低溫靜置式煙氣凈化脫硫脫硝試驗研究

王海苗，王建瑩，劉忠攀，司 碩，宋令坡

(1.兗礦集團潔凈煤技術工程研究中心，山東 濟寧 273599；2.兗礦科技有限公司，山東 濟南 250100；3.兗州煤業股份有限公司，山東 鄒城 273599)

鏈條排爐技術成熟，造價低，燃燒穩定，運行操作簡單，封火和啟爐性能好。因此，燃煤鏈條排爐作為小型燃煤工業鍋爐的主力爐型在我國廣泛應用于煤炭、化工、冶金、建材、供熱等行業，在供熱、供氣等領域起著特別重要的作用。然而，由于燃煤鏈條排爐容量小，點多面廣，熱效率低，污染物排放強度大，已有脫硫脫硝除塵設施技術落后，已成為造成大氣污染的重要因素之一[1]。針對鏈條排爐煙氣凈化，因其熱負荷變化大、溫度區間不穩定，傳統的煙氣脫硝技術(包括SNCR和SCR)受制于溫度區間和安裝空間，均難以在燃煤鏈條排爐應用。臭氧法脫硝單體投資和運行成本高，需要和半干法脫硫裝置配套使用。傳統雙堿法、氨法、石灰石石膏法等濕法脫硫技術存在占地面積大、易造成管道腐蝕或堵塞、操作復雜、投資和運行維修成本高、二次污染嚴重等問題[2]。如此，應用于大型燃煤電廠的煙氣脫硫脫硝技術，由于投資和運行成本高，一般鏈條排爐用戶難于承受。

為解決燃煤工業鍋爐節能減排問題，一些地方推廣使用天然氣、電、生物質等清潔燃料替代燃煤。由于受基礎設施、資源、價格等因素限制，全部取代燃煤不現實，難以實施。在我國缺油、少氣的資源條件下，以煤為主是我國資源稟賦的不可變化的事實，其它替代能源只能是輔助能源，而不能成為主力。中國經濟的持續發展，將必然建立在我國資源豐富、安全可靠的煤炭資源的高效和清潔利用的基礎上。

近年國內眾多學者和技術團隊對燃煤工業鍋爐低溫干法脫硫脫硝技術進行研發，其中以活性炭聯合脫硫、脫硝工藝及固定床鈣基吸收劑同時脫硫、脫硝工業為主，其協同脫除、治理效率高、占地面積小、改造投資較低、不需改造鍋爐本體等優點備受行業青睞，為工業鏈條爐煙氣多污染物協同治理提供一條很好的出路[3-6]。天津濱環化學工程技術研究院有限公司研制的低溫干法高效復合氧化催化劑，實現較寬和較低溫度范圍內(室溫至300 ℃以下)將NO氧化為NO2，利用煙氣中CO反應生成無害的氮氣和二氧化碳，同時實現NOx和CO高效去除。煙氣脫硫使用石灰顆粒及氧化催化劑，其中催化劑氧化SO2成為SO3，后者與石灰顆粒反應成為硫酸鈣。通過固體吸收劑，同時實現重金屬的協同脫除[7]。

本文以兗礦某單位20 t鏈條排爐超低排放改造工程示范為例，探討煙氣不同溫度、不同停留時間、不同SO2的排放量等條件下，尾部低溫靜置式脫硫脫硝一體化裝置脫硫脫硝效率，并分析其影響因素，為小型燃煤工業鍋爐煙氣超低排放工程應用提供技術參考和經驗借鑒。

1 試驗部分

1.1 試驗裝置

圖1是20 t/h燃煤鏈條排爐煙氣凈化實驗系統流程。實驗用20 t/h燃煤鏈條排爐為無錫某鍋爐廠生產的SZL20-1.6-AII鏈條排爐。該鍋爐為兗礦集團某煤礦提供礦井口用蒸汽和礦區生活區的供暖等。鍋爐額定蒸發量20 t/h，額定工作壓力1.6 MPa，額定蒸汽溫度204 ℃，標況煙氣量40 000 m3/h，排煙溫度120～135 ℃。鍋爐煙氣經省煤器、空預器、高精布袋除塵器、低溫煙氣凈化裝置后經引風機排入煙囪中。爐前配備爐內脫硫系統。

圖1 20 t/h鏈條排爐煙氣凈化裝置工藝流程

1.2 低溫煙氣凈化一體化裝置

尾部煙氣靜置式脫硫脫硝裝置為6m×2.5m×1.25m的矩形裝置，煙氣擴散后與脫硫脫硝劑接觸。煙氣在凈化塔內部依次經過脫硫層和脫硝層，凈化處理后的煙氣送往鍋爐原管道排往煙囪，圖2為低溫煙氣凈化一體化裝置。靜置式低溫煙氣凈化裝置內復合化學添加劑為直徑 6 mm 條狀顆粒，堆積密度 500～600 kg/m3，由天津濱環化學工程技術研究院有限公司提供。

圖2 低溫煙氣凈化一體化裝置

在低溫煙氣凈化裝置前后各設置一處煙氣測點，分別檢測靜置式煙氣凈化裝置前后的排放濃度。污染物脫除效率按下式計算：

ηi=((Cin-Cout)/Cin)×100%

式中，ηi是污染物的脫除效率，i是污染物種類；Cin是任意污染物原始排放濃度；Cout是任意污染物經過靜置式脫硫脫硝裝置后的排放濃度。

2 試驗結果與討論

2.1 不同煙氣溫度對低溫脫硫脫硝的影響

圖3為不同煙氣溫度對脫硫脫硝效率的影響。由圖3可以看出，隨著煙氣溫度的提高，脫硫和脫硝效率呈升高趨勢。在60 ℃左右的煙氣溫度下，脫硫效率90%以上，脫硝效率38.3%，說明在低溫下脫硫脫硝劑也有較高的反應活性。隨著煙氣溫度的升高，其對脫硫效率的影響不大，脫硝效率明顯提高。在60～130 ℃的煙氣溫度范圍內，脫硫劑效率均在90%以上，與文獻[11]報道結果一致。在入口煙氣溫度達到128 ℃時，脫硝效率達到約65%。

圖3 不同煙氣溫度對脫硫脫硝劑脫硫脫硝效率的影響

2.2 不同SO2排放量對低溫脫硫脫硝的影響

圖4是在煙氣溫度為120 ℃時，不同SO2排放量對脫硫脫硝劑脫硫脫硝效率的影響，由圖4可知，隨著SO2排放量從0.2 kg/h提高到0.45 kg/h，脫硫和脫硝效率呈下降趨勢，脫硫效率從88%下降至81%，脫硝效率自71%下降至46%，脫硝效率下降趨勢更為明顯。煙氣量或煙氣SO2濃度的提高均會造成SO2排放量的增大，對應脫硫劑的反應時間減小，需要更多的脫硫劑活性點參與固硫反應[8]。提高煙氣SO2排放量，在一定量的脫硫劑條件下，受反應時間和脫硫劑活性點的限制，脫硫效率下降，出口煙氣SO2濃度增大。說明脫硫劑的脫硫效率受煙氣SO2排放量影響大。對定量脫硫劑，保證高脫硫率的前提是煙氣SO2排放量不超過一定范圍，SO2排放量是制約脫硫劑脫硫效率的主要因素之一。脫硝效率受煙氣SO2排放量的影響更為明顯，提高SO2排放量，脫硫效率雖保持在80%以上，但SO2實際排放量是增大的，對應脫硝效率降低，說明經過脫硫劑后的煙氣SO2排放量對脫硝劑的反應活性影響大，進入脫硝劑層的煙氣SO2排放量越大，脫硝效率越低。在煙氣量一定的條件下，控制脫硫劑后的煙氣SO2濃度是保證脫硝效率的重要措施。

圖4 不同SO2排放量對脫硫脫硝劑脫硫脫硝效率的影響

2.3 煙氣停留時間對低溫脫硫脫硝的影響

圖5是不同煙氣停留時間對脫硫脫硝劑效率的影響。由圖可知，煙氣停留時間在3 s的條件下，脫硫效率、脫硝效率分別為61.2%和34.3%，均較低，不能滿足煙氣排放要求。煙氣停留時間達到20 s以上時，脫硫效率、脫硝效率分別達到88%和65%以上。說明煙氣停留時間是影響脫硫效率和脫硝效率的重要因素。煙氣停留時間短，煙氣和脫硫脫硝劑接觸時間少，氣固反應少，脫除效率下降。反之，煙氣停留時間長，氣固接觸充分，脫除效率高[9-10]。實驗表明，煙氣停留時間在10 s以上，才能保證脫硫脫硝劑的脫除效率。

圖5 不同停留時間對脫硫脫硝劑效率的影響

2.4 脫硫劑滯留時間對其利用率的影響

圖6是脫硫劑在裝置內滯留時間對其利用率的影響。由圖可知，隨著低溫煙氣凈化裝置運行時間的延長，固定床底部排出的脫硫劑有效成分越低，對應脫硫劑的利用率越高。連續運行7 d后排出脫硫劑利用率為74%，連續運行14 d后排出脫硫劑利用率達到80%以上。說明脫硫劑在固定床內停留的時間越長，利用率越高。如果停留時間短，排料頻繁，脫硫劑內層有效成分參與反應少，利用率受較大影響。實驗結果表明，脫硫劑在固定床的使用時間不低于7 d，方可在保證脫硫脫硝效率的同時，最大限度地提高脫硫劑利用率。

圖6 脫硫劑滯留時間對其利用率的影響

3 結 論

(1)煙氣溫度、停留時間、煙氣SO2原始排放量、運行時間等參數均是影響靜置式固定床脫硫脫硝效率的因素。試驗表明，煙氣溫度對脫硫效率無明顯影響，煙氣溫度和脫硝效率呈正相關，煙氣溫度高于100 ℃，脫硝效率達到60%以上；停留時間對脫硫脫硝效率影響大，呈負相關，且停留時間超過10 s，脫硫效率達到90%以上，脫硝效率達到60%以上；煙氣SO2原始排放量對脫硫脫硝效率呈負相關，對于特定的脫硫脫硝系統，控制煙氣SO2原始排放量在一定范圍，才能保證其脫除率。脫硫劑的停留時間對其利用率呈正相關。

(2)試驗表明，根據煙氣性質和工況條件，選擇合適的煙氣溫度區間，根據煙氣停留時間及煙氣SO2原始排放量等參數設計合適的低溫煙氣凈化一體化裝置，脫硫效率和脫硝效率分別可達到90%和60%以上，實現了工業鍋爐煙氣超低排放要求，是適用于20 t/h及以下的中小型燃煤鍋爐實現煤炭清潔利用和煙氣超低排放的技術選擇之一。