燃煤鍋爐煙氣工藝的設計與應用

唐志鵬

(中煤科工集團杭州研究院有限公司，浙江 杭州 311201)

0 引言

2020年，我國二氧化硫排放量為313.2萬噸，氮氧化物排放量為1019.7萬噸，顆粒物排放量為611.4萬噸。主要來源于燃煤鍋爐等煙氣排放，造成霧霾的頻發(fā)，對生態(tài)環(huán)境和人類健康造成一定影響。因此，采用有效的凈化煙氣處理工藝迫在眉睫。

常用脫硫工藝有干法脫硫、半干法脫硫、濕法脫硫等[1-2]。十三五規(guī)劃后，迫于超低排放標準的嚴格控制，干法脫硫及半干法脫硫受限于脫硫效率的局限性，逐漸運用較少。相比之下，濕法脫硫特別是石灰石石膏法得益于較高的脫硫效率及穩(wěn)定的運行案例，已更廣泛運用于新建燃煤電廠及改造工程中。燃煤鍋爐煙氣脫硝工藝主要有選擇性非催化還原脫硝(SNCR)和選擇性催化還原脫硝(SCR)[3-5]，SNCR原理主要是采用NH3、尿素等還原劑對NOx進行選擇性還原。其優(yōu)點無需添加催化劑，投資成本低及運行成本少。缺點為去處NOx效率較低、存在氨氣逃逸等問題。SCR是目前運用予燃煤電廠最多的一種脫硝工藝，主要工作原理在V2O5/WO3等催化劑的作用下，還原劑NH3將NOx還原為N2。SCR工藝脫硝效率高，但也存在一定的缺點，如NH3與NOx比例控制不精確，易造成氨逃逸等二次污染；反應溫度窗口為280～400 ℃，中小型鍋爐較難穩(wěn)定控制；并且SCR工藝投資成本高，運行較為復雜。臭氧法是一種新型脫硝工藝，反應溫度低于150 ℃，系統(tǒng)操作簡單，經(jīng)濟安全技術綜合優(yōu)勢較為明顯。布袋除塵器和靜電除塵器為燃煤鍋爐最為常用的兩種除塵器，與靜電除塵器對比，布袋除塵器對亞微米及微米煙塵粒徑的去除效率高達99.9%以上，在較較低的運行風速下，布袋除塵器甚至可以將粉塵控制在10 mg/Nm3以下。濕式電除塵器[6-7]，超低排放標準下的產(chǎn)物，能有效去處煙氣中殘留的細顆粒物及SO3氣溶膠，將粉塵濃度降低在5 mg/Nm3以下。

因此，本文采用布袋除塵器+臭氧脫硝+石灰石石膏法+濕式電除塵器處理工藝，對燃煤鍋爐煙氣進行設計及應用。

1 項目概況

某煤礦現(xiàn)有2×10 t/h的鏈條鍋爐，用于供熱及供暖系統(tǒng)。單臺鍋爐煙氣設計參數(shù)如表1所示，煙氣出口排放指標如表2所示。

表1 煙氣設計進口參數(shù)

表2 煙氣設計出口濃度

2 工藝總流程

燃煤鍋爐煙氣自省煤器及空預器出口后，進入布袋除塵器除塵單元，經(jīng)濾袋過濾后粉塵出口濃度小于等于20 mg/Nm3。通過增壓風機的作用，將煙氣送入臭氧脫硝反應器內(nèi)，臭氧脫硝反應器內(nèi)噴射的臭氧與低價態(tài)NO反應，生成溶解度更高的高價態(tài)NOx，高價態(tài)的NOx和SO2進入脫硫單元，與逆向噴淋的石灰石漿液反應，粉塵，SO2及NOx將被吸收，而后煙氣進入濕式電除塵器，進一步去處煙氣中的細顆粒物及氣溶膠，最后經(jīng)煙囪排放。工藝總流程圖如圖1所示。

圖1 工藝總流程圖

3 工藝設計

本項目工藝設計主要包含以下四個部分：布袋除塵器系統(tǒng)、脫硝系統(tǒng)、脫硫系統(tǒng)、濕式電除塵器系統(tǒng)。

3.1 布袋除塵器系統(tǒng)設計

每臺鍋爐配置一臺布袋除塵器，過濾風速≤0.68 m/min，布袋除塵器粉塵出口濃度≤20 mg/Nm3。采用差壓控制，脈沖噴吹。同時，考慮灰斗結(jié)塊板結(jié)，灰斗設置電加熱器。單臺布袋除塵器設備清單見表3。

表3 布袋除塵器主要設備清單

3.2 脫硝系統(tǒng)設計

脫硝裝置設計煙氣量為19100×2=38200 Nm3/h，進口NOx濃度≤300 mg/Nm3，脫硝反應器出口NOx濃度≤50 mg/Nm3，脫硝效率≥83.2%。脫硝系統(tǒng)主要包含制氧系統(tǒng)、臭氧制備系統(tǒng)及臭氧噴射裝置三個部分。本項目以為空氣源為起源，設計一套制氧能力為160 Nm3/h裝置，吸附劑采用制氧分子篩及活性氧化鋁，制備氧氣純度≥90%。以氧氣為起源，設計一套制備能力為20 kg/h 的臭氧發(fā)生器，氧氣濃度為10%。經(jīng)CFD煙氣流場模擬，將通過稀釋風機稀釋后的臭氧噴射至脫硝反應器內(nèi)?？紤]臭氧的強腐蝕性，臭氧管道采用316L材質(zhì)。脫硝系統(tǒng)的主要設備清清單詳見表4。

表4 脫硝系統(tǒng)主要設備清單

2.3 脫硫系統(tǒng)設計

脫硫裝置設計煙氣量為19100×2=38200 Nm3/h，脫硫塔進口SO2濃度≤12000 mg/Nm3，脫硫塔出口SO2濃度≤35 mg/Nm3，脫硫效率≥97.0%。脫硫系統(tǒng)主要包含漿液制備系統(tǒng)、吸收塔系統(tǒng)、石膏脫水、漿液排放及事故系統(tǒng)、工藝水系統(tǒng)及廢水處理系統(tǒng)。

漿液制備系統(tǒng)主要包含石灰石料倉、螺旋稱重給料機、漿液罐、石灰石漿液泵等。石灰石料倉設計儲存時間為7 d，石灰石漿液箱儲存配置濃度為20%的石灰石漿液，通過石灰石漿液泵輸送至吸收塔。

吸收塔系統(tǒng)主要設備包含吸收塔塔斧段、吸收段、循環(huán)泵、氧化風機、側(cè)攪拌器、除霧器、噴淋層及塔盤等。噴淋層設置四層，采用碳化硅空心椎噴嘴，空塔煙氣設計流速≤3 m/s。液氣比22 L/Nm3，設置4臺循環(huán)泵，根據(jù)燃煤含硫情況靈活運行3～4臺。循環(huán)泵保證不斷循環(huán)逆流噴淋的石灰石漿液在脫硫塔反應段內(nèi)吸收煙氣中的二氧化硫，氮氧化物，顆粒物。塔內(nèi)設置兩級屋脊除霧器，用以分離煙氣夾帶的霧滴，保證除霧器出口煙氣霧滴濃度≤75 mg/Nm3。除霧器沖洗采用工藝水。吸收塔內(nèi)設置兩臺氧化風機，一用一備，通過氧化風機將空氣鼓入吸收塔內(nèi)，對吸收塔內(nèi)漿液進行強制氧化，將亞硫酸鈣氧化為硫酸鈣。運行過程中，吸收塔內(nèi)漿液密度pH值控制在5～6，密度控制在1100 kg/m3左右。

石膏脫水系統(tǒng)包含石膏旋流器及真空皮帶脫水機。石膏旋流器入口壓力保證≥0.2 MPa，石膏旋流器進口含固率為18%～20%，出口含固率設置為50%。本項目石膏餅設計含固率為90%，質(zhì)量流量為0.14 t/h，設計過濾面積為1 m2。

事故漿液系統(tǒng)主要保證在吸收塔故障狀態(tài)下滿足吸收塔漿液暫時存貯用，并配套相應事故水泵及回塔管路。本項目事故水箱設計容積為70 m3。

工藝水系統(tǒng)主要包含工藝水泵及工藝水箱。工藝水主要用于以下幾個部位：管道及水泵設備沖洗；制備吸收劑漿液；除霧器沖洗；保證吸收塔液位；設備冷卻水等。

廢水處理系統(tǒng)包含廢水泵、廢水旋流器、廢水箱、廢水外排泵組成。廢水經(jīng)廢水泵輸送至廢水旋流器，通過物理重力分離作用，過濾出顆粒物含量較低的廢水自流至廢水池后經(jīng)外排泵排放至業(yè)主綜合水處理中心。廢水旋流器低流回脫硫系統(tǒng)。

脫硫系統(tǒng)的主要設備清單見表5。

表5 脫硫系統(tǒng)主要設備清單

2.4 濕電系統(tǒng)設計

本項目采用立式濕式電除塵器，坐落在脫硫塔頂部。濕式電除塵器主要有本體、陽極系統(tǒng)、陰極系統(tǒng)、噴淋裝置及氣流均流板組成。濕電進口粉塵濃度≤20 mg/Nm3，濕電出口粉塵濃度≤5 mg/Nm3?？账魉佟?.4 m/s，反應器直徑φ3400×9000 mm，陽極管采用正六邊形導電玻璃鋼作為沉淀極，模塊化設計，方便安裝及檢修。導電玻璃鋼內(nèi)表面光滑，具有易形成水膜，不易結(jié)垢、材質(zhì)輕、造價低、耐腐蝕及壽命長等優(yōu)點。陰極線采用2205材質(zhì)，固定于上下框架上，絕緣箱內(nèi)吊桿采用陶瓷管支撐固定框架。絕緣箱內(nèi)設電加熱裝置，以保證陰極裝置時刻與陽極及塔體保持干燥絕緣狀態(tài)。濕電內(nèi)部設置噴淋系統(tǒng)，定時對陰極線和陽極管進行沖洗。濕電系統(tǒng)主要設備清單見表6。

表6 濕電系統(tǒng)主要設備清單

3 運行案例分析

3.1 布袋除塵器

兩套布袋除塵器均采用PPS+PTFE濾料，除塵器入口溫度150 ℃，布袋除塵器進出口差壓控制在800 Pa，通過脈沖噴吹方式進行清灰，保證系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

3.2 脫硝系統(tǒng)

煙氣NOx的主要組成是NO，初始濃度≤300 mg/Nm3。本項目調(diào)試過程中，考察O3與NO之間摩爾數(shù)的比值(O3/NO)變化對脫硝效率的影響，詳見圖2。從圖2可知，隨著反應系統(tǒng)中O3/NO增加，NO脫除率增加，當O3/NO增加到1.6時，脫硝效率達到90%。隨后繼續(xù)增加O3/NO，NO的脫除率幾乎不在增加，并且將導致更多的臭氧泄漏及氣溶膠形成。因此，實際運行過程中，基本將O3/NO控制在1.0～1.2之間。

圖2 O3/NO對脫硝效率的影響

3.3 脫硫系統(tǒng)

本項目考慮更換煤種導致SO2濃度極端惡劣情況。故設計四層噴淋層，一層塔盤，四層集氣環(huán)，保證系統(tǒng)的順利達標排放。當SO2初始濃度≤600 mg/Nm3時，關閉一臺循環(huán)泵，降低運行費用。吸收塔漿液pH值控制在5～6之間，脫硫系統(tǒng)內(nèi)的氯離子控制在15000 mg/L以下，漿液密度控制在1100 kg/m3。脫硫系統(tǒng)內(nèi)氯離子≥15000 mg/L時，需外排脫硫廢水，保證脫硫系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。

3.4 濕電系統(tǒng)

濕式電除塵器對微細粉塵具有良好的去除效果，同時可解決有效解決SO3氣溶膠問題。本項目調(diào)試過程中，考察不同電壓下，O3/NO對濕電出口粉塵濃度的影響。從圖3可以看出，粉塵出口濃度隨著電壓升高而降低。當電壓為40 kV，O3/NO為1時，粉塵出口濃度能降低至2.8 mg/Nm3；相比之前，當電壓為0 kV，O3/NO為1時，粉塵出口濃度為19.5 mg/Nm3。同時，從圖3可以看出，當O3/NO從1.6上升至2.0時，粉塵出口濃度也極速增加。這可能是由于O3/NO的增加導致SO2與O3發(fā)生反應，在脫硫過程中形成SO3氣溶膠顆粒，導致粉塵濃度增加。因此，實際運行過程中O3/NO基本控制在1.0～1.2之間。

圖3 O3/NO對粉塵出口濃度的影響

4 結(jié)論

本項目結(jié)合中小型燃煤鍋爐的煙氣特點，經(jīng)過一系列藝對比，采用布袋除塵器+臭氧脫硝+石灰石石膏法+濕式電除塵器凈化工藝，處理后，SO2≤35 mg/Nm3，粉塵≤5 mg/m3，NOx≤50 mg/Nm3，滿足超低排放要求。運行過程中考察O3與NO之間摩爾數(shù)的比值(O3/NO)對脫硝效率及濕電出口粉塵濃度的影響。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著O3/NO的增加，脫硝效率增加，O3/NO大于1.6以后，脫硝效率不在增加，反而增加粉塵的出口濃度。