氣達標技術選擇建議。

（1）達標技術選擇應因地制宜、因煤制宜、因爐制宜，依據技術上成熟、經濟上合理及便于操作來確定。

（2）煙塵治理技術應依據燃煤的種類、煙氣性質（比電阻、煙塵粒徑）、鍋爐的運行方式、經濟性等方面進行選擇。

（3）選用濕法脫硫技術，脫硫效率滿足環保要求；根據燃煤含硫量來選擇恰當的脫硫方法，選擇技術成熟、投資省、運行可靠、費用低的工藝；吸收劑要有穩定的來源；要考慮脫硫副產物的處置和二次污染問題。

（4）供暖等鍋爐負荷不連續穩定運行的燃煤工業鍋爐，應選擇使用SCR法；對于負荷穩定的生產用鍋爐，依據初始煙氣氮氧化物濃度及排放標準，選擇SCR 或SNCR法；選擇還原劑液氨、氨水、尿素時，應考慮對周邊環境的影響。

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注：本文通訊作者為岳濤。

Discussion on Compliance Technology of Air Pollutants in Coal-fired Industrial Boiler

ZUO Peng-lai1, ZHANG Feng2, CHEN Wen-long2, JING Peng3, YUE Lan-xiu2, SONG Hua2, WANG Chen-long1, GAO Jia-jia1, YUE Tao1*

(1. Beijing Institute of Labor Protection Sciences, Beijing 100054; 2. College of Capital Iron and Steel Technician, Beijing 100144; 3.CAEPI. Beijing 100037, China)

Based on the development status of air pollutant control in China coal-fired industrial boilers, and in accordance with the emission standard of the air pollutants in the national and local boilers, and from the fields of the technical principle, excellent and imperfect points and removal efficiency, the paper discusses the compliance technologies of smoke dust, SO2, NOx in coal-fired industrial boilers, and in this base, the paper puts forward the suggestions on the control technology selection of air pollutants in coal-fired industrial boilers.

coal-fired industrial boiler; air pollutant; compliance technology

X51

A

1006-5377（2015）11-0028-05

注：環境保護部污染減排技術政策研究項目《工業鍋爐煙塵及二氧化硫污染防治技術路線研究》（2015A008）資助。