摘要：針對煤粉工業(yè)鍋爐的主流污染控制技術(shù)及其項目應(yīng)用效果進行分析,參照電站鍋爐煙氣凈化布置工藝及小型濕式電除塵器在中國的應(yīng)用情況,提出一種煤粉工業(yè)鍋爐超低排放技術(shù).該工藝在可以實現(xiàn)煙塵、SO2、NOx超低排放，對煙氣中復(fù)合污染物進行有效控制，適合在中國大面積推廣。

0引言

中國在用燃煤工業(yè)鍋爐47×104臺余，廣泛應(yīng)用于冶金、化工、水泥、造紙、供熱等多個行業(yè)，年消耗煤炭達6.4×108t，占全國總煤炭消費量的18%左右。由于能源消費基數(shù)大、技術(shù)裝備落后、運營水平不高、環(huán)保措施不到位等原因，燃煤工業(yè)鍋爐年排放煙塵約410×104t、SO2約570×104t、NOx約200×104t，分別占全國排放總量的32%、26%、15%[1]，是名副其實的污染物排放大戶。

近年來，隨著煙氣治理技術(shù)不斷發(fā)展，國家對煙污染物的排放控制日趨嚴格。要求所有具備改造條件的燃煤電廠，到2020年力爭實現(xiàn)煙塵、SO2、NOx在基準氧含量6%條件下，排放濃度分別不高于10mg/m3、35mg/m3、50mg/m3;山東省出臺了《關(guān)于加快推進燃煤機組(鍋爐)超低排放的指導(dǎo)意見》，對燃煤工業(yè)鍋爐的煙塵、SO2和NOx的超低排放做出明確要求。針對燃煤工業(yè)鍋爐超低排放的開發(fā)推廣已是大勢所趨。

煤粉工業(yè)鍋爐由于能源利用效率和污染物排放控制的良好表現(xiàn)，近年來獲得了較為廣泛地發(fā)展。煙塵、SO2、NOx排放濃度均可滿足GB13271—2014鍋爐大氣污染物排放標準中重點地區(qū)大氣污染物特別排放限值的要求，即基準氧含量9%條件下煙塵、SO2、NOx排放濃度分別不高于30mg/m3、200mg/m3、200mg/m3。但各項污染物的排放數(shù)據(jù)對比超低排放限值，仍有一定差距。開發(fā)一種適合煤粉工業(yè)鍋爐的低成本、高效率的超低排放技術(shù)迫在眉睫。

1煤粉工業(yè)鍋爐的污染控制技術(shù)

煤粉工業(yè)鍋爐的主流污染控制技術(shù)是袋式除塵技術(shù)、濕法脫硫技術(shù)、低氮燃燒技術(shù)、SNCR脫硝技術(shù)和SCR脫硝技術(shù)。

1.1袋式除塵技術(shù)

袋式除塵技術(shù)(FabricFilter，F(xiàn)F)是一種是利用袋狀過濾元件來捕集含塵氣體中固體顆粒物的干式除塵技術(shù)。目前根據(jù)煙氣的溫濕度、原始灰塵濃度、酸堿度等使用條件的不同，已開發(fā)出多種耐熱性良好、化學(xué)性能穩(wěn)定性、過濾效率出色的濾袋產(chǎn)品。袋式除塵技術(shù)效率高，一般可達到99.5%以上，煙塵排放質(zhì)量濃度可低于30mg/m3，對亞微米顆粒具有較高的分級除塵效率[4]，已廣泛應(yīng)用在各工業(yè)領(lǐng)域，成為中國大氣污染控制特別是PM2.5排放控制的主流技術(shù)。

1.2濕法脫硫技術(shù)

濕法脫硫技術(shù)(WetFlueGasDesulfurization，WFGD)是一種用堿性氧化物水溶液或水漿液在吸收塔內(nèi)噴淋洗滌煙氣中SO2的技術(shù)。根據(jù)采用脫硫劑的不同，常用的濕法脫硫技術(shù)有石灰石/石膏法、氨法和氧化鎂法等三類，脫硫效率均能達到95%以上。濕法脫硫技術(shù)在電力、冶金、石化等行業(yè)應(yīng)用廣泛，占世界脫硫總裝機容量的85%左右。中國90%以上的煙氣脫硫工程采用的是石灰石/石膏濕法脫硫工藝，遼寧、山東等鎂礦儲量較為豐富的地區(qū)有一定氧化鎂法脫硫工藝的應(yīng)用。

1.3NOx控制技術(shù)

1.3.1低氮燃燒技術(shù)

低氮燃燒技術(shù)是采用空氣分級燃燒、燃料分級燃燒、煙氣再循環(huán)等手段，通過延緩燃燒進程或稀釋煙氣顯熱，以控制熱力型NOx的一類技術(shù)的統(tǒng)稱。國家環(huán)境保護燃煤工業(yè)鍋爐節(jié)能與污染控制工程技術(shù)中心(以下簡稱“工程中心”)采用空氣分級燃燒和煙氣再循環(huán)等方式，開發(fā)的新一代煤粉工業(yè)鍋爐燃燒器已可實現(xiàn)NOx折算初始排放濃度<200mg/m3。

1.3.2SNCR脫硝技術(shù)

SNCR(SelectiveNon-CatalyticReduction，選擇性非催化還原)是一種通過向高溫?zé)煔庵心蛩鼗虬被衔镒鳛檫€原劑，有選擇性地把煙氣中的NOx還原為N2和H2O的脫硝技術(shù)操作溫度在800℃~1000℃，脫硝效率在30%～80%[5]。

1.3.3SCR脫硝技術(shù)

SCR(SelectiveCatalyticReduction，選擇性催化還原)是一種基于在催化劑的作用下，通過向煙氣中噴入尿素或氨基化合物作為還原劑，有選擇性地將煙氣中的NOx還原為N2和H2O的脫硝技術(shù)。操作溫度與催化反應(yīng)的活性溫度范圍有關(guān)，以V2O5/TiO2金屬氧化物為例，反應(yīng)溫度在260℃~425℃[6]，脫硝效率在80%以上。

1.4應(yīng)用案例

項目一：東北J市2#熱源廠選用藍天環(huán)保兩臺58MW新型高效煤粉工業(yè)鍋爐(型號AXS58-1.6/130/70-AⅢ)及其附屬配套設(shè)施，為國際機場及周圍城區(qū)提供熱源。煙氣污染控制技術(shù)選用了袋式除塵技術(shù)和氧化鎂濕法脫硫技術(shù)。2013年組織對該熱源廠兩臺鍋爐進行環(huán)保測試，煙塵折算排放濃度20mg/m3，除塵效率99.77%，SO2折算排放濃度48mg/m3，脫硫效率85.63%，排放指標均優(yōu)于國家標準GB13271—2014鍋爐大氣污染物排放標準。

項目二：石家莊市為了加強居民供熱工程的霧霾治理，選用藍天環(huán)保兩臺29MW新型高效煤粉工業(yè)鍋爐(型號QXS29-1.6/125/70-AⅢ)及其附屬配套設(shè)施，為石家莊西北區(qū)域提供熱源。煙氣污染控制技術(shù)選用了袋式除塵技術(shù)、氧化鎂濕法脫硫技術(shù)、低氮燃燒聯(lián)合SNCR脫硝技術(shù)。2015年組織對該熱源廠2#鍋爐進行環(huán)保測試，煙塵折算排放濃度7mg/m3，SO2低于儀器檢出限，NOx折算排放濃度58mg/m3，排放指標均優(yōu)于國家標準GB13271—2014鍋爐大氣污染物排放標準。

2超低排放技術(shù)方案

2.1現(xiàn)有污染控制技術(shù)效果分析

在基準氧含量9%條件下，國家規(guī)定的煙塵、SO2、NOx超低排放濃度限值折算為8mg/m3、28mg/m3、40mg/m3。高于同樣折算條件下，根據(jù)GB13271—2014鍋爐大氣污染物排放標準對重點地區(qū)大氣污染物特別排放限值的要求，即分別不高于30mg/m3、200mg/m3、200mg/m3。

按項目一應(yīng)用效果分析，袋式除塵效率已經(jīng)高達99.77%，但折算排放濃度仍高于超低排放限值。煙塵處理效率需要進一步提高，單靠一級除塵器較難實現(xiàn)超低排放的目的，需要串聯(lián)一級除塵裝置，理論上其除塵效率應(yīng)達到60%以上。項目一中氧化鎂濕法脫硫效率為85.63%，低于濕法脫硫技術(shù)平均效率95%。經(jīng)測算，該項目其余條件不變情況下，當脫硫效率達到91.62%時，即可滿足28mg/m3排放要求。故此，濕法脫硫系統(tǒng)進行提效技術(shù)優(yōu)化改造可以確保超低排放要求。

低氮燃燒聯(lián)合SNCR脫硝技術(shù)，理論上在SNCR脫硝效率最佳狀態(tài)時可以實現(xiàn)NOx超低排放?？紤]到SNCR脫硝效率受鍋爐工況、噴射布置等多種因素影響，同樣設(shè)計在不同工況下處理效果差異較大。出于穩(wěn)定運行考慮，選擇低氮燃燒聯(lián)合SCR技術(shù)，即在低氮燃燒NOx原始排放不高于200mg/m3的條件下，串聯(lián)效率在80%以上的SCR脫硝技術(shù)，確保NOx超低排放。

2.2濕式電除塵器

電站鍋爐系統(tǒng)在WFGD的下游安裝濕式電除塵器(WetElectrostaticPrecipitator，WESP)，作為煙氣凈化工藝的終端處理設(shè)備。WESP工作原理和干式電除塵除塵原理基本相同，都要經(jīng)歷電離、荷電、收集和清灰四個階段。如圖1所示，含塵煙氣經(jīng)多孔板均勻進入收塵室，在放電極作用下被電離形成電子和正離子，電子與粉塵發(fā)生碰撞使其表面荷電，荷電粒子在電場作用下在集塵機富集，水流自上而下沖洗集塵極表面將粉塵帶走，經(jīng)灰斗排至排水池。


日本的濕式電除塵技術(shù)起步較早，已經(jīng)有30a多的應(yīng)用歷史，碧南電廠5臺濕式電除塵器器投產(chǎn)20a來，煙塵排放濃度長期保持在2mg/m3～5mg/m3的水平。中國WESP技術(shù)發(fā)展迅速，至今已有近百臺工程業(yè)績。同時，產(chǎn)品國產(chǎn)化進程顯著加快，可供工業(yè)鍋爐配套選用的小型WESP產(chǎn)品已成功應(yīng)用在上海長興島第二發(fā)電廠2×12MW鍋爐和福建上杭瑞翔紙業(yè)20t/h循環(huán)流化床鍋爐。前者濕式電除塵器出口粉塵排放濃度為6.1mg/m3，后者濕電除塵器出口粉塵排放濃度9.3mg/m3。

經(jīng)驗表明，除塵效率可達到70%～80%，具有控制復(fù)合污染物的強大功能。由于煙氣溫度降低及含濕量增高，粉塵比電阻大幅度下降，可對PM2.5、黏性的或高比電阻粉塵及煙氣中SO3酸霧、氣溶膠、重金屬(Hg、As、Se、Pb、Cr)、有機污染物(多環(huán)芳烴、二噁英)等起到有效的控制作用，社會效益巨大。

2.3超低排放技術(shù)工藝路線

通過對煤粉工業(yè)鍋爐的主流污染控制技術(shù)項目應(yīng)用情況的分析，結(jié)合電站鍋爐超低排放系統(tǒng)的工藝布置及小型WESP產(chǎn)品的開發(fā)應(yīng)用情況，提出一種適用于煤粉工業(yè)鍋爐的超低排放技術(shù)工藝。

如圖2所示，該工藝路線為“低氮燃燒器+鍋爐本體+SCR反應(yīng)器+袋式除塵器+濕法脫硫洗滌塔+濕式電除塵+煙囪”。即選用低氮燃燒聯(lián)合SCR脫硝技術(shù)及提效技術(shù)優(yōu)化的濕法脫硫技術(shù)，用于NOx和SO2的超低排放控制。同時，在煤粉工業(yè)鍋爐WFGD下游安裝WESP，控制煙超低排放和對復(fù)合污染物的有效控制，徹底解決濕法脫硫不能完全避免的石膏雨、藍煙問題。


3關(guān)于WESP的經(jīng)濟分析

以熱效率90%、額定出力75t/h的蒸汽工業(yè)鍋爐(3.82MPa，450℃)為例，過剩系數(shù)1.8，煙氣溫度60℃，WESP阻力損失Δp=300Pa，燃用Ⅲ類煙煤(Car=57.77%、Har=4.07%、Oar=10.18%、Nar=0.83%、Sar=0.48%、Mar=10.71%、Aar=15.96%、Vdaf=29.85%、Qar，net=22848kJ/kg)條件下，煙氣流量Qy=104430Nm3/h，含氧量9.08%，參照風(fēng)機功率計算公式：


則在介質(zhì)壓縮系數(shù)取ψ=1，風(fēng)機效率取η=90%的條件下，增加風(fēng)機功率N=9.86kW。

煙塵排放限值自30mg/m3降至8mg/m3后，按照年運行7200h考慮，則增加電耗70992kW˙h，減少煙塵排放16.54t。

4結(jié)語

濕式電除塵技術(shù)成熟可靠、煙塵減排效果良好，國內(nèi)已完成小型化產(chǎn)品的應(yīng)用，可以廣泛應(yīng)用于煤粉工業(yè)鍋爐污染控制系統(tǒng);“低氮燃燒+SCR+FF+WFGD+WESP”煙氣處理工藝優(yōu)化了各單元的污染物脫除效率，兼顧了對尾端煙氣中復(fù)合污染物的治理，可以確保煤粉工業(yè)鍋爐煙氣實現(xiàn)超低排放，適合在中國大面積推廣;燃煤工業(yè)鍋爐能源消費基數(shù)大，污染物排放量大，參照電站燃煤機組政策要求，開展針對燃煤工業(yè)鍋爐的超低排放技術(shù)改造，可以實現(xiàn)超低排放，對煤粉工業(yè)鍋爐意義重大。