燃煤煙氣污染物干式高效脫除技術

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(1.山東大學 化學與化工學院，山東 濟南 250100;2.國家膠體材料工程技術研究中心，山東 濟南 250100)

0 引 言

我國火電行業耗煤量巨大[1]，燃煤煙氣中SO2、NOx、細顆粒物等污染物對空氣質量造成了嚴重危害。新的超低排放標準[2]要求SO2、NOx、煙塵的排放濃度分別<35、<50和<5 mg/m3(其中低熱值煤發電機組煙塵排放濃度<10 mg/m3)。自2014年實施以來，各地進行了SCR/SNCR脫硝、除塵技術、濕法脫硫與高效除霧為主要手段的超低排放技術改造。但近年來的霧霾程度并沒有因此得到有效緩解，其成因仍需進一步分析。

為了更經濟有效地控制燃煤煙氣污染物的排放，干式脫硫脫硝技術逐漸成為研究熱點[6]。脫硫脫硝技術主要有溶液吸收法[7-8]、固相吸附法[9-11]、氧化物氧化法[12-13]、等離子體法[14-15]等。固態吸附劑或液態吸收劑與煙氣發生氣-固/液相反應，速率較慢，可能導致水汽排放;氧化物氧化法和等離子體法的成本較高。目前干式脫硫脫硝技術因為技術問題和高成本，仍不能取代傳統的脫硫脫硝技術[16]。因此，開發干式高效脫硫脫硝技術對燃煤電廠污染物控制具有重要意義。

本文分析了濕法脫硫造成的可溶性鹽排放，并提出了無水耗且為氣相反應的干式高效脫硫脫硝，并耦合干式分級除塵，是新型的燃煤煙氣污染物干式高效脫除方法。

1 濕法脫硫煙氣中可溶性鹽的分析

在煙氣以3 m/s左右速度流動的情況下，脫硫液中可溶性鹽和水分子被夾帶到煙氣中，因此脫硫液變成水氣的過程中不是一個純粹的蒸發過程，而是平衡過程，即煙氣中的水氣和水溶性鹽與脫硫漿液中的水溶液組成相近，不能被濕法脫硫后加裝的高效除霧器有效去除，導致可溶性鹽隨煙氣被排放到大氣中。

選取某燃煤電廠石灰石/石膏濕法脫硫的脫硫循環液，過濾不溶性顆粒后分析其可溶性鹽的質量分數約為1.4%[22]，可推算出煙氣攜帶到大氣中的可溶性鹽可達2 100 mg/m3。全國濕法脫硫水氣排放量約40億t，由此估算出我國每年排放到大氣中的可溶性鹽總量可達5 600萬t。這些水溶性無機鹽在一定的氣象條件下會形成霧霾。

濕法脫硫作為世界燃煤發電煙氣處理的主流技術，經過了40多年的研究、開發及應用。全世界范圍內濕法脫硫所占比例約85%，其中日本98%、美國92%、德國90%，但這些國家的霧霾天氣情況遠沒有中國嚴重，可以認為其主要原因在于中國燃煤量大，濕法脫硫工程量遠超其他國家。以中國東部為例，單位國土面積煤炭消耗是世界平均值的12倍[23]，京津冀地區煤炭消耗空間密度是全球平均值的30倍。濕法脫硫對霧霾天氣的影響發生了從量變到質變。與汽車尾氣、民用散煤等其他大氣污染源相比，工業燃煤量巨大，排放的可溶性鹽是導致霧霾天氣的主要因素。

2 干式高效脫除技術

2.1 技術原理

采用固體粉末狀的脫硫劑與脫硝劑，在氣力作用下噴射到高溫煙道中，脫硫劑、脫硝劑迅速氣化并在煙氣的湍流作用下快速擴散，分別與煙氣中的SO2、NOx發生氣相反應。反應后的煙氣經干法分級除塵去除大部分細顆粒物，實現超低排放。

2.2 工藝流程

燃煤煙氣污染物干式高效脫除技術的工藝流程如圖1所示，主要分為控制模塊、輸送模塊和反應模塊。在線監測系統根據鍋爐煙氣排放量與SO2、NOx濃度計算出排放量，自動控制模塊按照一定反應比例將一定質量的脫硫脫硝劑在氣力作用下持續輸送到噴入點，脫硫劑和脫硝劑在高溫煙氣中迅速氣化，生成的活性單體分別與SO2、NOx反應，之后根據排放煙氣中的SO2、NOx濃度動態反饋至控制模塊對所需劑量進行控制。脫硫脫硝后的煙氣經干法分級除塵(靜電除塵、袋式除塵或配套使用)排放到大氣中，產生的脫硫產物混雜在粉煤灰中在除塵設備收集。

圖1 干式高效脫除技術工藝流程Fig.1 Processes of dry high-efficiency technology

2.3 試驗結果與分析

2.3.1 脫硫試驗結果

在170 t/h煤粉爐上進行脫硫中試試驗，鍋爐參數見表1。

表1170t/h煤粉爐基本參數
Table1Basicparametersof170t/hpulverizedcoalfiredboiler

額定蒸發量/(t·h-1)額定蒸氣壓力(表壓)/MPa排煙溫度/℃煙氣溫度/℃煙氣量/(Nm3·h-1)1709.8130～135980～985206 504

從脫除劑噴射開始計時，通過煙道出口的SO2濃度測試儀檢測排放濃度，其脫硫效果如圖2所示。

圖2 170 t/h煤粉爐脫硫結果Fig.2 Results of 170 t/h pulverized coal fired boiler desulfurization

從圖2可知，鍋爐煙氣SO2原始質量濃度約為4 200 mg/m3。加入脫硫劑后，SO2濃度持續下降，穩定在20 mg/m3左右，脫硫效率為99.5%，煙氣SO2排放濃度滿足超低排放的標準。

2.3.2 脫硝試驗結果

在75 t/h和220 t/h循環流化床鍋爐上進行脫硝試驗，該脫硝技術無需進行鍋爐改造，按氨氮比1∶1加入脫硝劑，結果如圖3所示。

圖3 循環流化床鍋爐脫硝效果Fig.3 Results of CFB boiler denitrification

由圖3可知，鍋爐煙氣NOx原始質量濃度均在200 mg/m3以上，加入脫硝劑后,NOx濃度在2 min內迅速下降，最終NOx質量濃度穩定在15 mg/m3左右，符合超低排放中低于50 mg/m3的標準。

2.4 產物品質分析

脫硝產物呈無毒無害的氣態，隨煙氣排放到大氣中，不會對大氣環境產生危害。經過電除塵系統，脫硫產物大部分會在二、三級電除塵器中收集。對收集后脫硫產物的含硫量進行分析，結果見表2。

表2脫硫前、后粉煤灰的含硫量分析
Table2Analysisofsulfurcontentofflyashbeforeandafterdesulfurization

取樣時間取樣點顏色含硫量/%脫硫前電除塵器前灰色0.12電除塵器后灰色0.51脫硫后電除塵器前灰色0電除塵器后灰色0.73

粉煤灰做摻合料的品質要求是其Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ級中SO3含量均≤3.0%，折合硫含量為1.2%，由表2可知，含硫粉煤灰滿足做摻合料對硫含量的要求。

2.5 工藝經濟性分析

以170 t/h煤粉爐(25 MW機組)為例，假設每年運行7 200 h，煙氣中原始SO2質量濃度為4 200 mg/m3，脫硫后為20 mg/m3，NOx原始質量濃度為275 mg/m3，脫硝后為15 mg/m3。

1)脫硫脫硝成本

主要包含投資成本和運行成本[21]。干式高效脫除技術的投資成本主要是工藝和裝置設計費，氣力輸送裝置(圖4)及相關控制裝置的購買、安裝費和煙道開孔費用，由圖4可看出，整個設備的配套較為簡易，投資成本僅為100萬元左右。

圖4 氣力輸送裝置Fig.4 Image of pneumatic conveying device

運行成本主要有設備折舊成本、脫硫脫硝劑原料費用、人工費、動力費等。該技術脫硫脫硝為同一套設備，在計算運行成本時，原料費用加和，其他費用均合為一項。SO2和NOx濃度不同，因此將總運行成本用千瓦時成本表示，即每發電單位度電所需的脫硫脫硝成本(表3)。

表3單位減排量運行成本
Table3Unitemissionreductionoperationcost

項目脫除每噸SO2成本/元脫除每噸NOx成本/元設備初裝均攤20～3020～30原料費用2 0003 300折舊費2～32～3動力費95～10595～105人力成本15～3015～30維護費5～105～10其他費用10～2010～20運行成本2 117～2 1683 417～3 468運行總成本/(元·kWh-1)0.019 9

每噸SO2脫除成本約2 150元，每噸NOx脫除成本約3 150元，運行總成本0.019 9元/kWh，得出170 t/h煤粉爐的脫硫脫硝年運行成本為358.2萬元。某電廠超低排放改造的濕法脫硫和SCR脫硝的投資成本分別為2.2億元和1.3億元，合355元/kWh和224元/kWh，運行成本分別為6 401元/t和4 581元/t(0.024 3元/kWh時和0.009 1元/kWh)，2套裝置串聯，投資成本和運行成本中不含合并項，運行總成本為0.033 4元/kWh，可見，燃煤煙氣干式高效脫硫脫硝方法的固定投資成本遠低于傳統方式，其運行成本也較低。

2) 經濟效益。

經濟效益主要包含少繳納的排污費和電價補貼。該機組年減排7 200 t SO2和450 t NOx。按照補償治理成本原則，目前廢氣排污費為1.2元/污染當量，SO2和NOx的污染當量為0.95，則減排每噸SO2、NOx可以少繳納排污費1 260元，該機組年少繳納排污費963.9萬元?！度济喊l電機組脫硫電價及脫硫設施運行管理辦法(試行)》中規定，目前安裝脫硫脫硝設施后的燃煤發電機組，其上網電量執行在現行上網電價基礎上脫硫和脫硝加價分別為0.015元/kWh和0.01元/kWh，年獲取電價加價450萬元。在考慮以上2種政策的情況下，相比實施前，其年收益為1 313.9萬元。

可見，170 t/h煤粉爐實施干式高效脫除技術后，少繳納的排污費和獲得的電價加價為1 313.9萬元，因此該技術在超低排放的經濟性上優勢明顯。

2.6 技術特點

燃煤煙氣污染物干式高效脫除技術具有以下優點:① 環保裝置固定投資和操作運行費用低。不需要脫硫漿液噴霧及循環，不會發生結垢、堵塞等問題，煙氣沿程阻力與系統能耗大為降低。② SO2、NOx與脫硫劑、脫硝劑均發生氣相反應，反應速率快，脫除效率高。③ 脫硫產物易于處理，不會造成二次污染。脫硝產物為無毒無害氣體，脫硫產物無毒無害混雜在粉煤灰中，無需進行復雜的處理。④ 無水耗，降低了煙氣水汽所含水溶性鹽的排放，是一種降低霧霾的煙氣處理技術。⑤ 設備改造簡易、占地面積小，安全性高，施工周期短，適合于新舊電廠的改造。

3 結 論

1)濕法脫硫煙氣水汽成分與脫硫循環液的水溶液組分相似，其可溶性鹽含量可達2 100 g/m3，全國濕法脫硫的可溶性鹽排放量可達5 600萬t，是霧霾的一個主要成因。

2)170 t/h煤粉爐及75 t/h和220 t/h循環流化床鍋爐中試試驗表明，燃煤煙氣污染物干式高效脫除技術可使SO2排放濃度達20 mg/m3，NOx排放濃度達15 mg/m3，符合超低排放標準。

3)脫硫產物混雜在粉煤灰中，粉煤灰含硫量0.73%，滿足做摻合料的國家標準。

4)脫硫脫硝設備投資成本約100萬元，170 t/h煤粉爐運行成本為358.2萬元/a，經濟效益為1 313.9萬元/a。

5)燃煤污染物干式高效脫除技術無可溶性鹽排放，運行成本低,操作方便，穩定可靠，適合于現有電廠或老電廠改造。