燃煤煙氣綜合凈化技術(shù)研究

趙 巖，馬 飛

（新蔡縣環(huán)境保護局，河南 新蔡 463599）

燃煤企業(yè)具有高耗能、高排放的特點，其排放的燃煤煙氣中含有大量的有毒、有害物質(zhì)，對大氣環(huán)境、自然環(huán)境有著極大的危害。因此，需要采用燃煤煙氣綜合凈化技術(shù)，去除煙氣中的粉塵、飛灰、氮氧化物、硫化物等，保證排放煙氣的各項指標(biāo)，符合國家煙氣排放標(biāo)準(zhǔn)要求。燃煤企業(yè)需要加大綜合凈化技術(shù)的研究與應(yīng)用的力度，總結(jié)應(yīng)用中的經(jīng)驗教訓(xùn)，持續(xù)進行該項技術(shù)的優(yōu)化、調(diào)整、升級，實現(xiàn)燃煤煙氣綜合凈化技術(shù)水平的提升，最大限度降低煙氣有害、有毒物質(zhì)的排放量，為環(huán)保事業(yè)的發(fā)展盡一份力量。

1 燃煤煙氣除塵技術(shù)

1.1 干式除塵技術(shù)

1.1.1 靜電除塵器原理

靜電除塵器結(jié)構(gòu)中使用了收塵極板，通過對燃煤煙氣成分中的氣體電離，使粉塵形成帶電離子，進而實現(xiàn)收塵極板收集煙氣粉塵的目的。收集后的粉塵在清灰的作用下，最終落入灰斗。靜電除塵器的除塵效率與兩個關(guān)鍵參數(shù)有關(guān)，一是驅(qū)動速度，驅(qū)動速度增加，除塵器收塵效率提升；二是比集塵面積，面積增加，那么將直接增加除塵效率。煙氣性質(zhì)對除塵效率有著很大的影響，燃煤煙氣中煤灰成分主要有SiO2、Al2O3、Na2O、K2O、SO3等，這些物質(zhì)在煙氣中的含量，對于除塵效率、清灰振打效果都會有所影響。比如，煙氣中Al2O3含量高，除塵效果會明顯下降，是因為Al2O3為細微粉塵，電阻高、絕緣性好，收塵極板收集的難度大。因此，在選用靜電除塵器時，需要參照表1 與表2 中的數(shù)據(jù)。

表1 除塵器選型飛灰成分除塵指數(shù)分級

表2 除塵器選型飛灰比電阻分級

1.1.2 高效除塵技術(shù)

（1）電源優(yōu)化技術(shù)，目前，靜電除塵器采用了電源優(yōu)化技術(shù)，可根據(jù)燃煤煙氣的特點進行針對性的選用。比如，高頻電源可產(chǎn)生大于10 kHz 的高頻交流電，經(jīng)過升壓與整流后，其可增長至數(shù)十千赫茲，使靜電除塵器形成良好的電力場。（2）煙氣調(diào)質(zhì)技術(shù)，該技術(shù)適用于高比電阻粉塵，使用調(diào)質(zhì)劑對除塵過程進行優(yōu)化，調(diào)質(zhì)劑吸附在飛灰上，并影響周邊飛灰，最后凝結(jié)成水膜，其中的可溶金屬離子溶于水膜，形成可以移動的飛灰層，從而完成了整個煙氣除塵流程。（3）旋轉(zhuǎn)電極式除塵器，運行原理與普通的靜電除塵器相同，但是其采用了兩個電場，一個常規(guī)電場，和一個帶有陽極板與清灰刷的旋轉(zhuǎn)電場，陽極板在上下轉(zhuǎn)動過程中進行粉塵收集，清灰刷在底部旋轉(zhuǎn)清灰，在粉塵厚度較小的情況下進行清灰操作，有效降低了二次揚塵，除塵效益表現(xiàn)優(yōu)異。

1.2 濕式電除塵技術(shù)

1.2.1 濕式電除塵器工作原理

濕式電除塵器工作原理如圖1 所示，首先高壓整流器為金屬放電線供應(yīng)高壓電，放電電離煙氣，煙氣中的粉塵粒子帶電后，形成荷電顆粒物，在除塵器電場的作用下，荷電顆粒物被吸附在陽極板上，從陽極板頂部噴水，形成一層水膜，將板上收集的顆粒物排出。

圖1 濕式電除塵器工作原理圖

1.2.2 金屬極板濕式電除塵器

金屬極板濕式電除塵器功能特點是噴水清灰，臥式布置，適用于大型燃煤機組除塵，與普通靜電除塵器結(jié)構(gòu)差異不大，陽極板采用的是平板，不同廠家生產(chǎn)的除塵器存在一定的差異。

1.2.3 導(dǎo)電玻璃鋼極板濕式電除塵器

該除塵器的集塵板有很多形狀，像圓形、方形、多邊形等，為管式結(jié)構(gòu)，制作材料是導(dǎo)電玻璃鋼，立式布置，適用于冶金與化工燃煤機組，除塵效果好，最高可達90%，煙氣上下流動，通過管式極板長度的改變，可完全滿足燃煤除塵的要求，應(yīng)用靈活性好。

1.3 除塵方案確定

以電廠燃煤為例，其燃煤使用的是煙煤，在除塵器選用之前，首先對煤質(zhì)條件進行分析，確定煙煤的全水分、干燥基水分，以及收到基碳、基氫、基氧、基硫等具體參數(shù)，并進行煤灰成分分析，確定SiO2、Al2O3、TiO2、K2O、Na2O、CaO 等在煤灰中的含量，煤灰比電阻分析，在測試溫度為常溫、80℃、100℃、120℃、150℃等情況下，計算出煤灰比電阻數(shù)據(jù)。然后展開適用性分析，根據(jù)上述環(huán)節(jié)獲取的數(shù)據(jù)參數(shù)，計算出該發(fā)電廠燃煤煙氣的飛灰特性數(shù)據(jù)，確定低溫與高溫收塵指數(shù)。最后，經(jīng)過飛灰除塵指數(shù)分析后，確定該電場煙氣除塵為一般水平。基于以上分析，結(jié)合除塵的經(jīng)濟性、實用性、可靠性、節(jié)能效益等，制定除塵器選型方案。在排放煙塵濃度低于5 mg/Nm3的情況下，電廠可以考慮采用干式靜電除塵器與濕式電除塵器聯(lián)合布置方案，其中靜電除塵器為主體，濕式電除塵器為輔助，并留有足夠的設(shè)計余量，確保除塵率達到85%以上。

2 燃煤煙氣脫硫技術(shù)

2.1 單塔雙循環(huán)技術(shù)

該技術(shù)由德國諾爾公司研發(fā)，串聯(lián)兩級吸收塔，兩級循環(huán)脫硫，工作原理如圖2 所示。燃煤煙氣先進入圖中的Quench Zone，SO2濃度大于30%，小于90%，其中漿液的pH 值在4.5～5.0 之間，在酸性環(huán)境下，促進亞硫酸鈣氧化。然后進入圖中的Absorber Zone，開始進行二次循環(huán)，對煙氣中的SO2進行脫硫洗滌，漿液pH值在6.0～6.5 之間。該技術(shù)適用于含硫量高的煙氣脫硫處理，通過調(diào)整每個循環(huán)漿液的pH 值，精細化的控制脫硫流程，兩個循環(huán)獨立運行，提升了氧化效率，脫硫反應(yīng)效果明顯。

圖2 雙循環(huán)工作原理

2.2 旋匯耦合脫硫技術(shù)

該技術(shù)使用了旋匯耦合裝置，其安裝在吸收塔的煙氣入口上方，噴淋的下方，旋匯耦合裝置通過自身的轉(zhuǎn)動，促進氣體、液體、固體的充分接觸，提升了脫硫的效果，運行原理如圖3 所示。實際應(yīng)用中傳質(zhì)效果好，旋匯耦合裝置改變煙氣的層流狀態(tài)，在裝置內(nèi)形成多個湍流，每個湍流都可與液體固體充分接觸，實現(xiàn)脫硫效果的最大化。均氣效果明顯，煙氣進入吸收塔內(nèi)，為不均勻分布狀態(tài)，使用旋匯耦合裝置直接促進其均勻分布。此外，該技術(shù)還有降溫速度快、能耗低等優(yōu)點，使得該技術(shù)在煙氣脫硫中得到了廣泛的應(yīng)用。

圖3 旋匯耦合脫硫原理圖

2.3 脫硫方案確定

某燃煤企業(yè)在環(huán)保部門的要求下，需要將燃煤煙氣排放濃度控制在標(biāo)準(zhǔn)值以下，環(huán)保部門會對其進行排放濃度的小時均值考核，如果超出環(huán)保部門設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)值，則會對燃煤企業(yè)進行經(jīng)濟性的處罰。由于燃煤企業(yè)在采購原煤時，硫含量對采購價格有著一定的影響，使得煤硫分成為燃煤企業(yè)采購時需要慎重考慮的問題，也就是說采購煤硫分高的原煤，燃煤企業(yè)燃煤成本會被降低，在此基礎(chǔ)上，構(gòu)建燃煤煙氣的脫硫系統(tǒng)，對燃煤企業(yè)的生產(chǎn)成本產(chǎn)生影響。通過經(jīng)濟性計算發(fā)現(xiàn)，采購煤硫分高的原煤節(jié)約的成本，要高于脫硫系統(tǒng)日常運維成本，從長期運營與長期效益角度來看，燃煤企業(yè)具有使用脫硫技術(shù)的必要性與可行性，不但可增加原煤選擇的范圍，還可滿足環(huán)保部門的排放要求，實現(xiàn)經(jīng)濟效益與環(huán)保效益的雙向提升。

3 燃煤煙氣脫硝技術(shù)

3.1 低氮燃燒技術(shù)

該技術(shù)使用燃燒氮的方式去除燃煤煙氣中的氮，并降低NOx生成量。爐膛采用三個相對獨立的結(jié)構(gòu)，按照爐膛高度的不同，分別設(shè)置了緊湊與分離燃盡風(fēng)，一是初始燃燒區(qū)，煙氣首先進入該區(qū)，完成初步的氮燃燒；二是燃燒還原區(qū)，適當(dāng)增加燃燒風(fēng)量，進一步燃燒其中的氮；三是燃盡區(qū)，增加燃盡風(fēng)量，將煙氣中的氮含量降至最低程度，最大程度上降低NOx的排放量。該技術(shù)通過調(diào)整燃盡風(fēng)的風(fēng)量，使煙氣在三個燃燒區(qū)充分燃燒，實現(xiàn)燃煤煙氣最佳的脫硝效果。

3.2 煙氣脫硝技術(shù)

該技術(shù)采用不同的催化劑，對燃煤煙氣進行有選擇的催化還原，達到降低排放煙氣中NOx的目標(biāo)。使用的還原劑主要有NH3、液氨等，這些物質(zhì)有選擇的與煙氣中不同的氮氧化物發(fā)生反應(yīng)，生成無毒的氮氣與水。選擇性催化還原工藝在煙氣脫硝中的應(yīng)用，成本與催化劑有著直接的關(guān)系，催化劑的使用壽命長，那么技術(shù)應(yīng)用的經(jīng)濟性良好，反之則成本較高。還有不需要使用催化劑的還原工藝，該工藝使用氨與尿素，借助高溫促進NOx反應(yīng)，溫度要控制在850~1 000℃。溫度控制是選擇性非催化還原技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵，NOx對溫度非常靈敏，爐膛溫度窗口影響著NOx反應(yīng)的成效，通常最佳溫度是850~1 000℃，但是使用的反應(yīng)器不同，需要進行溫度的調(diào)整。煙氣在反應(yīng)器中的停留時間有限，如果反應(yīng)溫度較低，且小于爐膛噴入點的溫度，那么反應(yīng)器中的化學(xué)反應(yīng)不完全，難以保證NOx還原效果，甚至存在部分NOx沒有發(fā)生反應(yīng)，如果其中的NH3與SO3發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，會生成硫酸銨與硫酸氫銨，其中硫酸氫銨屬于腐蝕性化學(xué)元素，會腐蝕預(yù)熱器。

3.3 脫硝方案確定

選擇性催化還原工藝應(yīng)用較多，技術(shù)成熟度高，在大型燃煤機組中的應(yīng)用，脫硝效率高達80%。在實際的煙氣脫硝應(yīng)用中，對該技術(shù)進行了優(yōu)化調(diào)整，像降低煙氣流速，延長其在反應(yīng)器中停留時間，并根據(jù)煙氣脫硝的實際情況，適當(dāng)調(diào)整催化劑的高度，其他脫硝設(shè)計保持不變，可在原有脫硝效率的基礎(chǔ)上，提高五個百分點，完全滿足環(huán)保部門對燃煤煙氣氮氧化物排放濃度的要求。比如，某電廠采用了選擇性催化還原工藝，構(gòu)建了復(fù)合空氣分級低NOx燃燒系統(tǒng)，并留有脫硝設(shè)計余量，在燃煤鍋爐不同的工況下，對不同濃度的NOx進行催化還原，脫硝效率大于85%，最大程度上降低了燃煤煙氣中的氮氧化物濃度，提升了電廠燃煤煙氣治理的成效，獲取了十分理想的脫硝效果。

4 結(jié)束語

在我國大力提倡節(jié)能減排的背景下，環(huán)保部門加大了對燃煤煙氣排放監(jiān)管與治理的力度，促進了燃煤企業(yè)積極引進煙氣綜合凈化技術(shù)，增加了煙氣凈化的力度，投入了大量的企業(yè)資源，以確保排放的燃煤煙氣符合國家設(shè)定的排放標(biāo)準(zhǔn)。因此，針對煙氣綜合凈化技術(shù)與應(yīng)用的研究十分重要，通過除塵技術(shù)、脫硫技術(shù)、脫硝技術(shù)的準(zhǔn)確選用，以及凈化方案的經(jīng)濟性、科學(xué)化制定，對于燃煤企業(yè)經(jīng)濟效益與環(huán)保效益的提升非常有利。