摻燒污泥循環(huán)流化床鍋爐大氣污染物綜合治理研究*

張祥志，舒銀銀，黃加昀，黃永炳，徐志超

(1. 武漢龍凈環(huán)保科技有限公司，湖北武漢 430205；2. 武漢理工大學，湖北武漢 430205)

在當前的國民經濟活動中，大氣污染物主要來源于電力行業(yè)，其二氧化硫、氮氧化物、煙塵、重金屬等污染物的排放量均位于所有行業(yè)的前列。多年來，我國燃煤電站大氣污染物的治理重點是煙塵、SO2、氮氧化物等的控制，但隨著近年來環(huán)保理念的深入，重金屬、二噁英、濕煙羽等其他污染物的排放也逐漸引起了重視。GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》首次明確燃煤發(fā)電廠煙氣中重金屬汞的排放限值不高于0.03 mg/m3。在我國部分重點區(qū)域，特別是政治經濟文化中心地區(qū)，為打造更好的生態(tài)環(huán)境，將二噁英、濕煙羽等項目也納入治理范圍，這就意味著今后煙氣治理在達到超低排放的基礎上，必須同時進行硫、硝、塵、二噁英、重金屬及濕煙羽等全污染物的脫除，因此需要尋求一種能夠進行這種全污染物協(xié)同處理的煙氣治理技術[1]。以浙江省義烏市某火電廠3×130 t/h 循環(huán)流化床鍋爐(CFB)煙氣治理工程為對象，對該煙氣綜合治理技術進行了分析和探討。

1 工程概況

1.1 鍋爐煙氣參數(shù)

該鍋爐所用燃料為原煤和造紙污泥(造紙廢水處理產生的污泥)，單臺爐摻燒污泥量不大于140 t/h，設計污泥質量占比低于30%。目前，投運后實際摻燒污泥為60 t/h左右。該工程鍋爐煙氣參數(shù)如表1所示。

表1 鍋爐煙氣基本參數(shù)

由表1可見：該項目鍋爐出口煙氣量為205 000 m3/h，煙氣溫度為145 ℃，煙氣中的SO2、H2O含量較高。由于燃料中摻燒有機物污泥，導致煙氣中存在一定量的重金屬和二噁英，煙氣中的污染物種類較多、成分較復雜，因此給煙氣治理技術的選擇帶來一定困難。需要保證在經濟成本可控的情況下，考慮SO2、NOx、煙塵、重金屬、二噁英、濕煙羽等絕大多數(shù)污染物的綜合治理，使出口煙氣排放達到設定的排放標準，是該項目的重點和難點。

1.2 排放指標

該項目在目前《煤電節(jié)能減排升級與改造行動計劃(2014—2020年)》的基礎上，進一步提高了NOx、SO2和煙塵的排放標準，并新增了濕煙羽、重金屬和二噁英的排放要求，對比見表2。

由表2可見：各污染物排放標準嚴格，在“超凈排放50355”即氮氧化物質量濃度不超過50 mg/m3、二氧化硫質量濃度不超過35 mg/m3、煙塵質量濃度不超過5 mg/m3的基礎上，提高到“超超凈排放30103”即氮氧化物質量濃度不超過30 mg/m3、二氧化硫質量濃度不超過10 mg/m3、煙塵質量濃度不超過3 mg/m3，并增加了重金屬、二噁英、濕煙羽等排放物的控制指標。

表2 項目排放要求與行動計劃排放標準對比

2 全污染物治理技術的工藝路線

2.1 總工藝路線簡述

針對該項目煙氣成分復雜、污染物種類多、排放要求高等特點，結合實際工程經驗，采用的總工藝路線為“SNCR-SCR脫硝系統(tǒng)+活性炭系統(tǒng)+布袋除塵系統(tǒng)+石灰石/石膏濕法脫硫系統(tǒng)+濕式電除塵系統(tǒng)+濕煙羽脫除系統(tǒng)”的煙氣處理工藝，該工藝全面覆蓋了從鍋爐尾部煙道到煙囪入口的煙氣治理的全流程，綜合治理了NOx、重金屬、二噁英、煙塵、SO2、濕煙羽等絕大多數(shù)污染物組分[2]。

目前，相比國內其他發(fā)電、供熱機組或摻燒造紙污泥的鍋爐機組，該工藝路線和治理鏈條較長、較全面，并且能達到“超超凈排放30103”的排放要求。全污染物治理技術工藝流程見圖1所示。

圖1 全污染物治理技術工藝流程示意

2.2 工藝路線的協(xié)同作用

該工藝路線核心主要基于脫硝系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)、除塵系統(tǒng)、活性炭系統(tǒng)及消白系統(tǒng)，在各個系統(tǒng)去除污染物的同時發(fā)揮協(xié)同作用。

常規(guī)的脫硝系統(tǒng)會產生大量氨逃逸和SO3，對除塵器造成腐蝕和堵塞，采用SNCR-SCR耦合脫硝技術可有效抑制SO2轉化成SO3并減少氨逃逸，減少對除塵器的影響，減輕脫硫系統(tǒng)的負擔。

活性炭系統(tǒng)設置在SCR脫硝反應器后，可避免活性炭粉末進入SCR脫硝反應器后堵塞反應器，活性炭粉末在脫除煙氣中重金屬及二噁英后可被布袋除塵器吸收，粉末粘附在除塵器濾袋上可進一步對污染物進行吸附。

除塵系統(tǒng)采用袋式除塵器，對煙氣中的煙塵進行脫除，降低脫硫系統(tǒng)的煙塵處理負荷，減小系統(tǒng)的磨損，提高石膏的品質。

脫硫系統(tǒng)采用單塔雙區(qū)高效塔技術，頂部增加式靜電除塵器，對SO2、煙塵和其他污染物進行綜合脫除，最終滿足超凈排放的要求[3-4]。

2.3 脫硝系統(tǒng)

該項目的脫硝工藝為SNCR+SCR耦合技術。SNCR+SCR耦合技術是將SNCR與煙道型SCR進行聯(lián)合，SNCR承擔脫除部分氮氧化物并提供氨氣的雙重功能，然后利用SCR將從SNCR過來的氨氣與剩余的氮氧化物進行反應，解決SNCR裝置脫硝效率有限的問題，進而提高綜合的氮氧化物脫除能力[5]。

具體工藝路線如下：采用SNCR技術將含氮還原劑噴入鍋爐爐膛適當?shù)奈恢茫瑢煔庵械腘Ox還原為N2和水，在SNCR脫硝的下游，設置SCR脫硝工藝，進一步提高和保證NOx排放指標能達到要求。SCR系統(tǒng)設置在上級空氣預熱器和下級省煤器之間，主要包含SCR反應器、SCR催化劑及相應的吹灰器系統(tǒng)等。脫硝系統(tǒng)主要參數(shù)見表3。

由表3可見：脫硝系統(tǒng)入口煙氣量為205 000 m3/h，氨氮摩爾比為1.5。該系統(tǒng)設置一層催化劑，體積為36 m2，氨水耗量為0.15 t/h。通過SNCR+SCR耦合技術，脫硝系統(tǒng)出口NOx的質量濃度可達到30 mg/m3，NH3的質量濃度可達到3 mg/m3。

表3 脫硝系統(tǒng)主要參數(shù)

2.4 活性炭系統(tǒng)

污泥焚燒后的尾氣中含有二噁英和重金屬，為使重金屬及二噁英的排放濃度達到要求，可采用活性炭粉末吸附以降低排放濃度[6]。為節(jié)省活性炭耗量，使活性炭與煙氣混合更均勻，采用活性炭前噴的方式，即在布袋除塵器入口煙道處噴入活性炭[7-8]。活性炭系統(tǒng)單臺爐活性炭的耗量為50 kg/h。

2.5 除塵系統(tǒng)

除塵工藝使用布袋除塵器，采用低壓長袋脈沖噴吹技術，清灰壓力穩(wěn)定，除塵器內部無運動部件，故障發(fā)生率低、設備運行可靠。除塵系統(tǒng)主要參數(shù)見表4。

表4 除塵系統(tǒng)主要參數(shù)

由表4可見：除塵系統(tǒng)入口含塵質量濃度達到了30 g/m3，因此設置了8個倉室，1 600只濾袋，布袋灰塵捕集總面積為6 193 m2，除塵后出口煙氣含塵質量濃度達到10 mg/m3，除塵效率達到了99.97%。

2.6 脫硫系統(tǒng)

該項目脫硫技術采用石灰石-石膏法脫硫工藝，按1臺爐對應1座吸收塔的配置進行設計。

系統(tǒng)運行時，煙氣進入吸收塔內部，在塔內從下到上逆流通過噴淋區(qū)。煙氣與噴淋下來的吸收劑漿液接觸并發(fā)生傳質傳熱過程。漿液吸收二氧化硫后，在吸收塔漿池內被強制氧化產生硫酸鈣晶體，煙氣中的液滴在噴淋層上部經除霧器進行脫除。脫硫系統(tǒng)主要參數(shù)見表5。

表5 脫硫系統(tǒng)主要參數(shù)

由表5可見：脫硫系統(tǒng)入口煙氣中SO2質量濃度為3 000 mg/m3，吸收塔氣液比采用31.56 L/m3，每臺爐石灰石耗量為0.96 t/h，工藝水耗量為11.52 m3/h，SO2脫除率可達到99.67 %。

2.7 濕式靜電除塵系統(tǒng)

該項目煙塵超凈脫除技術采用濕式靜電除塵器[9]，布置在脫硫塔之上，采用管式模塊化設計結構，煙氣從設備底部進入，煙氣與霧滴逆向運動結合，直流高壓靜電場使煙氣中的固體顆粒、塵霧混合物以及氣溶膠等物質荷電，并被電場捕捉，在極管上匯流進入脫硫塔內[10]。主要參數(shù)見表6。

表6 濕式電除塵器系統(tǒng)主要參數(shù)

由表6可見：濕式電除塵系統(tǒng)入口煙塵質量濃度達到了10 mg/m3，霧滴質量濃度為50 mg/m3，煙氣在濕式電除塵系統(tǒng)中停留1.73 s后，出口煙氣總塵質量濃度可達到3 mg/m3，霧滴質量濃度可達到25 mg/m3,煙塵去除率可達到75%，PM2.5去除率可達到75%。

2.8 濕煙羽脫除系統(tǒng)

煙囪濕煙羽治理采用煙氣冷凝再熱技術，由煙氣冷卻器、冷凝器、再熱器和蒸汽加熱器組成。

原理是熱媒水吸收高溫煙氣的熱量并加熱凈煙氣，凈煙氣被加熱到合適的溫度范圍，在一定條件下實現(xiàn)消除濕煙羽的目的[11-13]。

具體工藝路線為在吸收塔出口水平煙道設置一套氣-液冷凝換熱器，冷凝器位于再熱器的上游，對吸收塔出口煙氣進行冷凝。冷凝器的冷源取自電廠循環(huán)水，循環(huán)水在冷凝器中通過換熱降低吸收塔出口煙氣溫度，并降低煙氣含濕量。煙氣冷凝析出的水通過冷凝器底部的收集槽排放至冷凝液收集水箱中。另外，水蒸氣在凝結過程中會夾帶著煙氣中殘余的煙塵進入凝結水中，可進一步促進系統(tǒng)的煙塵的脫除。

為避免鍋爐出口煙氣溫度過低等特殊工況導致白色煙羽，在煙氣再熱器下游增設蒸汽加熱器，引入蒸汽對煙氣進行加熱，確保煙氣溫度能升至消白所需的溫度點。

3 項目運行情況

目前，該項目已成功投入運行并取得了良好的運行效果，出口煙氣污染物情況如表7所示。

表7 出口煙氣污染物情況

由表7可見：出口煙氣中NOx質量濃度為13.8 mg/m3，低于排放要求30 mg/m3；SO2質量濃度為4.9 mg/m3，低于排放要求10 mg/m3；煙塵質量濃度為3.0 mg/m3，達到排放要求3 mg/m3，重金屬和二噁英均未檢出，煙囪出口現(xiàn)場檢測未產生白煙現(xiàn)象，各項污染物濃度已達到“超超凈排放30103”指標要求。

4 經濟分析

該環(huán)保治理系統(tǒng)的工程投資約為9 500萬人民幣，全廠投資約為6億元人民幣，環(huán)保投資占全廠總投資的比例為15.8%。

該項目運行成本包含脫硝、布袋除塵、脫硫及消白、活性炭噴射、濕式電除塵等5個系統(tǒng)，其中氨水、工藝水、石灰石的單價均為假定的價格，實際價格應結合當?shù)氐奈飪r考慮，年運行時間按8 000 h計，每年工程運行成本如表8所示。

表8 工程運行成本

由表8可見：脫硝系統(tǒng)的年運行費用為236.16萬元，布袋除塵系統(tǒng)年運行費用為17.28萬元，脫硫和消白系統(tǒng)年運行費用為889.52萬元，活性炭系統(tǒng)的年運行費用為6.48萬元，濕式電除塵系統(tǒng)的年運行費用為109.44萬元，整套煙氣處理工藝系統(tǒng)年運行費用為1 258.88萬元。

5 結論

以浙江省義烏市某火電廠3×130 t/h 循環(huán)流化床鍋爐(CFB)煙氣治理工程為例，研究了全污染物治理技術工藝在該項目上的應用情況，得到了如下結論。

1)該項目采用SNCR-SCR脫硝、活性炭吸附、石灰石-石膏濕法脫硫、布袋除塵、濕式電除塵、煙氣冷凝再熱脫除濕煙羽的組合工藝，取得了良好的運行效果，出口污染物濃度達到“30103超超凈”排放要求。

2)與國內其他發(fā)電、供熱機組相比，該項目鍋爐燃料中摻燒了一定比例的造紙污泥，因此煙氣中除了硫、硝、塵污染物外，還包含重金屬和二噁英，該項目工藝路線和治理鏈條較長、較全面，為同類型硫、硝、塵、二噁英、重金屬及濕煙羽全污染物的綜合治理工程提供了參考和借鑒。

3)該環(huán)保治理工程投資約為9 500萬人民幣，占全廠總投資的比例為15.8%，環(huán)保治理工程年運行成本約為1 258.88萬元。