燃煤锅炉烟气工艺的设计与应用

唐志鹏

(中煤科工集团杭州研究院有限公司，浙江 杭州 311201)

0 引言

2020年，我国二氧化硫排放量为313.2万吨，氮氧化物排放量为1019.7万吨，颗粒物排放量为611.4万吨。主要来源于燃煤锅炉等烟气排放，造成雾霾的频发，对生态环境和人类健康造成一定影响。因此，采用有效的净化烟气处理工艺迫在眉睫。

常用脱硫工艺有干法脱硫、半干法脱硫、湿法脱硫等[1-2]。十三五规划后，迫于超低排放标准的严格控制，干法脱硫及半干法脱硫受限于脱硫效率的局限性，逐渐运用较少。相比之下，湿法脱硫特别是石灰石石膏法得益于较高的脱硫效率及稳定的运行案例，已更广泛运用于新建燃煤电厂及改造工程中。燃煤锅炉烟气脱硝工艺主要有选择性非催化还原脱硝(SNCR)和选择性催化还原脱硝(SCR)[3-5]，SNCR原理主要是采用NH3、尿素等还原剂对NOx进行选择性还原。其优点无需添加催化剂，投资成本低及运行成本少。缺点为去处NOx效率较低、存在氨气逃逸等问题。SCR是目前运用予燃煤电厂最多的一种脱硝工艺，主要工作原理在V2O5/WO3等催化剂的作用下，还原剂NH3将NOx还原为N2。SCR工艺脱硝效率高，但也存在一定的缺点，如NH3与NOx比例控制不精确，易造成氨逃逸等二次污染；反应温度窗口为280～400 ℃，中小型锅炉较难稳定控制；并且SCR工艺投资成本高，运行较为复杂。臭氧法是一种新型脱硝工艺，反应温度低于150 ℃，系统操作简单，经济安全技术综合优势较为明显。布袋除尘器和静电除尘器为燃煤锅炉最为常用的两种除尘器，与静电除尘器对比，布袋除尘器对亚微米及微米烟尘粒径的去除效率高达99.9%以上，在较较低的运行风速下，布袋除尘器甚至可以将粉尘控制在10 mg/Nm3以下。湿式电除尘器[6-7]，超低排放标准下的产物，能有效去处烟气中残留的细颗粒物及SO3气溶胶，将粉尘浓度降低在5 mg/Nm3以下。

因此，本文采用布袋除尘器+臭氧脱硝+石灰石石膏法+湿式电除尘器处理工艺，对燃煤锅炉烟气进行设计及应用。

1 项目概况

某煤矿现有2×10 t/h的链条锅炉，用于供热及供暖系统。单台锅炉烟气设计参数如表1所示，烟气出口排放指标如表2所示。

表1 烟气设计进口参数

表2 烟气设计出口浓度

2 工艺总流程

燃煤锅炉烟气自省煤器及空预器出口后，进入布袋除尘器除尘单元，经滤袋过滤后粉尘出口浓度小于等于20 mg/Nm3。通过增压风机的作用，将烟气送入臭氧脱硝反应器内，臭氧脱硝反应器内喷射的臭氧与低价态NO反应，生成溶解度更高的高价态NOx，高价态的NOx和SO2进入脱硫单元，与逆向喷淋的石灰石浆液反应，粉尘，SO2及NOx将被吸收，而后烟气进入湿式电除尘器，进一步去处烟气中的细颗粒物及气溶胶，最后经烟囱排放。工艺总流程图如图1所示。

图1 工艺总流程图

3 工艺设计

本项目工艺设计主要包含以下四个部分：布袋除尘器系统、脱硝系统、脱硫系统、湿式电除尘器系统。

3.1 布袋除尘器系统设计

每台锅炉配置一台布袋除尘器，过滤风速≤0.68 m/min，布袋除尘器粉尘出口浓度≤20 mg/Nm3。采用差压控制，脉冲喷吹。同时，考虑灰斗结块板结，灰斗设置电加热器。单台布袋除尘器设备清单见表3。

表3 布袋除尘器主要设备清单

3.2 脱硝系统设计

脱硝装置设计烟气量为19100×2=38200 Nm3/h，进口NOx浓度≤300 mg/Nm3，脱硝反应器出口NOx浓度≤50 mg/Nm3，脱硝效率≥83.2%。脱硝系统主要包含制氧系统、臭氧制备系统及臭氧喷射装置三个部分。本项目以为空气源为起源，设计一套制氧能力为160 Nm3/h装置，吸附剂采用制氧分子筛及活性氧化铝，制备氧气纯度≥90%。以氧气为起源，设计一套制备能力为20 kg/h 的臭氧发生器，氧气浓度为10%。经CFD烟气流场模拟，将通过稀释风机稀释后的臭氧喷射至脱硝反应器内。考虑臭氧的强腐蚀性，臭氧管道采用316L材质。脱硝系统的主要设备清清单详见表4。

表4 脱硝系统主要设备清单

2.3 脱硫系统设计

脱硫装置设计烟气量为19100×2=38200 Nm3/h，脱硫塔进口SO2浓度≤12000 mg/Nm3，脱硫塔出口SO2浓度≤35 mg/Nm3，脱硫效率≥97.0%。脱硫系统主要包含浆液制备系统、吸收塔系统、石膏脱水、浆液排放及事故系统、工艺水系统及废水处理系统。

浆液制备系统主要包含石灰石料仓、螺旋称重给料机、浆液罐、石灰石浆液泵等。石灰石料仓设计储存时间为7 d，石灰石浆液箱储存配置浓度为20%的石灰石浆液，通过石灰石浆液泵输送至吸收塔。

吸收塔系统主要设备包含吸收塔塔斧段、吸收段、循环泵、氧化风机、侧搅拌器、除雾器、喷淋层及塔盘等。喷淋层设置四层，采用碳化硅空心椎喷嘴，空塔烟气设计流速≤3 m/s。液气比22 L/Nm3，设置4台循环泵，根据燃煤含硫情况灵活运行3～4台。循环泵保证不断循环逆流喷淋的石灰石浆液在脱硫塔反应段内吸收烟气中的二氧化硫，氮氧化物，颗粒物。塔内设置两级屋脊除雾器，用以分离烟气夹带的雾滴，保证除雾器出口烟气雾滴浓度≤75 mg/Nm3。除雾器冲洗采用工艺水。吸收塔内设置两台氧化风机，一用一备，通过氧化风机将空气鼓入吸收塔内，对吸收塔内浆液进行强制氧化，将亚硫酸钙氧化为硫酸钙。运行过程中，吸收塔内浆液密度pH值控制在5～6，密度控制在1100 kg/m3左右。

石膏脱水系统包含石膏旋流器及真空皮带脱水机。石膏旋流器入口压力保证≥0.2 MPa，石膏旋流器进口含固率为18%～20%，出口含固率设置为50%。本项目石膏饼设计含固率为90%，质量流量为0.14 t/h，设计过滤面积为1 m2。

事故浆液系统主要保证在吸收塔故障状态下满足吸收塔浆液暂时存贮用，并配套相应事故水泵及回塔管路。本项目事故水箱设计容积为70 m3。

工艺水系统主要包含工艺水泵及工艺水箱。工艺水主要用于以下几个部位：管道及水泵设备冲洗；制备吸收剂浆液；除雾器冲洗；保证吸收塔液位；设备冷却水等。

废水处理系统包含废水泵、废水旋流器、废水箱、废水外排泵组成。废水经废水泵输送至废水旋流器，通过物理重力分离作用，过滤出颗粒物含量较低的废水自流至废水池后经外排泵排放至业主综合水处理中心。废水旋流器低流回脱硫系统。

脱硫系统的主要设备清单见表5。

表5 脱硫系统主要设备清单

2.4 湿电系统设计

本项目采用立式湿式电除尘器，坐落在脱硫塔顶部。湿式电除尘器主要有本体、阳极系统、阴极系统、喷淋装置及气流均流板组成。湿电进口粉尘浓度≤20 mg/Nm3，湿电出口粉尘浓度≤5 mg/Nm3。空塔流速≤1.4 m/s，反应器直径φ3400×9000 mm，阳极管采用正六边形导电玻璃钢作为沉淀极，模块化设计，方便安装及检修。导电玻璃钢内表面光滑，具有易形成水膜，不易结垢、材质轻、造价低、耐腐蚀及寿命长等优点。阴极线采用2205材质，固定于上下框架上，绝缘箱内吊杆采用陶瓷管支撑固定框架。绝缘箱内设电加热装置，以保证阴极装置时刻与阳极及塔体保持干燥绝缘状态。湿电内部设置喷淋系统，定时对阴极线和阳极管进行冲洗。湿电系统主要设备清单见表6。

表6 湿电系统主要设备清单

3 运行案例分析

3.1 布袋除尘器

两套布袋除尘器均采用PPS+PTFE滤料，除尘器入口温度150 ℃，布袋除尘器进出口差压控制在800 Pa，通过脉冲喷吹方式进行清灰，保证系统的安全稳定运行。

3.2 脱硝系统

烟气NOx的主要组成是NO，初始浓度≤300 mg/Nm3。本项目调试过程中，考察O3与NO之间摩尔数的比值(O3/NO)变化对脱硝效率的影响，详见图2。从图2可知，随着反应系统中O3/NO增加，NO脱除率增加，当O3/NO增加到1.6时，脱硝效率达到90%。随后继续增加O3/NO，NO的脱除率几乎不在增加，并且将导致更多的臭氧泄漏及气溶胶形成。因此，实际运行过程中，基本将O3/NO控制在1.0～1.2之间。

图2 O3/NO对脱硝效率的影响

3.3 脱硫系统

本项目考虑更换煤种导致SO2浓度极端恶劣情况。故设计四层喷淋层，一层塔盘，四层集气环，保证系统的顺利达标排放。当SO2初始浓度≤600 mg/Nm3时，关闭一台循环泵，降低运行费用。吸收塔浆液pH值控制在5～6之间，脱硫系统内的氯离子控制在15000 mg/L以下，浆液密度控制在1100 kg/m3。脱硫系统内氯离子≥15000 mg/L时，需外排脱硫废水，保证脱硫系统的安全稳定运行。

3.4 湿电系统

湿式电除尘器对微细粉尘具有良好的去除效果，同时可解决有效解决SO3气溶胶问题。本项目调试过程中，考察不同电压下，O3/NO对湿电出口粉尘浓度的影响。从图3可以看出，粉尘出口浓度随着电压升高而降低。当电压为40 kV，O3/NO为1时，粉尘出口浓度能降低至2.8 mg/Nm3；相比之前，当电压为0 kV，O3/NO为1时，粉尘出口浓度为19.5 mg/Nm3。同时，从图3可以看出，当O3/NO从1.6上升至2.0时，粉尘出口浓度也极速增加。这可能是由于O3/NO的增加导致SO2与O3发生反应，在脱硫过程中形成SO3气溶胶颗粒，导致粉尘浓度增加。因此，实际运行过程中O3/NO基本控制在1.0～1.2之间。

图3 O3/NO对粉尘出口浓度的影响

4 结论

本项目结合中小型燃煤锅炉的烟气特点，经过一系列艺对比，采用布袋除尘器+臭氧脱硝+石灰石石膏法+湿式电除尘器净化工艺，处理后，SO2≤35 mg/Nm3，粉尘≤5 mg/m3，NOx≤50 mg/Nm3，满足超低排放要求。运行过程中考察O3与NO之间摩尔数的比值(O3/NO)对脱硝效率及湿电出口粉尘浓度的影响。结果发现，随着O3/NO的增加，脱硝效率增加，O3/NO大于1.6以后，脱硝效率不在增加，反而增加粉尘的出口浓度。