生物質電廠脫硝超低排放工藝研究

楊玖林，王思明，譚方良，王坤

（中機第一設計研究院有限公司，合肥 230601）

1 引言

生物質能作為分布廣、可存儲運輸、零碳排放的可再生能源，在世界能源格局中扮演著十分重要的角色，生物質電廠也是我國實現“碳達峰”“碳中和”的重要發力點。隨著環保要求的提高，選擇合適的煙氣凈化路線對于環境保護以及生物質電廠的經濟運行具有重要意義。本文針對國內多家生物質電廠的煙氣凈化工藝進行了對比研究，探討煙氣凈化工藝的最佳路線。

2 氨氧化物生成及排放標準

生物質鍋爐與常規燃煤鍋爐燃燒機理基本一致，但生物質鍋爐爐膛燃燒溫度在1 300℃以下，產生的氮氧化物（NOx）主要為燃料型NOx，約占總量的60%～90%[1]。

目前，大多地區要求生物質鍋爐煙氣排放標準按GB 13271—2014《鍋爐大氣污染物排放標準》或GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》 執行，即氮氧化物的排放標準200 mg/m3，部分重點地區按100 mg/m3[2]。隨著國家對環境治理力度的不斷加大，生物質鍋爐排放限值愈加嚴格，環保脫硝需求也愈加強烈，多個省市相繼出臺地方污染物排放標準，要求氮氧化物排放達到超低排放標準，即排放限值為50 mg/m3，甚者已要求按超超低標準排放，即排放限值為30 mg/m3。國內部分地區生物質鍋爐氮氧化物排放限值匯總見表1。

表1 國內部分地區生物質鍋爐氮氧化物排放限值匯總表

3 氮氧化物治理方案

生物質電廠鍋爐脫硝方式除燃燒控制外主要有：SNCR脫硝、SCR 脫硝、低溫脫硝和高溫復合濾筒工藝等[3]。

3.1 選擇性非催化還原技術（SNCR/PNCR）

SNCR 脫硝技術的特點是設備簡單、無須催化劑、運營投資成本比SCR 低。對于爐排爐，脫硝效率可以達到50%左右。對于流化床鍋爐，脫硝效率可以超過50%[4]。

高分子選擇性脫硝（PNCR）是近年來發展的一項新脫硝技術，采用高分子脫硝劑與煙氣NOx反應生成N2和H2O，其投資成本低，約占SNCR 脫硝的70%；脫硝效率比SNCR 高，正常情況下可達80%～90%[5]。

3.2 選擇性催化還原技術（SCR）

SCR 廣泛應用于燃煤、燃氣鍋爐項目，但生物質鍋爐煙氣的低溫、高濕，以及含有大量堿金屬和飛灰的特點，容易造成催化劑中毒、堵塞、磨損等問題，導致脫硝效率降低[6]。

3.3 高溫復合濾筒工藝

高溫復合濾筒工藝是一種煙氣協同處理技術，其原理與傳統SCR 相同，但與傳統SCR 的最大區別在于其催化劑分布在濾筒管壁中[7]。高溫復合濾筒工藝亦有助于粉塵和SO2的脫除，煙氣在濾筒外表面過濾掉粉塵和脫硫灰，在外表面形成濾餅層并進行二次脫硫，可提高煙氣凈化系統的整體脫硫效率[8]。

通過調研山東某生物質電廠，該廠最初采用“SNCR 爐內脫硝+爐后干法脫硫+布袋除塵”的煙氣處理方案，后因環保要求提高，原煙氣處理方案已經無法滿足當地超凈排放的要求，于2018 年11 月對煙氣處理方案進行了改造，采用了高溫復合濾筒技術，爐后煙氣從省煤器后引出，直接進入高溫復合濾筒煙氣處理裝置，處理后的煙氣回到原位置，經空預器、引風機、煙囪，后排入大氣，改造方案見圖1。

圖1 山東某生物質電廠高溫復合濾筒工藝系統圖

改造后整體系統運行穩定，污染物排放濃度（標準大氣壓下）可穩定在：SO2為34.2 mg/m3，NOx為16.8 mg/m3，顆粒物為2.8 mg/m3，滿足超凈排放標準。

3.4 常規煙氣凈化路線與硫塵硝一體化路線的比較

高溫復合濾筒脫硝在整個工藝中是先過濾后催化脫硝，附著在濾筒表面的過濾層餅可有效避免催化劑受砷（As）、硒（Se）等重金屬的毒化，催化劑活性可以達到與濾筒同壽命，甚至更長。常規煙氣凈化路線SCR 催化劑的壽命基本在1.5～2 年左右，而采用塵硝硫一體化脫硝，SCR 催化劑的壽命可達到5 年[9]。

高溫復合濾筒塵硝一體化采用模塊化分倉設計，每個倉室相互獨立且設置有隔熱層，其進出口管道由單獨的閥門控制，清灰系統和輸灰系統也相對獨立。當某個倉室出現故障時，可將煙氣隔開后單獨檢修，而不影響其他倉室正常工作。

高溫復合濾筒塵硝一體化工藝中粉塵和酸性氣體均已在高溫段脫除，尾部受熱面管子不受積灰、結垢、低溫腐蝕的影響，可改善換熱效果，提高全廠熱效率。

常規煙氣凈化路線與硫塵硝一體化路線運行成本對比見表2，干法脫硫+復合陶瓷濾筒塵硝一體化路線初始投資約3 000 萬元，常規煙氣凈化路線初始投資約1 800 萬元，塵硝一體化工藝較常規工藝年運行成本可節約295 萬元，在第一個5 年運行周期內可彌補初始投資的增加，5 年后理論上催化劑失去活性更換（再生），基建投資不發生變化，只有運行費用發生變化，所以運營周期越長，塵硝一體化路線運行費用較常規工藝路線越經濟。

表2 煙氣處理工藝方案主要運行成本差異

4 結論

1）生物質發電廠脫硝工藝的選擇應綜合考慮排放標準要求、生物質鍋爐類型、脫硝效率和脫硝技術的發展，在燃燒控制、SNCR、SCR、高溫復合濾筒等方案中進行單項或組合選擇。近年來，受環保壓力的影響，越來越多的生物質電廠在進行超低排放改造，已有較多生物質電廠采用干法脫硫+復合陶瓷濾筒塵硝一體化路線，實際運行效果顯著。

2）對于高溫復合濾筒技術，其原理屬于催化還原反應，運行溫度區間在300℃左右。催化劑以復合濾筒作為載體，安裝完成后，需要對濾筒表面作“預噴涂”處理，以保護濾筒內的催化劑，并提高粉塵的過濾效率，滿足超凈排放標準。該技術初投資較低溫SCR 技術偏高約20%，但其正常運行期維護成本可節省60%。