熱電廠燃煤鍋爐煙氣脫硫脫硝的節能減排改造實踐

摘要：隨著國家新環保標準與環保法的陸續頒布執行，我國大部分燃煤熱電廠都面臨著鍋爐煙氣脫硫脫硝裝置為達到節能減排目的而進行升級改造的問題。以山西省某熱電廠的2臺410t/h燃煤鍋爐（8#、9#鍋爐）為研究對象，從石灰石-石膏濕法脫硫系統、布袋除塵器、低氮燃燒器、SCR脫硝工藝等方面，對其煙氣脫硫脫硝裝置進行節能減排改造。改造后實際運行效果顯著，排煙溫度降低了10～15℃，鍋爐熱效率提高0.2%，煙氣主要污染物全部實現達標排放，取得了較好的環境保護效果。

關鍵詞：燃煤鍋爐；脫硫；脫硝；節能減排；環境保護

引言

隨著環保意識的整體提升和對可持續發展的追求，減少工業排放、尤其是減少燃煤熱電廠的有害氣體排放，已成為全球性的緊迫挑戰。我國由于依賴大量煤炭作為能源，使得熱電廠成為了大氣污染的主要來源之一。國家新環保標準的實施，要求熱電廠采取有效措施，以達到更嚴格的排放標準。本研究以山西省某熱電廠的2臺410t/h燃煤鍋爐（8#、9#鍋爐）為例，進行了煙氣脫硫脫硝的節能減排改造實踐。改造后節能減排效果理想，該熱電廠成功實現了煙氣中主要污染物的達標排放，顯著降低了排煙溫度，提高了鍋爐熱效率。同時，在全年的運行中還實現了大量氮氧化物（NOx）、二氧化硫（SO2）和粉塵的減排，在環境保護方面取得了明顯成效。

1 工程概況

山西省某熱電廠有8#、9#共2臺410t/h

燃煤鍋爐（WGZ410/9.8-16型），每臺鍋爐

的煙氣排放裝置處理煙氣量（標準狀況）為42×104m/h，鍋爐年運行時間為6000h。根據《火電廠大氣污染物排放標準》（GB 13223-2011）中NOx（以NO2計）、SO2、煙塵排放

標準（標準狀況）執行100mg/m3、100mg/m3、

30mg/m3的規定，該熱電廠燃煤鍋爐煙氣排放時的NOx、SO2、煙塵均超標，不符合環保標準。因此，根據相關要求，對該熱電廠燃煤鍋爐煙氣排放裝置進行節能減排改造，脫硫系統主要設計采用石灰石-石膏濕法煙氣脫硫裝置，脫硝系統主要設計采用低氮燃燒器+選擇性催化還原（SCR）脫硝工藝[1]。

2方案選擇與流程制訂

2.1 方案選擇原則

針對某熱電廠鍋爐煙氣脫硫脫硝改造工程確定3條設計原則，即①確保煙氣（NOx、SO2、煙塵）達標排放并滿足當地總量控制要求；②確保系統的安全、穩定運行；③利用現有空間，減少一次性投資。

2.2 總體流程

石灰石-石膏煙氣脫硫系統→布袋除塵器→低氮燃燒器→SCR脫硝工藝→蜂窩式催化劑→省煤器→回轉式空氣預熱器。

3改造實踐

3.1 石灰石-石膏煙氣脫硫系統

根據項目可研報告中對脫硫工藝的對比分析，結合某熱電廠燃煤煤質分析數據及鍋爐煙氣排放SO2濃度數據[設計煤質（標準狀況）2492.609mg/m3，校核煤質（標準狀況）3476.489mg/m3]，可知干法或半干法脫硫技術無法滿足熱電廠老機組煙氣脫硫效率需達到97%以上的排放要求。因此，本項目選擇濕法煙氣脫硫技術，脫硫系統采用石灰石-石膏煙氣脫硫裝置，脫硫效率按不小于97.12%設計。

濕法脫硫技術的特點是將整個脫硫系統置于煙道末端除塵器之后，脫硫過程在溶液中進行，反應溫度低于露點，脫硫后煙氣經過再加熱從煙囪排出。該技術具有反應速度快、脫硫效率高、鈣利用率高等優點。

脫硫系統包括石灰石漿液制備系統、煙氣系統、SO2吸收系統、石膏排空系統、石膏脫水系統、工藝水及廢水系統等子系統，主要洗滌 SO2、SO3、HF、HCl等有害氣體。

本工程設置4層沖洗。在吸收塔液面上部加入新石灰石漿液，由吸收塔循環泵將漿液向上輸送至噴淋層，與石膏漿液混合；從高效霧化噴嘴噴出漿液形成很細的霧狀液滴，在塔內達到高效充分的氣-液-固接觸，凈化煙氣流經兩級屋脊式除霧器除去漿液微滴。

脫硫煙氣和漿液腐蝕易使設備產生磨損，還可導致除霧器局部塌陷、模塊脫落，因此在選擇脫硫設備材料時要考慮防腐耐磨性。鑒于此，本工程循環泵進口濾網、塔內氧化空氣管道采用耐蝕合金，原煙道采用高溫玻璃鱗片，凈煙道采用低溫玻璃鱗片，吸收塔入口段煙道四周采用6mm碳鋼加貼附C276合金制作，吸收塔采用玻璃鱗片防腐工藝，漿液管線為丁基橡膠襯里。

本工程的脫硫系統中沒有設置GGH，杜絕了因GGH結垢堵塞而影響系統可靠性的情況。沒有設置增壓風機，而是采用增壓風機和引風機合二為一的方案，既減少了故障點，又節省了成本[2]。

3.2 布袋除塵器

濕法脫硫塔雖有一定的除塵能力，但某熱電廠目前使用的靜電除塵器不能滿足30mg/m3（標準狀況）排放，再結合本工程場地的實際情況，決定拆除現有的靜電除塵器，新建布袋除塵器。

布袋除塵器采用低壓在線脈沖清灰，多室組合形式，布置在鍋爐空氣預熱器與鍋爐引風機之間，用于去除鍋爐煙氣中的粉塵。

脫硫系統入口SO2濃度為設計煤質（標準狀況）2468mg/m3，校核煤質（標準狀況）3466mg/m3。為確保任何煤質條件下都能使SO2濃度在達標范圍內，本工程將校核煤質作為脫硫系統的設計煤質進行計算。整體參數設計中，除塵器出入口煙氣流速不大于8m/s，上升氣流速度小于1m/s，過濾風速為0.85m/min，除塵器內較低的煙氣風速不僅降低了煙氣流速，還使得除塵器的過濾面積有了更大裕量，減少了噴吹的頻次，降低了煙氣對布袋的沖刷。系統最佳除塵效率≥99.97%，阻力≤1500Pa。

3.3 低氮燃燒器+SCR脫硝工藝

3.3.1 低氮燃燒器

基于對技術成熟、應用較多、易于控制、靈活可靠、投資相對較低的考慮，某熱電廠8#、9#鍋爐的低氮燃燒改造采用復合型空氣分級技術（SOFA+CFS）進行。

SOFA技術通過優化過量空氣系數，從源頭減少NOx的生成，使NOx排放濃度降低15%～30%。鍋爐飛灰含碳量與改造前持平，鍋爐汽溫汽壓和出力全部達到額定值。主燃區的二次風系統采用復合型直流燃燒器，避免鍋爐水冷壁發生結渣和高溫腐蝕現象，使水冷壁得到有效保護，大大減少了由于熱負荷不均導致的超溫爆管事故[3]。

CFS是一種先進的燃燒技術，通過使部分二次風氣流在水平方向分級，實現延遲空氣與煤粉混合的效果，從而有效減少NOx生成。一次風帶煤粉的氣流被CFS技術下的二次風氣流偏轉，在爐膛中央包圍起來形成富燃料區，燃燒區域及上部四周水冷壁附近形成富空氣區，這種空氣動力場的配置有助于優化燃燒過程。由于空氣動力場的結構影響，灰渣在水冷壁上的沉積減少，從而變得更加疏松，降低了墻式吹灰器的使用頻率，使維護成本和操作成本得以減少。上述裝置結構減少了灰渣沉積，提高了下部爐膛吸熱量，有助于提升燃燒效率、降低水冷壁的高溫腐蝕率，有利于延長設備的使用壽命[4]。

某熱電廠8#、9#鍋爐采用SOFA+CFS技術在低氮燃燒改造中取得了顯著的節能減排效果，實現了NOx的大幅度降低，提升了鍋爐的運行效率和安全性。

3.3.2 SCR脫硝工藝

選擇性催化還原（SCR）脫硝工藝是一種用于降低煙氣中NOx排放的環保技術，主要有2個步驟，即①在特定條件下，將還原劑（氨）注入到含有NOx的煙氣中；②使用特定的催化劑來促進氨與NOx的化學反應，將有害的NOx轉化為無害的氮氣和水蒸氣。由于催化劑可有效降低反應所需的活化能，因此該技術過程中的化學反應可在較低溫度范圍內（320～400℃）進行。實踐中將SCR反應器安裝在鍋爐省煤器與空氣預熱器之間（此區間的煙氣溫度剛好適合SCR脫硝還原反應），再將氨噴射于省煤器與SCR反應器間煙道內的適當位置，待氨與煙氣充分混合后在反應器內與NOx反應，達到的脫硝效率為80%～90%。

本工程分別針對選擇性非催化還原（SNCR）脫硝法和SNCR+SCR聯合脫硝技術進行了實踐。發現SNCR技術的脫硝效率僅為25%～35%，且運行中有許多不可控因素，可靠性和靈活性較差，氨逃逸率高，如果應用于本工程中也只能將NOx濃度由510mg/m3降至約300mg/m3，不能滿足環保要求；SNCR+SCR聯合技術的脫硝效率約為65%，如果應用于本工程中將無法滿足100mg/m3（標準狀況）的排放標準。

SCR脫硝工藝的應用，再結合低氮燃燒器，為降低煙氣中NOx排放提供了可靠的技術路線，滿足了環保要求。因此，通過技術對比，本工程確定了“低氮燃燒器+SCR脫硝工藝”技術路線。

3.4 蜂窩式催化劑

某熱電廠8#、9#鍋爐煙氣的粉塵（標準狀況）約為54g/m3，符合中等灰分特點，在催化劑的使用上可選擇蜂窩式或板式。但考慮到8#、9#鍋爐為改造項目，場地狹小，選用板式催化劑占地較大，無法布置，因此選用蜂窩式催化劑。每臺鍋爐配置1套SCR煙氣脫硝系統，采用高塵布置方式，SCR反應器布置在鍋爐省煤器出口與空氣預熱器之間。從省煤器出口煙道處（320～400℃）引出的煙氣經過噴氨格柵、靜態混合器后進入SCR裝置。SCR反應器催化劑的布置采用2+1形式，避免因催化劑失效而影響脫硝效率。

3.5 省煤器

為使催化劑達到高效反應，SCR脫硝設備需布置在320～400℃區域，而某熱電廠8#、9#鍋爐滿足該溫度的窗口區域布置了高溫段省煤器，且高溫段省煤器之前的溫度高達450℃，之后的溫度則低于300℃，因此只有減少省煤器占用空間，才能滿足SCR反應器的布置和溫度要求。

3.6 回轉式空氣預熱器

由于鍋爐煙氣中存在SO2等氣體，因此催化劑中的活性成分（釩）在催化降解NOx的同時，也會對SO2氧化起到一定的催化作用，將SO2氧化為三氧化硫（SO3），SO3則會與逃逸的氨生成硫酸氫銨。硫酸氫銨是一種黏性很強的物質，易沉淀在管式預熱器內壁，促使煙氣中大量飛灰黏附在預熱器上，影響預熱器換熱效果，并增加阻力，影響鍋爐正常運行。管式空氣預熱器很難通過有效的工藝手段來改善低溫腐蝕，而且現有的管式空氣預熱器不能滿足與SCR反應器出口煙道對接的空間要求。為了設置SCR反應器，必須將管式空氣預熱器改為回轉式空氣預熱器，煙氣出口溫度控制在135～140℃。改造后既可滿足SCR運行要求，又可降低排煙溫度，減少熱損失，提高鍋爐熱效率。

4 改造效果分析

某熱電廠8#、9#鍋爐煙氣脫硫脫硝改造后一次點火成功，系統運行平穩，裝置用能安全。鍋爐排煙溫度比改造前降低了10～15℃，熱效率提高了0.2%。鍋爐煙氣主要污染物全部實現達標排放，NOx平均排放濃度（標準狀況）70mg/m3，SO2平均排放濃度（標準狀況）30mg/m3，煙塵平均排放濃度（標準狀況）18mg/m3。脫硝效率81%以上，脫硫效率97%以上，除塵效率99.95%以上。全年運行可減少NOx排放約3134t/a，減少SO2排放約10706t/a，減少粉塵排放約3742t/a。

結論

山西省某熱電廠對8#、9#鍋爐煙氣脫硫脫硝系統的改造，經過6個月實際運行檢驗，證明“脫硫裝置采用石灰石-石膏濕法煙氣脫硫系統、脫硝裝置采用低氮燃燒器+SCR脫硝工藝”路線正確，設備運行狀態良好，煙氣中的主要污染物全部實現達標排放，創造了極大的經濟效益和社會效益，為燃煤鍋爐的節能減排改造提供了有益借鑒。

參考文獻

[1]李健.某燃煤電廠煙氣超低排放改造工程案例[J].安徽化工，2023，49（03）：123-127.

[2]劉麗青，張俊，王靈，等.燃煤電廠超低排放實證研究分析[J].資源節約與環保，2021（03）：1-2.

[3]吳劍恒.“雙碳”目標下燃煤背壓機組鍋爐煙氣余熱深度利用研究[J].電力學報，2022，37（05）：384-421.

[4]彭建喜，李大力，盛鵬飛，等.高效除塵脫硫脫硝一體機處理工藝在環保領域的研究和應用[J].煤炭加工與綜合利用，2022（08）：77-80.

作者簡介

任志宏（1971—），男，漢族，山西孝義人，工程師，大學本科，主要從事環境工程與污染防治技術研究工作。