塵硝硫一體化技術在農林生物質水冷振動爐排爐的應用

王磊，鄧飛飛，王洪明

（中機第一設計研究院有限公司，合肥230601）

1 引言

全國農作物秸稈可收集量達4.4×107t，生物質能熱電項目不僅是環保工程，還是民生扶貧工程，生物質能在供熱和交通的占比和影響力遠大于其他可再生能源，到2023年，生物質能將成為可再生能源的主力。農林生物質經過十余年的發展，整體裝機規模翻了一番。生物質煙氣凈化實現超低排放的難點是脫硝，爐膛噴射氨水的SNCR工藝必要和基本的措施，在此基礎上再增加其他強化手段[1，2]。本文針對生物質電廠脫硫、脫硝各種技術方案目前的方案下，并結合工程實例探討生物質電廠脫硫、脫硝技術在工程中的應用情況，希望能對以后類似的工程項目建設起到參考或借鑒作用。

2 農林生物質煙氣特點

典型的生物質秸稈、玉米稈、樹枝經配比后，混合原料元素及工業分析如表1所示。

表1 生物質混合燃料元素及工業分析

農林生物質設計原料元素以碳元素為主，硫元素含量低于1‰，氯元素含量更低。灰分約為10%，低位發熱量約2 500 kJ/kg。

經生物爐排爐燃燒后，煙氣從鍋爐出口排出溫度約130℃，煙氣量約160 000 m3/h（標準狀態下）。

煙氣具體成分如表2所示。

表2 生物質爐排爐排煙成分

從表2可以看出，煙氣含水率約20%，含水率比較高，SO2體積分數約為0.01%，折算后濃度約為300 mg/m3（標準狀態下），初始濃度不高。NOx主要為熱力型NOx，經以往項目實測為300 mg/m3（標準狀態下）左右。

煙氣灰渣含量如表3所示，灰分初始濃度遠低于10 g/m3（標準狀態下），粉塵初始濃度低于燃煤電廠，粉塵初始濃度不高。

表3 生物質爐排爐灰渣含量

常見生物質燃料和煙煤的灰分組成如表4所示，從表4可知，生物質灰分中堿金屬含量較高，其中麥秸灰中K2O的含量可以達到1/4。生物質灰中Na2O、K2O等堿金屬的含量遠高于煤灰。堿金屬容易造成脫硝催化劑中毒，因此，應用于生物質鍋爐的脫硝催化劑要使用特別配方，以防止催化劑堿金屬中毒失效[3]。

表4 常見生物質燃料和煙煤的灰分組成

3 主要設計原則

1）本項目煙氣處理采用脫硫脫硝除塵一體化處理系統，使鍋爐煙氣污染物的排放量滿足環評要求。

2）脫硫脫硝裝置的壽命與對應主機壽命相適合，工藝無二次污染。

3）脫硫脫硝裝置所需工藝水、電、壓縮空氣等由電廠相應系統引出。

4）設備滿足的運行工況：40%～110%熱負荷各工況。

5）綜合考慮燃料波動及配比不均衡，脫硫脫硝除塵系統設計及設備選型要與實際處理能力相匹配。

6）電廠工藝設備的控制、調整、監視均納入DCS系統。

7）煙氣處理后排放標準滿足GB 13223—2011《火電廠大氣污染物排放標準》的超低排放要求[4]。

4 工藝路線

本項目脫硫除塵脫硝工藝路線采用：鍋爐省煤器出口→塵硝硫設備→鍋爐煙冷器（煙冷器外置于塵硝設備后，煙道不再返回鍋爐）→引風機→煙囪（見圖1）。

圖1 脫硫除塵脫硝工藝流程圖

工藝描述：

對該項目1×130 t/h高溫高壓生物質水冷振動爐排爐+1×30 MW凝汽式汽輪發電機組進行煙氣脫硫脫硝除塵設計。

鍋爐省煤器出口含塵硫硝煙氣排煙溫度為300℃，通過連續型研磨機、氣力輸送多點噴射系統將小蘇打倉中的脫硫劑定量研磨至600～800目，再均勻噴入煙道中，脫硫劑在煙道中均勻快速混合，提高脫硫率和脫硫劑的利用率。小蘇打堿性較強，還可以脫除生物質廢氣中除SO2以外的其他酸性氣體。

脫硫反應后的溫度為295℃，經噴氨系統，將20%濃度的氨水通過雙流體霧化噴槍噴入濾管反應器入口煙道，瞬間蒸發分離后通過導流板和氣流分布板分布均流后進入陶瓷濾管裝置。在濾管表面外，粒徑較大的粉塵在重力作用下沉降，粒徑小的粉塵沉積在濾料表面形成塵餅層，并在陶瓷濾管表面的塵餅層上進行二次輔助脫硫脫酸。

無塵無硫無酸氣體通過濾料表面再與濾管壁內的催化纖維層接觸發生反應，氮氧化物被高效脫除，此時清潔煙氣的溫度在280℃以上，高溫煙氣進入冷凝器換熱后，再通過引風機煙囪排出。

該塵硫硝多污染物協同脫除一體化技術，脫硫效率可以高達95%以上，脫硝效率高達94%以上（300℃），整個系統溫降可以控制在20℃以內。該技術還可以有效地去除NOx、SO2、HCl、HF等多種酸性氣體。

陶瓷過濾管堅硬性的結構，不會導致粉塵穿透，而且不具有撓性，使用壽命長，該技術脫硫工藝均為干法，避免了二次污染，工藝簡單易于運行和檢修，運行費用較低，且占地面積和空間小。整體投資方面，與傳統工藝相比具有很大的優勢。分獨立倉室設計，可以分倉室離線檢修，減少了不停爐環保設施需要檢修時不達標排放的問題。

整套煙氣治理工藝分為脫硫系統、氨區系統、脫硫除塵脫硝一體化系統、儀控系統和電氣系統等。

4.1 脫硫工藝原理

設置碳酸氫鈉噴射系統，直接噴入塵硝硫一體化設備入口煙道，保證脫硫效率，高溫煙氣達標排放。

本次脫硫除塵脫硝工藝采用中低溫陶瓷纖維催化濾管一體化技術，脫硫工藝采用SDS鈉基技術干法深度脫硫技術，脫硫劑為60～120目小蘇打粉。還原劑為20%氨水，可通過優化和復配催化劑，有效脫除氮氧化物，反應原理圖見圖2。

圖2 一體化陶瓷過濾器反應原理圖

4.2 脫硝工作原理

該工藝是一種處理高溫煙氣中顆粒物、氮氧化物、二氧化硫的煙氣協同治理技術。外形與布袋除塵器相似，可以近似看作是用高溫復合濾筒取代原來的濾袋。反應溫度約300℃，一般安裝在省煤器后。

除塵機理：利用陶瓷濾筒過濾粉塵。陶瓷纖維不易與化學物質起化學反應。

脫硝機理：在陶瓷濾管中，加入脫硝催化劑來加速催化去除氮氧化物反應。

脫硫機理：應用干法式，搭配不同堿劑改為通過脫硫劑以去除酸性氣體(SO2、HCl、HF)。利用較高溫度堿劑（如碳酸氫鈉）與二氧化硫有著較高的反應效率，從而實現二氧化硫的高效脫除。濾管除塵器可視為一座脫硫反應倉，在濾管外形成消石灰濾餅固定床，增加反應效果。

小蘇打倉容量不低于10 d滿負荷運行儲存量，且不小于80 m3，小蘇打倉頂部設計圍欄防護，上料口處采用活動門、電動葫蘆高度滿足碳酸氫鈉噸袋倒運，碳酸氫鈉加注口設計快捷翻蓋式，上設格柵濾網，倉體圓錐最上部設計人孔門1個。

脫硝還原劑采用氨水，直接噴入塵硝硫一體化設備入口前煙道。塵硝硫一體化設備各倉室進氣閥閥門設計可操作、檢修平臺。

4.3 塵硝硫一體化設備技術參數

技術性能

1）保證效率不低于99.9%。

在下列條件下能達到排放濃度≤10 mg/m3（標準狀態下）：

在需方提供的設計條件和氣象、地理條件下；

脫硫和不脫硫加10%煙氣量和煙氣溫度下加10℃；

使用壽命要達到5 a或42 000 h以上（以先到者為準）；

濾筒個數不小于4 752只，共設12個除塵單元；

可進行單元隔離，便于進行在線檢修、更換濾筒。

2）灰斗及排灰口的設計，保證灰能自由流動排出灰斗。灰斗的貯存量按最大含塵量滿足不少于8 h滿負荷運行。

3）清灰方式采用壓縮空氣低壓脈沖清灰。

4）殼體密封、防雨，設計盡量避免出現死角或灰塵積聚區。

5）每個倉室配備均流裝置，以便煙氣均勻地流過每個濾筒。

6）配置了包括煙氣在線檢測裝置，能夠進行在線檢修。

7）設置自動控制系統，采用在線、離線清灰，控制系統采用DCS可編程控制器進行自動控制，設置差壓及定時清灰控制方式。

5 結語

該項目采用脫硫脫硝除塵一體化處理系統，解決了生物質水冷振動爐排爐煙氣排放難的問題。該項目為安徽首座水冷振動生物質鍋爐的工程實例的系統設計及實施運行，驗證了工藝路線的有效性。項目運行以來，整體指標實現了超低排放要求，為國內同類型生物質發電機組超低排放提供了切實可行的技術路線和集成方案。