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煤粉工业锅炉超低排放技术浅析
发布者:杨晗   点击数:217   发布时间: 2019-06-11 16:27:36   更新时间: 2019-06-11 18:07:09

针对煤粉工业锅炉的主流污染控制技术及其项目应用效果进行分析,参照电站锅炉烟气净化布置工艺及小型湿式电除尘器在中国的应用情况,提出一种煤粉工业锅炉超低排放技术。该工艺在可以实现烟尘、SO2、NOx超低排放,对烟气中复合污染物进行有效控制,适合在中国大面积推广。

 

  0引言

 

  中国在用燃煤工业锅炉47×104台余,广泛应用于冶金、化工、水泥、造纸、供热等多个行业,年消耗煤炭达6.4×108t,占全国总煤炭消费量的18%左右。由于能源消费基数大、技术装备落后、运营水平不高、环保措施不到位等原因,燃煤工业锅炉年排放烟尘约410×104t、SO2约570×104t、NOx约200×104t,分别占全国排放总量的32%、26%、15%[1],是名副其实的污染物排放大户。

 

  近年来,随着烟气治理技术不断发展,国家对烟污染物的排放控制日趋严格。要求所有具备改造条件的燃煤电厂,到2020年力争实现烟尘、SO2、NOx在基准氧含量6%条件下,排放浓度分别不高于10mg/m3、35mg/m3、50mg/m3;山东省出台了《关于加快推进燃煤机组(锅炉)超低排放的指导意见》,对燃煤工业锅炉的烟尘、SO2和NOx的超低排放做出明确要求。针对燃煤工业锅炉超低排放的开发推广已是大势所趋。

 

  煤粉工业锅炉由于能源利用效率和污染物排放控制的良好表现,近年来获得了较为广泛地发展。烟尘、SO2、NOx排放浓度均可满足GB13271—2014锅炉大气污染物排放标准中重点地区大气污染物特别排放限值的要求,即基准氧含量9%条件下烟尘、SO2、NOx排放浓度分别不高于30mg/m3、200mg/m3、200mg/m3。但各项污染物的排放数据对比超低排放限值,仍有一定差距。开发一种适合煤粉工业锅炉的低成本、高效率的超低排放技术迫在眉睫。

 

  1煤粉工业锅炉的污染控制技术

 

  煤粉工业锅炉的主流污染控制技术是袋式除尘技术、湿法脱硫技术、低氮燃烧技术、SNCR脱硝技术和SCR脱硝技术。

 

  1.1袋式除尘技术

 

  袋式除尘技术(FabricFilter,FF)是一种是利用袋状过滤元件来捕集含尘气体中固体颗粒物的干式除尘技术。目前根据烟气的温湿度、原始灰尘浓度、酸碱度等使用条件的不同,已开发出多种耐热性良好、化学性能稳定性、过滤效率出色的滤袋产品。袋式除尘技术效率高,一般可达到99.5%以上,烟尘排放质量浓度可低于30mg/m3,对亚微米颗粒具有较高的分级除尘效率[4],已广泛应用在各工业领域,成为中国大气污染控制特别是PM2.5排放控制的主流技术。

 

  1.2湿法脱硫技术

 

  湿法脱硫技术(WetFlueGasDesulfurization,WFGD)是一种用碱性氧化物水溶液或水浆液在吸收塔内喷淋洗涤烟气中SO2的技术。根据采用脱硫剂的不同,常用的湿法脱硫技术有石灰石/石膏法、氨法和氧化镁法等三类,脱硫效率均能达到95%以上。湿法脱硫技术在电力、冶金、石化等行业应用广泛,占世界脱硫总装机容量的85%左右。中国90%以上的烟气脱硫工程采用的是石灰石/石膏湿法脱硫工艺,辽宁、山东等镁矿储量较为丰富的地区有一定氧化镁法脱硫工艺的应用。

 

  1.3NOx控制技术

 

  1.3.1低氮燃烧技术

 

  低氮燃烧技术是采用空气分级燃烧、燃料分级燃烧、烟气再循环等手段,通过延缓燃烧进程或稀释烟气显热,以控制热力型NOx的一类技术的统称。国家环境保护燃煤工业锅炉节能与污染控制工程技术中心(以下简称“工程中心”)采用空气分级燃烧和烟气再循环等方式,开发的新一代煤粉工业锅炉燃烧器已可实现NOx折算初始排放浓度<200mg/m3。

 

  1.3.2SNCR脱硝技术

 

  SNCR(SelectiveNon-CatalyticReduction,选择性非催化还原)是一种通过向高温烟气中尿素或氨基化合物作为还原剂,有选择性地把烟气中的NOx还原为N2和H2O的脱硝技术操作温度在800℃~1000℃,脱硝效率在30%~80%[5]。

 

  1.3.3SCR脱硝技术

 

  SCR(SelectiveCatalyticReduction,选择性催化还原)是一种基于在催化剂的作用下,通过向烟气中喷入尿素或氨基化合物作为还原剂,有选择性地将烟气中的NOx还原为N2和H2O的脱硝技术。操作温度与催化反应的活性温度范围有关,以V2O5/TiO2金属氧化物为例,反应温度在260℃~425℃[6],脱硝效率在80%以上。

 

  1.4应用案例

 

  项目一:东北J市2#热源厂选用蓝天环保两台58MW新型高效煤粉工业锅炉(型号AXS58-1.6/130/70-AⅢ)及其附属配套设施,为国际机场及周围城区提供热源。烟气污染控制技术选用了袋式除尘技术和氧化镁湿法脱硫技术。2013年组织对该热源厂两台锅炉进行环保测试,烟尘折算排放浓度20mg/m3,除尘效率99.77%,SO2折算排放浓度48mg/m3,脱硫效率85.63%,排放指标均优于国家标准GB13271—2014锅炉大气污染物排放标准。

 

  项目二:石家庄市为了加强居民供热工程的雾霾治理,选用蓝天环保两台29MW新型高效煤粉工业锅炉(型号QXS29-1.6/125/70-AⅢ)及其附属配套设施,为石家庄西北区域提供热源。烟气污染控制技术选用了袋式除尘技术、氧化镁湿法脱硫技术、低氮燃烧联合SNCR脱硝技术。2015年组织对该热源厂2#锅炉进行环保测试,烟尘折算排放浓度7mg/m3,SO2低于仪器检出限,NOx折算排放浓度58mg/m3,排放指标均优于国家标准GB13271—2014锅炉大气污染物排放标准。

 

  2超低排放技术方案

 

  2.1现有污染控制技术效果分析

 

  在基准氧含量9%条件下,国家规定的烟尘、SO2、NOx超低排放浓度限值折算为8mg/m3、28mg/m3、40mg/m3。高于同样折算条件下,根据GB13271—2014锅炉大气污染物排放标准对重点地区大气污染物特别排放限值的要求,即分别不高于30mg/m3、200mg/m3、200mg/m3。

 

  按项目一应用效果分析,袋式除尘效率已经高达99.77%,但折算排放浓度仍高于超低排放限值。烟尘处理效率需要进一步提高,单靠一级除尘器较难实现超低排放的目的,需要串联一级除尘装置,理论上其除尘效率应达到60%以上。项目一中氧化镁湿法脱硫效率为85.63%,低于湿法脱硫技术平均效率95%。经测算,该项目其余条件不变情况下,当脱硫效率达到91.62%时,即可满足28mg/m3排放要求。故此,湿法脱硫系统进行提效技术优化改造可以确保超低排放要求。

 

  低氮燃烧联合SNCR脱硝技术,理论上在SNCR脱硝效率最佳状态时可以实现NOx超低排放。考虑到SNCR脱硝效率受锅炉工况、喷射布置等多种因素影响,同样设计在不同工况下处理效果差异较大。出于稳定运行考虑,选择低氮燃烧联合SCR技术,即在低氮燃烧NOx原始排放不高于200mg/m3的条件下,串联效率在80%以上的SCR脱硝技术,确保NOx超低排放。

 

  2.2湿式电除尘器

 

  电站锅炉系统在WFGD的下游安装湿式电除尘器(WetElectrostaticPrecipitator,WESP),作为烟气净化工艺的终端处理设备。WESP工作原理和干式电除尘除尘原理基本相同,都要经历电离、荷电、收集和清灰四个阶段。如图1所示,含尘烟气经多孔板均匀进入收尘室,在放电极作用下被电离形成电子和正离子,电子与粉尘发生碰撞使其表面荷电,荷电粒子在电场作用下在集尘机富集,水流自上而下冲洗集尘极表面将粉尘带走,经灰斗排至排水池。

 

 

 

 

  日本的湿式电除尘技术起步较早,已经有30a多的应用历史,碧南电厂5台湿式电除尘器器投产20a来,烟尘排放浓度长期保持在2mg/m3~5mg/m3的水平。中国WESP技术发展迅速,至今已有近百台工程业绩。同时,产品国产化进程显着加快,可供工业锅炉配套选用的小型WESP产品已成功应用在上海长兴岛第二发电厂2×12MW锅炉和福建上杭瑞翔纸业20t/h循环流化床锅炉。前者湿式电除尘器出口粉尘排放浓度为6.1mg/m3,后者湿电除尘器出口粉尘排放浓度9.3mg/m3。

 

  经验表明,除尘效率可达到70%~80%,具有控制复合污染物的强大功能。由于烟气温度降低及含湿量增高,粉尘比电阻大幅度下降,可对PM2.5、黏性的或高比电阻粉尘及烟气中SO3酸雾、气溶胶、重金属(Hg、As、Se、Pb、Cr)、有机污染物(多环芳烃、二恶英)等起到有效的控制作用,社会效益巨大。

 

  2.3超低排放技术工艺路线

 

  通过对煤粉工业锅炉的主流污染控制技术项目应用情况的分析,结合电站锅炉超低排放系统的工艺布置及小型WESP产品的开发应用情况,提出一种适用于煤粉工业锅炉的超低排放技术工艺。

 

  如图2所示,该工艺路线为“低氮燃烧器+锅炉本体+SCR反应器+袋式除尘器+湿法脱硫洗涤塔+湿式电除尘+烟囱”。即选用低氮燃烧联合SCR脱硝技术及提效技术优化的湿法脱硫技术,用于NOx和SO2的超低排放控制。同时,在煤粉工业锅炉WFGD下游安装WESP,控制烟超低排放和对复合污染物的有效控制,彻底解决湿法脱硫不能完全避免的石膏雨、蓝烟问题。

 

 

 

 

  3关于WESP的经济分析

 

  以热效率90%、额定出力75t/h的蒸汽工业锅炉(3.82MPa,450℃)为例,过剩系数1.8,烟气温度60℃,WESP阻力损失Δp=300Pa,燃用Ⅲ类烟煤(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)条件下,烟气流量Qy=104430Nm3/h,含氧量9.08%,参照风机功率计算公式:

 

 

 

 

  则在介质压缩系数取ψ=1,风机效率取η=90%的条件下,增加风机功率N=9.86kW。

 

  烟尘排放限值自30mg/m3降至8mg/m3后,按照年运行7200h考虑,则增加电耗70992kW˙h,减少烟尘排放16.54t。

 

  4结语

 

  湿式电除尘技术成熟可靠、烟尘减排效果良好,国内已完成小型化产品的应用,可以广泛应用于煤粉工业锅炉污染控制系统;“低氮燃烧+SCR+FF+WFGD+WESP”烟气处理工艺优化了各单元的污染物脱除效率,兼顾了对尾端烟气中复合污染物的治理,可以确保煤粉工业锅炉烟气实现超低排放,适合在中国大面积推广;燃煤工业锅炉能源消费基数大,污染物排放量大,参照电站燃煤机组政策要求,开展针对燃煤工业锅炉的超低排放技术改造,可以实现超低排放,对煤粉工业锅炉意义重大。