塵硝硫一體化技術(shù)在農(nóng)林生物質(zhì)水冷振動(dòng)爐排爐的應(yīng)用

王磊，鄧飛飛，王洪明

（中機(jī)第一設(shè)計(jì)研究院有限公司，合肥230601）

1 引言

全國農(nóng)作物秸稈可收集量達(dá)4.4×107t，生物質(zhì)能熱電項(xiàng)目不僅是環(huán)保工程，還是民生扶貧工程，生物質(zhì)能在供熱和交通的占比和影響力遠(yuǎn)大于其他可再生能源，到2023年，生物質(zhì)能將成為可再生能源的主力。農(nóng)林生物質(zhì)經(jīng)過十余年的發(fā)展，整體裝機(jī)規(guī)模翻了一番。生物質(zhì)煙氣凈化實(shí)現(xiàn)超低排放的難點(diǎn)是脫硝，爐膛噴射氨水的SNCR工藝必要和基本的措施，在此基礎(chǔ)上再增加其他強(qiáng)化手段[1，2]。本文針對生物質(zhì)電廠脫硫、脫硝各種技術(shù)方案目前的方案下，并結(jié)合工程實(shí)例探討生物質(zhì)電廠脫硫、脫硝技術(shù)在工程中的應(yīng)用情況，希望能對以后類似的工程項(xiàng)目建設(shè)起到參考或借鑒作用。

2 農(nóng)林生物質(zhì)煙氣特點(diǎn)

典型的生物質(zhì)秸稈、玉米稈、樹枝經(jīng)配比后，混合原料元素及工業(yè)分析如表1所示。

表1 生物質(zhì)混合燃料元素及工業(yè)分析

農(nóng)林生物質(zhì)設(shè)計(jì)原料元素以碳元素為主，硫元素含量低于1‰，氯元素含量更低。灰分約為10%，低位發(fā)熱量約2 500 kJ/kg。

經(jīng)生物爐排爐燃燒后，煙氣從鍋爐出口排出溫度約130℃，煙氣量約160 000 m3/h（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）。

煙氣具體成分如表2所示。

表2 生物質(zhì)爐排爐排煙成分

從表2可以看出，煙氣含水率約20%，含水率比較高，SO2體積分?jǐn)?shù)約為0.01%，折算后濃度約為300 mg/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下），初始濃度不高。NOx主要為熱力型NOx，經(jīng)以往項(xiàng)目實(shí)測為300 mg/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）左右。

煙氣灰渣含量如表3所示，灰分初始濃度遠(yuǎn)低于10 g/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下），粉塵初始濃度低于燃煤電廠，粉塵初始濃度不高。

表3 生物質(zhì)爐排爐灰渣含量

常見生物質(zhì)燃料和煙煤的灰分組成如表4所示，從表4可知，生物質(zhì)灰分中堿金屬含量較高，其中麥秸灰中K2O的含量可以達(dá)到1/4。生物質(zhì)灰中Na2O、K2O等堿金屬的含量遠(yuǎn)高于煤灰。堿金屬容易造成脫硝催化劑中毒，因此，應(yīng)用于生物質(zhì)鍋爐的脫硝催化劑要使用特別配方，以防止催化劑堿金屬中毒失效[3]。

表4 常見生物質(zhì)燃料和煙煤的灰分組成

3 主要設(shè)計(jì)原則

1）本項(xiàng)目煙氣處理采用脫硫脫硝除塵一體化處理系統(tǒng)，使鍋爐煙氣污染物的排放量滿足環(huán)評要求。

2）脫硫脫硝裝置的壽命與對應(yīng)主機(jī)壽命相適合，工藝無二次污染。

3）脫硫脫硝裝置所需工藝水、電、壓縮空氣等由電廠相應(yīng)系統(tǒng)引出。

4）設(shè)備滿足的運(yùn)行工況：40%～110%熱負(fù)荷各工況。

5）綜合考慮燃料波動(dòng)及配比不均衡，脫硫脫硝除塵系統(tǒng)設(shè)計(jì)及設(shè)備選型要與實(shí)際處理能力相匹配。

6）電廠工藝設(shè)備的控制、調(diào)整、監(jiān)視均納入DCS系統(tǒng)。

7）煙氣處理后排放標(biāo)準(zhǔn)滿足GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》的超低排放要求[4]。

4 工藝路線

本項(xiàng)目脫硫除塵脫硝工藝路線采用：鍋爐省煤器出口→塵硝硫設(shè)備→鍋爐煙冷器（煙冷器外置于塵硝設(shè)備后，煙道不再返回鍋爐）→引風(fēng)機(jī)→煙囪（見圖1）。

圖1 脫硫除塵脫硝工藝流程圖

工藝描述：

對該項(xiàng)目1×130 t/h高溫高壓生物質(zhì)水冷振動(dòng)爐排爐+1×30 MW凝汽式汽輪發(fā)電機(jī)組進(jìn)行煙氣脫硫脫硝除塵設(shè)計(jì)。

鍋爐省煤器出口含塵硫硝煙氣排煙溫度為300℃，通過連續(xù)型研磨機(jī)、氣力輸送多點(diǎn)噴射系統(tǒng)將小蘇打倉中的脫硫劑定量研磨至600～800目，再均勻噴入煙道中，脫硫劑在煙道中均勻快速混合，提高脫硫率和脫硫劑的利用率。小蘇打堿性較強(qiáng)，還可以脫除生物質(zhì)廢氣中除SO2以外的其他酸性氣體。

脫硫反應(yīng)后的溫度為295℃，經(jīng)噴氨系統(tǒng)，將20%濃度的氨水通過雙流體霧化噴槍噴入濾管反應(yīng)器入口煙道，瞬間蒸發(fā)分離后通過導(dǎo)流板和氣流分布板分布均流后進(jìn)入陶瓷濾管裝置。在濾管表面外，粒徑較大的粉塵在重力作用下沉降，粒徑小的粉塵沉積在濾料表面形成塵餅層，并在陶瓷濾管表面的塵餅層上進(jìn)行二次輔助脫硫脫酸。

無塵無硫無酸氣體通過濾料表面再與濾管壁內(nèi)的催化纖維層接觸發(fā)生反應(yīng)，氮氧化物被高效脫除，此時(shí)清潔煙氣的溫度在280℃以上，高溫?zé)煔膺M(jìn)入冷凝器換熱后，再通過引風(fēng)機(jī)煙囪排出。

該塵硫硝多污染物協(xié)同脫除一體化技術(shù)，脫硫效率可以高達(dá)95%以上，脫硝效率高達(dá)94%以上（300℃），整個(gè)系統(tǒng)溫降可以控制在20℃以內(nèi)。該技術(shù)還可以有效地去除NOx、SO2、HCl、HF等多種酸性氣體。

陶瓷過濾管堅(jiān)硬性的結(jié)構(gòu)，不會(huì)導(dǎo)致粉塵穿透，而且不具有撓性，使用壽命長，該技術(shù)脫硫工藝均為干法，避免了二次污染，工藝簡單易于運(yùn)行和檢修，運(yùn)行費(fèi)用較低，且占地面積和空間小。整體投資方面，與傳統(tǒng)工藝相比具有很大的優(yōu)勢。分獨(dú)立倉室設(shè)計(jì)，可以分倉室離線檢修，減少了不停爐環(huán)保設(shè)施需要檢修時(shí)不達(dá)標(biāo)排放的問題。

整套煙氣治理工藝分為脫硫系統(tǒng)、氨區(qū)系統(tǒng)、脫硫除塵脫硝一體化系統(tǒng)、儀控系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)等。

4.1 脫硫工藝原理

設(shè)置碳酸氫鈉噴射系統(tǒng)，直接噴入塵硝硫一體化設(shè)備入口煙道，保證脫硫效率，高溫?zé)煔膺_(dá)標(biāo)排放。

本次脫硫除塵脫硝工藝采用中低溫陶瓷纖維催化濾管一體化技術(shù)，脫硫工藝采用SDS鈉基技術(shù)干法深度脫硫技術(shù)，脫硫劑為60～120目小蘇打粉。還原劑為20%氨水，可通過優(yōu)化和復(fù)配催化劑，有效脫除氮氧化物，反應(yīng)原理圖見圖2。

圖2 一體化陶瓷過濾器反應(yīng)原理圖

4.2 脫硝工作原理

該工藝是一種處理高溫?zé)煔庵蓄w粒物、氮氧化物、二氧化硫的煙氣協(xié)同治理技術(shù)。外形與布袋除塵器相似，可以近似看作是用高溫復(fù)合濾筒取代原來的濾袋。反應(yīng)溫度約300℃，一般安裝在省煤器后。

除塵機(jī)理：利用陶瓷濾筒過濾粉塵。陶瓷纖維不易與化學(xué)物質(zhì)起化學(xué)反應(yīng)。

脫硝機(jī)理：在陶瓷濾管中，加入脫硝催化劑來加速催化去除氮氧化物反應(yīng)。

脫硫機(jī)理：應(yīng)用干法式，搭配不同堿劑改為通過脫硫劑以去除酸性氣體(SO2、HCl、HF)。利用較高溫度堿劑（如碳酸氫鈉）與二氧化硫有著較高的反應(yīng)效率，從而實(shí)現(xiàn)二氧化硫的高效脫除。濾管除塵器可視為一座脫硫反應(yīng)倉，在濾管外形成消石灰濾餅固定床，增加反應(yīng)效果。

小蘇打倉容量不低于10 d滿負(fù)荷運(yùn)行儲(chǔ)存量，且不小于80 m3，小蘇打倉頂部設(shè)計(jì)圍欄防護(hù)，上料口處采用活動(dòng)門、電動(dòng)葫蘆高度滿足碳酸氫鈉噸袋倒運(yùn)，碳酸氫鈉加注口設(shè)計(jì)快捷翻蓋式，上設(shè)格柵濾網(wǎng)，倉體圓錐最上部設(shè)計(jì)人孔門1個(gè)。

脫硝還原劑采用氨水，直接噴入塵硝硫一體化設(shè)備入口前煙道。塵硝硫一體化設(shè)備各倉室進(jìn)氣閥閥門設(shè)計(jì)可操作、檢修平臺。

4.3 塵硝硫一體化設(shè)備技術(shù)參數(shù)

技術(shù)性能

1）保證效率不低于99.9%。

在下列條件下能達(dá)到排放濃度≤10 mg/m3（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下）：

在需方提供的設(shè)計(jì)條件和氣象、地理?xiàng)l件下；

脫硫和不脫硫加10%煙氣量和煙氣溫度下加10℃；

使用壽命要達(dá)到5 a或42 000 h以上（以先到者為準(zhǔn)）；

濾筒個(gè)數(shù)不小于4 752只，共設(shè)12個(gè)除塵單元；

可進(jìn)行單元隔離，便于進(jìn)行在線檢修、更換濾筒。

2）灰斗及排灰口的設(shè)計(jì)，保證灰能自由流動(dòng)排出灰斗?；叶返馁A存量按最大含塵量滿足不少于8 h滿負(fù)荷運(yùn)行。

3）清灰方式采用壓縮空氣低壓脈沖清灰。

4）殼體密封、防雨，設(shè)計(jì)盡量避免出現(xiàn)死角或灰塵積聚區(qū)。

5）每個(gè)倉室配備均流裝置，以便煙氣均勻地流過每個(gè)濾筒。

6）配置了包括煙氣在線檢測裝置，能夠進(jìn)行在線檢修。

7）設(shè)置自動(dòng)控制系統(tǒng)，采用在線、離線清灰，控制系統(tǒng)采用DCS可編程控制器進(jìn)行自動(dòng)控制，設(shè)置差壓及定時(shí)清灰控制方式。

5 結(jié)語

該項(xiàng)目采用脫硫脫硝除塵一體化處理系統(tǒng)，解決了生物質(zhì)水冷振動(dòng)爐排爐煙氣排放難的問題。該項(xiàng)目為安徽首座水冷振動(dòng)生物質(zhì)鍋爐的工程實(shí)例的系統(tǒng)設(shè)計(jì)及實(shí)施運(yùn)行，驗(yàn)證了工藝路線的有效性。項(xiàng)目運(yùn)行以來，整體指標(biāo)實(shí)現(xiàn)了超低排放要求，為國內(nèi)同類型生物質(zhì)發(fā)電機(jī)組超低排放提供了切實(shí)可行的技術(shù)路線和集成方案。