燃煤鍋爐煙氣工藝的設計與應用

唐志鵬

(中煤科工集團杭州研究院有限公司，浙江 杭州 311201)

0 引言

2020年，我國二氧化硫排放量為313.2萬噸，氮氧化物排放量為1019.7萬噸，顆粒物排放量為611.4萬噸。主要來源于燃煤鍋爐等煙氣排放，造成霧霾的頻發，對生態環境和人類健康造成一定影響。因此，采用有效的凈化煙氣處理工藝迫在眉睫。

常用脫硫工藝有干法脫硫、半干法脫硫、濕法脫硫等[1-2]。十三五規劃后，迫于超低排放標準的嚴格控制，干法脫硫及半干法脫硫受限于脫硫效率的局限性，逐漸運用較少。相比之下，濕法脫硫特別是石灰石石膏法得益于較高的脫硫效率及穩定的運行案例，已更廣泛運用于新建燃煤電廠及改造工程中。燃煤鍋爐煙氣脫硝工藝主要有選擇性非催化還原脫硝(SNCR)和選擇性催化還原脫硝(SCR)[3-5]，SNCR原理主要是采用NH3、尿素等還原劑對NOx進行選擇性還原。其優點無需添加催化劑，投資成本低及運行成本少。缺點為去處NOx效率較低、存在氨氣逃逸等問題。SCR是目前運用予燃煤電廠最多的一種脫硝工藝，主要工作原理在V2O5/WO3等催化劑的作用下，還原劑NH3將NOx還原為N2。SCR工藝脫硝效率高，但也存在一定的缺點，如NH3與NOx比例控制不精確，易造成氨逃逸等二次污染；反應溫度窗口為280～400 ℃，中小型鍋爐較難穩定控制；并且SCR工藝投資成本高，運行較為復雜。臭氧法是一種新型脫硝工藝，反應溫度低于150 ℃，系統操作簡單，經濟安全技術綜合優勢較為明顯。布袋除塵器和靜電除塵器為燃煤鍋爐最為常用的兩種除塵器，與靜電除塵器對比，布袋除塵器對亞微米及微米煙塵粒徑的去除效率高達99.9%以上，在較較低的運行風速下，布袋除塵器甚至可以將粉塵控制在10 mg/Nm3以下。濕式電除塵器[6-7]，超低排放標準下的產物，能有效去處煙氣中殘留的細顆粒物及SO3氣溶膠，將粉塵濃度降低在5 mg/Nm3以下。

因此，本文采用布袋除塵器+臭氧脫硝+石灰石石膏法+濕式電除塵器處理工藝，對燃煤鍋爐煙氣進行設計及應用。

1 項目概況

某煤礦現有2×10 t/h的鏈條鍋爐，用于供熱及供暖系統。單臺鍋爐煙氣設計參數如表1所示，煙氣出口排放指標如表2所示。

表1 煙氣設計進口參數

表2 煙氣設計出口濃度

2 工藝總流程

燃煤鍋爐煙氣自省煤器及空預器出口后，進入布袋除塵器除塵單元，經濾袋過濾后粉塵出口濃度小于等于20 mg/Nm3。通過增壓風機的作用，將煙氣送入臭氧脫硝反應器內，臭氧脫硝反應器內噴射的臭氧與低價態NO反應，生成溶解度更高的高價態NOx，高價態的NOx和SO2進入脫硫單元，與逆向噴淋的石灰石漿液反應，粉塵，SO2及NOx將被吸收，而后煙氣進入濕式電除塵器，進一步去處煙氣中的細顆粒物及氣溶膠，最后經煙囪排放。工藝總流程圖如圖1所示。

圖1 工藝總流程圖

3 工藝設計

本項目工藝設計主要包含以下四個部分：布袋除塵器系統、脫硝系統、脫硫系統、濕式電除塵器系統。

3.1 布袋除塵器系統設計

每臺鍋爐配置一臺布袋除塵器，過濾風速≤0.68 m/min，布袋除塵器粉塵出口濃度≤20 mg/Nm3。采用差壓控制，脈沖噴吹。同時，考慮灰斗結塊板結，灰斗設置電加熱器。單臺布袋除塵器設備清單見表3。

表3 布袋除塵器主要設備清單

3.2 脫硝系統設計

脫硝裝置設計煙氣量為19100×2=38200 Nm3/h，進口NOx濃度≤300 mg/Nm3，脫硝反應器出口NOx濃度≤50 mg/Nm3，脫硝效率≥83.2%。脫硝系統主要包含制氧系統、臭氧制備系統及臭氧噴射裝置三個部分。本項目以為空氣源為起源，設計一套制氧能力為160 Nm3/h裝置，吸附劑采用制氧分子篩及活性氧化鋁，制備氧氣純度≥90%。以氧氣為起源，設計一套制備能力為20 kg/h 的臭氧發生器，氧氣濃度為10%。經CFD煙氣流場模擬，將通過稀釋風機稀釋后的臭氧噴射至脫硝反應器內。考慮臭氧的強腐蝕性，臭氧管道采用316L材質。脫硝系統的主要設備清清單詳見表4。

表4 脫硝系統主要設備清單

2.3 脫硫系統設計

脫硫裝置設計煙氣量為19100×2=38200 Nm3/h，脫硫塔進口SO2濃度≤12000 mg/Nm3，脫硫塔出口SO2濃度≤35 mg/Nm3，脫硫效率≥97.0%。脫硫系統主要包含漿液制備系統、吸收塔系統、石膏脫水、漿液排放及事故系統、工藝水系統及廢水處理系統。

漿液制備系統主要包含石灰石料倉、螺旋稱重給料機、漿液罐、石灰石漿液泵等。石灰石料倉設計儲存時間為7 d，石灰石漿液箱儲存配置濃度為20%的石灰石漿液，通過石灰石漿液泵輸送至吸收塔。

吸收塔系統主要設備包含吸收塔塔斧段、吸收段、循環泵、氧化風機、側攪拌器、除霧器、噴淋層及塔盤等。噴淋層設置四層，采用碳化硅空心椎噴嘴，空塔煙氣設計流速≤3 m/s。液氣比22 L/Nm3，設置4臺循環泵，根據燃煤含硫情況靈活運行3～4臺。循環泵保證不斷循環逆流噴淋的石灰石漿液在脫硫塔反應段內吸收煙氣中的二氧化硫，氮氧化物，顆粒物。塔內設置兩級屋脊除霧器，用以分離煙氣夾帶的霧滴，保證除霧器出口煙氣霧滴濃度≤75 mg/Nm3。除霧器沖洗采用工藝水。吸收塔內設置兩臺氧化風機，一用一備，通過氧化風機將空氣鼓入吸收塔內，對吸收塔內漿液進行強制氧化，將亞硫酸鈣氧化為硫酸鈣。運行過程中，吸收塔內漿液密度pH值控制在5～6，密度控制在1100 kg/m3左右。

石膏脫水系統包含石膏旋流器及真空皮帶脫水機。石膏旋流器入口壓力保證≥0.2 MPa，石膏旋流器進口含固率為18%～20%，出口含固率設置為50%。本項目石膏餅設計含固率為90%，質量流量為0.14 t/h，設計過濾面積為1 m2。

事故漿液系統主要保證在吸收塔故障狀態下滿足吸收塔漿液暫時存貯用，并配套相應事故水泵及回塔管路。本項目事故水箱設計容積為70 m3。

工藝水系統主要包含工藝水泵及工藝水箱。工藝水主要用于以下幾個部位：管道及水泵設備沖洗；制備吸收劑漿液；除霧器沖洗；保證吸收塔液位；設備冷卻水等。

廢水處理系統包含廢水泵、廢水旋流器、廢水箱、廢水外排泵組成。廢水經廢水泵輸送至廢水旋流器，通過物理重力分離作用，過濾出顆粒物含量較低的廢水自流至廢水池后經外排泵排放至業主綜合水處理中心。廢水旋流器低流回脫硫系統。

脫硫系統的主要設備清單見表5。

表5 脫硫系統主要設備清單

2.4 濕電系統設計

本項目采用立式濕式電除塵器，坐落在脫硫塔頂部。濕式電除塵器主要有本體、陽極系統、陰極系統、噴淋裝置及氣流均流板組成。濕電進口粉塵濃度≤20 mg/Nm3，濕電出口粉塵濃度≤5 mg/Nm3。空塔流速≤1.4 m/s，反應器直徑φ3400×9000 mm，陽極管采用正六邊形導電玻璃鋼作為沉淀極，模塊化設計，方便安裝及檢修。導電玻璃鋼內表面光滑，具有易形成水膜，不易結垢、材質輕、造價低、耐腐蝕及壽命長等優點。陰極線采用2205材質，固定于上下框架上，絕緣箱內吊桿采用陶瓷管支撐固定框架。絕緣箱內設電加熱裝置，以保證陰極裝置時刻與陽極及塔體保持干燥絕緣狀態。濕電內部設置噴淋系統，定時對陰極線和陽極管進行沖洗。濕電系統主要設備清單見表6。

表6 濕電系統主要設備清單

3 運行案例分析

3.1 布袋除塵器

兩套布袋除塵器均采用PPS+PTFE濾料，除塵器入口溫度150 ℃，布袋除塵器進出口差壓控制在800 Pa，通過脈沖噴吹方式進行清灰，保證系統的安全穩定運行。

3.2 脫硝系統

煙氣NOx的主要組成是NO，初始濃度≤300 mg/Nm3。本項目調試過程中，考察O3與NO之間摩爾數的比值(O3/NO)變化對脫硝效率的影響，詳見圖2。從圖2可知，隨著反應系統中O3/NO增加，NO脫除率增加，當O3/NO增加到1.6時，脫硝效率達到90%。隨后繼續增加O3/NO，NO的脫除率幾乎不在增加，并且將導致更多的臭氧泄漏及氣溶膠形成。因此，實際運行過程中，基本將O3/NO控制在1.0～1.2之間。

圖2 O3/NO對脫硝效率的影響

3.3 脫硫系統

本項目考慮更換煤種導致SO2濃度極端惡劣情況。故設計四層噴淋層，一層塔盤，四層集氣環，保證系統的順利達標排放。當SO2初始濃度≤600 mg/Nm3時，關閉一臺循環泵，降低運行費用。吸收塔漿液pH值控制在5～6之間，脫硫系統內的氯離子控制在15000 mg/L以下，漿液密度控制在1100 kg/m3。脫硫系統內氯離子≥15000 mg/L時，需外排脫硫廢水，保證脫硫系統的安全穩定運行。

3.4 濕電系統

濕式電除塵器對微細粉塵具有良好的去除效果，同時可解決有效解決SO3氣溶膠問題。本項目調試過程中，考察不同電壓下，O3/NO對濕電出口粉塵濃度的影響。從圖3可以看出，粉塵出口濃度隨著電壓升高而降低。當電壓為40 kV，O3/NO為1時，粉塵出口濃度能降低至2.8 mg/Nm3；相比之前，當電壓為0 kV，O3/NO為1時，粉塵出口濃度為19.5 mg/Nm3。同時，從圖3可以看出，當O3/NO從1.6上升至2.0時，粉塵出口濃度也極速增加。這可能是由于O3/NO的增加導致SO2與O3發生反應，在脫硫過程中形成SO3氣溶膠顆粒，導致粉塵濃度增加。因此，實際運行過程中O3/NO基本控制在1.0～1.2之間。

圖3 O3/NO對粉塵出口濃度的影響

4 結論

本項目結合中小型燃煤鍋爐的煙氣特點，經過一系列藝對比，采用布袋除塵器+臭氧脫硝+石灰石石膏法+濕式電除塵器凈化工藝，處理后，SO2≤35 mg/Nm3，粉塵≤5 mg/m3，NOx≤50 mg/Nm3，滿足超低排放要求。運行過程中考察O3與NO之間摩爾數的比值(O3/NO)對脫硝效率及濕電出口粉塵濃度的影響。結果發現，隨著O3/NO的增加，脫硝效率增加，O3/NO大于1.6以后，脫硝效率不在增加，反而增加粉塵的出口濃度。