新型循環流化床半干法工藝在350 MW燃氣鍋爐上的研究與應用

詹威全

（福建龍凈脫硫脫硝工程有限公司，福建 廈門 361000）

1 研究背景

以煉鐵、煉鋼過程中副產的焦爐煤氣、高爐煤氣、轉爐煤氣等為燃料生產動力和蒸汽的燃氣鍋爐是鋼鐵企業的標配。燃氣鍋爐雖然污染物質量濃度較低，但鍋爐數量規模極大，導致污染物排放總量大，隨著中國鋼鐵行業污染減排的不斷深入，越來越多省市要求燃氣鍋爐實現超低排放。2018 年初，應上海市政府要求，寶鋼股份電廠對現有的4 號機組350 MW 燃氣鍋爐開展煙氣治理，以滿足SO 2 質量濃度小于等于30 mg/m3、NOx質量濃度小于等于50 mg/m3、粉塵質量濃度小于等于5 mg/m3（標態、干基、3%O2）的超低排放要求。

燃氣鍋爐與傳統燃煤鍋爐區別極大[1]，表現為：①污染物質量濃度相對較低，SO2質量濃度通常不高于200 mg/m3，粉塵質量濃度低于50 mg/m3；②燃氣鍋爐為被動式鍋爐，其負荷由上游輸送的煤氣流量決定，負荷實時波動，且波動幅度和頻率極大；③燃氣可燃易爆，燃燒后煙氣中不可避免殘存一定質量濃度的CO等氣體，需考慮防爆、防中毒措施；④機組發生故障時，需要保證煤氣的完全放散，完全避免憋壓、角落富集等風險。

因此，燃氣鍋爐在煙氣凈化工藝的選擇上，除滿足排放要求外，還需要能長期高效、可靠、穩定、安全且低成本地運行，并且不會產生廢水等二次污染，不會形成白、黃、藍煙等問題[2]。

在此原則上，寶鋼股份電廠從2018-02 開始對脫硫工藝進行了充分考察和調研，并對不同的脫硫工藝進行了必選，確定選擇具有排煙透明、無任何廢水排放、副產物無毒無害、可綜合利用的鈣基干法脫硫工藝。

2018-08，寶鋼股份電廠4#350 MW 燃氣鍋爐脫硫除塵項目開始招標，經過層層篩選比對，最終采用針對燃氣鍋爐的特點和要求開發的DSC-M 新型循環流化床半干法工藝。該項目于2018-10 開始實施，并于2019-08 順利投運，穩定運行至今。

2 工程特點

2.1 場地條件

本工程建設在廠區指定的場地，場地中有DN4500的架空高爐煤氣管道，上背DN1000 的焦爐煤氣管道（頂標高約20 m）穿越；場地東側有增壓風機變頻器室；場地周邊有地下管線、電纜、電纜溝等。實際情況與原始資料圖紙并非完全相符，因此要求脫硫除塵系統設備基礎、鋼結構立柱布置時，具有足夠的調整可能，當上述問題出現時，設備基礎、立柱布置根據現場實際情況進行調整。

2.2 脫硫除塵裝置穩定性及控制要求

燃氣鍋爐負荷完全取決于上游的煤氣供應，因此，鍋爐負荷處于實時波動狀態，且波動幅度和頻率極大，因此要求脫硫除塵裝置能適應并能快速響應鍋爐負荷的高頻、高幅度變化。此外，脫硫除塵裝置不得影響鍋爐的運行，需滿足機組的正常運行條件及設備啟停聯鎖保護等條件，確保機組能實現RUN BACK、FCB、MFT 等聯鎖、保護功能不變。最為重要的是，鍋爐要求全時段SO2質量濃度小于等于30 mg/m3，粉塵質量濃度小于等于5 mg/m3，這就要求脫硫除塵裝置需與鍋爐同步啟停。這些均對脫硫除塵裝置的穩定性及控制提出了極高的要求。

3 工程設計

3.1 設計概述

針對本項目燃氣鍋爐的特點和要求，采用了自主研發的適用于燃氣鍋爐的DSC-M 新型循環流化床半干法工藝，采用檢修防中毒、鍋爐零壓點自動實時調節等針對性措施，實現了脫硫除塵裝置與主機負荷的匹配性，不影響鍋爐的運行，滿足機組的正常運行條件及設備啟停聯鎖保護等條件，確保機組能實現RUN BACK、FCB、MFT 等聯鎖、保護功能不變，解決主機故障時可燃易爆氣體的排空問題。創新性地采用高位布置環保島方案，充分利用縱向空間，將脫硫、除塵等設備置于整體鋼結構上（其中在煤氣管道區域鋼結構標高不低于20 m）解決場地布置問題。

3.2 工藝流程

本項目按“一機一塔”進行配置，燃氣鍋爐出口煙氣引入新建的DSC-M 新型循環流化床半干法脫硫除塵裝置，脫硫除塵后的凈煙氣經脫硫引風機排往煙囪。

煙氣凈化裝置的流程為：燃氣鍋爐—DSC-M 新型循環流化床半干法反應塔—布袋除塵器—脫硫引風機—煙囪排放，工藝流程如圖1 所示。

圖1 寶鋼350 MW 燃氣鍋爐煙氣DSC-M新型循環流化床半干法工藝流程示意圖

3.3 設計參數

4 號機組原煙囪出口煙氣參數如表1 所示。新建鋼煙囪處，設計指標要求SO2質量濃度的控制目標為小于等于30 mg/Nm3（標態、干基、3%O2），粉塵質量濃度的控制目標為小于等于5 mg/m3（標態、干基、3%O2）；煙囪CEMS 處排煙溫度高于80 ℃，同時高于露點溫度20 ℃。

表1 煙氣設計條件（最大設計工況）

3.4 總體布置設計

寶鋼350 MW 燃氣煙氣脫硫除塵改造按“一機一塔”進行配置，共一套脫硫除塵裝置。寶鋼電廠現有4號燃氣鍋爐為正壓鍋爐，采用鍋爐頂部排煙的塔式布置形式。現場場地狹小，唯一的可用區域上還橫穿了煤氣管道，并建有增壓風機變頻器室，布置難度極大。結合占地需求、項目投資、施工進度，創新性地采用高位布置環保島方案，充分利用縱向空間，將把脫硫、除塵等設備置于整體鋼結構上（其中在煤氣管道區域鋼結構標高不低于20 m）。

地面僅設置吸收劑制備設備、終產物收集系統、電氣室、空壓站、電梯、引風機等。拆除現4 號機組鍋爐頂上鋼煙囪，在環保島區域設置新鋼制煙囪。入口CEMS 小房根據儀表安裝規范，采用地面一層建筑，出口CEMS 小房布置在新建鋼平臺上。電梯停靠層需要連接新建鋼煙囪的CEMS 檢測平臺，建成后實景照片如圖2 所示。

圖2 寶鋼350 MW 燃氣鍋爐煙氣干式脫硫除塵項目脫硫除塵系統實景照片

4 項目運行情況

寶鋼350 MW 燃氣鍋爐煙氣干式脫硫除塵項目從2018-10 開始，先后完成了多方設計方案評審、打樁、土建施工、鋼結構、主體設備安裝等，于2019-08，脫硫除塵裝置順利投運。實際運行數據表明，原煙氣經過脫硫除塵后出口煙氣中SO2質量濃度為5.4 mg/m3，粉塵質量濃度為1.2 mg/m3，各項性能指標均優于設計要求（設計要求為SO2質量濃度小于等于30 mg/m3，粉塵質量濃度小于等于5 mg/m3），排放的質量濃度遠遠優于新標準中對污染物的排放限值要求。

5 工藝技術特點

經過近兩年的穩定高效運行及運行優異指標表明，寶鋼350 MW 燃氣鍋爐的DSC-M 新型循環流化床半干法工藝具有以下特點：①利用高湍動物料床層，同時噴水創造氣液固三相反應環境，保證高脫硫效率，脫硫效率可達95%以上。②出口煙溫高于酸露點15 ℃以上，無需增加煙氣再熱裝置，無白煙產生，同時煙氣流速較高，不影響煙囪的自拔力，出口污染物落地質量濃度低，對周圍環境影響小。③不受煙氣負荷及入口SO2質量濃度的限制。燃氣鍋爐為被動式鍋爐，其負荷由上游輸送的煤氣流量決定，負荷實時波動，且波動幅度和頻率極大，運行過程始終保持出口全時段SO2質量濃度小于等于30 mg/m3。④煙囪無需防腐，大大降低投資和風險。吸收塔內高湍動的高密度物料床層具有巨大的吸附比表面積，對于SO3、HCl、HF等酸性氣體，可幾乎完全吸附脫除。因此，整個脫硫裝置及后續的煙囪無需進行任何防腐處理，可大大節約投資費用。⑤煙氣經脫硫及噴水降溫后，極大地減輕煙氣對后續濾袋的侵害程度。這種先脫硫后除塵的方式，使得濾袋壽命大幅度延長，另外，利用濾餅層還提高了脫硫效率。吸收塔置于布袋除塵器前，煙氣經過循環流化床吸收塔脫硫后溫度降低，有利于延長布袋除塵器濾袋的壽命（濾袋壽命與煙氣溫度成反比），從而大大減輕了布袋除塵器的維護成本。特別是鍋爐煙氣工況突發情況，劇烈波動時，由于循環流化床吸收塔內的高濃度床層具有良好的緩沖作用，可以避免布袋除塵器發生超溫燒毀破損事故。先脫硫后除塵，未反應完的Ca（OH）2吸附在濾袋表面的粉餅層，可以進一步脫硫，提高脫硫效率。另外，由于DSC-M 循環流化床吸收塔可幾乎完全脫除SO2、SO3、HCl、HF 等酸性氣體。因此，經吸收塔凈化后的煙氣大大減小了對后級布袋除塵器濾料的化學侵害，提高了濾袋的使用壽命。⑥包含酸性氣體、細微顆粒物、重金屬Hg 等在內的多組份污染物協同脫除，滿足嚴格環保要求的同時，煙囪出口呈透明狀，感官效果好。SO3、HCl、HF 等酸性氣體反應活性高于SO2，優先與Ca（OH）2反應，可幾乎完全脫除。其中SO3是以硫酸氣溶膠的形式存在，直徑為0.1～1.2 μm，在循環硫化床中很難從床層穿過，而是吸附在Ca（OH）2顆粒表面發生反應，形成穩定的CaSO4，然后通過布袋除塵器脫除，杜絕了濕法脫硫后形成的二次PM2.5的問題。通過循環流化床吸收塔后，煙氣中細顆粒幾乎都絮集為較大顆粒，如圖3 所示，使原本布袋除塵器都難以阻擋的亞微米級PM2.5得以高效地被除去。而且循環流化床吸收塔頂及出口等的特殊結構設計，更保證了這些已絮集的顆粒不易被破壞重新分散，使細粉塵顆粒更有利于被后級布袋除塵器過濾脫除，從而使粉塵排放的質量濃度控制在5 mg/m3以下。⑦節水、節能。投資少，運行維護工作量小，水耗低、能耗低。⑧不產生廢水，副產物綜合利用范圍廣。裝置不產生廢水，無廢水處理裝置投資及費用。

圖3 干法脫硫前后的顆粒形貌對比

6 結論

雖然燃氣鍋爐煙氣污染物質量濃度相對較低，SO2質量濃度通常不高于200 mg/m3，對脫硫效率要求不高，但這不代表燃氣鍋爐脫硫除塵技術門檻低，這是因為燃氣鍋爐負荷受燃氣供應影響，負荷高頻且高幅度變化，同時脫硫除塵裝置需不影響鍋爐的運行，并能快速響應鍋爐的聯鎖控制以及與鍋爐同步啟停，這些都要求脫硫除塵裝置需具備極高的穩定性以及快速、靈活的調控能力。龍凈自主研發的DSC-M 新型循環流化床半干法技術在寶鋼350 MW 燃氣鍋爐上的成功應用，表明了DSC-M 新型循環流化床半干法技術可滿足燃氣鍋爐的要求，為燃氣鍋爐超低排放治理提供了一個全新的、穩定可靠的、低成本的解決方案。