基于多工藝聯(lián)合的燃煤鍋爐污染排放控制

摘 要：煤炭通過燃燒的方式釋放大量的熱能，為重工業(yè)提供充足的能源，但會(huì)產(chǎn)生較多污染物質(zhì)，危害人類的健康和環(huán)境。針對(duì)該問題，本文首先分析了燃煤鍋爐的主要污染物為氮氧化物、硫氧化物、粉塵和一氧化碳，并研究了它們的形成機(jī)理，其次，詳細(xì)介紹了降低污染物濃度的工藝和原理。采用SNCR+SCR聯(lián)合脫硝工藝和OCT脫硫工藝，對(duì)較難除去的氮氧化物和硫氧化物的排放濃度進(jìn)行控制。最后，利用本文的多工藝聯(lián)合技術(shù)，使燃煤鍋爐污染物的排放遠(yuǎn)低于國(guó)家規(guī)定的排放濃度標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)而保護(hù)人們的健康和賴以生存的環(huán)境。

關(guān)鍵詞：燃煤鍋爐；SNCR+SCR聯(lián)合脫硝；脫硫；除塵

中圖分類號(hào)：X 51" " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

我國(guó)是煤炭資源大國(guó)，煤多油少的能源結(jié)構(gòu)決定了煤炭是火力發(fā)電的主要能量來源，每年燃燒幾十億t的煤炭會(huì)產(chǎn)生大量的有害物質(zhì)，必須有效控制污染物的排放量。煤炭中有氮、硫等物質(zhì)，因此燃煤鍋爐產(chǎn)生的主要有害物質(zhì)為氮氧化物、硫氧化物、一氧化碳和粉塵[1]，它們是主要的大氣污染源，大量排放將危及人類的生活環(huán)境。為降低污染物的排放量，須根據(jù)污染物的物理或者化學(xué)性質(zhì)，針對(duì)性地處理燃煤鍋爐的煙氣。通常根據(jù)物理除塵原理來降低粉塵的排放量，利用化學(xué)反應(yīng)的脫硝脫硫方法消除氮氧化物和硫氧化物[2]。對(duì)燃煤鍋爐的污染物來說，粉塵的消除難度和成本較低，可以利用改進(jìn)燃燒方式的方法來消除一氧化碳，而氮氧化物、硫氧化物的消除難度較高，須采用多工藝聯(lián)合技術(shù)進(jìn)行脫硫脫硝。

1 燃煤鍋爐的主要污染物及形成機(jī)理

1.1 氮氧化物及其形成機(jī)理

煤燃燒主要產(chǎn)生NO、NO2，少量的N2O3、N2O4和N2O5，這幾種氮氧化物統(tǒng)稱為NOx。通常，在煤燃燒產(chǎn)生的NOx中，NO的含量最高，占90％以上，NO2占5％～10％，其形成方式主要有燃料型、熱力型和快速型3種：1）燃料型成因。在高溫下，燃料中的含氮有機(jī)化合物快速分解形成NHi和HCN等中間物質(zhì)，中間物質(zhì)發(fā)生氧化反應(yīng)最終形成NOx，該成因占總量的75％～90％。2）熱力型成因。在燃煤鍋爐的高溫條件下，氧（O2）和氮（N2）進(jìn)行如下化學(xué)反應(yīng)：N2+O2→2NO以及2NO+O2→2NO2。在形成NOx的過程中，溫度起決定性作用，鍋爐的溫度越高，形成速率越快。3）快速型成因。這種成因的NOx占比較少，在燃料濃度較高的區(qū)域中，有機(jī)物與N2發(fā)生反應(yīng)形成CN、HCN和CH2等中間產(chǎn)物，其反應(yīng)式為CH+N2→HCN+N以及CH2+N2→HCN+NH，這些中間產(chǎn)物繼續(xù)氧化形成NOx。

1.2 硫氧化物及其形成機(jī)理

在煤炭中通常存在有機(jī)硫和無機(jī)硫2種形式[3]，有機(jī)硫先形成H2S，然后通過氧化作用形成SO2。無機(jī)硫通常以FeS2為主，在400℃以上會(huì)進(jìn)行熱分解產(chǎn)生S，然后與氧氣發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生SO2，在富氧條件下也可以直接形成SO2，硫氧化物以SO2為主，也有少量的SO3。

1.3 一氧化碳及其形成機(jī)理

一氧化碳是含碳燃料在鍋爐中形成的一種中間產(chǎn)物，是在氧氣含量不足的情況下發(fā)生不完全燃燒形成的，其反應(yīng)式為2C+O2→2CO。它也可以和NO發(fā)生反應(yīng)，反應(yīng)式為2CO+2NO→2CO2+N2。因此，一氧化碳和鍋爐煙氣中的氮氧化物具有一定的關(guān)聯(lián)性。

1.4 粉塵及其形成機(jī)理

粉塵主要分為氣相析出型和剩余型，氣相析出型是碳?xì)浠衔镌谌紵^程中進(jìn)行脫氫反應(yīng)，不斷生成聚合性物質(zhì)并持續(xù)增加，隨著聚合性物質(zhì)中的碳不斷增加，逐漸形成了炭黑等高分子物質(zhì)。剩余型粉塵是高分子物質(zhì)在鍋爐內(nèi)的高溫環(huán)境下，進(jìn)行熱分解形成固態(tài)的粉塵。

2 控制污染排放的多工藝聯(lián)合技術(shù)

針對(duì)燃煤鍋爐主要污染物形成的機(jī)理，依次采用燃燒控制工藝、選擇性非催化還原法（SNCR）與選擇性催化還原（SCR）聯(lián)合脫硝工藝、電袋復(fù)合除塵工藝、除塵工藝和有機(jī)催化技術(shù)（OCT）脫硫工藝等技術(shù)，要從源頭控制污染物生成，逐級(jí)對(duì)已經(jīng)產(chǎn)生的污染物進(jìn)行消除。

2.1 鍋爐燃燒控制工藝

氮氧化物的產(chǎn)生與燃燒溫度具有一定的關(guān)聯(lián)性，通過優(yōu)化燃燒工藝也可以有效控制一氧化碳的排放量[4]。鍋爐燃燒控制工藝如下：1）采用空氣分級(jí)燃燒。2）提高下層煤粉的濃度，形成局部低氧燃燒。3）控制鍋爐的升溫速度，避免快速升溫。4）在控制鍋爐飛灰和含氧量不增加的情況下，減少送風(fēng)量。5）控制氣溫并降低焰中心。6）采用倒梯形二次配風(fēng)，將上部輔助風(fēng)門開大，通過增加二次風(fēng)量的方式燃燒一氧化碳。當(dāng)鍋爐燃燒時(shí)采用低過量空氣燃燒的方式有效降低NOx的生成量，通過加大上部輔助風(fēng)門，能減少一氧化碳等含量，上述燃燒控制工藝兼顧了降低燃煤鍋爐的污染物生成量和提高經(jīng)濟(jì)性。

2.2 SNCR+SCR聯(lián)合脫硝工藝

2.2.1 SNCR脫硝工藝

該工藝最早來源于日本，在煤爐、水泥和固體廢物燃燒等情形中得到廣泛應(yīng)用。SNCR工藝的基本原理是配置合適濃度的能將尿素、氨水等還原性液體物質(zhì)，并將其噴到鍋爐的爐膛內(nèi)，還原性溶液迅速分解，釋放氨氣或者NH2并與鍋爐內(nèi)產(chǎn)生的NOx發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生產(chǎn)水和氮?dú)狻睔庾鳛檫€原物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)，如公式（1）～公式（3）所示。

4NH3+4NO+O2→4N2+6H2O" " " " " " " " " " （1）

4NH3+2NO+2O2→3N2+6H2O" " " " " " " " " （2）

8NH3+6NO2→7N2+12H2O" " " " " " " " " " （3）

將尿素作為還原物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)，如公式（4）～公式（6）所示。

（NH2）2CO→2NH2+CO" " " " " " " " " " "（4）

NH2+NO→N2+H2O" " " " " " " " " " " " " （5）

2CO+2NO→N2+2CO2" " " " " " " " " " " " （6）

尿素還原劑SNCR脫硝工藝流程如圖1所示。還原劑在鍋爐內(nèi)的停留時(shí)間、與煙氣的混合程度以及鍋爐溫度均能影響氮氧化物的還原效果，因此需要著重考慮噴槍的位置、霧化效果和還原劑的濃度等因素。工藝的主要特點(diǎn)如下：1）工藝系統(tǒng)簡(jiǎn)單，運(yùn)行時(shí)故障率較低，具有占地面積較小、成本低等優(yōu)點(diǎn)。2）在脫硝的過程中無須使用催化劑，不產(chǎn)生硫酸氫銨等容易堵塞鍋爐尾部的物質(zhì)。3）須注意爐型和調(diào)控操作條件，脫硝率通常在25％～40％。

2.2.2 SCR脫硝工藝

選擇性催化還原（SCR）脫硝工藝是在金屬催化劑和特定的溫度范圍內(nèi)，“選擇性”地讓氮氧化物與還原劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，達(dá)到消除氮氧化物的目的。SCR工藝的催化劑通常包括沸石分子篩、貴金屬和金屬氧化物，最常見的是以二氧化鈦為催化劑，其中的V2O5、V2O5—WO3等成分是具備催化能力的主要物質(zhì)。如圖2所示，通常將催化劑制作成波紋式、板式和蜂窩式3種類型，并固定在催化劑層。根據(jù)催化劑在不同溫度條件下的活性情況，可以分為高溫、中溫和低溫3種類型，若溫度不適合，則催化劑的活性難以達(dá)到設(shè)計(jì)的脫硝效果。

SCR脫硝工藝的還原劑通常為氨氣或者尿素，因此也稱作氨法SCR。當(dāng)單獨(dú)使用SCR脫硝工藝時(shí)，尿素溶液或者氨水會(huì)通過熱解的方式產(chǎn)生氨氣，再與氮氧化物發(fā)生反應(yīng)。該工藝還原氮氧化物的主要化學(xué)反應(yīng)如公式（7）～公式（10）所示。

4NO+4NH3+O2→4N2+6H2O" " " " " " " " " " （7）

6NO+4NH3→5N2+6H2O" " " " " " " " " " " "（8）

6NO2+8NH3→7N2+12H2O" " " " " " " " " " （9）

NO+NO2+2NH3→2N2+3H2O" " " " " " " " " " （10）

在實(shí)際運(yùn)行中，為保持SCR工藝的高效運(yùn)轉(zhuǎn)，還需要考慮煙氣流速、溫度和氧氣濃度、硫氧化物濃度等因素。SCR脫硝工藝具有以下3個(gè)特點(diǎn)：1）具有較高的脫硝效率和二次污染小的優(yōu)點(diǎn)，單純的SCR技術(shù)受到高低溫省煤器的空間限制，因此只能布置2層～3層。2）配套的還原劑系統(tǒng)較為復(fù)雜，在設(shè)備運(yùn)行過程中容易出現(xiàn)故障，須設(shè)置噴射格柵和兩級(jí)混流器，運(yùn)行成本較高。3）容易對(duì)SO3進(jìn)行部分催化轉(zhuǎn)換，形成的硫酸氫銨可能導(dǎo)致鍋爐尾部堵塞。

2.2.3 SNCR+SCR聯(lián)合脫硝工藝

隨著我國(guó)環(huán)保要求的不斷提高，單一的SNCR或SCR脫硝工藝難以滿足要求，因此形成了SNCR+SCR聯(lián)合脫硝工藝。該工藝在前端完全采用圖1的SNCR工藝，在鍋爐尾部煙道嵌入SCR工藝，取消圖2的噴氨格柵和混流器，僅利用前端一級(jí)剩余的氨氣，對(duì)進(jìn)入的SCR裝置的氮氧化物進(jìn)行催化還原反應(yīng)[5]。通常將尿素作為還原劑，通過自動(dòng)化系統(tǒng)進(jìn)行分段溫度控制并減少催化劑的使用，抑制SO3的轉(zhuǎn)化，大幅減少鍋爐尾部堵塞的可能性。SNCR+SCR聯(lián)合脫硝工藝具有以下特點(diǎn)：1）無需單獨(dú)為SCR工藝配置還原劑、噴氨格柵和混流器，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度和運(yùn)營(yíng)成本。2）與單獨(dú)的SCR工藝相比，對(duì)鍋爐的結(jié)構(gòu)要求更低，需要預(yù)留的空間更少。3）通過自動(dòng)化系統(tǒng)可以控制氨的投入量，氨氣與煙氣在足夠長(zhǎng)的煙道中充分混合，在SCR裝置中充分反應(yīng)，提高脫硝效率的同時(shí)也能有效控制氨氣的逃逸。

2.3 OCT工藝原理

煙氣中的二氧化硫能與水形成不穩(wěn)定的亞硫酸，亞硫酸容易分解，有機(jī)催化煙氣綜合治理技術(shù)（OCT）利用有機(jī)催化劑分子結(jié)構(gòu)的特殊性，能減少亞硫酸的分解，使其進(jìn)一步氧化形成硫酸，與氨水反應(yīng)生產(chǎn)硫酸銨。脫硫的反應(yīng)方程如公式（11）～公式（14）所示。

SO2+H2O→H2SO3" " " " " " " " " " " " " " " " （11）

H2SO3+LPC→LPC·H2SO3" " " " "（12）

2LPC·H2SO3+O2→2LPC+2H2SO4 " "（13）

H2SO4+2NH3+H2O→（NH4）2SO4+H2O （14）

式中：LPC為有機(jī)催化劑，當(dāng)采用OCT工藝對(duì)其進(jìn)行脫硫處理時(shí)具有以下特點(diǎn)：1）利用催化劑的特殊結(jié)構(gòu)，將亞硫酸進(jìn)一步氧化，實(shí)現(xiàn)酸堿中和。2）催化劑的特殊分子結(jié)構(gòu)是保證脫硫效果的關(guān)鍵，催化劑在脫硫過程中能自動(dòng)再生和重復(fù)利用，有效降低了脫硫的成本。

2.4 電袋復(fù)合除塵工藝原理

煙氣進(jìn)入OCT脫硫裝置前須進(jìn)行除塵處理，為獲得較好的除塵效果，采用電袋復(fù)合除塵器消除粉塵。電袋復(fù)合除塵器前級(jí)為靜電除塵器，當(dāng)煙氣中的粉塵通過高壓電場(chǎng)區(qū)時(shí)，在電場(chǎng)的作用下帶電的粉塵顆粒向異性電極運(yùn)動(dòng)，不斷聚集到電極上，采用震動(dòng)和敲打的方式使電極的粉塵落到灰斗中，以此進(jìn)行除塵。后級(jí)為袋式除塵器，未被靜電吸附的粉塵與導(dǎo)流板發(fā)生碰撞，較粗的粉塵顆粒將在重力的作用下進(jìn)入灰斗中。較細(xì)的粉塵顆粒則在濾料纖維和擴(kuò)散等作用下，滯留在濾袋室中，用氣體逆洗法清除濾袋上的粉塵，統(tǒng)一收集到灰斗中，完成粉塵收集。電袋復(fù)合除塵器具有布袋除塵和靜電除塵的優(yōu)點(diǎn)，因此除塵效率較高，運(yùn)行成本較低，凈化后的煙氣中粉塵含量極低。

2.5 多工藝聯(lián)合技術(shù)

多工藝聯(lián)合流程如圖3所示，采用鍋爐燃燒控制工藝減少一氧化碳和氮氧化物的產(chǎn)生，采用SNCR和SCR聯(lián)合脫銷工藝消除煙氣中的氮氧化物，通過靜電和袋式除塵聯(lián)合的電袋復(fù)合除塵器消除煙氣中的粉塵，采用OCT工藝將煙氣中的二氧化硫凈化，將剩余的煙氣從煙囪排出，完成污染物控制的流程。通過多工藝聯(lián)合，使整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行效率提高，運(yùn)行成本降低。

3 燃煤鍋爐污染排放效果分析

為驗(yàn)證本文方法的污染物控制效果，在4個(gè)燃煤鍋爐的煙囪設(shè)置監(jiān)測(cè)裝置，連續(xù)監(jiān)測(cè)一個(gè)月并計(jì)算平均濃度。與國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)（GB 13271—2014）的特排限值對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，4個(gè)燃煤鍋爐的污染物排放的濃度均比國(guó)家排放標(biāo)準(zhǔn)低，其中氮氧化物和二氧化硫遠(yuǎn)低于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。見表1。說明本文設(shè)計(jì)的多工藝聯(lián)合技術(shù)不僅能滿足當(dāng)前的排放標(biāo)準(zhǔn)，也能滿足后期日益嚴(yán)格的脫硫和脫硝要求。

4 結(jié)論

燃煤鍋爐產(chǎn)生的二氧化硫、氮氧化物和粉塵是主要的大氣污染物，本文根據(jù)燃煤鍋爐污染物的物理和化學(xué)性質(zhì)，基于粉塵的物理性質(zhì)，采用電袋復(fù)合除塵器吸收粉塵；根據(jù)氮氧化物和二氧化硫遇水能形成酸性物質(zhì)的性質(zhì)，分別采用SNCR+SCR聯(lián)合工藝、OCT工藝進(jìn)行酸堿中和，大幅降低煙氣中的污染物濃度。本文采用多工藝聯(lián)合技術(shù)，通過燃燒控制工藝減少氮氧化物的產(chǎn)生，節(jié)省了SNCR+SCR聯(lián)合工藝中催化劑的使用量，OCT工藝催化劑在脫硫過程中能自動(dòng)再生和重復(fù)利用，脫硝和脫硫的產(chǎn)物可以制成化肥出售，因此整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行成本相對(duì)較低。

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